CN101394618A - 矿用本质安全型无线以太网移动通信终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿用本质安全型无线以太网移动通信终端，所述终端满足井下爆炸性气体环境用电气设备安全技术要求，所述终端由以下部分组成：本质安全型数字电路、模拟电路、RF前端、电池与电源管理电路以及天线与外壳；话音信号通过模拟电路转换成数字信号，再传输到数字电路，并按相应的通信模式进行I/Q编码输入到射频前端电路最终馈入到天线，由天线将信号向空间辐射输出；由天线接收到的信号经由射频前端解调处理后得到相应的I/Q信号，再通过数字电路处理后，得到模拟话音电信号，最终通过模拟电路转换出话音信号，传递给收听者，整个电路安装在一个外壳中。所述终端具有GSM与无线以太网双模通讯模式，可以实现话音、短信、网络浏览与下载、图片与视频播放、拍照与摄像、终端定位功能。

Description

矿用本质安全型无线以太网移动通信终端

所属技术领域

本发明涉及一种矿用通信设备，具体地说，是涉及一种矿用本质安全型无线以太网移动通信终端。

背景技术

煤炭是我国的重要能源，约占一次能源的70％。我国煤矿95％以上是井工开采，煤炭赋存条件差、开采深度深、瓦斯、煤尘、水灾、火灾、冲击地压、地热等困扰着煤炭工业的健康发展，煤炭行业一直是我国工矿企业中的高危行业。分析原因，既有管理混乱、人员素质低、安全投入不足、科学研究薄弱等问题，又有煤矿井下通信设备落后等问题。特别是煤矿井下发生事故后，井下人数不详、被困人员位置不清、被困人员生死不明是灾后应急救援急切解决的问题。因此，有必要研究抗灾变能力强、具有人员位置监测等多功能煤矿井下无线通信系统。这对于保障煤矿安全生产，提高抢险救灾装备水平，减少或避免煤矿事故所造成的人员伤亡具有重大的社会效益和经济效益。

煤矿井下是一个特殊的工作环境，因此，矿井移动通信系统不同于一般地面移动通信系统，具有如下特点：

(1)本安型电气设备。煤矿井下有甲烷等可燃性气体和煤尘，因此移动通信设备要求采用安全性能好的本质安全型防爆措施，煤矿的移动通信设备必须有防爆许可证。

(2)传输衰耗大。矿井纵横可达几十到上百公里，煤矿井下空间狭小、巷道倾斜、有拐弯和分支、巷道表面粗糙，且有机车等阻挡体，传输衰耗大。所以选用合适的技术方案、频率和设计合理的结构，才能保证矿井移动通信系统覆盖全矿井。

(3)设备体积小。煤矿井下空间狭小，矿井最大尺寸也就4m左右，而在这狭小的空间内还架设了动力电缆、照明线，铺设了水管、铁轨。因此，移动通信设备的体积不能很大，终端的天线长度不能太长。

(4)抗干扰能力强。井下空间窄小、机电设备相对集中、功率大，因此电磁干扰严重。故设备应具有较强的抗干扰能力。在矿井中，自然辐射小，静电干扰小和人为发射电波干扰小，但50Hz和其谐波的干扰和电机车火花所造成的干扰大。所以矿井移动通信系统在工作频率选择上应考虑这些干扰源，应尽量选择高频或甚高频作为系统工作频率。同时网关在有线传输和电源设计上必须考虑抗干扰的问题。

(5)防护性能好。应有防尘、防水、防潮、防霉、耐机械冲击等性能。特别是手机的键盘、麦克和扬声器设计时要特别考虑其防护能力。

(6)抗故障能力强。煤矿井下环境恶劣，顶板垮落、机车脱轨等自然破坏不可避免，同时人为破坏事件也时有发生。因此矿井移动通信系统应具有较强的抗故障能力，当系统中某些设备发生故障时，其余非故障设备仍能继续工作。另外，系统还应该有快速修复能力。矿井移动通信系统的移动台应有脱网工作的能力。

(7)信道容量大。煤矿井下是一个移动的工作环境，现有有线调度电话受到局限。随着移动通信系统可靠性、通信质量的提高、功能的完善、成本的降低，它将承担全部生产调度与救灾通信的任务，故需系统具有较大的信道容量。矿井移动通信系统不仅应有通话和调度的功能，还应该有图像、话音和传感器数据传输的能力。在信道容量设计时要考虑矿井将来的扩展。

