合宙低功耗4G模组Air780EX——硬件设计手册01

 

Air780EX是一款基于移芯EC618平台设计的LTECat1无线通信模组。

 

支持FDD-LTE/TDD-LTE的4G远距离无线 传输技术。

 

另外，模组提供了USB/UART/I2C等通用接口满足IoT行业的各种应用诉求。
 

一、主要性能

1.1  模块功能框图

1.2  模块型号列表

 

1.3 模块主要性能 

 

 

*注: 模组工作在-40°C～-35°C或+75°C～+85°C温度范围时，模组可以正常工作，但部分射频指标不保证 能满足3GPP标准。
 

 

 

二、 应用接口 

模块采用LCC封装，54个SMT焊盘管脚，以下章节将详细阐述Air780EX各接口的功能 
 

2.1. 管脚描述
Air780EX 管脚排列图（正视图）

 

 

 

*注: 
 

1. 二次开发GPIO复用功能详见对应《_GPIO_table》 
 

2.LDOAON 为芯片内部部分GPIO供电电源，由此电源供电的IO口休眠状态下能够保持。 
 

3.所有io 都支持中断； 
 

可以复用为wakeup的io支持双边沿或者高低电平中断，休眠以及唤醒状态下都能使用；
 

其余io仅支持单边沿或者单电平中断，唤醒状态下可用，休眠状态下不能使用。 

 

IO参数定义：

 

2.2.工作模式

下表简要的叙述了接下来几章提到的各种工作模式。 
 

 

 

注意： 模块进入休眠状态后只能通过以下管脚中断唤醒退出休眠模式。
 

 

2.3.电源供电

 

2.3.1. 模块电源工作特性
 

在模块应用设计中，电源设计是很重要的一部分。
 

由于LTE射频工作时最大峰值电流高达1.5A，在最大发 射功率时会有约700mA的持续工作电流，电源必须能够提供足够的电流，不然有可能会引起供电电压的跌落甚 至模块直接掉电重启。 
 

2.3.2. 减小电压跌落 
 

模块电源VBAT电压输入范围为3.3V~4.3V，但是模块在射频发射时通常会在VBAT电源上产生电源电压跌落 现象，这是由于电源或者走线路径上的阻抗导致，一般难以避免。
 

因此在设计上要特别注意模块的电源设计， 在VBAT输入端，建议并联一个低ESR(ESR=0.7Ω)的100uF的钽电容，以及100nF、33pF、10pF滤波电容。
 

VBAT输入端参考电路如图所示。
 

并且建议VBAT的PCB走线尽量短且足够宽，减小VBAT走线的等效阻抗，确保在最大 发射功率时大电流下不会产生太大的电压跌落。建议VBAT走线宽度不少于1mm，并且走线越长，线宽越宽。
 

 

2.3.3.供电参考电路 
 

电源设计对模块的供电至关重要，必须选择能够提供至少1A电流能力的电源。
 

若输入电压跟模块的供电 电压的压差小于2V，建议选择LDO作为供电电源。
 

若输入输出之间存在的压差大于2V，则推荐使用开关电源转 换器以提高电源转换效率。
 

LDO供电： 
 

下图是5V供电的参考设计，采用了Micrel公司的LDO，型号为MIC29302WU。
 

它的输出电压是4.16V，负载 电流峰值到3A。
 

为确保输出电源的稳定，建议在输出端预留一个稳压管，并且靠近模块VBAT管脚摆放。
 

建议选择反向击穿电压为5.1V，耗散功率为1W以上的稳压管。
 

供电输入参考设计：

 

DC-DC 供电： 
 

下图是DC-DC开关电源的参考设计，采用的是杰华特公司的JW5359M开关电源芯片，它的最大输出电流 是2A，输入电压范围3.7V~18V。
 

注意C25的选型要根据输入电压来选择合适的耐压值。
 

 

DCDC供电输入参考设计：

 

2.4. 开关机
 

2.4.1. 开机
 

 

在VBAT供电后，可以通过如下两种方式来触发Air780EX开机：
 

1. 按键开机: PWRKEY管脚通过轻触按键连接到地，按键按下1秒以上实现开机。
 

2. 上电开机：将PWRKEY管脚直接短接到地，VBAT上电后就可以实现开机。 
 

2.4.1.1 PWRKEY 管脚开机
 

VBAT上电后，可以通过PWRKEY管脚启动模块，把PWRKEY管脚拉低1秒以上之后模块会进入开机流程，软 件会检测VBAT管脚电压，
 

若VBAT管脚电压大于软件设置的开机电压（3.3V），会继续开机动作直至系统开机 完成；
 

否则，会停止执行开机动作，系统会关机，开机成功后PWRKEY管脚可以释放。
 

可以通过检测VDD_EXT 管脚的电平来判别模块是否开机。
 

推荐使用开集驱动电路来控制PWRKEY管脚。
 

下图为开集驱动参考开机电路：
 

另一种控制PWRKEY管脚的方法是直接使用一个按钮开关。
 

按钮附近需放置一个TVS管用以ESD保护。
 

下图 为按键开机参考电路：

 

