專利名稱：礦用本質安全型無線以太網(wǎng)移動通信終端的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種礦用通信設備，具體地說，是涉及一種礦用本質安全型無 線以太網(wǎng)移動通信終端。
背景技術：
煤炭是我國的重要能源，約占一次能源的7(W。我國煤礦95。/。以上是井工開 采，煤炭賦存條件差、開采深度深、瓦斯、煤塵、水災、火災、沖擊地壓、地 熱等困擾著煤炭工業(yè)的健康發(fā)展，煤炭行業(yè)一直是我國工礦企業(yè)中的高危行業(yè)。 分析原因，既有管理混亂、人員素質低、安全投入不足、科學研究薄弱等問題， 又有煤礦井下通信設備落后等問題。特別是煤礦井下發(fā)生事故后，井下人數(shù)不 詳、被困人員位置不清、被困人員生死不明是災后應急救援急切解決的問題。 因此，有必要研究抗災變能力強、具有人員位置監(jiān)測等多功能煤礦井下無線通 信系統(tǒng)。這對于保障煤礦安全生產(chǎn)，提高搶險救突裝備水平，減少或避免煤礦 事故所造成的人員傷亡具有重大的社會效益和經(jīng)濟效益。
煤礦井下是一個特殊的工作環(huán)境，因此，礦井移動通信系統(tǒng)不同于一般地 面移動通信系統(tǒng)，具有如下特點
(1) 本安型電氣設備。煤礦井下有曱烷等可燃性氣體和煤塵，因此移動通 信設備要求采用安全性能好的本質安全型防爆措施，煤礦的移動通信設備必須 有防爆許可證。
(2) 傳輸衰耗大。礦井縱橫可達幾十到上百公里，煤礦井下空間狹小、巷 道傾斜、有拐彎和分支、巷道表面粗糙，且有機車等阻擋體，傳輸衰耗大。所 以選用合適的技術方案、頻率和設計合理的結構，才能保證礦井移動通信系統(tǒng) 覆蓋全礦井。
(3) 設備體積小。煤礦井下空間狹小，礦井最大尺寸也就4m左右，而在這 狹小的空間內還架設了動力電纜、照明線，鋪設了水管、鐵軌。因此，移動通 信設備的體積不能很大，終端的天線長度不能太長。 (4)抗干擾能力強。井下空間窄小、機電設備相對集中、功率大，因此電 磁干擾嚴重。故設備應具有較強的抗干擾能力。在礦井中，自然輻射小，靜電 干擾小和人為發(fā)射電波干擾小，但50Hz和其諧波的干擾和電機車火花所造成的 千擾大。所以礦井移動通信系統(tǒng)在工作頻率選擇上應考慮這些干擾源，應盡量 選擇高頻或甚高頻作為系統(tǒng)工作頻率。同時網(wǎng)關在有線傳輸和電源設計上必須 考慮抗干擾的問題。
(5 )防護性能好。應有防塵、防水、防潮、防霉、耐才幾械沖擊等性能。特 別是手機的鍵盤、麥克和揚聲器設計時要特別考慮其防護能力。
(6)抗故障能力強。煤礦井下環(huán)境惡劣，頂板蜂落、機車脫軌等自然破壞 不可避免，同時人為破壞事件也時有發(fā)生。因此礦井移動通信系統(tǒng)應具有較強 的抗故障能力，當系統(tǒng)中某些設備發(fā)生故障時，其余非故障設備仍能繼續(xù)工作。 另外，系統(tǒng)還應該有快速修復能力。礦井移動通信系統(tǒng)的移動臺應有脫網(wǎng)工作 的能力。
(7)信道容量大。煤礦井下是一個移動的工作環(huán)境，現(xiàn)有有線調度電話受 到局限。隨著移動通信系統(tǒng)可靠性、通信質量的提高、功能的完善、成本的降 低，它將承擔全部生產(chǎn)調度與救災通信的任務，故需系統(tǒng)具有較大的信道容量。 礦井移動通信系統(tǒng)不僅應有通話和調度的功能，還應該有圖像、話音和傳感器 數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?。在信道容量設計時要考慮礦井將來的擴展。
由于煤礦井下的特殊性，制約了礦井移動通信系統(tǒng)的發(fā)展。迄今為止，還 沒有一個較為完善的礦井移動通信系統(tǒng)在井下應用。
迄今為止，我國煤礦井下主要以有線通信方式為主。國內外礦井無線通信 方式主要有漏泄通信、感應通信、透地通信、PHS(小靈通)通信、3G(大靈通) 通信系統(tǒng)等。
