Миниатюрный GSM-модуль WS6318


PDF версия

Уменьшение размеров компонентов логичным образом приводит к уменьшению размеров электронных модулей. Новое достижение в миниатюризации продемонстрировала компания Sierra Wireless, выпустив в 2012 г. новый GSM-модуль меньшего размера, чем sim-карта. В данной статье рассматриваются аппаратные и программные особенности нового модуля и даются рекомендации по его применению.

Новый GSM-модуль WS6318 является недорогим универсальным GSM-модемом, использующим все современные каналы передачи данных — голос, SMS, GPRS и CSD. При изготовлении модуля применена новая технология защиты внутренних узлов с помощью специального химического барьера (сonformal coating). Это позволило отказаться от громоздких металлических экранов и сделать GSM-модуль в формате LGA-микросхемы с размерами 15×17,8×2,5 мм (см. рис.1).

 

Рис. 1. GSM-модуль WS6318

Новый WS6318 имеет высокие технические характеристики: работает в индустриальном диапазоне температур (–40…80°С) и потребляет в режиме приема всего 1,3 мА, что делает его отличным кандидатом для установки в портативные устройства с батарейным питанием. Широкий диапазон питающего напряжения 3,2…4,8 В позволяет использовать как литий-ионные, так и никель-металлогидридные аккумуляторы и щелочные батареи. Полный набор технических характеристик GSM-модуля WS6318 приведен в таблице 1.

 

Таблица 1. Технические характеристики GSM-модуля WS6318

Параметры

Значения

Передача данных

GSM, GPRS 10 кл., CSD, SMS, USSD

Диапазон частот

GSM 900/1800 МГц

Сертификация

R&TTE, CE, GCF

Голосовые кодеки

HR, FR, EFR, AMR

Чувствительность

–109 дБм

Максимальная выходная мощность

33 дБм

Управление

Набор стандартных АТ-команд

(3GPP TS 27.005/.007; IYU-T V25.TER; HAYES; TIA-IS101; TIA578A)

Набор расширенных АТ-команд

Встроенный TCP/IP-стек

Подавление эха и снижение шума

Да

Аналоговое аудио

Микрофон

2 динамика (32/16 Ом, 8 Ом)

Цифровое аудио

PCM Master (768 кГц, 13 бит)

Поддержка DTMF

Декодирование и генерация

Напряжение питания

3,2…4,8 В

Рабочее напряжение ядра

1,2 В

(внутренний стабилизатор)

Рабочее напряжение цифровой части

2,8 В

(внутренний стабилизатор)

Потребление в режиме Sleep Idle

1,2 мА (при Vbatt = 4,8 В)

Потребление в режиме передачи данных

Макс. 373 мА (GPRS 10 кл., 900 мГц)

Потребление в режиме голосового вызова

Макс. 217 мА (PCL5, 900 мГц)

Последовательный интерфейс

UART1 (V.24, 8 линий, до 115200 бит/с)

Цифровые линии ввода-вывода

10 GPIO

Аналоговые интерфейсы

2 АЦП (10 бит)

Прочие аппаратные интерфейсы

Сброс

Готовность модуля

Включение/выключение

Индикатор включения передатчика

Звонок (Buzzer)

Резервная батарея RTC

Выход 2,8 В LDO (до 150 мА)

Выход ШИМ

2

Sim-карта

Внешняя (1,8В/3В)

Выход тактовой частоты

26 МГц, 32,768 кГц

Интерфейс отладки

UART2

Встроенный таймер

Часы реального времени и календарь

Системный разъем

Нет (LGA-корпус)

Антенный разъем

Вывод (pin)

Размеры

15,05×17,85×2,5 мм

Рабочая температура

–40…85°C

 