 

2.4.1.2 上电开机 
 

将模块的PWRKEY直接接地可以实现上电自动开机功能。
 

需要注意，在上电开机模式下，将无法关机， 只要VBAT管脚的电压大于开机电压即使软件调用关机接口，模块仍然会再开机起来。
 

另外，在此模式下，要 想成功开机起来VBAT管脚电压仍然要大于软件设定的开机电压值（3.3V），如果不满足，模块会关闭，就会 出现反复开关机的情况。 
 

对于用电池供电的应用场景不建议用PWRKEY接地的上电自动开机方式。
 

2.4.2. 关机 
 

以下的方式可以关闭模块： 
 

• 正常关机：使用PWRKEY管脚关机 
   
• 正常关机：通过AT指令AT+CPOWD关机
   
• 低压自动关机：模块检测到低电压时关机，可以通过AT指令AT+CBC来设置低电压的门限值；
   

2.4.2.1 PWRKEY 管脚关机
 

PWRKEY 管脚拉低1.5s以上时间，模块会执行关机动作。
 

关机过程中，模块需要注销网络，注销时间与当前网络状态有关，经测定用时约2s~12s，因此建议延长 12s后再进行断电或重启，以确保在完全断电之前让软件保存好重要数据。 
 

时序图如下： 

2.4.2.2低电压自动关机 
 

模块在运行状态时当VBAT管脚电压低于软件设定的关机电压时（默认设置3.3V），软件会执行关机动作 关闭模块，以防低电压状态下运行出现各种异常。
 

2.4.3复位
 

 

 

RESET_N引脚可用于使模块复位。拉低RESET_N引脚100ms以上可使模块复位。

RESET_N信号对干 扰比较敏感，因此建议在模块接口板上的走线应尽量的短，且需包地处理。 

参考电路： 

 

 

注意： 
 

1.复位功能建议仅在AT+CPOWD和PWRKEY关机失败后使用。
 

2.RESET_N复位管脚拉低释放后，模块会处于硬件关机状态，如果想要重启功能，需要在RESET_N 复位后重新拉低POWERKEY关机进行开机动作。 

2.5.串口 
 

模块提供了三个通用异步收发器：主串口MAIN_UART、AUX_UART、DBG_UART。 
 

2.5.1. MAIN_UART 
 

MAIN_UART管脚定义：

 

对于AT开发方式，MAIN_UART用来进行AT指令通讯。
 

MAIN_UART支持固定波特率,不支持自适 应波特率 在默认情况下，模块的硬件流控是关闭的。
 

当客户需要硬件流控时，管脚RTS,CTS必须连接到客户端，
 

AT 命令“AT+IFC=2,2”可以用来打开硬件流控。
 

AT命令“AT+IFC=0,0”可以用来关闭流控。
 

具体请参考《AirM2M无线 模块AT命令手册》。 
 

MAIN_UART在休眠状态下保持的功能，能够唤醒模块 MAIN_UART的特点如下：
 

• 包括数据线TXD和RXD，硬件流控控制线RTS和CTS。 
   
• 8个数据位，无奇偶校验，一个停止位。 硬件流控默认关闭。 
   
• 用以AT命令传送，数传等。
   
• 支持波特率如下：600,1200,2400,4800,14400,9600,19200,38400,57600,115200,230400,460800,921600bps 
   

注意：
 

MAIN_UART在开机过程中短时会输出固定调试信息
 

2.5.2. AUX_UART 
 

AUX_UART管脚定义：
 

 

AUX_UART为辅助串口，不支持AT指令交互，用于某些外设通信，如对接GNSS等。 
 

AUX_UART休眠后会关闭，无法通过给AUX_UART发送数据进行唤醒。
 

2.5.3. DBG_UART
 

 

