G510 — GSM-модуль для компактных приложений

Компания Fibocom Wireless, Inc. — ведущий производитель М2М- и LBS-решений, таких как GSM/GPRS, 3G, GPS. Все GSM модули построены на платформе INTEL и RDA Microelectronics. Хочется отметить новинку лета 2013 года — GSM модуль G510 (рис. 1 и 2). Его ультракомпактный размер 22,5×20,5 мм в корпусе SMT и функционал TCP/IP, OpenCPU, встроенная пользовательская память Flash, eCall, при потреблении до 1 мА в режиме Sleep Mode (DRX9) позволяют использовать в различных приложениях, например в навигации, системах безопасности, передаче данных в промышленности, ЖКХ и других сферах деятельности.

Рис. 1. Малогабаритный GSM-модуль G510 (вид сверху)

Рис. 2. Малогабаритный GSM-модуль G510 (вид сверху с распиновкой)

Основные функции

Новый модуль G510, как и предыдущие модули G610 и G620, выполнен в корпусе SMT, что значительно упрощает его монтаж на плату в автоматическом и ручном режимах. В таблице 1 приведены сравнительные характеристики G510 с G610 и G620. В частности, размер модуля и ток потребления в спящем режиме значительно уменьшился. Напряжение питания осталось стандартным 3,3–4,5 В, что позволяет не менять схемы питания. Благодаря наличию на борту трех интерфейсов UART можно подключить к модулю несколько сторонних устройств. G510 поддерживает функции LBS (позиционирование по базовым станциям) и систему eCall. Такие «фишки», как OpenCPU и удаленное обновление пользовательского ПО, Fibocom сохранила и на новом модуле, хотя G510 значительно дешевле своих предшественников.

Примечания: LSB-service — позиционирование по базовым станциям; RIL-драйвер — драйвер для Windows Mobile

Области применения

Благодаря своим оптимально скомбинированным функциям и характеристикам модуль G510 значительно упрощает и удешевляет разработку и производство изделий для абсолютно всех сфер применения сетей GSM. Это относится к таким сферам, как:

• GPS/ГЛОНАСС-трекеры (персональные, автомобильные, скрытые и др.);
• системы безопасности и пожаротушения;
• «умные» счетчики для ЖКХ;
• передача данных в промышленности и др.

Схемы включения

Блок-схема G510

На рис. 3 представлена обобщенная блок-схема модуля G510.

Рис. 3. Блок-схема G510

В цифровой блок входят:

• встроенная 32-Мбит Flash-память на чипе;
• встроенная 32-Mбит PSRAM-память на чипе;
• последовательные интерфейсы;
• порт SIM-карты;
• часы реального времени (RTC) с генератором 32,768 кГц.

В аналоговый блок входят:

• управление питанием;
• внутренние регуляторы.

В блок GSM-приемопередатчика входят:

• цифровой приемник;
• цифровой передатчик;
• частотный синтезатор;
• встроенный VCO, контурные фильтры и т. д.;
• цифровой AFC;
• DigRF-интерфейс между цифровыми полосами частот и приемопередатчиком;
• RF FEM-контроль.

Питание модуля G510

Модуль G510 должен питаться от внешнего источника с постоянным напряжением 3,3–4,5 В, при этом рекомендованное питание составляет 4 В. Блок питания должен быть в состоянии поддерживать этот уровень напряжения во время GSM-передачи, пиковое потребление при которой может достигать 1,8 A.

При проектировании G510 особое внимание нужно обратить на его питание. Один внешний источник обеспечивает питанием все цифровые, аналоговые интерфейсы и радиочастотный усилитель мощности (УМ). Таким образом, любое ухудшение производительности источника питания (в связи с потерями и шумами) будет непосредственно влиять на производительность G510. Рекомендуется, чтобы падение напряжения во время передачи пакета данных не превышало 300 мВ, а питание не должно быть ниже минимального уровня 3,3 В. В случае если напряжение питания упадет ниже 3,3 В, модуль отключится автоматически.

Для того чтобы свести к минимуму потери и переходные процессы в линиях электропитания, необходимо использовать:

• емкость 1000 мкФ или больше с низким ESR для сведения к минимуму снижения питания во время передачи пакетов. Конденсатор должен быть расположен как можно ближе к выводам G510;
• источник питания с низким импедансом;
• максимально короткую разводку печатной платы от источника питания до модуля;
• конденсаторы, как указано в таблице 2.

Желательно, чтобы ширина шины питания была не менее 1,5 мм. Для контроля напряжения V_BAT существует АТ-команда AT+CBC.