透地通信與感應通信系統(tǒng)存在著設備體積大、重量重、信道容量小、地面 設備功率大、地面天線布置困難、單向通信(地面向井下)等問題，因此不宜 用作煤礦井下無線通信系統(tǒng)。
漏泄通信系統(tǒng)存在著抗臾變能力差、大量的串聯(lián)中繼設備導致可靠性差、 系統(tǒng)不具備冗余功能等問題，通信終端存在功能單一、信道容量小的缺陷，因 此不宜作煤礦井下無線通信系統(tǒng)。
PHS(小靈通)通信系統(tǒng)與3G (大靈通)通信系統(tǒng)存在著基站控制器和基站非 本質安全型防爆、系統(tǒng)不具備冗余功能、抗突變能力差、井下基站至地面最大 通信距離不滿足井下通信10公里的要求、通信終端存在功能單一、信道容量小 等問題
發(fā)明內容
(說明書)
本發(fā)明所要解決的問題是提出 一種適合井下使用的本質安全型無線以太網(wǎng) 移動通信終端，具有無線以太網(wǎng)單?；騁SM與無線以太網(wǎng)雙模通訊才莫式，實現(xiàn)話 音、短信、網(wǎng)絡瀏覽與下載、圖片與4見頻播放、拍照與攝像、終端定位的本質 安全型無線以太網(wǎng)移動通信終端，以滿足目前井下對移動通信、人員定位與應 急救援的需求。解決了目前井下移動通信終端功能單一、信道窄、傳輸距離短、 抗干擾能力差的問題。
為解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案實現(xiàn)
本質安全型無線以太網(wǎng)移動通信終端滿足井下爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備 安全技術要求，所述終端由以下部分組成本質安全型數(shù)字電路、本質安全型 模擬電路、本質安全型RF前端、本質安全型電池與電源管理電路、天線與外殼； 話音信號通過模擬電路部分轉換成數(shù)字信號，再傳輸?shù)綌?shù)字電路部分，并按相 應的通信模式進行I/Q編碼輸入到射頻前端電路最終饋入到天線，由天線將信號 向空間輻射輸出；由天線接收到的信號經(jīng)由射頻前端解調處理后得到相應的I/Q 信號，再通過數(shù)字電路部分處理后，得到模擬話音電信號，最終通過模擬電路 部分轉換出話音信號，傳遞給收聽者，整個電路安裝在一個外殼中。
所述終端采用多;f莫式處理器實現(xiàn)GSM與無線以太網(wǎng)的雙;f莫通訊。
所述信終端，使用2. 4GHz無線以太網(wǎng)WiFi協(xié)議實現(xiàn)井下移動話音通信。
所述終端，內置有才聶像頭。
所述終端具有定位功能。
所述終端的中央處理器采用OMPA730處理器芯片實現(xiàn)。 所述終端的基帶處理器采用TWL3016處理器芯片實現(xiàn)。 所述本質安全型終端電池使用錳酸鋰或磷酸鐵鋰材料做電池芯。 所述終端的電池中采用電阻或恒流二極管串聯(lián)作為保護電路。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果在于
無線以太網(wǎng)技術具有高帶寬(108Mbps或54Mbps )、低成本、方便部署、功 能豐富、抗干擾能力強的優(yōu)勢，本質安全型無線以太網(wǎng)移動通信終端使得在礦 用井下的環(huán)境中得以應用無線以太網(wǎng)技術可以實現(xiàn)話音、短信、網(wǎng)絡瀏覽與下 栽、圖片與視頻播放、拍照與攝像、終端定位功能，滿足目前井下對移動通信、 人員定位與應急救援的需求。所述終端具有高帶寬、多功能、通話質量好、抗 干擾能力強、本質性安全的優(yōu)點。
說明書附圖


圖1是本質安全型無線以太網(wǎng)移動通信終端基本工作原理框圖
圖2是數(shù)字基帶基本工作原理框圖
圖3是模擬基帶基本工作原理框圖
圖4是RF前端電路基本工作原理框圖
圖5是無線以太網(wǎng)模塊引腳圖
圖6是PCB結構示意圖
圖7是本質安全型電池基本工作原理框圖
具體實施例方式
