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GPRS无线模块SIM900A硬件设计注意事项(技术白皮书).pdf

发布时间：2022-04-03 发布人：admin 分类：互联网 资料大小：0.47M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    GPRS 无线模块 SIM900A 硬件设计注意事项 1.引言： 时下物联网已经成为非常热门的新兴行业。政府大力提倡和推动，运营商搭建管道和平台， 物联网相关的各行业都开始部署或发力。 芯讯通（SIMCom）是国内最早从事物联网与 M2M 通信的研发类企业，旗下的 SIM300 系 列产品以及 SIM900 系列产品大规模出货，服务了数以千计的行业客户，广泛应用在众多的 行业方向，包括智能电表、车载通信、车队管理、安防监控、无线 POS、无线医疗等。 本文着重讲述利用 SIM900A 模块在进行硬件设计时需要注意的一些事项，侧重给硬件设计 人员提供一些参考与建议。 2.SIM900A 介绍 SIM900A 模块是一款尺寸紧凑的 GSM/GPRS 模块，采用 SMT 封装，基于 STE 的单芯片案，采用 ARM926EJ-S 架构,性能强大，可以内置客户应用程序。可广 泛应用于车载跟踪、车队管理、无线 POS、手持 PDA、智能抄表与电力监控等 众多方向。 SIM900A 模块主要特点： SMT 封装：易于客户生产加工 尺寸小： 24*24*3mm 功耗低：待机模式电流低于 18mA、sleep 模式低于 2mA 供电范围宽：3.2～4.8V 支持频段：GSM/GPRS 900/1800MHz 语音编码：支持半速率、全速率、增强型速率 支持回声抑制算法，可以基于不同客户设备通过 AT 命令调节回音抑制消除。 3. SIM900A 开发注意事项： 下面介绍一下 SIM900A 模块硬件设计注意事项，以便客户进行灵活设计、增强 产品的可靠性与稳定性。 3.1 电源部分设计(VBAT引脚)
    SIM900A 模块采用单电源供电，VBAT 供电范围 3.2～4.8V 之间，推荐电压为 4.0V， 模块射频发射时会导致电压跌落，这时电流的峰值最高会达到 2A 以上， 因此电源供电能力尽可能达到 2A，并建议 VBAT 引脚并接大电容（电容根据供 电 IC 输出能力确定）。 电源芯片选择上需要注意，如果外部输入电压与 VBAT 压差很大，建议选择开 关电源,当选用 DC-DC 时需注意 EMI 干扰，建议串接磁珠以备调整；如果外部 输入电压与 VBAT 压差不大，最好选用 LDO。客户的产品需要过 TA、CE、FCC 等认证，推荐选择 LDO 供电。 为了增强模块电源抗干扰能力（主要抗浪涌，脉冲群，静电等），不至于在外界 环境比较恶劣的情况下导致模块供电异常，建议根据实际应用在外部电源输入端 加一些共模电感、TVS 管等器件，在 VBAT 供电芯片输出端加一些 nf、pf 级电 容，滤除干扰。 PCB 布局时候 VBAT 上的旁路电容尽量要放在对应 pin 附近，为了减少 PCB 走 线阻抗，VBAT 走线尽量宽、走线尽量短，最好大面积铺地，如下图 1 所示。 图 1：layout 时 VBAT 走线设计 电源部分设计除了元器件的选择外，还和客户的 PCB 布局、layout 关系很大， 下述案例供参考(客户问题：模块开机 10 几秒后就关机)，如图 2 所示：
    图 2：客户 PCB 布局、走线 从以上图 2 结构，客户选择的电源芯片及其原理设计还是可以的，但是从布局走 线来看，SIM900A 模块 VBAT 供电的走线太长、线宽也很窄，稳压电容离 VBAT 引脚又较远，所以导致电源跌落很大。客户设计 VBAT 供电 4V，但是从下图可 以看出，在模块开机后的一段时间内电压跌落 1.1～1.2V，主要原因是从模块开 机到注册网络这段时间内，射频发射功率偏高，VBAT 上耗流、纹波增加所致。 实测客户设备波形如图 3 所示： 图 3：VBAT 上电压跌落、STATUS 引脚状态 因此，VBAT 设计会影响整个模块的工作稳定性，比如常见问题模块开机几秒钟 就关机、TCP/IP 传输数据频繁大数据量、信号强度不好的情况，都可能会产生 模块关机或重启现象。基于以上客户设计，可以参考如下图 4 布局比较合理：
    图 4：重新调整客户 PCB 布局、走线 在考虑 VBAT 设计同时，也要重点关注 GND 设计，GND 整个回流路径的长短 以及阻抗的连续性是电源跌落及音频干扰的主要原因。因此建议 GND 的处理如 下： 模块 GND，电池座 GND（如果有电池供电），电源适配器 GND，相互间 GND 最好以一块完整的铜皮相连接，如果有结构、板层（比如 2 层板）限制，无法大 面积铺铜皮，最好用 2mm 以上走线单独连起来在覆铜，以保证 GND 的完整性。 整个 PCB 板尽量多打地孔，电源和地的回流路径越小越好。 3.2 模块开关机设计及时序(PWRKEY引脚) SIM900A 模块内部时，PWRKEY 引脚通过 100K 电阻上拉到 3V 电压域，所以 客户设计时候要注意模块端的电平。 为了防止 PWRKEY 与 IO 直连导致串电，增强开关机可靠性，建议客户使用如 下设计，在模块与 MCU 的 IO 间加三极管隔离，注意不要在集电极加上拉，推 荐电路如下图 5 所示： 3V 100K PWRKEY Power on/down logic 4.7K Turn on/off impulse 47K MODULE 模块开关机时序如下图所示： 图 5：使用 pwrkey 驱动开关机