由于煤矿井下的特殊性，制约了矿井移动通信系统的发展。迄今为止，还没有一个较为完善的矿井移动通信系统在井下应用。

迄今为止，我国煤矿井下主要以有线通信方式为主。国内外矿井无线通信方式主要有漏泄通信、感应通信、透地通信、PHS(小灵通)通信、3G(大灵通)通信系统等。

透地通信与感应通信系统存在着设备体积大、重量重、信道容量小、地面设备功率大、地面天线布置困难、单向通信(地面向井下)等问题，因此不宜用作煤矿井下无线通信系统。

漏泄通信系统存在着抗灾变能力差、大量的串联中继设备导致可靠性差、系统不具备冗余功能等问题，通信终端存在功能单一、信道容量小的缺陷，因此不宜作煤矿井下无线通信系统。

PHS(小灵通)通信系统与3G(大灵通)通信系统存在着基站控制器和基站非本质安全型防爆、系统不具备冗余功能、抗灾变能力差、井下基站至地面最大通信距离不满足井下通信10公里的要求、通信终端存在功能单一、信道容量小等问题。

发明内容(说明书)

本发明所要解决的问题是提出一种适合井下使用的本质安全型无线以太网移动通信终端，具有无线以太网单模或GSM与无线以太网双模通讯模式，实现话音、短信、网络浏览与下载、图片与视频播放、拍照与摄像、终端定位的本质安全型无线以太网移动通信终端，以满足目前井下对移动通信、人员定位与应急救援的需求。解决了目前井下移动通信终端功能单一、信道窄、传输距离短、抗干扰能力差的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案实现：

本质安全型无线以太网移动通信终端满足井下爆炸性气体环境用电气设备安全技术要求，所述终端由以下部分组成：本质安全型数字电路、本质安全型模拟电路、本质安全型RF前端、本质安全型电池与电源管理电路、天线与外壳；话音信号通过模拟电路部分转换成数字信号，再传输到数字电路部分，并按相应的通信模式进行I/Q编码输入到射频前端电路最终馈入到天线，由天线将信号向空间辐射输出；由天线接收到的信号经由射频前端解调处理后得到相应的I/Q信号，再通过数字电路部分处理后，得到模拟话音电信号，最终通过模拟电路部分转换出话音信号，传递给收听者，整个电路安装在一个外壳中。

所述终端采用多模式处理器实现GSM与无线以太网的双模通讯。

所述信终端，使用2.4GHz无线以太网WiFi协议实现井下移动话音通信。

所述终端，内置有摄像头。

所述终端具有定位功能。

所述终端的中央处理器采用OMPA730处理器芯片实现。

所述终端的基带处理器采用TWL3016处理器芯片实现。

所述本质安全型终端电池使用锰酸锂或磷酸铁锂材料做电池芯。

所述终端的电池中采用电阻或恒流二极管串联作为保护电路。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

无线以太网技术具有高带宽(108Mbps或54Mbps)、低成本、方便部署、功能丰富、抗干扰能力强的优势，本质安全型无线以太网移动通信终端使得在矿用井下的环境中得以应用无线以太网技术可以实现话音、短信、网络浏览与下载、图片与视频播放、拍照与摄像、终端定位功能，满足目前井下对移动通信、人员定位与应急救援的需求。所述终端具有高带宽、多功能、通话质量好、抗干扰能力强、本质性安全的优点。

说明书附图

图1是本质安全型无线以太网移动通信终端基本工作原理框图

图2是数字基带基本工作原理框图

图3是模拟基带基本工作原理框图

图4是RF前端电路基本工作原理框图

图5是无线以太网模块引脚图

图6是PCB结构示意图

图7是本质安全型电池基本工作原理框图

具体实施方式

下列实施例将进一步说明本发明，实施例不应被视为限制本发明的范围。下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细的说明：

