嵌入式设备的双路SIM卡的切换电路的探讨

熊永峰

（美国派赛有限公司上海代表处，上海 200001）

1 系统方案设计与工作原理

本文介绍一个简易的嵌入式设备的系统，主要由Mini PCI-e总线接口的全网通4G无线通信模块、52 PIN的Mini PCI-e连接器、700～2 700 MHz全频段天线、两颗四路双向模拟开关、带静电保护电路的两张SIM卡/卡座和单片机MCU或主芯片的基带电路等部分组成[1]。图1为嵌入式设备的系统方框图。

从嵌入式设备的系统方框图可以看出，全网通4G无线通信模块通过Mini PCI-e总线接口与52 PIN的连接器相连；上行经由天线接入运营商基站；下行连接两颗四路双向模拟开关，分别各连接一张SIM卡；单片机MCU的一路I/O接口控制四路双向模拟开关的使能，并通过USB接口与4G无线通信模块进行指令通信。

本文主要介绍的双路SIM卡的切换电路的关键器件为两颗四路双向模拟开关。通过单片机MCU的I/O接口分别控制四路双向模拟开关器件的使能引脚，导通或关断与后级SIM卡的连通。当第一颗四路双向模拟开关器件的使能引脚为高电平，与SIM卡1处于导通状态时；第二颗四路双向模拟开关器件的使能引脚为低电平，与SIM卡2处于关断状态。切换第一颗四路双向模拟开关器件的使能引脚的电平，当第一颗四路双向模拟开关器件的使能引脚为低电平，与SIM卡1处于关断状态时；第二颗四路双向模拟开关器件的使能引脚为高电平，与SIM卡2处于导通状态。

当4G无线通信模块识别了SIM卡后，通过程序进行拨号，与附近的运营商基站建立网络连接，并完成数据交互等通信。两张SIM卡作为主卡、副卡形成双备份，共用同一个4G无线通信模块，以达到提高嵌入式设备接入运营商网络的可靠性的目的。同时，Mini PCI-e连接器的连接结构可以确保非常方便的拆卸及更换4G无线通信模块，极大地减少嵌入式设备的管理和维修成本。

2 双路SIM卡的切换电路的硬件设计与功能实现

本章节将分为3个部分来详细介绍双路SIM卡的切换电路的硬件设计与功能实现，包括四路双向模拟开关的使用控制的电路设计、SIM卡的选通控制电路设计、SIM卡座的静电保护电路。双路SIM卡的切换电路的硬件设计如图2所示。

图1 嵌入式设备的系统方框图

2.1 四路双向模拟开关使能控制的电路设计

信号SIM_EN1和SIM_EN2分别为二颗四路双向模拟开关器件U11和U13（型号为74HC4066D）的使能引脚的控制信号。其中SIM_EN2为单片机MCU的I/O信号，SIM_EN1为利用三极管Q10（型号为MMBT3904）的导通特性搭建出来的SIM_EN2的反向信号。当SIM_EN2为低电平时，SIM_EN1则为高电平；当SIM_EN2为高电平时，SIM_EN1则为低电平。只使用单路I/O信号的好处是SIM_EN1信号和SIM_EN2信号一直处于反向状态，防止MCU中的程序出现错误，而且能够节约MCU的一路I/O管脚。

电阻R24的作用为硬件控制SIM_EN2的初始电平为低电平，即SIM_EN1的初始电平为高电平。当单片机MCU正常供电并启动程序后，之后由MCU的程序接管，根据需要通过MCU的程序来控制SIM_EN2的高电平或低电平状态。

2.2 SIM卡的选通控制电路设计与功能实现

四路双向模拟开关器件U11和U13的4个输入引脚和4个输出引脚的导通或关断分别由4个使能引脚分别独立控制。其真值表为使能引脚为高电平时，对应的输入引脚和输出引脚为导通状态；当使能引脚为低电平时，对应的输入引脚和输出引脚为关断状态。本设计电路中的每颗四路双向模拟开关器件的四路使能引脚由SIM_EN1信号或SIM_EN2信号集中控制。