下列實施例將進一步說明本發(fā)明，實施例不應被視為限制本發(fā)明的范圍。 下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作詳細的說明
如圖1所示，本礦用本質安全型無線以太網(wǎng)移動通信終端通信終端包含有 GSM和WIFI兩種通信模式，所述終端采用TCS2600方案，該方案的組件包括
(1) .帶有集成的12類GSM/GPRS數(shù)字基帶和專用ARM926應用處理器的 OMAP730
(2) .具有全面電源管理功能的TWL3016模擬基帶
(3) .TRF6151四頻帶射頻^器
(4) . TCS2600具有安全性設計，它包含48KB安全ROM和16KB安全RAM, 配備專用NOR/NAND閃存和寫保護。真正的隨機數(shù)生成器(TRNG)對加密和認 證標準加以輔助。TCS2600芯片組的大量軟件模塊和硬件特性確保了安全的操
作模式，既保護了存儲在設備上的信息，又保護了內容和程序的所有權，其特 點為
(5) . GSM/GPRS調制解調器技術，EDGE可升級
(6) .設計包含Nokia Series 60平臺和Microsoft Windows Mobile 高級移動操作系統(tǒng)支持
(7) .與OMAP 處理器和應用的軟件兼容
(8) .高度集成，減小了智能電話B0M，減少了芯片數(shù)
(9) . FLASH上的內存保護和SDRAM接口
(10) .針對Java的硬件加速
(11) .完整的外設集:USB 0TG、 SD/MMC/SDI0、 Bluetooth 無線技術、專 用802. 11 a/b/g/高速鏈路、快速IrDA及其它
數(shù)字電路部分包括以0MAP730為核心的基帶處理電路(支持多協(xié)議的MAC十 基帶處理器+ Bus接口電路)、串行EEPR0M、 LEDs以及控制模擬電路部分和RF前 端的控制信號等。模擬電路部分包括以TWL3016模擬基帶處理電路、32MHz晶體、 DAC輸出濾波的基帶濾波器。本質安全型RF前端部分包括TRF6151 (Radio-on-a-Chip for 90(Tl800MHz GSM/GPRS )發(fā)送和接收通道、環(huán)路濾波 器(loop filter,),匹配電路，balun， LNA， RF3133 0PB (PA, output power booster),濾波器，以及RF開關B30144等，本質安全型電源管理器與電池部分 包括本質安全型電源管理器與電池。 工作流程如下
發(fā)送時，信號經(jīng)TWL3016模擬基帶和OMAP730 GSM/GPRS數(shù)字基帶調制解調 器中的MAC單元對數(shù)據(jù)進行加密和CRC校驗工作?；鶐幚砥鲗x數(shù)據(jù)扁AC中取 出，生成適于RF子系統(tǒng)(TRF6151)傳輸?shù)膸瑪?shù)據(jù)。幀形式的數(shù)據(jù)經(jīng)過一個DAC 轉換為模擬信號，經(jīng)基帶濾波器濾波后，送到TRF6151。 TRF6151對這個;f莫擬信 號進行放大，接著將這個信號上變頻到900MHz or 1800MHz頻段，再通過RF3133 功iH送出去。這個輸出信號通過匹配電路與PCB上的50歐姆阻抗RF線匹配，接 著使用一個平衡非平衡變壓器(balun)、橋式開關(bridge switch)和復用器 (diplexer) /低通濾波器(LPF )將這個平衡的差分信號，變換為非平衡的單 端信號送到天線發(fā)射出去。
在接收才莫式下(GSM/GPRS),天線接收到900MHz or 1800MHz的RF信號，這 個單端信號經(jīng)過帶通濾波器(BPF)、復用器(diplexer)，橋式開關(bridge switch),并轉換成平衡的差分信號，送到TRF6151的片上低噪放(LNA)。再由 TRF6151的片內的RF和IF混頻器(mixer)下變頻為基帶信號并送到放大級進行 放大。信號經(jīng)過一個A/D變換器變換為數(shù)字信號I/Q,最后輸入到OMAP730 GSM/GPRS數(shù)字基帶調制解調器和TWL3016模擬基帶中完成信號的最終處理。