    图 6：模块开关机时序 对于 SIM900、SIM900A、SIM900D 模块，可以通过 STATUS 引脚判断模块是 否开关机； 对于 SIM900B、SIM900S 模块，可以通过 VDD_EXT（下面会提到该引脚设计 注意事项）引脚判断模块是否开关机。 3.3 串口部分设计及注意事项 串口部分：一般 ARM 系统的串口都不需要上拉的，即便上拉也要上拉到系统内 部（比如 VDD_EXT 引脚），模块串口部分电平 2.8V 左右，因此客户可以根据 MCU 串口电平进行电平匹配，以保证电压匹配； 当 MCU 端和模块端的电平不匹配时，建议在 MCU 和模块使用 level shifter 芯 片或者三极管进行电平匹配。当 MCU 端和模块端的电平差别不是很大时，比如 MCU 的电平为 3V，简单的设计可以直接串接电阻进行电平匹配，但这可能会使 MCU 端的电流串至模块，导致模块开机不正常。因此在设计中串接的电阻值应 根据实际电路调试得出，一般推荐值为 300 欧姆。 对于串口部分引脚，TXD、RXD 引脚必须设计使用，其它主要功能如下描述， 串口部分连接图如下所示：
    图 7：串口连接图 DTR：主要是控制模块进入/退出 sleep 模式 模块进入 sleep 模式条件： 1）设置 AT+CSCLK=1 2）将 DTR 引脚置高电平 满足以上两个条件是模块进入 Sleep 模式的必要条件。 客户设计时，DTR 引脚与客户的 MCU 之间最好串接 15k 以上的电阻或 二极管隔离，防止有些客户产品反馈电压倒灌、sleep 电流偏高问题。 在模块开机前，MCU 端已经工作了，客户端可通过 MCU 的 IO 将模块 DTR 引脚直接拉低，待模块开机后需要进入 sleep 时候，再将 DTR 引脚 拉高处理。 注意：三线式设计(仅有 TXD、RXD、GND)，建议客户 DTR 引脚预留下 拉或 I/O 控制。 RTS、CTS：主要是透传状态下作为硬件流控使用； 在透传模式下，模块完全处于数据态，模块内部 buffer 有 8KByte 的空间， 正常情况下 CTS 引脚为低电平，如果 buffer 内数据大于 6KByte，模块 CTS 引脚置高，此时不要向 buffer 内丢数据，等待 CTS 引脚拉低(此时 buffer 内数据小于 2KByte)后在向 buffer 内丢数据。 开启硬件流控需要设置“AT+IFC=2，2“,默认 0,0 DCD：主要用于 PPP 拨号、透传功能下，判断模块处于数据态还是命令态； 命令态——2.8V 电平； 数据态——低电平 RI：主要用于判断电话呼入、接收短信息、接收数据等； 外部电话呼入 接收短消息(拉低 120ms)
    数传下模块接收到数据(设置 AT+CFGRI=1，拉低 120ms) 2.60V 左右 2.87V 左右 2.87V 左右 低电平 低电平 高阻态 2.92V 左右 以上引脚根据客户应用不同，可以有选择性进行设计，若不用可以直接悬空处理。 模块开机后串口电平状态供参考： DTR DCD RI CTS RTS RXD TXD 模块开机初始化时，MCU 端和模块端所有连接的串口信号最好都置为低电平， 避免模块串电导致开机不正常。 另外，DBG_TX、DBG_RX 引脚客户需要预留测试接口，以方便后续软件升级、 DBG 调试时使用。 3.4 SIM卡部分设计 模块支持 1.8/3.0V 的 SIM 卡。SIM 卡供电，根据 SIM 卡的类型自动选择输出电 压，可以为 3.0V±10%或者 1.8V±10%，该引脚最大输出电流能力约为 10mA。 SIM 卡部分参考设计如下图所示： MODULE SIM_VDD SIM_RST SIM_CLK SIM_DATA 100nF SIM CARD VCC GND RST VPP CLK I/O C707 10M006 5122 22R 22R 22R 22pF SMF05C 图 8：SIM 卡座接口推荐设计 注意：以上电容、ESD 等器件放置要靠近 SIM 卡座。 SIM 部分设计注意如下： SIM_VDD：需要并 100 或 220nF 电容，以稳定电源输出，减小纹波； SIM_DATA：建议并 pF 级电容，防止高频干扰；
    SIM_RST: 建议并 nF 级电容，防止高频干扰； 为了增强 SIM 卡部分的可靠性，建议在接口增加 ESD 静电保护器件，推荐 ESD 型号 SMF05C。 PCB 布局、Layout 时，注意 SIM 卡卡座尽量靠近模块，不要摆放过远，走线过 长，导致无法识别 SIM 卡； 3.5 音频部分 原理设计：建议在模块端和音频器件端分别加滤波电容，如下图所示： PCB 布局及 Layout：音频线推荐差分走线，如下图所示： 图 9：音频接口设计 图 10：差分走线设计 为了减少电源、天线对音频部分的干扰，模块的音频线路推荐差分方式走线，在 PCB 布板的时候注意数字电路与模拟电路分开，以降低数字电路对模拟电路的 干扰，音频部分的滤波器件最好分别放置在模块端和音频器件端，差分线之间距 离尽量短。 客户设计时 MIC 和 SPK 器件位置尽量要远离、最好在对角线上，而且方向保持 垂直或反向。避免 SPK 输出耦合回 MIC，SPK 设计时候要有腔体保护，并且要 有缓冲处理，以免 SPK 发声时带动整机震动产生噪音；MIC 器件接口最好密闭 处理。 如何通过 AT 指令调节回音、啸叫？
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