GPRS無線模塊SIM900A硬件設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)WORD

1、文檔可能無法思考全面，請(qǐng)瀏覽后下載! GPRS無線模塊SIM900A硬件設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)1.引言：時(shí)下物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為非常熱門的新興行業(yè)。政府大力提倡和推動(dòng)，運(yùn)營(yíng)商搭建管道和平臺(tái)，物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的各行業(yè)都開始部署或發(fā)力。芯訊通（SIMCom）是國(guó)內(nèi)最早從事物聯(lián)網(wǎng)與M2M通信的研發(fā)類企業(yè)，旗下的SIM300系列產(chǎn)品以及SIM900系列產(chǎn)品大規(guī)模出貨，服務(wù)了數(shù)以千計(jì)的行業(yè)客戶，廣泛應(yīng)用在眾多的行業(yè)方向，包括智能電表、車載通信、車隊(duì)管理、安防監(jiān)控、無線POS、無線醫(yī)療等。本文著重講述利用SIM900A模塊在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的一些事項(xiàng)，側(cè)重給硬件設(shè)計(jì)人員提供一些參考與建議。2.SIM900A介紹SIM90

2、0A模塊是一款尺寸緊湊的GSM/GPRS模塊，采用SMT封裝，基于STE的單芯片案，采用ARM926EJ-S架構(gòu),性能強(qiáng)大，可以內(nèi)置客戶應(yīng)用程序。可廣泛應(yīng)用于車載跟蹤、車隊(duì)管理、無線POS、手持PDA、智能抄表與電力監(jiān)控等眾多方向。SIM900A模塊主要特點(diǎn)：SMT封裝：易于客戶生產(chǎn)加工尺寸小： 24*24*3mm功耗低：待機(jī)模式電流低于18mA、sleep模式低于2mA供電范圍寬：3.24.8V支持頻段：GSM/GPRS 900/1800MHz語(yǔ)音編碼：支持半速率、全速率、增強(qiáng)型速率支持回聲抑制算法，可以基于不同客戶設(shè)備通過AT命令調(diào)節(jié)回音抑制消除。3. SIM900A開發(fā)注意事項(xiàng)：下面介紹

3、一下SIM900A模塊硬件設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，以便客戶進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)、增強(qiáng)產(chǎn)品的可靠性與穩(wěn)定性。3.1 電源部分設(shè)計(jì)(VBAT引腳)SIM900A模塊采用單電源供電，VBAT供電范圍3.24.8V之間，推薦電壓為4.0V， 模塊射頻發(fā)射時(shí)會(huì)導(dǎo)致電壓跌落，這時(shí)電流的峰值最高會(huì)達(dá)到2A以上，因此電源供電能力盡可能達(dá)到2A，并建議VBAT引腳并接大電容（電容根據(jù)供電IC輸出能力確定）。電源芯片選擇上需要注意，如果外部輸入電壓與VBAT壓差很大，建議選擇開關(guān)電源,當(dāng)選用DC-DC時(shí)需注意EMI干擾，建議串接磁珠以備調(diào)整；如果外部輸入電壓與VBAT壓差不大，最好選用LDO?？蛻舻漠a(chǎn)品需要過TA、CE、FCC等認(rèn)

4、證，推薦選擇LDO供電。為了增強(qiáng)模塊電源抗干擾能力（主要抗浪涌，脈沖群，靜電等），不至于在外界環(huán)境比較惡劣的情況下導(dǎo)致模塊供電異常，建議根據(jù)實(shí)際應(yīng)用在外部電源輸入端加一些共模電感、TVS管等器件，在VBAT供電芯片輸出端加一些nf、pf級(jí)電容，濾除干擾。PCB布局時(shí)候VBAT上的旁路電容盡量要放在對(duì)應(yīng)pin附近，為了減少PCB走線阻抗，VBAT走線盡量寬、走線盡量短，最好大面積鋪地，如下圖1所示。圖1：layout時(shí)VBAT走線設(shè)計(jì)電源部分設(shè)計(jì)除了元器件的選擇外，還和客戶的PCB布局、layout關(guān)系很大，下述案例供參考(客戶問題：模塊開機(jī)10幾秒后就關(guān)機(jī))，如圖2所示：圖2：客戶PCB布局、

