《GPRS无线模块SIM900A硬件设计注意事项(技术白皮书)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《GPRS无线模块SIM900A硬件设计注意事项(技术白皮书)（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、GPRS 无线模块无线模块 SIM900A 硬件设计注意事项硬件设计注意事项 1 引言 引言 时下物联网已经成为非常热门的新兴行业 政府大力提倡和推动 运营商搭建管道和平台 物联网相关的各行业都开始部署或发力 芯讯通 SIMCom 是国内最早从事物联网与 M2M 通信的研发类企业 旗下的 SIM300 系 列产品以及 SIM900 系列产品大规模出货 服务了数以千计的行业客户 广泛应用在众多的 行业方向 包括智能电表 车载通信 车队管理 安防监控 无线 POS 无线医疗等 本文着重讲述利用 SIM900A 模块在进行硬件设计时需要注意的一些事项 侧重给硬件设计 人员提供一些参考与建议 2 SI
2、M900A 介绍介绍 SIM900A 模块是一款尺寸紧凑的 GSM GPRS 模块 采用 SMT 封装 基于 STE 的单芯片案 采用 ARM926EJ S 架构 性能强大 可以内置客户应用程序 可广 泛应用于车载跟踪 车队管理 无线 POS 手持 PDA 智能抄表与电力监控等 众多方向 SIM900A 模块主要特点 SMT 封装 易于客户生产加工 尺寸小 24 24 3mm 功耗低 待机模式电流低于 18mA sleep 模式低于 2mA 供电范围宽 3 2 4 8V 支持频段 GSM GPRS 900 1800MHz 语音编码 支持半速率 全速率 增强型速率 支持回声抑制算法 可以基于不同
3、客户设备通过 AT 命令调节回音抑制消除 3 SIM900A 开发注意事项 开发注意事项 下面介绍一下 SIM900A 模块硬件设计注意事项 以便客户进行灵活设计 增强 产品的可靠性与稳定性 3 1 电源部分设计电源部分设计 VBAT引脚引脚 SIM900A 模块采用单电源供电 VBAT 供电范围 3 2 4 8V 之间 推荐电压为 4 0V 模块射频发射时会导致电压跌落 这时电流的峰值最高会达到 2A 以上 因此电源供电能力尽可能达到 2A 并建议 VBAT 引脚并接大电容 电容根据供 电 IC 输出能力确定 电源芯片选择上需要注意 如果外部输入电压与 VBAT 压差很大 建议选择开 关电源
4、 当选用 DC DC 时需注意 EMI 干扰 建议串接磁珠以备调整 如果外部 输入电压与 VBAT 压差不大 最好选用 LDO 客户的产品需要过 TA CE FCC 等认证 推荐选择 LDO 供电 为了增强模块电源抗干扰能力 主要抗浪涌 脉冲群 静电等 不至于在外界 环境比较恶劣的情况下导致模块供电异常 建议根据实际应用在外部电源输入端 加一些共模电感 TVS 管等器件 在 VBAT 供电芯片输出端加一些 nf pf 级电 容 滤除干扰 PCB 布局时候 VBAT 上的旁路电容尽量要放在对应 pin 附近 为了减少 PCB 走 线阻抗 VBAT 走线尽量宽 走线尽量短 最好大面积铺地 如下图
5、1 所示 图 1 layout 时 VBAT 走线设计 电源部分设计除了元器件的选择外 还和客户的 PCB 布局 layout 关系很大 下述案例供参考 客户问题 模块开机 10 几秒后就关机 如图 2 所示 图 2 客户 PCB 布局 走线 从以上图 2 结构 客户选择的电源芯片及其原理设计还是可以的 但是从布局走 线来看 SIM900A 模块 VBAT 供电的走线太长 线宽也很窄 稳压电容离 VBAT 引脚又较远 所以导致电源跌落很大 客户设计 VBAT 供电 4V 但是从下图可 以看出 在模块开机后的一段时间内电压跌落 1 1 1 2V 主要原因是从模块开 机到注册网络这段时间内 射频发