如圖2所示，終端的核心中央處理器采用OMAP730高性能嵌如式處理器。 OMAP730是一款單芯片，集成了適用于應用處理的ARM926EJ-S內核以及TI 的GSM/GPRS數(shù)字基帶調制解調器。OMAP730在使手機和智能電話的待機時間 延長了 一倍的同時，也使應用性能比上一代增強了 一倍。
通過集成40個片上外設，基于OMAP730的設計所需要的板級空間大約僅 為其上一代的一半。這樣不僅降低了系統(tǒng)的總體成本，而且還為附加功能留出 了板級空間。另一個特性是SRAM幀緩沖，它可以提高流4某體速度及應用性能。 其它功能包括Java 加速處理、Web瀏覽、個人信息管理(PIM)應用、定位 服務等。
OMAP730處理器還提供了功能全面的硬件安全子系統(tǒng)。該處理器包括安全 啟動器、安全搡作模式、安全RAM和ROM以及適用于多個安全標準的硬件加 速器。OMAP730處理器是TCS2600 GPRS芯片組解決方案的一項核心內容。
OMAP730特性 CMOS技術
(1) .低壓UOnm技術
(2) .- 1. 5V內核，1. 8 — 2. 75V 10
(3) .待機模式時耗電低于10pA
(4) 分別為應用處理、數(shù)字基帶和實時時鐘提供獨立電源，便于對功耗進行 精確控制
(5) 時鐘和電源管理需要頻率分別為13MHz和32kHz的兩個時鐘 ARM926TEJ內核子系統(tǒng)
(1).20麵z (最高頻率)的ARM926EJ-S V5架構
(2) . 16kB指令緩存；8kB數(shù)據(jù)緩存
(3) .硬件Java加速
(4) .多J^體指令集架構(ISA)擴展 GSM/GPRS數(shù)字基帶子系統(tǒng)
(1) .基于ROM的GPRS Class 12 DBB
(2) . EDGE協(xié)處理器的E-GPRS接口
(3) . 384KB內置SRAM
(4) E-0TD和TTY支持
(5) .EFR、 FR、 HR和AMR四速率聲碼器
(6) . GSM超低功耗器件(ULPD)
(7) . SIM接口
應用子系統(tǒng)支持所有主流操作系統(tǒng)
(1) .具有4個物理通道、17個邏輯通道以及一個專用2D圖形引擎的DMA
(2) .可編程GPIO鍵盤接口
(3) . 54Mbps WLAN接口
(4) .硬件中的安全加速 -安全啟動器
-48kB安全ROM -16kB安全RAM
-安全標準和隨機數(shù)生成器的硬件加速 -芯片ID單元 -第三方安全軟件庫
(5) .增強型音頻控制器(EAC)
(6) 內存控制器，可連接 -12脂B移動SDRAM -256MB閃存 -NAND閃存控制器 -1.6Mb ISRAM
(7) . SD/MMC/SDIO接口(8) .用于調試的增強跟蹤模塊
(9) . LCD控制器
(10) .uWire
(11) .SPI
(12) . 1線和HDQ接口
(13) .藍牙數(shù)據(jù)/音頻接口
(14) . USB OTG
(15) .兩個高速3. 68MHz UART
(16) .'決速IrDA (FIR)
(17) .兩個32位計時器
(18) .并行攝像頭端口
(19) .可編程三色LED脈沖生成
(20) . I C主/從控制器
(21) .智能卡接口 器件封裝形式
289焊3求、12mm x 12mm MicroStar BGA 封裝
如圖3所示，模擬基帶核心是TWL3016模擬基帶處理電路 TWL3016模擬基帶將所有模擬和電源管理功能集成在一個芯片上。通過斷 電休眠模式，TWL3016可延長系統(tǒng)的待機時間，從而有助于TCSUOO提供的整 體省電性。此設備還包括一個用于MP3音樂等應用的D/A轉換器和用于免提 揚聲電話操作的8-'/2^t大器。 主要特性
(1) .集成高保真音頻DAC