5、走線從以上圖2結(jié)構(gòu)，客戶選擇的電源芯片及其原理設(shè)計(jì)還是可以的，但是從布局走線來看，SIM900A模塊VBAT供電的走線太長(zhǎng)、線寬也很窄，穩(wěn)壓電容離VBAT引腳又較遠(yuǎn)，所以導(dǎo)致電源跌落很大。客戶設(shè)計(jì)VBAT供電4V，但是從下圖可以看出，在模塊開機(jī)后的一段時(shí)間內(nèi)電壓跌落1.11.2V，主要原因是從模塊開機(jī)到注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)這段時(shí)間內(nèi)，射頻發(fā)射功率偏高，VBAT上耗流、紋波增加所致。5 / 7實(shí)測(cè)客戶設(shè)備波形如圖3所示：圖3：VBAT上電壓跌落、STATUS引腳狀態(tài)因此，VBAT設(shè)計(jì)會(huì)影響整個(gè)模塊的工作穩(wěn)定性，比如常見問題模塊開機(jī)幾秒鐘就關(guān)機(jī)、TCP/IP傳輸數(shù)據(jù)頻繁大數(shù)據(jù)量、信號(hào)強(qiáng)度不好的情況，都可能會(huì)產(chǎn)

6、生模塊關(guān)機(jī)或重啟現(xiàn)象。基于以上客戶設(shè)計(jì)，可以參考如下圖4布局比較合理：圖4：重新調(diào)整客戶PCB布局、走線在考慮VBAT設(shè)計(jì)同時(shí)，也要重點(diǎn)關(guān)注GND設(shè)計(jì)，GND整個(gè)回流路徑的長(zhǎng)短以及阻抗的連續(xù)性是電源跌落及音頻干擾的主要原因。因此建議GND的處理如下：模塊GND，電池座GND（如果有電池供電），電源適配器GND，相互間GND最好以一塊完整的銅皮相連接，如果有結(jié)構(gòu)、板層（比如2層板）限制，無法大面積鋪銅皮，最好用2mm以上走線單獨(dú)連起來在覆銅，以保證GND的完整性。整個(gè)PCB板盡量多打地孔，電源和地的回流路徑越小越好。3.2 模塊開關(guān)機(jī)設(shè)計(jì)及時(shí)序(PWRKEY引腳)SIM900A模塊內(nèi)部時(shí)，PWR

7、KEY引腳通過100K電阻上拉到3V電壓域，所以客戶設(shè)計(jì)時(shí)候要注意模塊端的電平。為了防止PWRKEY與IO直連導(dǎo)致串電，增強(qiáng)開關(guān)機(jī)可靠性，建議客戶使用如下設(shè)計(jì)，在模塊與MCU的IO間加三極管隔離，注意不要在集電極加上拉，推薦電路如下圖5所示：4.7K47KTurn on/off impulsePWRKEYPower on/down logic100K3VMODULE圖5：使用pwrkey驅(qū)動(dòng)開關(guān)機(jī)模塊開關(guān)機(jī)時(shí)序如下圖所示：圖6：模塊開關(guān)機(jī)時(shí)序?qū)τ赟IM900、SIM900A、SIM900D模塊，可以通過STATUS引腳判斷模塊是否開關(guān)機(jī)；對(duì)于SIM900B、SIM900S模塊，可以通過VDD_

8、EXT（下面會(huì)提到該引腳設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)）引腳判斷模塊是否開關(guān)機(jī)。3.3 串口部分設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)串口部分：一般ARM系統(tǒng)的串口都不需要上拉的，即便上拉也要上拉到系統(tǒng)內(nèi)部（比如VDD_EXT引腳），模塊串口部分電平2.8V左右，因此客戶可以根據(jù)MCU串口電平進(jìn)行電平匹配，以保證電壓匹配；當(dāng)MCU端和模塊端的電平不匹配時(shí)，建議在MCU和模塊使用level shifter 芯片或者三極管進(jìn)行電平匹配。當(dāng)MCU端和模塊端的電平差別不是很大時(shí)，比如MCU的電平為3V，簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)可以直接串接電阻進(jìn)行電平匹配，但這可能會(huì)使MCU端的電流串至模塊，導(dǎo)致模塊開機(jī)不正常。因此在設(shè)計(jì)中串接的電阻值應(yīng)根據(jù)實(shí)際電路調(diào)試得出