Включение/выключение модуля G510

Для запуска модуля G510 недостаточно только включить питание, необходимо подтянуть вывод POWER_ON к «земле» как минимум на 800 мс (рис. 4). Если же POWER_ON подтянуть менее чем на 800 мс (рис. 5), то включения модуля может не произойти.

Рис. 4. Включение модуля G510. Power_ON = 800 мс

Для отключения питания существует два способа. Первый — подтянуть POWER_ON на 3 секунды к «земле». Второй — с помощью AT-команд:

• AT + MRST — команда инициирует отключение питания напрямую без дерегистрации в сети.
• AT + CFUN = 0 — команда инициирует корректную дерегистрацию в сети, а затем выключение модуля.

Рис. 5. Включение модуля G510. Power_ON = 600 мс

Спящий режим

Модуль обладает дополнительным режимом низкого потребления, названным «спящий режим» (Sleep mode), в котором он работает c ограниченной функциональностью. Во время Sleep mode связь с GSM-сетью не теряется. Модуль периодически пробуждается и контролирует сеть GSM для приема входящих вызовов или данных. Во время Sleep mode все интерфейсы модуля G510 неактивны и сохранены в их предыдущем состоянии.

G510 не войдет в спящий режим в случае, когда есть передача данных на последовательном интерфейсе, или данные поступают от сети GSM, или работает какая-нибудь внутренняя системная задача. Только после окончательной обработки любой внешней или внутренней задачи G510 введет Sleep mode согласно параметрам настройки команды ATS24. В спящем режиме энергопотребление может быть уменьшено до 1,0 мА.

ATS24 = 2 — включить режим сна. Число 2 означает, что модуль переходит в спящий режим автоматически, если он не получает никаких команд или данных в течение 2 секунд. Диапазон этого значения от 0 до 255.

Команда ATS24 = 0 отключает спящий режим.

WAKE_UP и UART1_DTR-выводы, с помощью которых можно пробудить модуль, находящийся в спящем режиме. WAKE_UP-контакт рекомендуется зарезервировать для пробуждения (рис. 6).

Рис. 6. Спящий режим, вывод WAKE_UP

Этот вывод переключаются по фронту. В команде ATS24 = [значение], число этого [значение] указывает не только то время, когда модуль будет установлен в режим ожидания, но и время, в течение которого он временно проснулся. Например, если отправить команду ATS24 = 2, модуль будет установлен в режим сна после 2 секунд. Предположим, что от контакта WAKE_UP модуль временно проснулся, но если он не получает никаких команд или данных в течение 2 секунд, то опять перейдет в Sleep mode.

Часы реального времени, RTC

Основная функция часов реального времени (RTC) — сохранять время. Подсистема RTC встроена в PMU и функционирует во всех рабочих режимах модуля, пока питание подано выше минимального уровня. Если основное питание недоступно, аккумулятор или конденсатор могут быть подключены к контакту VBCKUP модуля G510. Методы установки времени и даты модуля:

• Автоматически извлекаются из сети GSM. В случае если модуль работает в сети GSM и поддерживает автоматическое обновление часового пояса, она обновит RTC в соответствии с местным временем и датой при подключении к сети.
• Использование команды AT+CCLK — установка времени и даты вручную — отменяет автоматическое обновление сети. Как только время и дата обновились вручную, таймер RTC будет держать это время и дату.
• VBACKUP — диапазон входного напряжения 2–3,3 В. Если VBACKUP напряжения ниже 2 В, текущее время и дата будут утеряны.

Последовательные порты UART

Модуль имеет три порта UART:

• UART1 — полностью независимый 8-проводной последовательный интерфейс. Это основной UART.
• UART2 — 2-проводной последовательный интерфейс, поддерживает только несколько AT-команд.
• HOST UART — отладочный UART, предназначенный для загрузки, калибровки и т. д. модуля.

Порт UART1 является основным портом UART. Это стандартный 8-проводной последовательный интерфейс шины. Этот UART используется для всех связей с модулем: AT-команды, GPRS-данные, программирование и обновление программного обеспечения. Модуль определяется как DCE-устройство (рис. 7).

Рис. 7. UART 1

UART2 поддерживает не все АТ-команды, подробности можно узнать в AT Command User Manual (рис. 8).

Рис. 8. UART 2

HOST UART является отладочный UART, который используется для загрузки, калибровки других задач; он не поддерживает ни одну команду AT (рис. 9).

