熊永峰

（美國派賽有限公司上海代表處，上海 200001）

1 系統(tǒng)方案設(shè)計與工作原理

本文介紹一個簡易的嵌入式設(shè)備的系統(tǒng)，主要由Mini PCI-e總線接口的全網(wǎng)通4G無線通信模塊、52 PIN的Mini PCI-e連接器、700～2 700 MHz全頻段天線、兩顆四路雙向模擬開關(guān)、帶靜電保護(hù)電路的兩張SIM卡/卡座和單片機(jī)MCU或主芯片的基帶電路等部分組成[1]。圖1為嵌入式設(shè)備的系統(tǒng)方框圖。

從嵌入式設(shè)備的系統(tǒng)方框圖可以看出，全網(wǎng)通4G無線通信模塊通過Mini PCI-e總線接口與52 PIN的連接器相連；上行經(jīng)由天線接入運(yùn)營商基站；下行連接兩顆四路雙向模擬開關(guān)，分別各連接一張SIM卡；單片機(jī)MCU的一路I/O接口控制四路雙向模擬開關(guān)的使能，并通過USB接口與4G無線通信模塊進(jìn)行指令通信。

本文主要介紹的雙路SIM卡的切換電路的關(guān)鍵器件為兩顆四路雙向模擬開關(guān)。通過單片機(jī)MCU的I/O接口分別控制四路雙向模擬開關(guān)器件的使能引腳，導(dǎo)通或關(guān)斷與后級SIM卡的連通。當(dāng)?shù)谝活w四路雙向模擬開關(guān)器件的使能引腳為高電平，與SIM卡1處于導(dǎo)通狀態(tài)時；第二顆四路雙向模擬開關(guān)器件的使能引腳為低電平，與SIM卡2處于關(guān)斷狀態(tài)。切換第一顆四路雙向模擬開關(guān)器件的使能引腳的電平，當(dāng)?shù)谝活w四路雙向模擬開關(guān)器件的使能引腳為低電平，與SIM卡1處于關(guān)斷狀態(tài)時；第二顆四路雙向模擬開關(guān)器件的使能引腳為高電平，與SIM卡2處于導(dǎo)通狀態(tài)。

當(dāng)4G無線通信模塊識別了SIM卡后，通過程序進(jìn)行撥號，與附近的運(yùn)營商基站建立網(wǎng)絡(luò)連接，并完成數(shù)據(jù)交互等通信。兩張SIM卡作為主卡、副卡形成雙備份，共用同一個4G無線通信模塊，以達(dá)到提高嵌入式設(shè)備接入運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的可靠性的目的。同時，Mini PCI-e連接器的連接結(jié)構(gòu)可以確保非常方便的拆卸及更換4G無線通信模塊，極大地減少嵌入式設(shè)備的管理和維修成本。

2 雙路SIM卡的切換電路的硬件設(shè)計與功能實(shí)現(xiàn)

本章節(jié)將分為3個部分來詳細(xì)介紹雙路SIM卡的切換電路的硬件設(shè)計與功能實(shí)現(xiàn)，包括四路雙向模擬開關(guān)的使用控制的電路設(shè)計、SIM卡的選通控制電路設(shè)計、SIM卡座的靜電保護(hù)電路。雙路SIM卡的切換電路的硬件設(shè)計如圖2所示。

圖1 嵌入式設(shè)備的系統(tǒng)方框圖

2.1 四路雙向模擬開關(guān)使能控制的電路設(shè)計

信號SIM_EN1和SIM_EN2分別為二顆四路雙向模擬開關(guān)器件U11和U13（型號為74HC4066D）的使能引腳的控制信號。其中SIM_EN2為單片機(jī)MCU的I/O信號，SIM_EN1為利用三極管Q10（型號為MMBT3904）的導(dǎo)通特性搭建出來的SIM_EN2的反向信號。當(dāng)SIM_EN2為低電平時，SIM_EN1則為高電平；當(dāng)SIM_EN2為高電平時，SIM_EN1則為低電平。只使用單路I/O信號的好處是SIM_EN1信號和SIM_EN2信號一直處于反向狀態(tài)，防止MCU中的程序出現(xiàn)錯誤，而且能夠節(jié)約MCU的一路I/O管腳。

電阻R24的作用為硬件控制SIM_EN2的初始電平為低電平，即SIM_EN1的初始電平為高電平。當(dāng)單片機(jī)MCU正常供電并啟動程序后，之后由MCU的程序接管，根據(jù)需要通過MCU的程序來控制SIM_EN2的高電平或低電平狀態(tài)。

2.2 SIM卡的選通控制電路設(shè)計與功能實(shí)現(xiàn)

四路雙向模擬開關(guān)器件U11和U13的4個輸入引腳和4個輸出引腳的導(dǎo)通或關(guān)斷分別由4個使能引腳分別獨(dú)立控制。其真值表為使能引腳為高電平時，對應(yīng)的輸入引腳和輸出引腳為導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)使能引腳為低電平時，對應(yīng)的輸入引腳和輸出引腳為關(guān)斷狀態(tài)。本設(shè)計電路中的每顆四路雙向模擬開關(guān)器件的四路使能引腳由SIM_EN1信號或SIM_EN2信號集中控制。