9、，一般推薦值為300歐姆。對(duì)于串口部分引腳，TXD、RXD引腳必須設(shè)計(jì)使用，其它主要功能如下描述，串口部分連接圖如下所示：圖7：串口連接圖DTR：主要是控制模塊進(jìn)入/退出sleep模式模塊進(jìn)入sleep模式條件：1）設(shè)置AT+CSCLK=12）將DTR引腳置高電平滿足以上兩個(gè)條件是模塊進(jìn)入Sleep模式的必要條件?？蛻粼O(shè)計(jì)時(shí)，DTR引腳與客戶的MCU之間最好串接15k以上的電阻或二極管隔離，防止有些客戶產(chǎn)品反饋電壓倒灌、sleep電流偏高問題。在模塊開機(jī)前，MCU端已經(jīng)工作了，客戶端可通過MCU的IO將模塊DTR引腳直接拉低，待模塊開機(jī)后需要進(jìn)入sleep時(shí)候，再將DTR引腳拉高處理。注意：三

10、線式設(shè)計(jì)(僅有TXD、RXD、GND)，建議客戶DTR引腳預(yù)留下拉或I/O控制。RTS、CTS：主要是透?jìng)鳡顟B(tài)下作為硬件流控使用；在透?jìng)髂Ｊ较?，模塊完全處于數(shù)據(jù)態(tài)，模塊內(nèi)部buffer有8KByte的空間，正常情況下CTS引腳為低電平，如果buffer內(nèi)數(shù)據(jù)大于6KByte，模塊CTS引腳置高，此時(shí)不要向buffer內(nèi)丟數(shù)據(jù)，等待CTS引腳拉低(此時(shí)buffer內(nèi)數(shù)據(jù)小于2KByte)后在向buffer內(nèi)丟數(shù)據(jù)。開啟硬件流控需要設(shè)置“AT+IFC=2，2“,默認(rèn)0,0DCD：主要用于PPP撥號(hào)、透?jìng)鞴δ芟?，判斷模塊處于數(shù)據(jù)態(tài)還是命令態(tài)；命令態(tài)2.8V電平；數(shù)據(jù)態(tài)低電平RI：主要用于判斷電話呼入

11、、接收短信息、接收數(shù)據(jù)等；外部電話呼入接收短消息(拉低120ms)數(shù)傳下模塊接收到數(shù)據(jù)(設(shè)置AT+CFGRI=1，拉低120ms)以上引腳根據(jù)客戶應(yīng)用不同，可以有選擇性進(jìn)行設(shè)計(jì)，若不用可以直接懸空處理。模塊開機(jī)后串口電平狀態(tài)供參考：DTR2.60V左右DCD2.87V左右RI2.87V左右CTS低電平RTS低電平RXD高阻態(tài)TXD2.92V左右模塊開機(jī)初始化時(shí)，MCU端和模塊端所有連接的串口信號(hào)最好都置為低電平，避免模塊串電導(dǎo)致開機(jī)不正常。另外，DBG_TX、DBG_RX引腳客戶需要預(yù)留測(cè)試接口，以方便后續(xù)軟件升級(jí)、DBG調(diào)試時(shí)使用。3.4SIM卡部分設(shè)計(jì)模塊支持1.8/3.0V的SIM卡。S

12、IM卡供電，根據(jù)SIM卡的類型自動(dòng)選擇輸出電壓，可以為3.0V10%或者1.8V10%，該引腳最大輸出電流能力約為10mA。SIM卡部分參考設(shè)計(jì)如下圖所示：MODULESMF05CSIM_VDDSIM_CLKSIM_DATASIM_RST22pFVCC GNDRST VPPCLK I/O22R22R22R100nFC707 10M006 5122SIM CARD圖8：SIM卡座接口推薦設(shè)計(jì)注意：以上電容、ESD等器件放置要靠近SIM卡座。SIM部分設(shè)計(jì)注意如下：SIM_VDD：需要并100或220nF電容，以穩(wěn)定電源輸出，減小紋波；SIM_DATA：建議并pF級(jí)電容，防止高頻干擾；SIM_RS