DBG_UART用来软件调试时输出APtrace，建议预留测试点。 
 

DBG_UART在开机过程中短时会输出固定调试信息。 
 

DBG_TX、DBG_RX默认功能为系统底层日志口，进行模块硬件设计时，在剩余功能引脚充足的前提 下，避免使用DBG_TX和DBG_RX。
 

如果将此引脚复用为其他功能，则无法从DBG_TX和DBG_RX抓取系统日志。 
 

在某些场景下，如果模块出现异常，无法抓到问题日志，只能通过硬件改版，引出DBG_TX、 DBG_RX，抓取日志再进行分析。
 

包括但不限于以下两种场景：
 

1、低功耗场景：
 

在低功耗场景下，USB无法使用，只能通过DBG_TX、DBG_RX来抓取日志。
 

2、非低功耗场景：
 

模块接入USB时，工作正常，未接入USB时，工作异常的情况，只能通过DBG_TX、DBG_RX来抓取 日志。
 

2.5.4. 串口连接方式 
 

串口的连接方式较为灵活，如下是三种常用的连接方式。 
 

三线制的串口请参考如下的连接方式：

 

 

带流控的串口连接请参考如下电路连接，此连接方式可提高大数据量传输的可靠性，防止数据丢失。
 

带流控的串口连接方式示意图:

 

 

2.5.5. 串口电压转换 
 

Air780EX 模块的串口电平为固定1.8V或3.3V，能够满足大部分MCU主控的串口直接需求，
 

但是如 果要和3.3V/5V或者以上的MCU或其他串口外设通信，那就必须要加电平转换电路。
 

电平转换参考电路如下： 

 

 

注意 ：
 

• 此电平转换电路不适用波特率高于460800bps的应用。
   
• D2必须选用低导通压降的肖特基二极管。
   

肖特基二极管以及NPN三极管的推荐型号如下：
 

 

对于波特率高于460800bps的应用，可以通过外加电平转换芯片来实现电压转换，

参考电路如下：

 

 

此电路采用的是电平转换芯片是TI的TXS0108E，8位双向电压电平转换器，
 

适用于漏极开路和推挽应用， 
 

最大支持速率： 
 

推挽：110Mbps 
 

开漏：1.2Mbps
 

 

2.6. USB 接口 
 

Air780EX 的 USB 符合USB2.0规范，支持高速（480Mbps）、全速（12Mbps）模式和低速（1.2Mbps） 模式。
 

USB接口可用于AT命令传送，数据传输，软件调试和软件升级。 
 

USB管脚定义：
 

 

USB接口参考设计电路如下：
 

 

注意事项如下： 
 

1. USB走线需要严格按照差分线控制，做到平行和等长； 
 

2. USB走线的阻抗需要控制到差分90欧姆；
 

3. 需要尽可能的减少USB走线的stubs，减少信号反射；USB信号的测试点最好直接放在走线上以 减少stub；
 

4. 尽可能的减少USB走线的过孔数量； 
 

5. 在靠近USB连接器或者测试点的地方添加TVS保护管，由于USB的速率较高，需要注意TVS管 的选型，保证选用的TVS保护管的寄生电容小于1pF
 

6. VBUS作为USB插入唤醒作用，并不直接参与USB插入检测，非必须，在不需要USB插入唤醒的 场景也可以不接
 

2.7. USB 下载模式
 

Air780EX 模块进入USB下载模式： 
 

 在开机之前，把BOOT通过51K电阻上拉到VBAT电源.
 

2.8. SIM卡接口
 

Air780EX支持1路SIM卡接口，支持ETSI和IMT-2000卡规范，支持1.8V和3.0VUSIM卡。
 

 

2.8.1. SIM接口 
 

下表介绍了SIM接口的管脚定义。
 

 

2.8.2. SIM接口参考电路 
 

下图是SIM接口的参考电路，使用6pin的SIM卡座。
 

 

 

在SIM卡接口的电路设计中，为了确保SIM卡的良好的功能性能和不被损坏，
 

在电路设计中建议遵循以下设计 原则： 
 

1. SIM卡座与模块距离摆件不能太远，越近越好，尽量保证SIM卡信号线布线不超过20cm。
 

2. SIM卡信号线布线远离RF线和VBAT电源线。 
 

3.为了防止可能存在的USIM_CLK信号对USIM_DATA信号的串扰，两者布线不要太靠近，在两条走线之间增 加地屏蔽。且对USIM_RST_N信号也需要地保护。
 

4.为了保证良好的ESD保护，建议加TVS管，并靠近SIM卡座摆放。选择的ESD器件寄生电容不大于50pF。在 模块和SIM卡之间也可以串联22欧姆的电阻用以抑制杂散EMI，增强ESD防护。SIM卡的外围电路必须尽量 靠近SIM卡座。
 

 

2.9. LDO输出

 

注意： 
 

VDD_EXT不建议给外设供电，仅能做外部上拉用.
 

