Сотовый телефонный мост SalTel80-16 на микропроцессоре Z80A (2003)

Мобильная сотовая связь, всего несколько лет назад ставшая широко доступной, по прежнему остается достаточно затратной. Если внутрисетевые тарифы большинства операторов регулярно снижаются, этого нельзя сказать о ценах на межсетевой трафик, которые определяются уже не отдельными операторами, а соглашениями между ними. Некоторые тарифные планы вообще предусматривают бесплатную связь в пределах сети данного оператора. Таким образом, если представить, что межсетевых тарифных барьеров не существует, мобильная связь окончательно становится дешевым и удобным видом личного общения.

Данное обстоятельство послужило толчком для создания целого класса устройств, получивших название межсетевых телефонных роутеров или сотовых телефонных мостов. Эти устройства позволяют пользователю создать как бы альтернативное соединение сетей двух разных операторов, используя арендуемые у этих операторов мобильную и проводную телефонные линии. Дополнительная оплата такого соединения, разумеется, отсутствует, так как пользователь уже оплатил пользование обеими телефонными линиями.

Сотовый телефонный мост обычно имеет структуру, изображенную на рис. 1. Здесь можно увидеть, что для проводной телефонной линии мост представляет собой как бы имитацию обычного телефонного аппарата, а в мобильной телефонной сети он выполняет функции имитатора действий пользователя мобильного телефона. На обеих линиях устройство отслеживает появление событий, таких как поступление вызовов и других сигналов, и совершает действия, такие как ответ на вызовы и набор номеров. В общем случае возможна реализация моста на дискретной логике, однако наиболее удобным в изготовлении, гибким по возможностям и экономичным по числу деталей и энергопотреблению оказывается вариант, в котором управление отдельными узлами моста осуществляется микропроцессором.

Изучив уже имеющиеся в интернете конструкции сотовых мостов [1-4], а также прочитав отзывы пользователей, автор данного сайта принял решение разработать аналогичную конструкцию самостоятельно. При этом были использованы отдельные удачные схемные решения, примененные в уже известных конструкциях. В качестве контроллера моста было решено использовать микропроцессорный комплект на процессоре Z80A, собранный по типовой схеме, применявшейся в старых телефонах с АОН. Автор отдает себе отчет в том, что данная элементная база является несколько устаревшей и, возможно, неоптимальной для данного применения, однако с учетом практически нулевой себестоимости деталей (в качестве "донора" была использована плата от старого аппарата с АОН на Z80), а также вполне достаточной производительности данной платформы, выбор был остановлен именно на ней. В будущем, по мере роста познаний автора в области схемотехники и языков программирования современных микроконтроллеров, планируется создание новой версии этого устройства на «однокристалке» серии AVR. А пока удалось создать вполне работоспособную конструкцию, предлагаемую вниманию посетителей сайта.

Сотовый телефонный мост, получивший название SalTel80-16, собран на пятнадцати микросхемах, пять из которых представляют собой собственно микропроцессорный комплект на основе Z80A (рис. 2). Основная тактовая частота составляет 3,579545 МГц. Она образуется путем деления на 4 частоты генератора, собранного на элементах DD1.1 и DD1.2, при помощи счетчика DD2. Данный сигнал подается на тактовые входы микропроцессора, а также микросхем номеронабирателя DD11 и приемника сигналов донабора номера DD10.

Как и в «классической» схеме АОН на Z80, для выборки микросхем в системе применена неполная (грубая) дешифрация адресной магистрали, реализованная на микросхемах DD6 и DD15. В первой версии устройства применена память программ (ПЗУ) DD4 объемом 2 кБ. Имеется возможность его расширения до 32 кБ с соответствующими корректировками в схеме. Для хранения оперативной информации во время работы моста использована оперативная память на статической микросхеме DD5 емкостью 2 кБ. Взаимодействие с «телефонными» узлами моста осуществлено при помощи порта DD9, обеспечивающего 24 линии ввода-вывода. Отсчет временных интервалов и генерация системных звуковых сигналов осуществляется трехканальным таймером-счетчиком DD7. Индикация текущей информации о режиме работы моста реализована на микросхемах DD8, DD14, производящих вывод на семисегментный светодиодный индикатор HG1. DIP-переключатели SA1.1, SA1.2 задают режим работы устройства по умолчанию (при первой подаче питания).

