剖析Air724UG的硬體設計，還有大發現？01部分

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一、緒論

Air724UG是一款基於紫光展銳UIS8910DM平臺設計的LTE Cat 1無線通訊模組。支援FDD-LTE/TDD-LTE的4G遠距離通訊和Bluetooth近距離無線傳輸技術，支援 WiFi Scan 和 WiFi 定位，支援VoLTE、Audio、Camera、LCD、Keypad等功能。另外，模組提供了USB/UART/SPI/I2C/SDIO等通用介面滿足IoT行業的各種應用訴求。

Air724UG 支援Luat二次開發。下圖為Air724UG模組功能框圖：

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二、綜述

2.1 型號資訊

表格 1：模組型號列表

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2.2 主要效能

表格 2：模組主要效能

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​三、應用介面

模組採用LCC封裝，117個SMT焊盤管腳，以下章節將詳細闡述Air724UG各介面的功能

3.1 管腳描述

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3.2 工作模式

下表簡要的敘述了接下來幾章提到的各種工作模式。

表格 5：工作模式

模式	功能
正常工作	SLEEP	在模組沒有任何任務處理則會自動進入睡眠模式。睡眠模式下，模組的功耗會降到非常低，但模組仍然能夠收發資料、短訊息和來電。
	IDLE	軟體正常執行。模組註冊上網路，沒有資料，語音和簡訊互動。
	TALK/Data	連線正常工作。有資料或者語音或者簡訊互動。此模式下，模組功耗取決於環境訊號的強弱，動態DTX 控制以及射頻工作頻率。
關機模式	此模式下PMU停止給基帶和射頻供電，軟體停止工作，串列埠不通，但VBAT管腳依然通電
最少功能模式(保持供電電壓）	AT+CFUN=0 可以將模組設定為最少功能模式 此模式下，射頻和SIM卡都不工作，但是串列埠仍然可以訪問
飛航模式	AT+CFUN=4 可以將模組設定為飛航模式，此模式下模組射頻不工作

具體的功耗資料請查詢 5.4 功耗 章節。

3.3 電源供電

管腳名	型別	序號	描述
VBAT	PI	59，60	模組主電源，供電範圍3.3V~4.3V

3.3.1 模組電源工作特性

在模組應用設計中，電源設計是很重要的一部分。由於LTE射頻工作在最大發射功率時會有約700mA的持續 工作電流，電源必須能夠提供足夠的電流，不然有可能會引起供電電壓的跌落甚至模組直接掉電重啟。

3.3.2 減小電壓跌落

模組電源VBAT電壓輸入範圍為3.3V~4.3V，但是模組在射頻發射時通常會在VBAT電源上產生電源電壓跌落現象，這是由於電源或者走線路徑上的阻抗導致，一般難以避免。因此在設計上要特別注意模組的電源設計， 在VBAT輸入端，建議並聯一個低ESR(ESR=0.7Ω)的100uF的鉭電容，以及100nF、33pF、10pF濾波電容，VBAT輸入 端參考電路如圖4所示。並且建議VBAT的PCB走線儘量短且足夠寬，減小VBAT走線的等效阻抗，確保在最大發射 功率時大電流下不會產生太大的電壓跌落。建議VBAT走線寬度不少於1mm，並且走線越長，線寬越寬。

圖表 3：VBAT 輸入參考電路

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3.3.3 供電參考電路

電源設計對模組的供電至關重要，必須選擇能夠提供至少1A電流能力的電源。若輸入電壓跟模組的供電電 壓的壓差小於2V，建議選擇LDO作為供電電源。若輸入輸出之間存在的壓差大於2V，則推薦使用開關電源轉換器以提高電源轉換效率。

LDO供電：

下圖是5V供電的參考設計，採用了Micrel公司的LDO，型號為MIC29302WU。它的輸出電壓是4.16V，負載電 流峰值到3A。為確保輸出電源的穩定，建議在輸出端預留一個穩壓管，並且靠近模組VBAT管腳擺放。建議選擇 反向擊穿電壓為5.1V，耗散功率為1W以上的穩壓管。