如图1所示，本矿用本质安全型无线以太网移动通信终端通信终端包含有GSM和WIFI两种通信模式，所述终端采用TCS2600方案，该方案的组件包括：

(1).带有集成的12类GSM/GPRS数字基带和专用ARM926应用处理器的OMAP730

(2).具有全面电源管理功能的TWL3016模拟基带

(3).TRF6151四频带射频收发器

(4).TCS2600具有安全性设计，它包含48KB安全ROM和16KB安全RAM，配备专用NOR/NAND闪存和写保护。真正的随机数生成器(TRNG)对加密和认证标准加以辅助。TCS2600芯片组的大量软件模块和硬件特性确保了安全的操作模式，既保护了存储在设备上的信息，又保护了内容和程序的所有权，其特点为：

(5).GSM/GPRS调制解调器技术，EDGE可升级

(6).设计包含Nokia Series 60平台和Microsoft

Windows Mobile

高级移动操作系统支持

(7).与OMAP处理器和应用的软件兼容

(8).高度集成，减小了智能电话BOM，减少了芯片数

(9).FLASH上的内存保护和SDRAM接口

(10).针对Java的硬件加速

(11).完整的外设集：USB OTG、SD/MMC/SDIO、Bluetooth

无线技术、专用802.11a/b/g/高速链路、快速IrDA及其它

数字电路部分包括以OMAP730为核心的基带处理电路(支持多协议的MAC+基带处理器+Bus接口电路)、串行EEPROM、LEDs以及控制模拟电路部分和RF前端的控制信号等。模拟电路部分包括以TWL3016模拟基带处理电路、32MHz晶体、DAC输出滤波的基带滤波器。本质安全型RF前端部分包括TRF6151(Radio-on-a-Chip for900^-1800MHz GSM/GPRS)发送和接收通道、环路滤波器(loop filter，)，匹配电路，balun，LNA，RF3133OPB(PA，output powerbooster)，滤波器，以及RF开关B30144等，本质安全型电源管理器与电池部分包括本质安全型电源管理器与电池。

工作流程如下：

发送时，信号经TWL3016模拟基带和OMAP730 GSM/GPRS数字基带调制解调器中的MAC单元对数据进行加密和CRC校验工作。基带处理器将Tx数据从MAC中取出，生成适于RF子系统(TRF6151)传输的帧数据。帧形式的数据经过一个DAC转换为模拟信号，经基带滤波器滤波后，送到TRF6151。TRF6151对这个模拟信号进行放大，接着将这个信号上变频到900MHz or 1800MHz频段，再通过RF3133功放发送出去。这个输出信号通过匹配电路与PCB上的50欧姆阻抗RF线匹配，接着使用一个平衡非平衡变压器(balun)、桥式开关(bridge switch)和复用器(diplexer)/低通滤波器(LPF)将这个平衡的差分信号，变换为非平衡的单端信号送到天线发射出去。

在接收模式下(GSM/GPRS)，天线接收到900MHz or 1800MHz的RF信号，这个单端信号经过带通滤波器(BPF)、复用器(diplexer)，桥式开关(bridgeswitch)，并转换成平衡的差分信号，送到TRF6151的片上低噪放(LNA)。再由TRF6151的片内的RF和IF混频器(mixer)下变频为基带信号并送到放大级进行放大。信号经过一个A/D变换器变换为数字信号I/Q，最后输入到OMAP730GSM/GPRS数字基带调制解调器和TWL3016模拟基带中完成信号的最终处理。

如图2所示，终端的核心中央处理器采用OMAP730高性能嵌如式处理器。

OMAP730是一款单芯片，集成了适用于应用处理的ARM926EJ-S内核以及TI的GSM/GPRS数字基带调制解调器。OMAP730在使手机和智能电话的待机时间延长了一倍的同时，也使应用性能比上一代增强了一倍。

通过集成40个片上外设，基于OMAP730的设计所需要的板级空间大约仅为其上一代的一半。这样不仅降低了系统的总体成本，而且还为附加功能留出了板级空间。另一个特性是SRAM帧缓冲，它可以提高流媒体速度及应用性能。其它功能包括Java加速处理、Web浏览、个人信息管理(PIM)应用、定位服务等。

OMAP730处理器还提供了功能全面的硬件安全子系统。该处理器包括安全启动器、安全操作模式、安全RAM和ROM以及适用于多个安全标准的硬件加速器。OMAP730处理器是TCS2600 GPRS芯片组解决方案的一项核心内容。