6、射功率偏高 VBAT 上耗流 纹波增加所致 实测客户设备波形如图 3 所示 图 3 VBAT 上电压跌落 STATUS 引脚状态 因此 VBAT 设计会影响整个模块的工作稳定性 比如常见问题模块开机几秒钟 就关机 TCP IP 传输数据频繁大数据量 信号强度不好的情况 都可能会产生 模块关机或重启现象 基于以上客户设计 可以参考如下图 4 布局比较合理 图 4 重新调整客户 PCB 布局 走线 在考虑 VBAT 设计同时 也要重点关注 GND 设计 GND 整个回流路径的长短 以及阻抗的连续性是电源跌落及音频干扰的主要原因 因此建议 GND 的处理如 下 模块 GND 电池座 GND 如果有电
7、池供电 电源适配器 GND 相互间 GND 最好以一块完整的铜皮相连接 如果有结构 板层 比如 2 层板 限制 无法大 面积铺铜皮 最好用 2mm 以上走线单独连起来在覆铜 以保证 GND 的完整性 整个 PCB 板尽量多打地孔 电源和地的回流路径越小越好 3 2 模块开关机设计及时序模块开关机设计及时序 PWRKEY引脚引脚 SIM900A 模块内部时 PWRKEY 引脚通过 100K 电阻上拉到 3V 电压域 所以 客户设计时候要注意模块端的电平 为了防止 PWRKEY 与 IO 直连导致串电 增强开关机可靠性 建议客户使用如 下设计 在模块与 MCU 的 IO 间加三极管隔离 注意不要在
8、集电极加上拉 推 荐电路如下图 5 所示 4 7K 47K Turn on off impulse PWRKEY Power on down logic 100K 3V MODULE 图 5 使用 pwrkey 驱动开关机 模块开关机时序如下图所示 图 6 模块开关机时序 对于 SIM900 SIM900A SIM900D 模块 可以通过 STATUS 引脚判断模块是 否开关机 对于 SIM900B SIM900S 模块 可以通过 VDD EXT 下面会提到该引脚设计 注意事项 引脚判断模块是否开关机 3 3 串口串口部分设计及注意事项部分设计及注意事项 串口部分 一般 ARM 系统的串口都不
9、需要上拉的 即便上拉也要上拉到系统内 部 比如 VDD EXT 引脚 模块串口部分电平 2 8V 左右 因此客户可以根据 MCU 串口电平进行电平匹配 以保证电压匹配 当 MCU 端和模块端的电平不匹配时 建议在 MCU 和模块使用 level shifter 芯 片或者三极管进行电平匹配 当 MCU 端和模块端的电平差别不是很大时 比如 MCU 的电平为 3V 简单的设计可以直接串接电阻进行电平匹配 但这可能会使 MCU 端的电流串至模块 导致模块开机不正常 因此在设计中串接的电阻值应 根据实际电路调试得出 一般推荐值为 300 欧姆 对于串口部分引脚 TXD RXD 引脚必须设计使用 其它
10、主要功能如下描述 串口部分连接图如下所示 图 7 串口连接图 DTR 主要是控制模块进入 退出 sleep 模式 模块进入 sleep 模式条件 1 设置 AT CSCLK 1 2 将 DTR 引脚置高电平 满足以上两个条件是模块进入 Sleep 模式的必要条件 客户设计时 DTR 引脚与客户的 MCU 之间最好串接 15k 以上的电阻或 二极管隔离 防止有些客户产品反馈电压倒灌 sleep 电流偏高问题 在模块开机前 MCU 端已经工作了 客户端可通过 MCU 的 IO 将模块 DTR 引脚直接拉低 待模块开机后需要进入 sleep 时候 再将 DTR 引脚 拉高处理 注意 三线式设计 仅有
11、 TXD RXD GND 建议客户 DTR 引脚预留下 拉或 I O 控制 RTS CTS 主要是透传状态下作为硬件流控使用 在透传模式下 模块完全处于数据态 模块内部 buffer 有 8KByte 的空间 正常情况下 CTS 引脚为低电平 如果 buffer 内数据大于 6KByte 模块 CTS 引脚置高 此时不要向 buffer 内丢数据 等待 CTS 引脚拉低 此时 buffer 内数据小于 2KByte 后在向 buffer 内丢数据 开启硬件流控需要设置 AT IFC 2 2 默认 0 0 DCD 主要用于 PPP 拨号 透传功能下 判断模块处于数据态还是命令态 命令态 2 8V