Интерфейс управления

Для подачи управляющих AT-команд и передачи цифровых данных используется 8-проводной UART-интерфейс с полным соответствием протоколу сигнализации V24. Разумеется, для электрической совместимости c V28 (COM-порт ПК) необходима внешняя микросхема преобразователей уровня, т.к. линии UART имеют рабочее напряжение 2,8 В. WS6318 может работать в диапазоне скоростей 1200…115200 бит/с с поддержкой режима автоопределения скорости. Использование всех линий интерфейса не является обязательным. В самом простом случае для подключения к управляющему микроконтроллеру (МК) достаточно задействовать только линии TXD и RXD. Согласно документации производителя такой режим работы является «допустимым», хотя и не рекомендованным для применения. Практика показывает, что при использовании быстродействующего МК никаких проблем с таким подключением не возникает.
Основной последовательный интерфейс UART1 используется также при обновлении внутреннего программного обеспечения модуля (firmware). Для обновления firmware используется стандартный протокол X-модем, что на практике позволяет использовать для загрузки прошивки разные терминальные программы, например, Windows HyperTerminal.
Разработчик может использовать различные дополнительные интерфейсы WS6318 — порты ввода вывода, АЦП, ШИМ и специальные линии индикации состояния. Управление этими линиями, установка и считывание значений производятся с помощью соответствующих AT-команд.
Сигнал TX_CTRL является индикатором включения передатчика. На линии TX_CTRL возникает лог. «1» только на период пикового потребления тока, т.е. на время занимаемых модулем тайм-слотов при передаче. Сигнал TX_CTRL можно анализировать микроконтроллером для синхронизации или отключения на время GSM-передачи других узлов устройства с повышенным энергопотреблением, например, динамической светодиодной индикации, термопринтеров и электромагнитных исполнительных устройств. Подобный подход снижает требования к батарее и подсистеме питания.
Вывод Buzzer может использоваться для проигрывания мелодий. Можно программировать «на лету» частоту и уровень выходного сигнала. Два встроенных АЦП имеют разрешение 10 бит и могут работать с сигналами 0…1 или 0…3 В. Стабилизированный выход 2,8 В LDO может использоваться разработчиком для подачи питания на собственную часть схемы. Максимальный ток по данной линии может достигать 150 мА.
WS6318 может выдавать две тактовые частоты (32 КГц и 26 МГц) для подачи их на другие узлы схемы. WS6318 работает с голосом в цифровом (PCM) или аналоговом (два динамика и микрофон) режимах и поддерживает такие функции как подавление эха и снижение шума (еcho cancellation и noise reduction).

Вопросы питания

Модуль WS6318 работает в широком диапазоне напряжения питания (3,2…4,8 В), что позволяет непосредственно подключать стандартный литий-ионный аккумулятор. Дополнительный DC/DC-преобразователь в этом случае не нужен. Параллельно аккумулятору необходимо подключить танталовый конденсатор большой емкости с низким значением ESR. Здесь не стоит скупиться — номинал 680 мкФ будет хорошим выбором. Общее суммарное сопротивление по линии питания на участке «контакты батареи — предохранитель — дорожки печатной платы» должно быть не более 0,15 Ом. К выбору источника питания следует отнестись с особым вниманием, т.к. плохо спроектированная схема питания может стать причиной нестабильной работы конечного изделия. Вследствие того, что GSM-передатчик включается только на короткое время (bursted emission), источник питания должен обеспечивать выходной ток не менее 1,6 А в импульсе длительностью 1154 мкс (при работе GPRS класса 10 в диапазоне 900 МГц). При этом средний ток потребления WS6318 при максимальной выходной мощности передатчика не превышает 373 мА в GPRS-режиме. Средний ток в режиме голосового соединения находится в пределах 77…217 мА в зависимости от выходной мощности и диапазона частот. В режиме «Off» модуль потребляет 46 мкА. Для уменьшения этого тока рекомендуется ставить внешний ключ на полевом транзисторе.
Функции управления питанием позволяют переводить WS6318 в различные режимы работы (см. рис. 2, табл. 2). В режиме Sleep Idle среднее потребление модуля составляет 1,3 мА при нахождении в сети GSM, т.е. когда WS6318 готов к приему входного звонка. Управление режимом пониженного энергопотребления осуществляется с помощью специальной команды AT+PSSleep. При установке AT+PSSleep = 0 перевод модуля в режим пониженного энергопотребления производится с помощью линии DTR. В данном случае режимом сна управляет внешний МК.

 

Рис. 2. Режимы работы WS6318

 

Таблица 2. Режимы работы WISMO218

Режим

Описание

Off Mode

Напряжение питания подается на вывод Vbatt, но модуль еще не включен

Alarm Mode

Таймер включения установлен, модуль ожидает времени включения, команда AT+CPOF введена, сигнал ON/~OFF не задействован (высокий уровень)

Sleep Idle

WS6318 зарегистрирован в сети, готов к приему входящего звонка. UART переведен в режим Sleep

Connected Mode

WS6318 находится в режиме GSM-голосового соединения

Airplane

Режим «самолет». Активны все внутренние узлы кроме радиочасти

 

