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.
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 |
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).
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
|
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).
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
|
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.
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.
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.
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).