Интерфейс проводной телефонной линии в основном выполнен по аналогии со схемотехникой АОН. Напряжение линии выпрямляется диодным мостом VD4, после чего подается на цепь анализа вызова R29, C11, ключ занятия линии DA1 и ключ выдачи звуковых сигналов DA2. Цепь R36, VD10 предназначена для разряда конденсатора звонковой цепи C11. В схеме также предусмотрены номеронабиратель DD11, приемник тоновых сигналов DD10 и компаратор DD13 для анализа звуковых сигналов в линии. DIP-переключатели SA1.3, SA1.4 управляют режимом работы номеронабирателя DD11. Использование отдельной микросхемы-приемника DD10, несмотря на наличие возможности программного приема DTMF сигналов компаратором, обусловлено желанием несколько разгрузить процессор и сделать прием цифр более надежным (с учетом имеющегося опыта использования данного типа микросхем). Входное сопротивление схемы в дежурном режиме составляет более 1 МОм, что хорошо согласуется с требованиями ГОСТ на телефонные оконечные устройства.

Базовый мобильный телефон любого стандарта подключается к схеме моста при помощи разъемов X1 и X2. Разъем X1 предназначен для выдачи сигналов, имитирующих нажатия кнопок на клавиатуре телефона. Конкретная реализация схемы подключения к клавиатуре зависит от модели телефона, но в любом случае потребуется вскрытие корпуса аппарата и некоторая его доработка. Как наиболее простой вариант, в авторской конструкции использовано прямое подключение к информационной шине клавиатуры телефона Motorola M3788, согласно рекомендациям московской фирмы «Телесистемы» [5]. Для других моделей телефонов может потребоваться несложный интерфейс, пример схемы которого приведен на рис. 3. На разъем X1 со стороны телефона также выводится сигнал вызова Bell (снятый с точки соединения пьезоэлемента и коммутирующего его ключа). Разъем X2 предназначен для обмена сигналами звуковой частоты с базовым телефоном и подключается к стандартному гнезду телефонной гарнитуры, имеющемуся на большинстве аппаратов всех стандартов.

Соединение мобильной и проводной линий по звуковой частоте осуществляется контактами реле K1. Для исключения самовозбуждения усилителей ЗЧ мобильного телефона, а также для улучшения качества звука в проводной линии, применена противоместная схема на трансформаторе T1. При разработке управляющей программы («прошивки») предусмотрено два основных режима работы сотового моста: прием вызова с мобильной и проводной линии. Рассмотрим функционирование устройства в первом режиме.

После подачи питания сотовый мост находится в основном состоянии (режим ожидания вызова). При поступлении вызова на базовый мобильный телефон мост переходит в режим предответного состояния. Длительность предответного состояния может быть задана произвольно, что позволяет не афишировать наличие на мобильной линии телефонного моста (что может быть актуально при использовании услуг ряда операторов). Минимально возможная длительность предответного состояния составляет 3 секунды, что необходимо для исключения срабатывания моста от разовых звуковых сигналов, например при получении SMS-сообщений.

По истечении предответного интервала времени мост переходит к приему мобильного вызова путем имитации нажатия кнопки [ОК]. В случае, если вызывающий абонент отключился до окончания предответного таймаута, мост автоматически вернется в режим ожидания. После этого устройство переходит в режим авторизации. Звонящий абонент должен подтвердить свое право использования данного устройства при помощи трехзначного пароля (в предлагаемой версии прошивки он состоит из цифр 4,8,3). Более удобным способом авторизации, безусловно, явилось бы автоматическое подтверждение валидности пользователя по данным автоматического определения номера (CLIP), однако при выбранном способе подключения к базовому мобильному телефону эта информация для моста недоступна.

Подтверждение перехода моста в режим приема пароля отсутствует, дабы затруднить обнаружение данного устройства посторонними абонентами. Позвонивший на мост абонент должен набрать трехзначный пароль тональным способом, что в большинстве случаев можно сделать прямо с клавиатуры телефона. Прием каждой цифры пароля подтверждается коротким звуковым сигналом высокого тона. Общее время, которое отводится абоненту на ввод пароля, выбрано в пределах типичного бесплатного порога входящего соединения (4 секунды), предусмотренного многими операторами мобильной связи. При неправильном пароле либо истечении максимального интервала времени мост производит отбой входящего соединения и переходит в режим ожидания, причем состоявшееся неудачное соединение для базового мобильного телефона не тарифицируется. Успешный прием пароля сопровождается выдачей длинного сигнала высокого тона.

Успешная авторизация дает позвонившему абоненту возможность набрать необходимый номер, соединение с которым будет производиться при помощи проводной телефонной линии. Время, отводимое абоненту на набор одной цифры, по умолчанию составляет 5 секунд. Прием каждой цифры сопровождается коротким звуковым сигналом высокого тона. В случае, если удаленный абонент не нажимает никаких кнопок на своем телефоне в течение времени, превышающего заданный интервал, мост автоматически переходит к анализу набранного номера.