图2 双路SIM卡的切换电路的硬件设计

嵌入式设备上电后，器件U11的使能引脚SIM_EN1信号默认为高电平状态，此时器件U11的四路输入引脚和输出引脚处于导通状态，4G无线通信模块（型号为EC20 R2.0 Mini PCIe-C）通过连接器CON100与SIM卡座器件U10中的SIM卡1进行身份识别，验证通过后再与附近的运营商基站进行拨号连接。而SIM_EN2信号则为低电平，器件U13的四路输入引脚和输出引脚处于关断状态。单片机MCU中的软件程序可以设置自动切换SIM卡的特殊机制，当SIM卡座器件U10中的SIM卡与运营商基站连接失败后，再进行拨号三次，每次拨号的中间间隔时间设定为10 s。如果还是连接失败，则自动切换SIM_EN1信号为低电平状态，SIM_EN2信号转换为高电平，器件U13的四路输入引脚和输出引脚处于导通状态，4G无线通信模块就会与SIM卡座器件U12中的SIM卡进行身份识别，验证通过后再与附近的运营商基站进行拨号连接。而SIM_EN1信号则为低电平，器件U11的四路输入引脚和输出引脚处于关断状态。

此外，软件程序还可以根据使用场景对嵌入式设备设置重新启动的机制。当两张SIM卡都不在线，并重复拨号失败的情况下，可以设置自动对嵌入式设备进行重新启动的操作，并再次尝试自动恢复拨号连接等。

2.3 SIM卡座的静电保护电路设计

SIM卡座的静电保护电路的作用是SIM卡座在插入或拔出SIM卡时，所产生的脉冲尖峰电压或静电电压通过保护电路来释放。此功能由瞬态电压抑制TVS管器件U14和U15（型号为SRV05-4）来实现。TVS管最显著的特点之一就是响应速度极快、瞬态功率大，在瞬时脉冲还没有对被保护器件造成损伤前就被有效的遏制；其次是截止电压比较低，非常适用于低电压的回路环境；最后是较低的结电容和漏电流值，在处理高速率传导回路的静电冲击时性能更好。

瞬态电压抑制TVS管器件U14和U15的封装为SOT-23-6L，尺寸很小。在设计印刷电路PCB板时需要摆放在靠近SIM卡座的位置，四路接口信号线和接地线优先连接到器件U14和U15，然后再进入回路中的其他电路，可以确保非常良好的防静电性能，完全满足嵌入式设备对静电保护电路的要求。

3 双路SIM卡的切换电路的设计验证

本文设计的双路SIM卡的切换电路，加上其他的电路功能，成功的运用在了某一个工业级路由器产品当中。此款工业级路由器产品以高通公司的Wi-Fi网络主芯片AR9344为平台设计而成，上行通过全网通4G无线通信模块连接运营商的4G/3G/2G等制式的通信网络，下行通过有线以太网RJ45接口和2.4 GHz无线Wi-Fi信号进行本地覆盖，实现4G信号转无线Wi-Fi及有线以太网等功能。

该款工业级路由器产品成功实现了4G无线通信模块与两张不同运营商的SIM卡的切换控制，并支持1.8 V和3.3 V两种不同电平类型的SIM卡，成功连接上附近的不同的运营商基站，完成网络注册并顺利接入因特网。工业级路由器产品应用于各种不同的应用场景，如数据采集、道路监控、地下管廊环境监测等。

4 结 论

本文设计的嵌入式设备的双路SIM卡的切换电路，完全可以应用于各种嵌入式设备中，帮助嵌入式设备顺利接入运营商网络，实现数据通信等功能。同时，本文设计的切换电路，关键元器件的硬件成本低廉、可生产性极强、可靠性能高，是一种性价比极高的硬件设计方案。希望本文介绍的用于嵌入式设备的双路SIM卡的切换电路设计，能够给业内的设计人员拓展思路，带来进一步的思考和借鉴，共同促进物联网行业的发展。