12、 电平 数据态 低电平 RI 主要用于判断电话呼入 接收短信息 接收数据等 外部电话呼入 接收短消息 拉低 120ms 数传下模块接收到数据 设置 AT CFGRI 1 拉低 120ms 以上引脚根据客户应用不同 可以有选择性进行设计 若不用可以直接悬空处理 模块开机后串口电平状态供参考 DTR 2 60V 左右 DCD 2 87V 左右 RI 2 87V 左右 CTS 低电平 RTS 低电平 RXD 高阻态 TXD 2 92V 左右 模块开机初始化时 MCU 端和模块端所有连接的串口信号最好都置为低电平 避免模块串电导致开机不正常 另外 DBG TX DBG RX 引脚客户需要预留测试接口
13、以方便后续软件升级 DBG 调试时使用 3 4 SIM卡部分设计卡部分设计 模块支持 1 8 3 0V 的 SIM 卡 SIM 卡供电 根据 SIM 卡的类型自动选择输出电 压 可以为 3 0V 10 或者 1 8V 10 该引脚最大输出电流能力约为 10mA SIM 卡部分参考设计如下图所示 MODULE SMF05C SIM VDD SIM CLK SIM DATA SIM RST SIM VDD SIM CLK SIM DATA SIM RST 22pF VCC GND RST VPP CLK I O 22R 22R 22R 100nF C707 10M006 5122 SIM CARD
14、 图 8 SIM 卡座接口推荐设计 注意 以上电容 ESD 等器件放置要靠近 SIM 卡座 SIM 部分设计注意如下 SIM VDD 需要并 100 或 220nF 电容 以稳定电源输出 减小纹波 SIM DATA 建议并 pF 级电容 防止高频干扰 SIM RST 建议并 nF 级电容 防止高频干扰 为了增强 SIM 卡部分的可靠性 建议在接口增加 ESD 静电保护器件 推荐 ESD 型号 SMF05C PCB 布局 Layout 时 注意 SIM 卡卡座尽量靠近模块 不要摆放过远 走线过 长 导致无法识别 SIM 卡 3 5 音频部分音频部分 原理设计 建议在模块端和音频器件端分别加滤波电
15、容 如下图所示 图 9 音频接口设计 PCB 布局及 Layout 音频线推荐差分走线 如下图所示 图 10 差分走线设计 为了减少电源 天线对音频部分的干扰 模块的音频线路推荐差分方式走线 在 PCB 布板的时候注意数字电路与模拟电路分开 以降低数字电路对模拟电路的 干扰 音频部分的滤波器件最好分别放置在模块端和音频器件端 差分线之间距 离尽量短 客户设计时 MIC 和 SPK 器件位置尽量要远离 最好在对角线上 而且方向保持 垂直或反向 避免 SPK 输出耦合回 MIC SPK 设计时候要有腔体保护 并且要 有缓冲处理 以免 SPK 发声时带动整机震动产生噪音 MIC 器件接口最好密闭 处
16、理 如何通过 AT 指令调节回音 啸叫 主通道 AT CHFA 0 切换音频通道 AT CLVL 0 60 接收器音量设置过高会产生啸叫 AT SIDET 0 0 消除侧音 AT CMIC 0 6 调节 MIC 增益 AT ECHO 0 7 4 回音消减调节 主通道免提 AT CHFA 2 AT CLVL 2 60 AT SIDET 2 0 AT CMIC 2 6 AT ECHO 2 7 4 主通道做免提 主要是针对一些车载客户 PND 客户 可以有效的改善回音 啸叫问题 3 6 射频部分设计射频部分设计 对于 SMT 封装模块 在射频部分设计时需要考虑预留 型网络 前期可以先贴 0 欧姆电阻 电容 NC 以便后续天线匹配调试 射频走线遵循短而直的原则 尽量走直线或弧状线 RF 线下方需要有完整的参考地 不要走任何信号线 如 下图所示 图 11 射频设计及 layout 对于射频部分设计 客户可以结合板层 板厚 材质等大致计算 RF 线宽 保证 50 欧姆左右的输出阻抗 当然这只是理论值 实际还是看板厂的工艺 材料 如下图所示两层板 两层板很难控制 50 欧姆阻抗 板厚 1 6mm 图