圖2 雙路SIM卡的切換電路的硬件設(shè)計

嵌入式設(shè)備上電后，器件U11的使能引腳SIM_EN1信號默認(rèn)為高電平狀態(tài)，此時器件U11的四路輸入引腳和輸出引腳處于導(dǎo)通狀態(tài)，4G無線通信模塊（型號為EC20 R2.0 Mini PCIe-C）通過連接器CON100與SIM卡座器件U10中的SIM卡1進(jìn)行身份識別，驗(yàn)證通過后再與附近的運(yùn)營商基站進(jìn)行撥號連接。而SIM_EN2信號則為低電平，器件U13的四路輸入引腳和輸出引腳處于關(guān)斷狀態(tài)。單片機(jī)MCU中的軟件程序可以設(shè)置自動切換SIM卡的特殊機(jī)制，當(dāng)SIM卡座器件U10中的SIM卡與運(yùn)營商基站連接失敗后，再進(jìn)行撥號三次，每次撥號的中間間隔時間設(shè)定為10 s。如果還是連接失敗，則自動切換SIM_EN1信號為低電平狀態(tài)，SIM_EN2信號轉(zhuǎn)換為高電平，器件U13的四路輸入引腳和輸出引腳處于導(dǎo)通狀態(tài)，4G無線通信模塊就會與SIM卡座器件U12中的SIM卡進(jìn)行身份識別，驗(yàn)證通過后再與附近的運(yùn)營商基站進(jìn)行撥號連接。而SIM_EN1信號則為低電平，器件U11的四路輸入引腳和輸出引腳處于關(guān)斷狀態(tài)。

此外，軟件程序還可以根據(jù)使用場景對嵌入式設(shè)備設(shè)置重新啟動的機(jī)制。當(dāng)兩張SIM卡都不在線，并重復(fù)撥號失敗的情況下，可以設(shè)置自動對嵌入式設(shè)備進(jìn)行重新啟動的操作，并再次嘗試自動恢復(fù)撥號連接等。

2.3 SIM卡座的靜電保護(hù)電路設(shè)計

SIM卡座的靜電保護(hù)電路的作用是SIM卡座在插入或拔出SIM卡時，所產(chǎn)生的脈沖尖峰電壓或靜電電壓通過保護(hù)電路來釋放。此功能由瞬態(tài)電壓抑制TVS管器件U14和U15（型號為SRV05-4）來實(shí)現(xiàn)。TVS管最顯著的特點(diǎn)之一就是響應(yīng)速度極快、瞬態(tài)功率大，在瞬時脈沖還沒有對被保護(hù)器件造成損傷前就被有效的遏制；其次是截止電壓比較低，非常適用于低電壓的回路環(huán)境；最后是較低的結(jié)電容和漏電流值，在處理高速率傳導(dǎo)回路的靜電沖擊時性能更好。

瞬態(tài)電壓抑制TVS管器件U14和U15的封裝為SOT-23-6L，尺寸很小。在設(shè)計印刷電路PCB板時需要擺放在靠近SIM卡座的位置，四路接口信號線和接地線優(yōu)先連接到器件U14和U15，然后再進(jìn)入回路中的其他電路，可以確保非常良好的防靜電性能，完全滿足嵌入式設(shè)備對靜電保護(hù)電路的要求。

3 雙路SIM卡的切換電路的設(shè)計驗(yàn)證

本文設(shè)計的雙路SIM卡的切換電路，加上其他的電路功能，成功的運(yùn)用在了某一個工業(yè)級路由器產(chǎn)品當(dāng)中。此款工業(yè)級路由器產(chǎn)品以高通公司的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)主芯片AR9344為平臺設(shè)計而成，上行通過全網(wǎng)通4G無線通信模塊連接運(yùn)營商的4G/3G/2G等制式的通信網(wǎng)絡(luò)，下行通過有線以太網(wǎng)RJ45接口和2.4 GHz無線Wi-Fi信號進(jìn)行本地覆蓋，實(shí)現(xiàn)4G信號轉(zhuǎn)無線Wi-Fi及有線以太網(wǎng)等功能。

該款工業(yè)級路由器產(chǎn)品成功實(shí)現(xiàn)了4G無線通信模塊與兩張不同運(yùn)營商的SIM卡的切換控制，并支持1.8 V和3.3 V兩種不同電平類型的SIM卡，成功連接上附近的不同的運(yùn)營商基站，完成網(wǎng)絡(luò)注冊并順利接入因特網(wǎng)。工業(yè)級路由器產(chǎn)品應(yīng)用于各種不同的應(yīng)用場景，如數(shù)據(jù)采集、道路監(jiān)控、地下管廊環(huán)境監(jiān)測等。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計的嵌入式設(shè)備的雙路SIM卡的切換電路，完全可以應(yīng)用于各種嵌入式設(shè)備中，幫助嵌入式設(shè)備順利接入運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信等功能。同時，本文設(shè)計的切換電路，關(guān)鍵元器件的硬件成本低廉、可生產(chǎn)性極強(qiáng)、可靠性能高，是一種性價比極高的硬件設(shè)計方案。希望本文介紹的用于嵌入式設(shè)備的雙路SIM卡的切換電路設(shè)計，能夠給業(yè)內(nèi)的設(shè)計人員拓展思路，帶來進(jìn)一步的思考和借鑒，共同促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展。