(2) .集成免提和耳機放大器
(3) .整體TCS2600時鐘輸入減少50%
如圖4所示，RF前端電路包含TRF6151、 RF3133。 TRF6151提供GSM/GPRS接 收功能，作為TCS2700芯片組的一部分。它是支持四頻帶的單芯片收發(fā)器，基 于直接轉換(DC)架構。此設備將多個外部組件組合在一起，以降低射頻子系 統(tǒng)(包括聲碼器和聲碼器槽)的復雜性、部件數(shù)和成本。通過將先前的幾個外 部濾波器件集成在一起，TRF6151的DC架構使制造商的BOM相對于具有超外 差架構的射頻器件減少了大約30%。 主要特性
(1) .支持四頻帶的單芯片收發(fā)器
(2) .直接轉換架構
(3) .與GPRS Classl2/CS4兼容
(4) .聲碼器和聲碼器槽的全面集成
(5) .集成穩(wěn)壓器、PA控制環(huán)、PLL環(huán)路濾波器和VCXO
(6) . N頻率合成器
7mm x 7mm， 48引腳QFP封裝
如圖5所示，在WIFI通信模式時，為簡化電路降低成本，采用了WLAN6100EB 模塊，WLAN天線型號為2450AT45A100,功能切換由OMAP730和TWL3016在軟件支 持下完成。
具體實施例方式
(1) .數(shù)字部分
詳見OMAP730的datasheet和相應軟件部分
(2) .模擬部分
詳見TWL3016模擬基帶的datasheet。
(3) .RF前端電路
RF開關RF開關有兩個作用1)頻段切換，2 )橋式開關(bridge switch) 用于天線連接接收和發(fā)送信號通路中的一個。
濾波器低通濾波器(LPF)由三個串并聯(lián)接的電容電感部分組成。其目的 是將OPB的二次(H2)和三次(H3)諧波衰減20dB。此濾波器的插入損耗控制在 0. 3dB以下。
平衡非平衡變壓器(balun)和RF開關由于天線為非平衡電路，PA和LNA為
平衡輸入輸出電路，同時要完成收發(fā)通路的切換，采用專用器件B30144完成。
低噪放LNA:在RF前端中接收通道都使用了附加的LNA，以增加靈敏度，提高 性能。該部分在TRF6151芯片內部。
PA檢測器(Detector):檢測器(Detector)基于Alpha的零偏置肖特基二 極管。輸入端的RL網(wǎng)絡提供阻抗匹配和地回流路徑，輸出端的RC網(wǎng)絡完成整流 和設定時間常數(shù)。這個檢測器(Detector)具有超過20dB的動態(tài)范圍，響應波 動范圍在ldB之內，非常平坦。
輸出功率提升器(OPB-Output Power Booster) :RF前端的發(fā)射通道采用 了0PB，用于提高增益和性能。使用RFMD公司的RF3133,內部采用雙頻設計，支 持GPRS CLASS 12等級，最大功率輸出為35dBm，單3. 3V供電，只需要很少的外 部匹配元件。
雙波段天線(Dual Band Antennae):設計^吏用一個900MHz及1800MHz的雙 波段天線(Dual Band Antennae),為單極天線，水平增益0dBi。
RF扼流圏(Chokes ):在高頻時，電感器實際上相當于一個并聯(lián)諧振電路， 與理想特性相差甚遠，必須根據(jù)廠家提供的器件S參數(shù)或經(jīng)驗測量數(shù)據(jù)進行設 計。其容性分量與封裝和采用技術有關，封裝尺寸越大，容性分量越大。對于 0603封裝來說，在5GHz頻率，并聯(lián)諧振電路的值為6-8nH,對于0402封裝來說 并聯(lián)諧振電路的值為10-12nH。對于2GHz頻段，0402封裝的可以使用27nH的值。 在參考設計中，避免使用高Q值電感。在并聯(lián)諧振回路使用多層類型的電感器， 在Diplexer，使用精度高、重復性好的TFT電感器。
PCB Stack如圖6所示
(1) .參考設計中，所有元件均安裝在頂層(top side )
(2) .4層PCB板，厚31mil
(3) .電源平面和地平面loz Cu Foil