При подаче AT+PSSleep = 1 перевод в режим сна будет происходить автоматически, под управлением внутреннего ПО модуля (firmware). WS6318 будет «засыпать» каждый раз, если возникает продолжительная пауза (несколько секунд) в передаче данных через UART и нет никаких сетевых задач. Передача одного символа по UART выводит модуль из режима сна, однако этот символ не обрабатывается модулем (теряется). Автоматический переход в режим Sleep Idle приводит к заметному снижению энергопотребления и обеспечивает продолжительную автономную работу при батарейном питании. Для достижения минимальных значений потребляемого тока в спящем режиме рекомендуется устанавливать правильные логические уровни на портах ввода-вывода, чтобы минимизировать протекающий через них ток. В режиме Sleep Idle можно обеспечить работу WS6318 более года, если использовать 1—2 батареи высокой емкости, например, ER34615M (типоразмер D, емкость 14 А/ч, напряжение 3,6 В, производитель EEMB).

Конструктивное исполнение

Модуль WS6318 имеет новое конструктивное исполнение в виде небольшой микросборки с 86 LGA-выводами, из которых 66 являются активными сигналами (см. рис 3). Модуль предназначен для установки на плату методом поверхностного монтажа. Такое решение позволяет сэкономить на системном разъеме и предполагает автоматизированную установку модуля при производстве. Для нанесения пасты необходимо использовать трафарет. Вручную запаять модуль WS6318 будет непросто, разве что при использовании паяльной станции с феном. Впрочем, для ручной пайки есть близкий по характеристикам модуль WISMO228 с широким шагом выводов, который без проблем можно запаять обычным паяльником. Для разработчиков предусмотрена специальная переходная плата (см. рис. 4) с запаянным модулем WS6318, которая вставляется в стандартную материнскую плату от набора разработчика WISMO DK [2].

 

Рис. 3. LGA-корпус WS6318

Рис. 4. Переходная плата WS6318

Подключение антенны к модулю необходимо выполнять через согласованную линию в виде дорожек печатной платы. Трассировка антенного пина производится с помощью 50-Ом линии, которая специальным образом должна быть рассчитана, исходя из толщины печатной платы, свойств диэлектрика и вида микрополосковой линии. Рекомендованный чертеж разводки антенного пина приведен на рисунке 5.

 

Рис. 5. Рекомендованный чертеж разводки антенного пина

Простой способ избежать расчета согласованной линии — использовать короткий коаксиальный переходник с высокочастотными разъемами. На одном конце кабеля используется разъем SMA для подключения к антенне, на другом — миниатюрный U.FL-разъем (см. рис. 6 а, б). Ответный разъем U.FL необходимо распаять в непосредственной близости от антенного вывода WS6318. В этом случае можно будет использовать отсоединяемую внешнюю антенну. Благодаря гибкому переходнику внешний антенный разъем может размещаться на любой стороне корпуса прибора. При использовании чип-антенн необходимо строго следовать рекомендациям производителя антенны, т.к. печатная плата с GSM-модулем и остальными элементами платы может существенно влиять на характеристики антенны. Компания Sierra Wireless предлагает разработчикам бесплатный сервис по инженерному анализу схемотехники и топологии печатной платы.

 

а)
б)
Рис. 6. Подключение антенны через переходной кабель UFL/SMA

Для монтажа WS6318 можно использовать двухстороннюю печатную плату, хотя для лучшей изоляции аудиосигналов (снижения характерных TDMA-наводок) предпочтительна 4-слойная печатная плата (см. рис. 7). При разводке аудиолиний (микрофон и динамик) следует использовать дифференциальные линии, идущие по плате параллельно и в окружении земляных полигонов. Не рекомендуется пересекать эти линии цифровыми линиями в соседних слоях. Полные рекомендации можно найти в разделе 4.8.5 Audio Track and PCB Layout recommendation документа [1].

 

Рис. 7. Пример печатной платы

 