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圖表 4：供電輸入參考設計

DC-DC 供電：

下圖是 DC-DC 開關電源的參考設計，採用的是傑華特公司的 JW5033S 開關電源晶片，它的最大輸出電流是 2A，輸入電壓範圍 3.7V~18V。注意 C25 的選型要根據輸入電壓來選擇合適的耐壓值。

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圖表 6：DCDC 供電輸入參考設計

由於DC-DC 晶片對佈局和走線有要求，為了簡化設計，也可以採用合宙推出的JW5033S 電源模組：

Air5033S 來給 4G 模組供電，只需要外加兩顆濾波電容即可，參考電路如下：

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圖表 6：Air5033S 供電輸入參考設計

3.4 開關機

3.4.1 開機

管腳名	型別	序號	描述
PWRKEY	DI	68	模組開機/關機控制腳， 內部上拉到VBAT
VBUS	DI	14	USB插入檢測，Vmax=5.25V Vmin=3.3V Vnorm=5.0V Luat韌體可觸發充電開機

在VBAT供電後，可以透過如下三種方式來觸發Air724UG開機

1. 把 PWRKEY 拉低1.2秒以上
2. 給 VBUS 管腳供電，來觸發充電開機（AT韌體不支援）
3. RTC 定時開機（AT韌體不支援）

3.4.1.1 PWRKEY 管腳開機

VBAT上電後，可以透過PWRKEY管腳啟動模組，把PWRKEY管腳拉低1.2秒以上之後模組會進入開機流程，軟 件會檢測VBAT管腳電壓，若VBAT管腳電壓大於軟體設定的開機電壓（3.1V），會繼續開機動作直至系統開機完 成；否則，會停止執行開機動作，系統會關機，開機成功後PWRKEY管腳可以釋放。可以透過檢測 V_GLOBAL_1V8 管腳的電平來判別模組是否開機。推薦使用開集驅動電路來控制PWRKEY管腳。下圖為參考電路：

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圖表 5：開集驅動參考開機電路

另一種控制PWRKEY管腳的方法是直接使用一個按鈕開關。按鈕附近需放置一個TVS管用以ESD保護。下圖 為參考電路：

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圖表 6：按鍵開機參考電路

按鍵開機時序圖：

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3.4.1.2 上電開機

將模組的PWRKEY 直接接地可以實現上電自動開機功能。需要注意，在上電開機模式下，將無法關機，只要 VBAT 管腳的電壓大於開機電壓即使軟體呼叫關機介面，模組仍然會再開機起來。另外，在此模式下，要想成功開機起來 VBAT 管腳電壓仍然要大於軟體設定的開機電壓值（3.1V），如果不滿足，模組會關閉，就會出現反覆開關機的情況。

對於用鋰電池或其他可充電電池供電的應用場景，推薦優先採用按鍵開機的方式。

如果要上電開機，除了要把 PWRKEY 拉低以外，還必須把 VBUS 管腳接到充電器上來觸發充電開機，或者在 VBUS 和 VBAT 之間加一個肖特基二極體來觸發充電開機，否則在鋰電池過放導致模組低電壓關機後，在給鋰電池重新充電時因為電壓還不穩，而模組只會檢測到一次 PWRKEY 拉低的中斷，會導致機率性無法開機。

增加這顆肖特基二極體後會增加約 0.6mA 的待機電流。

參考電路如下：

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3.4.2 關機

以下的方式可以關閉模組：

• 正常關機：使用PWRKEY管腳關機
• 正常關機：透過AT指令AT+CPOWD關機
• 低壓自動關機：模組檢測到低電壓時關機，可以透過AT指令 AT+CBC 來設定低電壓的門限值；

3.4.2.1 PWRKEY 管腳關機

PWRKEY 管腳拉低 1.5s 以上時間，模組會執行關機動作。

關機過程中，模組需要登出網路，登出時間與當前網路狀態有關，經測定用時約2s~12s，因此建議延長12s 後再進行斷電或重啟，以確保在完全斷電之前讓軟體儲存好重要資料。

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3.4.2.2 低電壓自動關機

模組在執行狀態時當 VBAT 管腳電壓低於軟體設定的關機電壓時（預設設定 3.1V），軟體會執行關機動作關閉模組，以防低電壓狀態下執行出現各種異常。

3.4.3 復位

管腳名	型別	序號	電壓域	描述
RESET_IN_N	DI	1	VBAT	模組復位輸入，低有效；內部上拉到VBAT

RESET_IN_N 引腳可用於使模組復位。拉低 RESET_IN_N 引腳 100ms 以上可使模組復位。RESET_IN_N 訊號對干擾比較敏感， 因此建議在模組介皮膚上的走線應儘量的短，且需包地處理。

參考電路：

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備註：

1 . 復位功能建議僅在AT+CPOWD 和PWRKEY 關機失敗後使用。

3.5 串列埠

模組提供了五個通用非同步收發器：主串列埠 UART1、校準串列埠 UART2、通用串列埠 UART3、除錯串列埠 HOST UART

和 ZSP UART。

3.5.1 UART1

表格 6：UART1 管腳定義

管腳名	型別	序號	電壓域	描述
UART1_TXD	DO	36	V_GLOBAL_1V8	UART1 傳送資料
UART1_RXD	DI	35	V_GLOBAL_1V8	UART1 接收資料
UART1_RTS	DO	37	V_GLOBAL_1V8	流控管腳，UART1 請求傳送資料
UART1_CTS	DI	38	V_GLOBAL_1V8	流控管腳，UART1 清除傳送

對於 Luat 開發方式，UART1 可以用作一個通用的串列埠來連線其他的串列埠裝置。

對於AT 開發方式，UART1 用來進行 AT 指令通訊。UART1 支援固定波特率和自適應波特率。自適應波特率支援範圍 9600bps 到 115200bps。

在預設情況下，模組的硬體流控是關閉的。當客戶需要硬體流控時，管腳 RTS,CTS 必須連線到客戶端，AT 命令“AT+IFC=2,2”可以用來開啟硬體流控。AT 命令“AT+IFC=0,0”可以用來關閉流控。具體請參考《AirM2M 無線模組 AT 命令手冊》。

UART1 的特點如下：

• 包括資料線TXD和RXD，硬體流控控制線RTS和CTS。
• 8個資料位，無奇偶校驗，一個停止位。
• 硬體流控預設關閉。
• 用以AT命令傳送，數傳等。
• 支援波特率如下：1200,2400,4800,9600,14400,19200,28800,38400,57600,115200,230400,460800,921600bps
• AT指令版本預設情況下模組是自適應波特率(AT+IPR=0)，在自適應波特率模式下，開機後初始化資訊（開頭是“RDY”）不會回發給主控機。在模組開機2-3秒後，可以給模組傳送AT命令。主控機需首先傳送“AT”字元給模組來訓練主控機的波特率，此時模組會上報初始化資訊，表明訓練成功。使用者可以傳送一個“AT+IPR=x :&W”命令給模組（x是波特率，比如9600），此命令的作用是設定一個固定的波特率並儲存，在完成這些配置之後，每次模組開機以後，會自動串列埠返回URC初始化資訊（開頭是“RDY”）。

為了更好的使用自適應波特率功能，以下的使用條件需要注意：

模組和上位機之間同步：

自適應波特率功能開啟情況下，當模組上電，在傳送“AT”字元前最好等待 2~3 秒鐘。當模組上報開機初始化資訊，表明波特率訓練成功，和上位機完成了同步。

在自適應波特率模式下，主控器如果需要開機資訊，必須首先進行同步。否則開機初始化資訊將不會上報。

自適應波特率操作配置：

• 串列埠配置為8位資料位，無奇偶校驗位，1位停止位（出廠配置）
• 模組開機時只有字串“AT”可以訓練波特率。（“at”、“At”或者“aT”無法被識別）
• 波特率訓練成功後，可以識別大寫、小寫或大小寫組合的AT命令。
• 不推薦在固定波特率模式時切換到自適應波特率模式。
• 在自適應波特率模式下，不推薦切換到軟體多路複用模式。

3.5.2 UART2

表格 7：UART2 管腳定義

管腳名	型別	序號	電壓域	描述
UART2_TXD	DO	4	V_GLOBAL_1V8	UART2 傳送資料
UART2_RXD	DI	3	V_GLOBAL_1V8	UART2 接收資料

UART2 可以用來射頻校準，同時UART2 還用來和內部的藍芽進行通訊，如果用到了藍芽功能，則UART2 不可再用作其他用途。

注意：UART2 在開機後會自動列印一段log，波特率921600，這段log不能透過修改軟體來關閉，推薦優先使用

UART1 和 UART3

UART2列印的Log如下：

RDA8910m Boot_ROM V1.0-17b887ec HW_CFG: 36

SW_CFG: 0

SE_CFG: 0

check flash img

load complete! checking......

Security Disabled Check uImage Done Run ...

3.5.3 UART3

管腳名	型別	序號	電壓域	描述
UART3_TXD	DO	90	V_GLOBAL_1V8	UART3 傳送資料
UART3_RXD	DI	89	V_GLOBAL_1V8	UART3 接收資料

可以用作外接GPS等外設。

3.5.4 HOST UART

管腳名	型別	序號	電壓域	描述
HOST_TXD	DO	5	V_GLOBAL_1V8	除錯串列埠，輸出 AP log，波特率 921600bps
HOST_RXD	DI	6	V_GLOBAL_1V8	除錯串列埠，接收除錯指令

HOST UART 用來軟體除錯時輸出 AP trace，建議預留測試點。

3.5.5 ZSP UART

管腳名	型別	序號	電壓域	描述
ZSP_UART_TXD	DO	7	V_GLOBAL_1V8	除錯串列埠，輸出 CP log，波特率 8Mbps

ZSP UART 用來軟體除錯時輸出 CP trace

3.5.6 串列埠連線方式

串列埠的連線方式較為靈活，如下是三種常用的連線方式。 三線制的串列埠請參考如下的連線方式：

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帶流控的串列埠連線請參考如下電路連線，此連線方式可提高大資料量傳輸的可靠性，防止資料丟失。

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3.5.7 串列埠電壓轉換

Air724UG 模組的串列埠電平都是 1.8V 的，如果要和 3.3V/5V 的MCU 或其他串列埠外設通訊，必須要加電平轉換電路：

電平轉換參考電路如下：

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注意此電平轉換電路不適用波特率高於 460800 bps 的應用；

圖中 V_GLOBAL_1V8 是模組輸出的 I/O 參考電壓。VDD_MCU 是客戶端的 I/O 參考電壓。

D2 必須選用低導通壓降的肖特基二極體。

肖特基二極體以及 NPN 三極體的推薦型號如下：

物料名稱	型號	廠商	描述
肖特基二極體	RB521S-30	江蘇長電	Schottky Diode;30V;200mA;SOD523;1.6*0.8*0.6mm
	PSB521S-30	上海智晶	Schottky Diode;30V;200mA;SOD523;1.6*0.8*0.6mm
	LRB521S-30T1 G	LRC	Schottky Diode;30V;200mA;SOD523;1.6*0.8*0.6mm
	PSBD521S-30	Prisemi	Schottky Diode;30V;200mA;SOD523;1.6*0.8*0.6mm
NPN 三極體	MMBT3904	江蘇長電	Transistor;NPN;40V;200mA;SOT23;1.1mm;ROHS
	MMBT3904	上海智晶	Transistor;NPN;40V;200mA;SOT23;1.1mm;ROHS
	LMBT3904LT1G	LRC	Transistor;NPN;40V;200mA;SOT23;1.1mm;ROHS

對於波特率高於 460800bps 的應用，可以透過外加電平轉換晶片來實現電壓轉換，參考電路如下：

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此電路採用的是電平轉換晶片是TI 的TXS0108E， 8 位雙向電壓電平轉換器，適用於漏極開路和推輓應用， 最大支援速率：

推輓：110Mbps 開漏：1.2Mbps

3.6 USB 介面

Air724UG 的USB 符合USB2.0 規範，支援高速（480Mbps）、全速（12Mbps）模式和低速（1.2Mbps） 模式。USB 介面可用於AT 命令傳送，資料傳輸，軟體除錯和軟體升級。

表格 8：USB 管腳定義

管腳名	型別	序號	描述
USB_DP	IO	16	USB 差分訊號正，走線需控制 90 歐姆差分阻抗
USB_DM	IO	15	USB 差分訊號負，走線需控制 90 歐姆差分阻抗
VBUS	DI	14	USB 插入檢測, Vmax=5.25V Vmin=3.3V Vnorm=5.0V , Luat 韌體可觸發充電開機

GND

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參考地

USB介面參考設計電路如下：

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圖表 9：USB 介面參考設計

1. USB 走線需要嚴格按照差分線控制，做到平行和等長；
2. USB 走線的阻抗需要控制到差分 90 歐姆；
3. 需要儘可能的減少USB 走線的stubs，減少訊號反射；USB 訊號的測試點最好直接放在走線上以減少stub；
4. 儘可能的減少USB 走線的過孔數量；
5. 在靠近USB 聯結器或者測試點的地方新增 TVS 保護管，由於USB 的速率較高，需要注意TVS 管的選型，保證選用的TVS 保護管的寄生電容小於 1pF
6. VBUS 作為USB 插入檢測，必須連線USB 電源或者外接電源，否則USB 無法被檢測到，VBUS 的檢測電壓要大於 3.3V

3.7 USB 下載模式

管腳名	型別	序號	電壓域	描述
USB_BOOT KEYIN0	DI	66	V_GLOBAL_1V8	在開機之前上拉到 V_GLOBAL_1V8，模組會強行進入 USB 下載模式 ，USB_BOOT 和 V_GLOBAL_1V8 須留測試點，方便後續升級軟體
V_GLOBAL_1V8	PO	65	V_GLOBAL_1V8	輸出 1.8V，IOmax=50mA
KEYOUT0	DO	96	V_GLOBAL_1V8	掃描鍵盤輸出 0
KEYIN1	DI	91	V_GLOBAL_1V8	掃描鍵盤輸入 1

Air724UG 模組有兩種方式可以進入 USB 下載模式：

1. 在開機之前，把USB_BOOT/KEYIN0 上拉到 V_GLOBAL_1V8
2. 在開機之前，把USB_BOOT/KEYIN0 和 KEYOUT0 短接在一起

建議給USB_BOOT/KEYIN0 和 V_GLOBAL_1V8 預留測試點，方便下載除錯使用。

在帶有矩陣掃描鍵盤的應用中，建議把USB_BOOT/KEYIN0 和 KEYOUT0 組成的按鍵接出來，以方便進行整機燒錄的操作。

模組進入USB 下載模式後會列舉出下圖所示的埠：

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Air724UG 還有一種方式會進入除錯模式：在開機之前，把KEYIN1 上拉到 V_GLOBAL_1V8；進入除錯模式後USB 列舉出來的埠和USB 下載模式的埠是一樣的。

進入除錯模式後將無法正常開機，故正常開機請不要把 KEYIN1 上拉到 V_GLOBAL_1V8

今天先分享到這裡，後面繼續分享。

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