4G模組SIM卡接口電路設(shè)計(jì)：從入門到精通

今天我跟大家探討的是4G模組SIM卡接口電路是怎么設(shè)計(jì)的？

我們以低功耗4G模組經(jīng)典型號Air780E為例，它支持兩路SIM卡，支持雙卡切換，便于設(shè)備靈活選擇，切換網(wǎng)絡(luò)。接下來，我們詳細(xì)介紹SIM卡接口功能及其電路設(shè)計(jì)相關(guān)注意事項(xiàng)，看完絕對會長技術(shù)！

一、SIM卡接口功能描述

Air780E模組支持2路USIM接口，支持雙卡單待功能，均符合ETSI和IMT-2000規(guī)范。

USIM1接口：

自適應(yīng)支持1.8V和3.3V USIM卡；

USIM2接口：
支持USIM卡的電平與模組GPIO電平配置相同。模組GPIO電平配置為1.8V時，USIM2只支持1.8V的USIM卡；模組GPIO電平配置為3.3V時，USIM2只支持3.3V的USIM卡。

1.SIM卡相關(guān)管腳

Air780E模組SIM卡信號相關(guān)管腳，詳見下方圖表：

2.SIM卡電氣特性

1）支持SIM卡類型：

USIM1接口：1.8V/3.3V USIM卡；

USIM2接口：
與模組GPIO電平配置有關(guān)。模組GPIO電平配置為1.8V時，只支持1.8V的USIM卡；模組GPIO電平配置為3.3V時，只支持3.3V的USIM卡。

2）支持協(xié)議：ETSI / IMT-2000

3）雙卡特性：雙卡單待

4）SIM卡在位檢測：USIM1支持；USIM2不支持。

3. SIM卡時序

激活時序：

當(dāng)SIM卡的觸點(diǎn)接通序列結(jié)束后（RST處于低電平，VCC穩(wěn)定供電，ME的I/O處于接收狀態(tài)，VPP被置為空閑狀態(tài)，CLK提供適當(dāng)?shù)?、穩(wěn)定的時鐘），SIM卡準(zhǔn)備復(fù)位。

如下圖所示：

時鐘信號在T0時刻加到CLK觸點(diǎn)，I/O總線在時鐘信號加到CLK觸點(diǎn)200個時鐘周期（T0時刻之后的t2時間段）之內(nèi)應(yīng)該處于高阻狀態(tài)；

內(nèi)部復(fù)位的SIM卡，在幾個時鐘周期之后開始復(fù)位，復(fù)位應(yīng)答應(yīng)該在400～40000個時鐘周期內(nèi)開始（T0時刻之后的t1時間段之內(nèi)）；

低電平復(fù)位的SIM卡的復(fù)位信號至少在40000個時鐘周期內(nèi)RST觸點(diǎn)維持低電平（T0之后的t3時間段內(nèi)），如果在40000個時鐘周期內(nèi)沒有復(fù)位應(yīng)答，則RST觸點(diǎn)被置為高電平；

I/O端的復(fù)位應(yīng)答必須在RST上升沿開始的400～40000個時鐘周期內(nèi)開始（T1時刻之后的t1時間段之內(nèi)）；

如果復(fù)位應(yīng)答在400～40000個時鐘周期內(nèi)沒有開始（T1時刻之后的t3時間段之內(nèi)），則RST觸點(diǎn)的電平將被置為低電平（在T2時刻），觸點(diǎn)也將被ME釋放。

4. SIM卡切換功能描述

Air780E支持雙卡單待，同一時間只能使用其中一個SIM通道?？梢酝ㄟ^相應(yīng)的AT指令或者LuatOS相應(yīng)的API，進(jìn)行SIM卡通道切換。

相關(guān)特性如下：

1）模組開機(jī)會默認(rèn)檢測SIM1通道，在SIM1通道檢測到SIM卡不在位的情況下，才會去檢測SIM2通道。

2）USIM_DET信號為SIM卡插拔檢測管腳，上下邊沿電平觸發(fā)中斷，觸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行SIM1通道的卡在位檢測。而SIM2通道不支持SIM卡插拔檢測。

3）對于內(nèi)置貼片SIM卡的雙卡應(yīng)用場景，建議將貼片SIM卡置于SIM2通道，外置插拔SIM卡座置于SIM1通道，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)先使用外置插拔SIM卡的效果。

4）由于Air780E是雙卡單待模式，因此同時只能有一張SIM卡在工作，系統(tǒng)在切換SIM卡時，會重新注冊網(wǎng)絡(luò)。

二、SIM卡接口電路設(shè)計(jì)指導(dǎo)

常用的SIM卡參考設(shè)計(jì)如下：

USIM1通道：

USIM2通道：

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：

1）SIM卡座與模組距離擺件不能太遠(yuǎn)，越近越好，盡量保證SIM卡信號線布線不超過20cm。

2）SIM卡信號線布線遠(yuǎn)離RF線和VBAT電源線。

3）為了防止可能存在的USIM_CLK信號對USIM_DATA信號的串?dāng)_，兩者布線不要太靠近，在兩條走線之間增加地屏蔽。且對USIM_RST_N信號也需要地保護(hù)。

4）為了保證良好的ESD保護(hù)，建議加TVS管，并靠近SIM卡座擺放。選擇的ESD器件寄生電容不大于50pF。在模組和SIM卡之間也可以串聯(lián)22歐姆的電阻用以抑制雜散EMI，增強(qiáng)ESD防護(hù)。SIM卡的外圍電路必須盡量靠近SIM卡座。

5）在需要模組進(jìn)入休眠的場景，SIM_DET禁止用VDD_EXT上拉，否則會造成無法休眠的問題；建議用VREF_VOLT上拉。

6）USIM2通道由于是與普通GPIO口復(fù)用，因此無法自適應(yīng)1.8V/3.3V USIM卡，USIM2的電平只能與VDD_EXT保持一致，也就是與模組GPIO電平保持一致。

7）USIM2_DAT和USIM2_RST在模組內(nèi)部被4.7K上拉到USIM_VDD；USIM2_CLK通過100K上拉到RefVolt。因此如果要使用這三個管腳復(fù)用GPIO，要注意上拉電阻對外設(shè)的影響。

8）USIM1_VDD和USIM2_VDD共用同一個電源，內(nèi)部是同一個網(wǎng)絡(luò)，因此USIM1_VDD和USIM2_VDD總是同時上下電，即使USIM2通道不使用。

9）USIM_DET只支持USIM1通道，通過中斷觸發(fā)系統(tǒng)查詢SIM卡是否在位，因此，USIM_DET只要是電平變化就能觸發(fā)中斷，無論是高電平或是低電平。

三、SIM卡常見問題

在出現(xiàn)SIM卡不識別卡時，測量SIM卡供電VDD_SIM，總是發(fā)現(xiàn)VDD_SIM為低電平？

原因解析：

SIM卡在初始化時，系統(tǒng)會嘗試4次與SIM卡交互。此時VDD_SIM也會打開4次，分別在1.8V和3.3V交替檢測，若檢測不到SIM卡，VDD_SIM卡就會關(guān)閉，如下圖：

因此在檢測不到SIM卡的情況下，USIM_VDD總是低電平。

設(shè)計(jì)建議：

VDD_SIM不輸出不是SIM卡不識別的原因，而是結(jié)果；SIM卡上任何一個信號異常，均會導(dǎo)致VDD_SIM自動關(guān)閉。

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