 

2.10. 功能管脚
 

2.10.1. MAIN_RI
 

 

 

MAIN_RI 信号动作：

 

 

如果模块用作主叫方，MAIN_RI会保持高电平，收到URC信息或者短信时除外。
 

而模块用作被叫方时， MAIN_RI 的时序如下所示。
 

语音呼叫时模块用作被叫方MAIN_RI时序：
 

 

 

数据呼叫时模块用作被叫方MAIN_RI时序：

 

 

模块主叫时MAIN_RI时序：

 

 

收到URC信息或者短信时MAIN_RI时序：

 

 

2.10.2. MAIN_DTR
 

 

模块支持两种睡眠模式： 
 

睡眠模式1：发送AT+CSCLK=1，通过MAIN_DTR管脚电平控制模块是否进入睡眠 
 

睡眠模式2：发送AT+CSCLK=2，模块在串口空闲一段时间后自动进入睡眠 
 

具体参阅2.11.2睡眠模式
 

 

2.10.3.状态指示灯 
 

Air780EX用一个管脚信号来指示网络的状态。
 

如下两表分别描述了管脚定义和不同网络状态下的逻辑电平 变化：
 

网络指示管脚定义：
 

 

 

指示网络管脚的工作状态：
 

 

 

指示灯参考电路如下图所示：
 

 

 

2.11. 省电功能 
 

根据系统需求，有两种方式可以使模块进入到低功耗的状态。
 

对于AT版本使用“AT+CFUN”命令可以使模块 进入最少功能状态。
 

2.11.1. 最少功能模式/飞行模式 
 

最少功能模式可以将模块功能减少到最小程度，此模式可以通过发送“AT+CFUN=”命令来设置。 
 

参数可以选择0，1，4。
 

• 0：最少功能（关闭RF和SIM卡）； 
   
• 1：全功能（默认）； 
   
• 4：关闭RF发送和接收功能；
   

如果使用“AT+CFUN=0”将模块设置为最少功能模式，射频部分和SIM卡部分的功能将会关闭。
 

而串口依然 有效，但是与射频部分以及SIM卡部分相关的AT命令则不可用。 
 

如果使用“AT+CFUN=4”设置模块，RF部分功能将会关闭，而串口依然有效。所有与RF部分相关的AT命令不 可用。 
 

模块通过“AT+CFUN=0”或者“AT+CFUN=4”设置以后，可以通过“AT+CFUN=1”命令设置返回到全功能状态。 
 

 

2.11.2. 睡眠模式（慢时钟模式） 
 

2.11.2.1 串口应用 
 

串口应用下支持两种睡眠模式：
 

• 睡眠模式1：通过MAIN_DTR管脚电平控制模块是否进入睡眠
   
• 睡眠模式2：模块在串口空闲一段时间后自动进入睡眠 
   

2.11.2.1.1 睡眠模式 1 
 

开启条件： 
 

发送AT指令AT+CSCLK=1
 

模块进入睡眠： 控制MAIN_DTR脚拉高，模块会进入睡眠模式1
 

模块退出睡眠： 拉低MAIN_DTR脚50ms以上，模块会退出睡眠模式可以接受AT指令 
 

模块在睡眠模式1时的软件功能： 不响应AT指令，但是收到数据/短信/来电会有URC上报 
 

HOST 睡眠时，模块收到数据/短信/来电如何唤醒HOST： MAIN_RI 信号 
 

2.11.2.1.2 睡眠模式 2
 

开启条件： 
 

发送AT指令AT+CSLCK=2 
 

模块进入睡眠： 串口空闲超过AT+WAKETIM配置的时间（默认5s），模块自动进入睡眠模式2 
 

模块退出睡眠： 串口连续发送AT直到模块回应时即退出睡眠模式2。不响应DTR管脚中断唤醒 
 

模块在睡眠模式2时的软件功能： 不响应AT指令，但是收到数据/短信/来电会有URC上报
 

HOST 睡眠时，模块收到数据/短信/来电如何唤醒HOST： MAIN_RI 信号
 

2.11.2.2   USB应用 
 

开启条件： 
 

USBHOST必须支持USBsuspend/resume 
 

模块进入睡眠： HOST发起USBsuspend 
 

模块退出睡眠： HOST发起USBresume 
 

HOST睡眠时，模块收到数据/短信/来电如何唤醒HOST： MAIN_RI信号 
 

2.12.模式切换汇总 

 

 

本文主要介绍了Air780EX的主要性能和应用接口，由于文章篇幅原因， 

射频接口，电气特性，实网功耗数据，结构规格等内容将在下篇文章介绍。

未完待续。。。