(4) .頂層和底層信號層0. 5oz Cu Foil
(5) .頂層和地平面層之間必須保證10mi l距離，保證RF參數(shù)準確
如圖7所示，使用錳酸鋰或磷酸鐵鋰材料做電池芯的本質安全型終端電池, 電池中采用電阻或恒流二極管串聯(lián)作為保護電路。
權利要求
1. 一種礦用本質安全型無線以太網(wǎng)移動通信終端，其特征在于所述終端滿足井下爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備安全技術要求，所述終端由以下部分組成本質安全型數(shù)字電路、本質安全型模擬電路、本質安全型RF前端、本質安全型電池與電源管理電路、天線與外殼；話音信號通過模擬電路部分轉換成數(shù)字信號，再傳輸?shù)綌?shù)字電路，并按相應的通信模式進行I/Q編碼輸入到射頻前端電路最終饋入到天線，由天線將信號向空間輻射輸出；由天線接收到的信號經(jīng)由射頻前端解調處理后得到相應的I/Q信號，再通過數(shù)字電路部分處理后，得到模擬話音電信號，最終通過模擬電路部分轉換出話音信號，傳遞給收聽者，整個電路安裝在一個外殼中。
2. 根據(jù)權利要求l所述的本質安全型無線以太網(wǎng)移動通信終端，其特征在于 采用多模式處理器實現(xiàn)GSM網(wǎng)絡與無線以太網(wǎng)的雙模通訊。
3. 根據(jù)權利要求l所述的本質安全型無線以太網(wǎng)移動通信終端，其特征在于 使用2. 4GHz無線以太網(wǎng)IEEE802. ll協(xié)議實現(xiàn)井下移動話音通信。>
4. 根據(jù)權利要求l所述的本質安全型無線以太網(wǎng)移動通信終端，其特征在于 所述終端內置有攝像頭。
5. 根據(jù)權利要求l所述的本質安全型無線以太網(wǎng)移動通信終端，其特征在于 所述終端具有定位功能。
6. 根據(jù)權利要求2所述的本質安全型無線以太網(wǎng)移動通信終端，其特征在于 中央處理器采用OMPA730處理器芯片實現(xiàn)。
7. 根據(jù)權利要求2所述的本質安全型無線以太網(wǎng)移動通信終端，其特征在于 基帶處理器采用TWL3016處理器芯片實現(xiàn)。
8. 根據(jù)權利要求1或2所述的本質安全型無線以太網(wǎng)移動通信終端，其特征 在于所述本質安全型終端電池使用錳酸鋰或磷酸鐵鋰材料做電池芯。
9. 根據(jù)權利要求1或2所述的本質安全型無線以太網(wǎng)移動通信終端，其特征 在于電池中采用電阻或恒流二極管串聯(lián)作為保護電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種礦用本質安全型無線以太網(wǎng)移動通信終端，所述終端滿足井下爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備安全技術要求，所述終端由以下部分組成本質安全型數(shù)字電路、模擬電路、RF前端、電池與電源管理電路以及天線與外殼；話音信號通過模擬電路轉換成數(shù)字信號，再傳輸?shù)綌?shù)字電路，并按相應的通信模式進行I/Q編碼輸入到射頻前端電路最終饋入到天線，由天線將信號向空間輻射輸出；由天線接收到的信號經(jīng)由射頻前端解調處理后得到相應的I/Q信號，再通過數(shù)字電路處理后，得到模擬話音電信號，最終通過模擬電路轉換出話音信號，傳遞給收聽者，整個電路安裝在一個外殼中。所述終端具有GSM與無線以太網(wǎng)雙模通訊模式，可以實現(xiàn)話音、短信、網(wǎng)絡瀏覽與下載、圖片與視頻播放、拍照與攝像、終端定位功能。
文檔編號H04B1/38GK101394618SQ20071012212
公開日2009年3月25日 申請日期2007年9月21日 優(yōu)先權日2007年9月21日
發(fā)明者孫繼平, 鋒 張 申請人:中國礦業(yè)大學(北京);中電廣通股份有限公司