13、T: 建議并nF級(jí)電容，防止高頻干擾；為了增強(qiáng)SIM卡部分的可靠性，建議在接口增加ESD靜電保護(hù)器件，推薦ESD型號(hào)SMF05CPCB布局、Layout時(shí)，注意SIM卡卡座盡量靠近模塊，不要擺放過遠(yuǎn)，走線過長(zhǎng)，導(dǎo)致無法識(shí)別SIM卡；3.5 音頻部分原理設(shè)計(jì)：建議在模塊端和音頻器件端分別加濾波電容，如下圖所示：圖9：音頻接口設(shè)計(jì)PCB布局及Layout：音頻線推薦差分走線，如下圖所示：圖10：差分走線設(shè)計(jì)為了減少電源、天線對(duì)音頻部分的干擾，模塊的音頻線路推薦差分方式走線，在PCB布板的時(shí)候注意數(shù)字電路與模擬電路分開，以降低數(shù)字電路對(duì)模擬電路的干擾，音頻部分的濾波器件最好分別放置在模塊端和音頻器件

14、端，差分線之間距離盡量短?？蛻粼O(shè)計(jì)時(shí)MIC和SPK器件位置盡量要遠(yuǎn)離、最好在對(duì)角線上，而且方向保持垂直或反向。避免SPK輸出耦合回MIC，SPK設(shè)計(jì)時(shí)候要有腔體保護(hù)，并且要有緩沖處理，以免SPK發(fā)聲時(shí)帶動(dòng)整機(jī)震動(dòng)產(chǎn)生噪音；MIC器件接口最好密閉處理。如何通過AT指令調(diào)節(jié)回音、嘯叫？主通道AT+CHFA=0 / 切換音頻通道AT+CLVL=0,60 / 接收器音量設(shè)置過高會(huì)產(chǎn)生嘯叫AT+SIDET=0,0 / 消除側(cè)音AT+CMIC=0,6 / 調(diào)節(jié)MIC增益AT+ECHO=0,7,4 / 回音消減調(diào)節(jié)主通道免提AT+CHFA=2AT+CLVL=2,60AT+SIDET=2,0AT+CMIC=2

15、,6AT+ECHO=2,7,4主通道做免提，主要是針對(duì)一些車載客戶、PND客戶，可以有效的改善回音、嘯叫問題。3.6 射頻部分設(shè)計(jì)對(duì)于SMT封裝模塊，在射頻部分設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮預(yù)留型網(wǎng)絡(luò)，前期可以先貼0歐姆電阻、電容NC，以便后續(xù)天線匹配調(diào)試。射頻走線遵循短而直的原則，盡量走直線或弧狀線；RF線下方需要有完整的參考地，不要走任何信號(hào)線，如下圖所示。圖11：射頻設(shè)計(jì)及l(fā)ayout對(duì)于射頻部分設(shè)計(jì)，客戶可以結(jié)合板層、板厚、材質(zhì)等大致計(jì)算RF線寬，保證50歐姆左右的輸出阻抗(當(dāng)然這只是理論值，實(shí)際還是看板廠的工藝、材料)。如下圖所示兩層板(兩層板很難控制50歐姆阻抗)：板厚1.6mm圖12：兩層板RF

16、走線設(shè)計(jì)如下圖四層板(SIM900TE轉(zhuǎn)接板射頻設(shè)計(jì))：板厚1.0mm圖13：四層板RF走線設(shè)計(jì)對(duì)于射頻指標(biāo)，一般需要與整機(jī)一起測(cè)試天線性能，最好是在有3D環(huán)境的廠商做3D性能測(cè)試，3D性能主要有TRP、TIS測(cè)試，其中：GSM850/GSM900頻段，要求TRP 29dBm，TIS 26dBm, TIS 102dBm。3.7 其它引腳設(shè)計(jì)STATUS：主要是用于判斷模塊開關(guān)機(jī)狀態(tài)，開機(jī)后為2.8V高電平、關(guān)機(jī)后為低電平；VDD_EXT：開機(jī)后輸出2.8V的電平，如果模塊沒有STATUS引腳預(yù)留，建議通過該引腳判斷模塊開關(guān)機(jī)狀態(tài)，設(shè)計(jì)時(shí)將客戶端的IO配置為輸入(如果客戶可以配置成ADC最好)，避免串電問題導(dǎo)致