Набор специальных AT-команд

Интересные возможности WS6318 доступны через набор расширенных (проприетарных) AT-команд [3]. Новые специальные AT-команды позволяют производить мониторинг всех доступных сотовых операторов даже без sim-карты, воспроизводить и декодировать DTMF, переводить модуль в режим пониженного энергопотребления автоматически или вручную. Для целей отладки предусмотрен специальный тестовый режим включения передатчика с заданной мощностью на любом частотном канале. Встроенный TCP/IP-стек позволяет использовать не только UDP или TCP, но и производить обмен файлами с помощью FTP.
Рассмотрим некоторые проприетарные AT-команды:
– команда AT*PSENGI позволяет получить служебную информацию о главной и соседних базовых станциях. Данная информация может использоваться для определения координат объекта без использования навигационного приемника;
– команда AT*PSADC позволяет получить важную информацию, связанную с подсистемой питания модуля: текущую выходную мощность передатчика, напряжение питания батареи во время включения передатчика (tx burst) и вне его, значения двух АЦП;
– команда AT+WMGPIO устанавливает и считывает данные с 10 цифровых линий ввода-вывода (GPIO);
– команда AT*PSRIC управляет поведением выхода RI, который можно настроить на индикацию входящего звонка, SMS, широковещательных сетевых сообщений и других событий в произвольном сочетании;
– команда AT*PSRDBS позволяет отслеживать статус соединения в режиме on-line. С ее помощью можно определить, когда удаленный абонент снял или повесил трубку и по какой причине произошел разрыв соединения;
– команда AT*PSRDBS позволяет принудительно установить частотный диапазон — только 900 МГц, только 1800 МГц или оба диапазона (значение по умолчанию);
– команда AT+WGPRS принудительно ограничивает GPRS-класс модуля, например, можно снизить его с GPRS Class 10 (по умолчанию) до GPRS Class 8 или даже GPRS Class 2. Это полезно в тех случаях, когда необходимо уменьшить энергопотребление устройства;
– команда AT*PSCHRU позволяет отключать определенные типы незапрашиваемых (unsolicited) сообщений. Например, можно избирательно отключить незапрашиваемые сообщения, связанные с работой функционала SIM-toolkit или запретить все сообщения, кроме тех, которые выдаются по факту приема звонков и SMS;
– команда AT*PSFSNT включает информационное сообщение об изменении силы принимаемого сигнала на 5 дБ;
– команда AT+PSSREP позволяет получить информацию о текущем состоянии WS6318 после подачи питания, т.е. точно определить момент готовности модуля к приему команд или ожидание модулем ввода PIN-кода.

Команды встроенного TCP/IP-стека

Встроенный TCP/IP-стек работает со следующими протоколами: UDP, TCP in connect mode (Client), TCP in listen mode (Server). Поддерживается одновременная работа с несколькими сокетами: UDP — 8 сокетов, TCP Clients — 8 сокетов, TCP Servers — 4 сокета. В М2М-приложениях обычно используется выделенный сервер, принимающий данные телеметрии на один или одновременно несколько сокетов в режиме TCP или UDP. При этом сервер должен иметь выделенный внешний статический IP-адрес. Установка соединения с таким сервером требует минимальных действий, например, для подключения к почтовому серверу потребуется лишь 6 AT-команд:
Запускаем (активируем) сам TCP/IP-стек:
at+wipcfg=1<CR><LF>
Определяем физическую среду передачи данных — GPRS Bearer (открываем GPRS-носитель):
at+wipbr=1,6<CR><LF>
Устанавливаем точку доступа (в данном примере используется sim-карта «Билайн»):
at+wipbr=2,6,11,«internet.beeline.ru»<CR><LF>
Делаем подключение к GPRS (стартуем носитель):
at+wipbr=4,6,0<CR><LF>
После этой команды возникает небольшая пауза в несколько секунд до получения ответа «OK».
Создаем соединение (TCP-клиент) с указанным на сайте почтового сервиса адресом (pop.mail.ru) и номером порта (110)
at+wipcreate=2,1,«pop.mail.ru»,110<CR><LF>
В ответ получаем 2 строки:
+WIPREADY: 2,1
Успешно создан TCP-клиент с идентификатором сессии (индексом) 1
+WIPDATA: 2,1,5
Получены 5 байт данных.
Переключаем UART в режим обмена данными в режиме «Continuous»:
at+wipdata=2,1,1<CR><LF>
После сообщения:
CONNECT
Мы видим 5 байт данных (c учетом <CR><LF>), которые прислал нам почтовый сервер:
+OK
Готово, мы соединились с почтовым сервером.

Заключение

Новый миниатюрный WS6318 представляет собой законченный полноценный GSM-модем, предоставляющий разработчику все современные каналы передачи данных — голос, SMS, GPRS и CSD. Отличные технические параметры, расширенный набор AT-команд и простое управление встроенным TCP/IP-стеком позволяют отнести WS6318 к лучшим моделям в бюджетном классе GSM-модулей для M2M-приложений.

Литература
1. Документация на WS6318 AirPrime WS6318 Product Technical Specification and Customer Design Guidelines (WA_DEV_W6318_PTS_001).
2. Инструкция к набору разработчика WS6318 Development Kit User Guide (WA_DEV_W6318_UGD_001).
3. Описание АТ-команд WS6318 AT Command Manual ( WA_DEV_W6318_UGD_004).

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *