一、緒論
Air700ECQ是一款基於移芯EC716E平臺設計的LTE Cat 1無線通訊模組。支援移動雙模FDD-LTE/TDD-LTE的4G遠距離無線傳輸技術。以極小封裝,極高價效比,滿足IoT行業的數傳應用需求。例如共享應用場景,定位器場景,DTU數傳場景等。
圖表 1:功能框圖
二、綜述
表格 1:模組型號列表
型號 |
Air700ECQ |
LTE-TDD |
B34/B38/B39/B40/B41 |
LTE-FDD |
B3/B8 |
IO 電平 |
1.8V |
模組尺寸 |
13.45mm*10.5mm*1.7mm(+-0.15mm) |
封裝 |
LGA |
備註 |
4G LTE 移動版 |
2.1 主要效能
表格 2:模組主要效能
特徵 |
說明 |
CPU |
|
Flash |
|
RAM |
|
支援頻段 |
|
發射功率 |
|
供電 |
|
LTE 特性 |
最大上行速率 4Mbps,最大下行速率 6Mbps
最大上行速率 2Mbps,最大下行速率 8Mbps |
網路協議特性 |
|
USIM 卡介面 |
|
USB 介面
串列埠 |
|
MAIN_UART:
AUX_UART:
DBG_UART:
|
|
I2C |
|
SPI |
|
天線介面 |
|
溫度範圍 |
|
RoHS |
|
物理特性 |
|
封裝 |
|
三、應用介面
模組採用LGA封裝,50個SMT焊盤管腳,以下章節將詳細闡述Air700ECQ各介面的功能
3.1 管腳描述
圖表 2:Air700ECQ 管腳排列圖(正檢視)
表格 3:管腳描述
電源
串列埠
USB 介面 |
|
||||
管腳名 |
管腳號 |
IO |
描述 |
電氣特性 |
備註 |
VBUS |
6 |
DI |
USB 插入喚醒 |
建議不超過 5.5V |
內部電阻分壓 |
USB_DP |
7 |
IO |
USB 資料差分訊號 |
|
90 歐姆差分主控控制 |
USB_DM |
8 |
IO |
USB 資料差分訊號 |
|
90 歐姆差分主控控制 |
USIM 介面 |
|
|
|
|
|
管腳名 |
管腳號 |
IO |
描述 |
電氣特性 |
備註 |
SIM_RST |
10 |
DO |
USIM 卡介面復位訊號 |
1.8V/3.3V |
|
SIM_CLK |
11 |
DO |
USIM 卡介面時鐘訊號 |
1.8V/3.3V |
|
SIM_DAT |
12 |
IO |
USIM 卡接資料訊號 |
1.8V/3.3V |
|
SIM_VDD |
13 |
PO |
USIM 卡接電源訊號 |
1.8V/3.3V |
|
SIM_DET |
48 |
DI |
USIM 卡插入檢測 |
1.8V |
|
模數轉換 ADC 介面
管腳名 |
管腳號 |
IO |
描述 |
電氣特性 |
備註 |
ADC0 |
34 |
AI |
模數轉換ADC 通道 0 |
量程 0~3.3V |
若超量程需要外部電阻分壓 |
ADC1 |
35 |
AI |
模數轉換ADC 通道 1 |
量程 0~3.3V |
若超量程需要外部電阻分壓 |
I2C 介面 |
|
|
|
|
|
管腳名 |
管腳號 |
IO |
描述 |
電氣特性 |
備註 |
I2C0_SDA |
33 |
OD |
I2C 介面資料訊號 |
DC 電平:VDD_EXT |
不用則懸空 |
I2C0_SCL |
49 |
OD |
I2C 介面時鐘訊號 |
DC 電平:VDD_EXT |
不用則懸空 |
I2C1_SDA |
38 |
OD |
I2C 介面資料訊號 |
DC 電平:VDD_EXT |
不用則懸空 |
I2C1_SCL |
37 |
OD |
I2C 介面時鐘訊號 |
DC 電平:VDD_EXT |
不用則懸空 |
天線介面
LED 指示燈介面
管腳名 |
管腳號 |
IO |
描述 |
電氣特性 |
備註 |
|
NET_STATUS |
27 |
0 |
網路狀態指示燈 |
DC 電平:LDO_AON |
不用則懸空 |
|
通用 GPIO |
|
|
|
|
|
|
管腳名 |
管腳號 |
IO |
描述 |
電氣特性 |
備註 |
|
GPIO1 |
30 |
IO |
通用GPIO |
DC 電平:VDD_EXT |
不用則懸空 |
|
GPIO2 |
39 |
IO |
通用GPIO |
DC 電平:VDD_EXT |
不用則懸空 |
|
GPIO3 |
40 |
IO |
通用GPIO |
DC 電平:VDD_EXT |
不用則懸空 |
|
AGPIO5 |
41 |
IO |
通用GPIO |
DC 電平:LDO_AON |
不用則懸空 |
|
其他 IO 口 |
|
|
|
|
|
|
管腳名 |
管腳號 |
IO |
描述 |
電氣特性 |
備註 |
|
AGPIOWU1 |
29 |
DI |
外部輸入中斷 |
DC 電平:LDO_AON |
Opencpu 二次開發用 |
|
WUKUP0 |
26 |
DI |
外部輸入中斷 |
DC 電平:LDO_AON |
Opencpu 二次開發用 |
|
*注:
- 二次開發 GPIO 複用功能詳見對應《_GPIO_table》
- LDOAON 為晶片內部部分 GPIO 供電電源,由此電源供電的 IO 口休眠狀態下能夠保持。
- 所有 GPIO 和 wakeuppad 都支援雙邊沿中斷;
可以複用為 wakeup 的 io,休眠以及喚醒狀態下都能使用;其餘 io 喚醒狀態下可用,休眠狀態下不能使用;
wakeup io 可以喚醒休眠,其餘 GPIO 都不可以。
表格 4:IO 引數定義
型別 |
描述 |
IO |
Input/Output |
DI |
Digital Input |
DO |
Digital Output |
PI |
Power Input |
PO |
Power Output |
AI |
Analog Input |
AO |
Analog Output |
OD |
Open Drain Output |
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 |
|
描述 |
正常工作 |
ACTIVE |
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。 |
IDLE
SLEEP1
SLEEP2
HIBERNATE
OFF |
MCU 核心時鐘關閉,系統中斷隨時可以喚醒模組。模組註冊上網路,沒有資料,語音和簡訊互動。進入和退出IDLE模式均由系統自動管理 休眠模式下。外設均會被關閉,大部分IO處於掉電狀態,僅有AGPIO能夠保持電平,功耗極大降低。透過AT+CSCLK=1或者AT+CSCLK=2進入此模式 在休眠模式基礎上,關閉SRAM, 僅保持64KB SRAM(ASMB)區域儲存必要資訊。功耗進一步降低, 在此模式下DeepSleep Timer仍然然可以執行。透過 WAKUP管腳可以喚醒,但是軟體需要重新初始化。AT版本不支援此休眠模式 在休眠模式基礎上,進一步關閉64KB SRAM(ASMB)區域, 功耗最低。在此模式下DeepSleep Timer仍然然可以執行。透過WAKUP管腳可以喚醒,但是軟體需要重新初始化。AT版本不支援此休眠模式 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 |
|
休眠模式 |
||
深度休眠模式 |
||
超深度休眠模式 |
||
關機模式 |
注意:
- 當模組進入休眠模式或深度休眠模式後,部分GPIO 會處於掉電關閉狀態,掉電 IO 口均無法響應中斷,無法喚醒模組退出休眠模式。休眠掉電GPIO 口請參考
- 模組進入休眠狀態後只能透過以下管腳中斷喚醒退出休眠模式。
管腳名 |
序號 |
功能 |
描述 |
PWRKEY |
1 |
開機關機 |
通拉低開機管腳觸發中斷 |
MAIN_TXD/RXD |
14,15 |
主串列埠 |
透過給串列埠發資料喚醒模組 |
MAIN_DTR |
50 |
模組喚醒管腳 |
拉低觸發中斷喚醒 |
VBUS |
6 |
USB 插入喚醒 |
USB插入,或拉高觸發 |
3.3 電源供電
管腳名 |
管腳號 |
描述 |
VBAT |
18,19 |
模組基帶電源,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射頻工作時最大峰值電流高達1.5A,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。
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。
圖表4:供電輸入參考設計 圖表 6:DCDC 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 JW5359M 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。
3.3.4 開關機
開機
管腳名 |
型別 |
序號 |
描述 |
PWRKEY |
DI |
1 |
模組開機/關機控制腳 |
在VBAT供電後,可以透過如下兩種方式來觸發Air700ECQ開機:
- 按鍵開機: PWRKEY管腳透過輕觸按鍵連線到地,按鍵按下1秒以上實現開機。
- 上電開機:將PWRKEY管腳直接短接到地,VBAT上電後就可以實現開機。
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秒以上之後模組會進入開機流程,軟體會檢測VBAT管腳電壓,若VBAT管腳電壓大於軟體設定的開機電壓(3.3V),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VDD_EXT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:
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:
圖表 6:按鍵開機參考電路
3.4 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(3.3V),如果不滿足,模組會關閉,就會出現反覆開關機的情況。
對於用電池供電的應用場景不建議用 PWRKEY 接地的上電自動開機方式。
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;
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。時序圖如下:
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 3.3V),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。
復位
管腳名 |
型別 |
序號 |
電壓域 |
描述 |
RESET_N |
DI |
16 |
- |
模組復位輸入,低有效;無需外部上拉 |
RESET_N 引腳可用於使模組復位。 拉低RESET_N 引腳 100ms 以上可使模組復位。 RESET_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:
注意:
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
模組提供了三個通用非同步收發器:主串列埠 MAIN_UART、AUX_UART、DBG_UART。
3.5.1. MAIN_UART
表格 6:MAIN_UART 管腳定義
3.5. 串列埠
模組提供了三個通用非同步收發器:主串列埠 MAIN_UART、AUX_UART、DBG_UART。
3.5.1. MAIN_UART
表格 6:MAIN_UART 管腳定義
管腳名 |
型別 |
序號 |
電壓域 |
描述 |
MAIN _TXD |
DO |
14 |
VDD_EXT |
MAIN_UART 傳送資料 |
MAIN _RXD |
DI |
15 |
VDD_EXT |
MAIN_UART 接收資料 |
管腳
主串列埠 MAIN_UART 用來進行 AT 指令通訊。MAIN_UART 支援固定波特率, 不支援自適應波特率
MAIN_UART 在休眠狀態下保持的功能,能夠喚醒模組
MAIN_UART 的特點如下:
8個資料位,無奇偶校驗,一個停止位。
用以AT命令傳送,數傳等。
支援波特率如下:600,1200,2400,4800,14400,9600,19200,38400,57600,115200,230400,460800,921600bps
注意:
MAIN_UART 在開機過程中短時會輸出固定除錯資訊
3.5.2. AUX_UART
表格 7:AUX_UART 管腳定義
名
管腳名 |
型別 |
序號 |
電壓域 |
描述 |
AUX_TXD |
DO |
31 |
VDD_EXT |
AUX_UART 傳送資料 |
AUX_RXD |
DI |
32 |
VDD_EXT |
AUX_UART 接收資料 |
AUX_UART為輔助串列埠,不支援AT指令互動,用於某些外設通訊,如對接GNSS定位模組等。
AUX_UART休眠後會關閉,無法透過給AUX_UART傳送資料進行喚醒。
3.5.3. DBG_UART
管腳名 |
型別 |
序號 |
電壓域 |
描述 |
DBG_TXD |
DO |
3 |
VDD_EXT |
除錯串列埠,輸出 AP log, |
DBG_RXD |
DI |
2 |
VDD_EXT |
除錯串列埠,接收除錯指令 |
型
DBG_UART 用來軟體除錯時輸出 AP trace,建議預留測試點。
DBG_UART 在開機過程中短時會輸出固定除錯資訊。
DBG_TX、DBG_RX 預設功能為系統底層日誌口,進行模組硬體設計時,在剩餘功能引腳充足的前提
下,避免使用 DBG_TX 和 DBG_RX。
如果將此引腳複用為其他功能,則無法從 DBG_TX 和 DBG_RX 抓取系統日誌。
在某些場景下,如果模組出現異常,無法抓到問題日誌,只能透過硬體改版,引出 DBG_TX、
DBG_RX,抓取日誌再進行分析。
包括但不限於以下兩種場景:
1、低功耗場景:
在低功耗場景下,USB 無法使用,只能透過 DBG_TX、DBG_RX 來抓取日誌。
2、非低功耗場景:
模組接入 USB 時,工作正常,未接入 USB 時,工作異常的情況,只能透過 DBG_TX、DBG_RX 來抓取
日誌。
3.5.4. 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:
圖表 7:串列埠三線制連線方式示意圖
3.5.5. 串列埠電壓轉換
Air700ECQ 模組的串列埠電平為 1.8V,能夠滿足大部分外設,主控的串列埠直接需求,但是如果要和 3.3V
或者以上的 MCU 或其他串列埠外設通訊,那就必須要加電平轉換電路:
注意
如果低功耗需求上拉不能用vdd-ext,要用agpio或者外部ldo做上拉
此電平轉換電路不適用波特率高於460800 bps的應用。
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- 30T1G |
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:
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
Air700ECQ 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 |
7 |
USB 差分訊號正,走線需控制 90 歐姆差分阻抗 |
USB_DM |
IO |
8 |
USB 差分訊號負,走線需控制 90 歐姆差分阻抗 |
VBUS |
DI |
6 |
USB 插入喚醒,模組內部電阻分壓。(非必須) |
USB介面參考設計電路如下:
圖表 8:USB 介面參考設計
注意事項如下:
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 插入喚醒作用,並不直接參與 USB 插入檢測,非必須,在不需要 USB 插入喚醒的
場景也可以不接
3.7. USB 下載模式
管腳名 |
型別 |
序號 |
電壓域 |
描述 |
BOOT |
DI |
25 |
|
在開機之前上拉到 VDD_EXT,模組會強行進入 USB 下載模式,BOOT 須留測試點,方便後續升級軟體 |
Air700ECQ 模組進入 USB 下載模式:
1. 在開機之前,把 BOOT 上拉到 VDD_EXT
2. 給模組上電,POWKEY 拉低,開機
3. 成功進入下載模式後,PC 端會虛擬出單個串列埠。
管腳名 |
型別 |
序號 |
電壓域 |
描述 |
I2C0_SCL |
IO |
49 |
VDD_EXT |
I2C 時鐘訊號,用作 I2C 時需外加 1.8V 上拉 |
I2C0_SDA |
IO |
33 |
VDD_EXT |
I2C 資料訊號,用作 I2C 時需外加 1.8V 上拉 |
I2C1_SCL |
IO |
37 |
VDD_EXT |
I2C 時鐘訊號,用作 I2C 時需外加 1.8V 上拉 |
I2C1_SDA |
IO |
38 |
VDD_EXT |
I2C 資料訊號,用作 I2C 時需外加 1.8V 上拉 |
3.8 I2C
Air700ECQ 可支援兩路 I2C 介面:
相容 Philips I2C 標準協議
支援 Fast mode (400Kbps)和 Slow mode(100Kbps)
只支援 master 模式,不支援 slaver 模式
可透過軟體來配置內部的上拉電阻,1.8K 或者 20K
理論上最多可支援 127 個從裝置
I2C 的參考電路如下:
Air700ECQ 的 I2C 介面電壓固定 1.8V,能夠滿足大部分外設的直接需求,但是如果要和 3.3V 或者以上 電平的外設通訊,那就必須要加電平轉換電路:
電平轉換用的 NMOS 管必須選用結電容小於 50pF 的型號,推薦型號如下:
物料名稱 |
型號 |
廠商 |
描述 |
NMOS |
BSS138 |
江蘇長電 |
N 溝道,50V,0.22A,SOT-23,ROHS |
BSS138 |
UMW(友臺半導體) |
N 溝道,50V,0.3A,SOT-23,ROHS |
3.9. SIM 卡介面
Air700ECQ 支援 1 路 SIM 卡介面,支援 ETSI 和 IMT-2000 卡規範,支援 1.8V 和 3.0V USIM 卡。SIM 介面
下表介紹了 SIM 介面的管腳定義。
表格 9:SIM 卡介面管腳定義
介面 |
管腳名 |
序號 |
描述 |
SIM |
SIM_VDD |
13 |
SIM 卡供電電源,最大供電電流 10mA。 模組可以自動識別 1.8V 或者 3V(U)SIM 卡。 |
SIM_RST |
10 |
SIM 卡復位訊號 |
|
SIM_DAT |
12 |
SIM 卡資料訊號 |
|
SIM_CLK |
11 |
SIM 卡時鐘訊號 |
3.9.1. SIM 介面參考電路
下圖是 SIM 介面的參考電路,使用 6pin 的 SIM 卡座。
圖表 9:使用 6pin SIM 卡座參考電路圖(SIM)
在SIM卡介面的電路設計中,為了確保SIM卡的良好的功能效能和不被損壞,在電路設計中建議遵循以下設計
原則:
1. SIM卡座與模組距離擺件不能太遠,越近越好,儘量保證SIM卡訊號線佈線不超過20cm。
2. SIM卡訊號線佈線遠離RF線和VBAT電源線。
3. 為了防止可能存在的USIM_CLK訊號對USIM_DATA訊號的串擾,兩者佈線不要太靠近,在兩條走線之間增
加地遮蔽。且對USIM_RST_N訊號也需要地保護。
4. 為了保證良好的ESD保護,建議加TVS管,並靠近SIM卡座擺放。選擇的ESD器件寄生電容不大於50pF。在
模組和SIM卡之間也可以串聯22歐姆的電阻用以抑制雜散EMI,增強ESD防護。SIM卡的外圍電路必須儘量靠近SIM卡座。
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