Рис. 9. HOST UART

Интерфейс SIM-карты

SIM-интерфейс G510 поддерживает стандарты GSM 11,11 и GSM 11,12, основанные на стандарте ISO/IEC 7816. Эти стандарты определяют электрические, сигнальные и протокольные спецификации SIM-карты GSM. Модуль поддерживает SIM-карты с питанием 1,8 и 2,85 В. При включении модуля сначала подается напряжение 1,8 В на вывод SIM_VCC; если не удается активировать SIM-карту, на вывод SIM_VCC подается 2,85 В. Схема подключения SIM-карты представлена на рис. 10.

Рис. 10. Схема подключения SIM-карты

Аудиоканалы

Модуль G510 имеет на борту 2 аудиоканала (рис. 11).

Рис. 11. Аудиоканалы

• 1-й аудиоканал: микрофон.

Является активным аудиоканалом. Вход для микрофона имеет все необходимые цепи для поддержки прямого подключения к внешнему микрофону. Включает внутреннее напряжение смещения, которое может быть изменено AT-командой. Входной импеданс не ниже 5 MОм.

• 1-й аудиоканал: приемник.

Активный выход для голосовых вызовов и DTMF-тонов. Выполнен в виде дифференциального выхода с 16-Ом импедансом.

• 2-й аудиоканал: микрофон.

Канал может быть выбран с помощью AT-команд. Вход для микрофона содержит все необходимые цепи для поддержки прямого подключения к внешнему микрофону. Включает внутреннее напряжение смещения, которое может быть изменено AT-командой. Входной импеданс не ниже 5 MОм.

• 2-й аудиоканал: динамик

Канал может быть выбран с помощью AT-команд. Выполнен в виде дифференциального выхода, и к нему можно подключать 8-Ом динамик.

Отладочный комплект, документы и программное обеспечение

Компания Fibocom предлагает отладочный комплект EVK-G510-Q50-EUR (рис. 12), достаточный для полноценного изучения всех функций модуля G510. В состав отладочного комплекта входят:

• материнская плата с необходимыми разъемами и интерфейсами;
• адаптер с модулем G510;
• GSM-антенна;
• кабель RS-232;
• блок питания.

Рис. 12. Отладочный комплект EVK-G510-Q50-EUR

Для полноценного и быстрого тестирования и разработки прибора с GSM-модулем G510 предоставляется полный комплект документов и драйверов на каждый из модулей Fibocom:

• G510 Brochure (краткое описание модуля);
• FIBOCOM Hardware User Manual (описание модуля);
• FIBOCOM AT Command User Manual (описание AT-команд);
• FIBOCOM AT Command User Manual ADD (описание дополнительных AT-команд);
• G510 Hardware Design Application Note (рекомендации по подключению модуля);
• G510 SMT Application Note (рекомендации по пайке модуля);
• G5-Family Built-in IP Stack Application Note (пример использования встроенного TCP/IP-стека);
• Audio Design Application Note (рекомендации по использованию аудио);
• DTMF Decode Application Note (рекомендации по использованию встроенного DTMF-декодера);
• GPRS Module Current Test Application Note (рекомендации по тестированию энергопотребления модуля при использовании GPRS);
• MUX Application Note (рекомендации по применению MUX);
• OpenCPU Software Remote Upgrade Application Note (руководство по удаленному обновлению пользовательского кода);
• Record Application Note (руководство по использованию функции записи звука);
• RF Antenna Design Application Note (рекомендации по разводке антенны);
• SIM Design Application Note (рекомендации по подключению SIM-карты);
• Software Application Note (рекомендации по использованию AT-команд);
• UART Design Application Note (рекомендации по подключению UART);
• G5-Family Software Upgrade Manual (руководство по обновлению прошивки и загрузки пользовательского кода);
• G510 Hardware M2M User Manual (описание аппаратно-программных возможностей OpenCPU);
• G5-Family M2M API User Manual (описание API-команд);
• G5-Family M2M Program Application Note (описание примера пользовательского приложения).

Программное обеспечение:

• G510 OpenCPU Demo (пример пользовательского приложения);
• Fibocom upgradeV1.2 (утилита для обновления прошивки/приложения);
• CSDTK 3,7 (среда разработки пользовательских приложений).

Заключение

Модуль G510 должен заинтересовать разработчиков в первую очередь своими малыми размерами, низким потреблением, богатой функциональностью и простотой внедрения в проекты. Инженеры «Премьер-электрик» прошли полную подготовку в техническом центре Fibocom для осуществления консультаций и помощи в разработке новых изделий с модулями Fibocom.

В ближайшее время ожидается выход на рынок модуля G530 уже со встроенными Wi-Fi и Bluetooth.