OMAP730特性：

CMOS技术：

(1).低压130nm技术

(2).-1.5V内核，1.8-2.75V IO

(3).待机模式时耗电低于10μA

(4)分别为应用处理、数字基带和实时时钟提供独立电源，便于对功耗进行精确控制

(5)时钟和电源管理：需要频率分别为13MHz和32kHz的两个时钟

ARM926TEJ内核子系统：

(1).200MHz(最高频率)的ARM926EJ-S V5架构

(2).16kB指令缓存；8kB数据缓存

(3).硬件Java加速

(4).多媒体指令集架构(ISA)扩展

GSM/GPRS数字基带子系统

(1).基于ROM的GPRS Class 12 DBB

(2).EDGE协处理器的E-GPRS接口

(3).384KB内置SRAM

(4)E-OTD和TTY支持

(5).EFR、FR、HR和AMR四速率声码器

(6).GSM超低功耗器件(ULPD)

(7).SIM接口

应用子系统支持所有主流操作系统：

(1).具有4个物理通道、17个逻辑通道以及一个专用2D图形引擎的DMA

(2).可编程GPIO键盘接口

(3).54Mbps WLAN接口

(4).硬件中的安全加速：

-安全启动器

-48kB安全ROM

-16kB安全RAM

-安全标准和随机数生成器的硬件加速

-芯片ID单元

-第三方安全软件库

(5).增强型音频控制器(EAC)

(6)内存控制器，可连接：

-128MB移动SDRAM

-256MB闪存

-NAND闪存控制器

-1.6Mb ISRAM

(7).SD/MMC/SDIO接口

(8).用于调试的增强跟踪模块

(9).LCD控制器

(10).uWire

(11).SPI

(12).1线和HDQ接口

(13).蓝牙数据/音频接口

(14).USB OTG

(15).两个高速3.68MHz UART

(16).快速IrDA(FIR)

(17).两个32位计时器

(18).并行摄像头端口

(19).可编程三色LED脉冲生成

(20).I C主/从控制器

(21).智能卡接口

器件封装形式：

289焊球、12mm x 12mm MicroStar BGA 封装

如图3所示，模拟基带核心是TWL3016模拟基带处理电路

TWL3016模拟基带将所有模拟和电源管理功能集成在一个芯片上。通过断电休眠模式，TWL3016可延长系统的待机时间，从而有助于TCS2700提供的整体省电性。此设备还包括一个用于MP3音乐等应用的D/A转换器和用于免提扬声电话操作的8-1/2放大器。

主要特性：

(1).集成高保真音频DAC

(2).集成免提和耳机放大器

(3).整体TCS2600时钟输入减少50％

如图4所示，RF前端电路包含TRF6151、RF3133。TRF6151提供GSM/GPRS接收功能，作为TCS2700芯片组的一部分。它是支持四频带的单芯片收发器，基于直接转换(DC)架构。此设备将多个外部组件组合在一起，以降低射频子系统(包括声码器和声码器槽)的复杂性、部件数和成本。通过将先前的几个外部滤波器件集成在一起，TRF6151的DC架构使制造商的BOM相对于具有超外差架构的射频器件减少了大约30％。

主要特性：

(1).支持四频带的单芯片收发器

(2).直接转换架构

(3).与GPRS Class12/CS4兼容

(4).声码器和声码器槽的全面集成

(5).集成稳压器、PA控制环、PLL环路滤波器和VCXO

(6).N频率合成器

7mm x 7mm，48引脚QFP封装

如图5所示，在WIFI通信模式时，为简化电路降低成本，采用了WLAN6100EB模块，WLAN天线型号为2450AT45A100，功能切换由OMAP730和TWL3016在软件支持下完成。

具体实施方式

(1).数字部分

详见OMAP730的datasheet和相应软件部分

(2).模拟部分

详见TWL3016模拟基带的datasheet。

(3).RF前端电路

RF开关：RF开关有两个作用：1)频段切换，2)桥式开关(bridge switch)用于天线连接接收和发送信号通路中的一个。

滤波器：低通滤波器(LPF)由三个串并联接的电容电感部分组成。其目的是将OPB的二次(H2)和三次(H3)谐波衰减20dB。此滤波器的插入损耗控制在0.3dB以下。

