GPRS无线模块SIM900A硬件设计注意事项

feng73431380 · 发表于 2016-8-12 09:37:51

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：
4.7K47KTurn on/off impulsePWRKEYPower on/down logic100K3VMODULE
图5：使用pwrkey驱动开关机
模块开关机时序如下图所示：
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)
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
2.60V左右
DCD
2.87V左右
RI
2.87V左右
CTS
低电平
RTS
低电平
RXD
高阻态
TXD
2.92V左右
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。
3.4SIM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：
MODULESMF05CSIM_VDDSIM_CLKSIM_DATASIM_RST22pFVCC GNDRST VPPCLK I/O22R22R22R100nFC707 10M006 5122SIM CARD
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：
图9：音频接口设计
PCB布局及Layout：音频线推荐差分走线，如下图所示：
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？
主通道
AT+CHFA=0 // 切换音频通道
AT+CLVL=0,60 // 接收器音量设置过高会产生啸叫
AT+SIDET=0,0 // 消除侧音
AT+CMIC=0,6 // 调节MIC增益
AT+ECHO=0,7,4 // 回音消减调节
主通道免提
AT+CHFA=2
AT+CLVL=2,60
AT+SIDET=2,0
AT+CMIC=2,6
AT+ECHO=2,7,4
主通道做免提，主要是针对一些车载客户、PND客户，可以有效的改善回音、啸叫问题。
3.6 射频部分设计
对于SMT封装模块，在射频部分设计时需要考虑预留Π型网络，前期可以先贴0欧姆电阻、电容NC，以便后续天线匹配调试。射频走线遵循短而直的原则，尽量走直线或弧状线；RF线下方需要有完整的参考地，不要走任何信号线，如下图所示。
图11：射频设计及layout
对于射频部分设计，客户可以结合板层、板厚、材质等大致计算RF线宽，保证50欧姆左右的输出阻抗(当然这只是理论值，实际还是看板厂的工艺、材料)。
如下图所示两层板(两层板很难控制50欧姆阻抗)：板厚1.6mm
图12：两层板RF走线设计
如下图四层板(SIM900TE转接板射频设计)：板厚1.0mm
图13：四层板RF走线设计
对于射频指标，一般需要与整机一起测试天线性能，最好是在有3D环境的厂商做3D性能测试，3D性能主要有TRP、TIS测试，其中：
GSM850/GSM900频段，要求TRP > 29dBm，TIS < －104dBm;
DCS1800/PCS1900频段，要求TRP > 26dBm, TIS < －102dBm。
3.7 其它引脚设计
STATUS：主要是用于判断模块开关机状态，开机后为2.8V高电平、关机后为
低电平；
VDD_EXT：开机后输出2.8V的电平，如果模块没有STATUS引脚预留，建议通过该引脚判断模块开关机状态，设计时将客户端的IO配置为输入(如果客户可以配置成ADC最好)，避免串电问题导致模块开关机异常；同时VDD_EXT作为上拉使用(比如模块串口部分的上拉)，最大输出电流10mA；
该引脚建议只做模块内部上拉。
VRTC：电压范围2.0—3.15V，正常供电3V。
如果需要VBAT去电后保持实时时钟，请外接备份电池或电容；
如果不需要保存实时时钟，请外接uf级电容，推荐4.7uf。
NRESET：硬件上复位，低电平有效。
推荐外接100nF电容，这个信号仅用于紧急复位，建议客户作为预留使用，当模块无法关机时，最好还是通过VBAT使能给模块重新上电。