Если набираемый номер состоит менее чем из 11 цифр, его можно дополнить символом [#]. В этом случае мост сразу перейдет к анализу набранных цифр, не дожидаясь конца заданного временного интервала. При наборе 11-значного номера анализ начинается автоматически после набора последней цифры. Служебные символы DTMF ([A], [B], [C], [D]) во время набора игнорируются и в отсчете интервалов времени не учитываются. Служебный символ [#] используется только для указания окончания ввода номера. Символ [*] может находиться только в начале набираемой последовательности, что указывает мосту на то, что набираемая последовательность является управляющей командой. Во всех остальных случаях он также игнорируется.

Если за отведенный интервал времени абонент не набрал ни одной цифры либо сразу нажал клавишу [#], мост производит отбой входящего мобильного соединения и возвращается в режим ожидания вызова. При обнаружении ошибки в наборе номера, в линию выдается три звуковых сигнала низкого тона («ошибка»). После этого мост повторно переходит к режиму ввода номера с соответствующим звуковым сигналом. Анализ набранного номера заключается в проверке мостом количества и состава цифр на допустимость их набора в проводную телефонную линию. В предлагаемой прошивке к набору допускаются следующие номера:

  • любые семизначные, начинающиеся с цифр 1-7,9;
  • любые трехзначные, начинающиеся с цифр 1-7,9 (для совместимости с мини-АТС);
  • девятизначные, начинающиеся с цифр 82 (внутризоновая междугородная связь);
  • одиннадцатизначные, начинающиеся с цифры 8;
  • номера произвольной длительности (не более 11 символов), начинающиеся с символа [*] (управляющие команды).

При необходимости список допустимых номеров может быть ограничен только бесплатными (местными) соединениями при помощи соответствующей управляющей команды.

При соответствии введенного абонентом номера всем правилам набора, указанным выше, сотовый мост переходит к набору этого номера на проводной телефонной линии. Вид набора (импульсный или тональный) задается переключателем SA1.4, однако следует иметь в виду, что на схеме рис. 2 ключ тонового набора не показан.

Перед началом набора номера мост осуществляет имитацию занятия проводной линии и анализ наличия ответа станции («непрерывного гудка»). При отсутствии сигнала в линии мост осуществляет три попытки набора с интервалом 2 секунды. Если все они оказались неудачными, мост возвращается к предыдущему режиму (ввода нового номера).

Если сигнал ответа АТС в линии присутствует, мост набирает заданный номер, причем если первая цифра номера – «8», то после нее делается пауза 2 секунды (повторный анализ наличия ответа станции не предусмотрен). Далее в мобильную линию выдается короткий звуковой сигнал и производится соединение базового мобильного телефона с проводной линией по звуковой частоте (за счет замыкания контактов K1.1). Эта особенность алгоритма работы (соединение только после окончания набора номера мостом), не позволяет удаленному абоненту бесконтрольно влиять на ход соединения при помощи DTMF сигналов с клавиатуры своего телефона.

После осуществления соединения вызывающий абонент может прослушивать контроль посылки вызова («длинные гудки») на городской линии и после ответа вызываемого абонента вести разговор. Во время установленного соединения сотовый мост осуществляет мониторинг линии и базового мобильного телефона с целью приема управляющих команд либо обнаружения окончания соединения. Признаками окончания соединения являются:

  • поступление сигнала окончания соединения с базового мобильного телефона;
  • превышение максимально допустимой длительности разговора, составляющей по умолчанию 30 минут;
  • поступление нового вызова на базовый мобильный телефон.

Последний признак введен на тот случай, когда по каким-то причинам управляющая программа моста пропустила сигнал окончания соединения, в результате чего мост продолжает занимать проводную линию до конца максимального заданного времени разговора. Таким образом, вывести устройство из этого нештатного режима можно повторным звонком на базовый мобильный телефон.