平衡非平衡变压器(balun)和RF开关：由于天线为非平衡电路，PA和LNA为平衡输入输出电路，同时要完成收发通路的切换，采用专用器件B30144完成。

低噪放LNA：在RF前端中接收通道都使用了附加的LNA，以增加灵敏度，提高性能。该部分在TRF6151芯片内部。

PA检测器(Detector)：检测器(Detector)基于Alpha的零偏置肖特基二极管。输入端的RL网络提供阻抗匹配和地回流路径，输出端的RC网络完成整流和设定时间常数。这个检测器(Detector)具有超过20dB的动态范围，响应波动范围在1dB之内，非常平坦。

输出功率提升器(OPB-Output Power Booster)：RF前端的发射通道采用了OPB，用于提高增益和性能。使用RFMD公司的RF3133，内部采用双频设计，支持GPRS CLASS 12等级，最大功率输出为35dBm，单3.3V供电，只需要很少的外部匹配元件。

双波段天线(Dual Band Antennae)：设计使用一个900MHz及1800MHz的双波段天线(Dual Band Antennae)，为单极天线，水平增益0dBi。

RF扼流圈(Chokes)：在高频时，电感器实际上相当于一个并联谐振电路，与理想特性相差甚远，必须根据厂家提供的器件S参数或经验测量数据进行设计。其容性分量与封装和采用技术有关，封装尺寸越大，容性分量越大。对于0603封装来说，在5GHz频率，并联谐振电路的值为6-8nH，对于0402封装来说并联谐振电路的值为10-12nH。对于2GHz频段，0402封装的可以使用27nH的值。在参考设计中，避免使用高Q值电感。在并联谐振回路使用多层类型的电感器，在Diplexer，使用精度高、重复性好的TFT电感器。

PCB Stack如图6所示

(1).参考设计中，所有元件均安装在顶层(top side)

(2).4层PCB板，厚31mi l

(3).电源平面和地平面1oz Cu Foil

(4).顶层和底层信号层0.5oz Cu Foil

(5).顶层和地平面层之间必须保证10mil距离，保证RF参数准确

如图7所示，使用锰酸锂或磷酸铁锂材料做电池芯的本质安全型终端电池，电池中采用电阻或恒流二极管串联作为保护电路。

Claims (9)

1.一种矿用本质安全型无线以太网移动通信终端，其特征在于所述终端满足井下爆炸性气体环境用电气设备安全技术要求，所述终端由以下部分组成：本质安全型数字电路、本质安全型模拟电路、本质安全型RF前端、本质安全型电池与电源管理电路、天线与外壳；话音信号通过模拟电路部分转换成数字信号，再传输到数字电路，并按相应的通信模式进行I/Q编码输入到射频前端电路最终馈入到天线，由天线将信号向空间辐射输出；由天线接收到的信号经由射频前端解调处理后得到相应的I/Q信号，再通过数字电路部分处理后，得到模拟话音电信号，最终通过模拟电路部分转换出话音信号，传递给收听者，整个电路安装在一个外壳中。

2.根据权利要求1所述的本质安全型无线以太网移动通信终端，其特征在于采用多模式处理器实现GSM网络与无线以太网的双模通讯。

3.根据权利要求1所述的本质安全型无线以太网移动通信终端，其特征在于使用2.4GHz无线以太网IEEE802.11协议实现井下移动话音通信。

4.根据权利要求1所述的本质安全型无线以太网移动通信终端，其特征在于所述终端内置有摄像头。

5.根据权利要求1所述的本质安全型无线以太网移动通信终端，其特征在于所述终端具有定位功能。

6.根据权利要求2所述的本质安全型无线以太网移动通信终端，其特征在于中央处理器采用OMPA730处理器芯片实现。

7.根据权利要求2所述的本质安全型无线以太网移动通信终端，其特征在于基带处理器采用TWL3016处理器芯片实现。

8.根据权利要求1或2所述的本质安全型无线以太网移动通信终端，其特征在于所述本质安全型终端电池使用锰酸锂或磷酸铁锂材料做电池芯。

9.根据权利要求1或2所述的本质安全型无线以太网移动通信终端，其特征在于电池中采用电阻或恒流二极管串联作为保护电路。

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