Рис. 4. Внешний вид собранной платы моста

При обнаружении одного из признаков окончания соединения мост освобождает проводную линию, производит очистку экрана мобильного телефона длительным нажатием кнопки [C] и переходит в основной режим ожидания вызова. При появлении в проводной линии звуковых сигналов длительностью более 0,1 сек с частотой 425±25 Гц («занято», «занято-перегрузка», «ответ станции»), свидетельствующих об одностороннем отключении вызванного абонента, мост освобождает проводную линию и переходит к режиму ввода нового номера (с соответствующим звуковым сигналом). Для того, чтобы сигналы контроля посылки вызова («длинные гудки») до начала разговора не воспринимались мостом как ложный сигнал занятости, предусмотрен интервал нечувствительности к этому сигналу с момента начала набора номера (по умолчанию 1 минута). Если вызываемый абонент не ответил в течение этого времени, мост воспримет гудки контроля посылки вызова как сигнал для отбоя проводной линии. Таким способом ограничивается максимальное время ожидания ответа абонента при связи через мост.

Во время установленного соединения вызывающий абонент может воспользоваться клавишами [#] (отбой проводной линии и ввод нового номера) и [*] (отбой проводной линии и повторный набор предыдущего номера) на своем телефоне.

Второй режим работы моста полностью аналогичен уже описанному, однако источник и приемник соединения меняются местами. Вместо длительности предответного интервала времени скорость реакции моста на проводной вызов определяется количеством пропускаемых звонков (по аналогии с телефонами с АОН). Так как входящие вызовы на проводных линиях обычно не тарифицируются, это позволило увеличить время, отводимое на ввод пароля, до 30 секунд. К набору на мобильной линии допускаются все указанные выше виды номеров, кроме трехзначных. Наконец, в этом режиме обнаружение в линии сигналов частотой 425 Гц служит для моста сигналом к полному отбою обеих линий и переходу в режим ожидания, а по сигналу окончания соединения с базового мобильного телефона мост возвращается в режим ввода нового мобильного номера.

В прототипе устройства применены в основном отечественные комплектующие. Возможные замены микросхем: DD3Z80B, U880D, К1834ВМ1; DD42716, 27c16, 28c16A; DD56116, DD782c53, 82c54, КР1810ВИ54; DD10KT3170, MV8870; DD11UM91531; DA1, DA2КР1014КТ1А, VN2410. Для снижения тока потребления микросхемы серий К155 и КР1533 можно заменить на аналоги серий К561, КР1561, КР1554, 74HC. Трансформатор Т1 – типа ТОТ31 (две обмотки сопротивлением 440 Ом с отводами от середины). В качестве блока питания +5 В применен стандартный адаптер от телефона с АОН типа Д2-41. Прототип моста собран на макетной печатной плате размером 160х100 мм, поэтому чертеж печатной платы не разрабатывался.

При исправных комплектующих и правильном монтаже схема моста не требует настройки. Для проверки правильности сборки рекомендуется воспользоваться авторской тестовой прошивкой, проверяющей работу всех узлов моста в отдельности. При успешном запуске устройства необходимо поместить в его ПЗУ одну из двух рабочих версий программы, соответствующую выбранному режиму работы. Необходимо отметить, что в прошивках для ПЗУ объемом 2 кБ алгоритм определения сигнала 425 Гц не реализован.

Прототип сотового телефонного моста SalTel80-16 с ПЗУ объемом 2 кБ (на что указывает число 16 в названии) был разработан и построен автором в течение полугода, причем в этот период включена и разработка управляющей программы. Сотовый мост был испытан с мобильным телефоном Motorola M3788 на проводных линиях МГТС и мини-АТС собственной конструкции, показав удовлетворительные результаты. В заключение хотелось бы остановиться на правовом аспекте использования подобных устройств. Предусмотренное схемой подключение к мобильному телефону, не меняющее его технических характеристик, насколько известно автору, не запрещено законом. Правила и договоры отдельных мобильных операторов могут явно запрещать использование абонентами альтернативных межсетевых соединений, однако законность этого требования весьма сомнительна – ведь абонент исправно оплачивает потребляемое эфирное время. Представители ведущих московских операторов – «Билайн» и «МТС» во всеуслышание заявили, что не возражают против сотовых роутеров, так как они не представляют серьезной финансовой опасности для операторов «ввиду их сложности, дороговизны и малой распространенности». Противоположное мнение высказал представитель компании «Мегафон», известной своими тарифными планами с бесплатным внутрисетевым трафиком, однако документального отражения это заявление, насколько нам известно, не получило. В случае, если местный проводной оператор запрещает использование абонентских оконечных устройств, не имеющих сертификатов соответствия, подключение сотового моста к городской телефонной линии следует осуществлять через сертифицированную мини-АТС.

Материалы о сотовом телефонном шлюзе SalTel80-16 (SalTel80 Lite) опубликованы в журнале «Радиолюбитель» (г. Минск) №5, 2005 г., с. 29 и №6, 2005 г., с. 40.

Прикрепленные файлы: