合宙低功耗4G模組Air780EX——硬件設(shè)計(jì)手冊(cè)01

Air780EX是一款基于移芯EC618平臺(tái)設(shè)計(jì)的LTECat1無線通信模組。

支持FDD-LTE/TDD-LTE的4G遠(yuǎn)距離無線 傳輸技術(shù)。

另外，模組提供了USB/UART/I2C等通用接口滿足IoT行業(yè)的各種應(yīng)用訴求。

一、主要性能

1.1 模塊功能框圖

1.2 模塊型號(hào)列表

1.3模塊主要性能

*注: 模組工作在-40°C～-35°C或+75°C～+85°C溫度范圍時(shí)，模組可以正常工作，但部分射頻指標(biāo)不保證 能滿足3GPP標(biāo)準(zhǔn)。

二、 應(yīng)用接口

模塊采用LCC封裝，54個(gè)SMT焊盤管腳，以下章節(jié)將詳細(xì)闡述Air780EX各接口的功能

2.1. 管腳描述
Air780EX 管腳排列圖（正視圖）

*注:

1. 二次開發(fā)GPIO復(fù)用功能詳見對(duì)應(yīng)《_GPIO_table》

2.LDOAON 為芯片內(nèi)部部分GPIO供電電源，由此電源供電的IO口休眠狀態(tài)下能夠保持。

3.所有io 都支持中斷；

可以復(fù)用為wakeup的io支持雙邊沿或者高低電平中斷，休眠以及喚醒狀態(tài)下都能使用；

其余io僅支持單邊沿或者單電平中斷，喚醒狀態(tài)下可用，休眠狀態(tài)下不能使用。

IO參數(shù)定義：

2.2.工作模式

下表簡(jiǎn)要的敘述了接下來幾章提到的各種工作模式。

注意： 模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)后只能通過以下管腳中斷喚醒退出休眠模式。

2.3.電源供電

2.3.1. 模塊電源工作特性

在模塊應(yīng)用設(shè)計(jì)中，電源設(shè)計(jì)是很重要的一部分。

由于LTE射頻工作時(shí)最大峰值電流高達(dá)1.5A，在最大發(fā) 射功率時(shí)會(huì)有約700mA的持續(xù)工作電流，電源必須能夠提供足夠的電流，不然有可能會(huì)引起供電電壓的跌落甚 至模塊直接掉電重啟。

2.3.2. 減小電壓跌落

模塊電源VBAT電壓輸入范圍為3.3V~4.3V，但是模塊在射頻發(fā)射時(shí)通常會(huì)在VBAT電源上產(chǎn)生電源電壓跌落 現(xiàn)象，這是由于電源或者走線路徑上的阻抗導(dǎo)致，一般難以避免。

因此在設(shè)計(jì)上要特別注意模塊的電源設(shè)計(jì)， 在VBAT輸入端，建議并聯(lián)一個(gè)低ESR(ESR=0.7Ω)的100uF的鉭電容，以及100nF、33pF、10pF濾波電容。

VBAT輸入端參考電路如圖所示。

并且建議VBAT的PCB走線盡量短且足夠?qū)?，減小VBAT走線的等效阻抗，確保在最大 發(fā)射功率時(shí)大電流下不會(huì)產(chǎn)生太大的電壓跌落。建議VBAT走線寬度不少于1mm，并且走線越長(zhǎng)，線寬越寬。

2.3.3.供電參考電路

電源設(shè)計(jì)對(duì)模塊的供電至關(guān)重要，必須選擇能夠提供至少1A電流能力的電源。

若輸入電壓跟模塊的供電 電壓的壓差小于2V，建議選擇LDO作為供電電源。

若輸入輸出之間存在的壓差大于2V，則推薦使用開關(guān)電源轉(zhuǎn) 換器以提高電源轉(zhuǎn)換效率。

LDO供電：

下圖是5V供電的參考設(shè)計(jì)，采用了Micrel公司的LDO，型號(hào)為MIC29302WU。

它的輸出電壓是4.16V，負(fù)載 電流峰值到3A。

為確保輸出電源的穩(wěn)定，建議在輸出端預(yù)留一個(gè)穩(wěn)壓管，并且靠近模塊VBAT管腳擺放。

建議選擇反向擊穿電壓為5.1V，耗散功率為1W以上的穩(wěn)壓管。

供電輸入?yún)⒖荚O(shè)計(jì)：

DC-DC 供電：

下圖是DC-DC開關(guān)電源的參考設(shè)計(jì)，采用的是杰華特公司的JW5359M開關(guān)電源芯片，它的最大輸出電流 是2A，輸入電壓范圍3.7V~18V。

注意C25的選型要根據(jù)輸入電壓來選擇合適的耐壓值。

DCDC供電輸入?yún)⒖荚O(shè)計(jì)：

2.4. 開關(guān)機(jī)

2.4.1. 開機(jī)

在VBAT供電后，可以通過如下兩種方式來觸發(fā)Air780EX開機(jī)：

1. 按鍵開機(jī): PWRKEY管腳通過輕觸按鍵連接到地，按鍵按下1秒以上實(shí)現(xiàn)開機(jī)。

2. 上電開機(jī)：將PWRKEY管腳直接短接到地，VBAT上電后就可以實(shí)現(xiàn)開機(jī)。

2.4.1.1 PWRKEY 管腳開機(jī)

VBAT上電后，可以通過PWRKEY管腳啟動(dòng)模塊，把PWRKEY管腳拉低1秒以上之后模塊會(huì)進(jìn)入開機(jī)流程，軟 件會(huì)檢測(cè)VBAT管腳電壓，

若VBAT管腳電壓大于軟件設(shè)置的開機(jī)電壓（3.3V），會(huì)繼續(xù)開機(jī)動(dòng)作直至系統(tǒng)開機(jī) 完成；

否則，會(huì)停止執(zhí)行開機(jī)動(dòng)作，系統(tǒng)會(huì)關(guān)機(jī)，開機(jī)成功后PWRKEY管腳可以釋放。

可以通過檢測(cè)VDD_EXT 管腳的電平來判別模塊是否開機(jī)。

推薦使用開集驅(qū)動(dòng)電路來控制PWRKEY管腳。

下圖為開集驅(qū)動(dòng)參考開機(jī)電路：

另一種控制PWRKEY管腳的方法是直接使用一個(gè)按鈕開關(guān)。

按鈕附近需放置一個(gè)TVS管用以ESD保護(hù)。

下圖 為按鍵開機(jī)參考電路：

2.4.1.2 上電開機(jī)

將模塊的PWRKEY直接接地可以實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)開機(jī)功能。

需要注意，在上電開機(jī)模式下，將無法關(guān)機(jī)， 只要VBAT管腳的電壓大于開機(jī)電壓即使軟件調(diào)用關(guān)機(jī)接口，模塊仍然會(huì)再開機(jī)起來。

另外，在此模式下，要 想成功開機(jī)起來VBAT管腳電壓仍然要大于軟件設(shè)定的開機(jī)電壓值（3.3V），如果不滿足，模塊會(huì)關(guān)閉，就會(huì) 出現(xiàn)反復(fù)開關(guān)機(jī)的情況。

對(duì)于用電池供電的應(yīng)用場(chǎng)景不建議用PWRKEY接地的上電自動(dòng)開機(jī)方式。

2.4.2. 關(guān)機(jī)

以下的方式可以關(guān)閉模塊：

• 正常關(guān)機(jī)：使用PWRKEY管腳關(guān)機(jī)
  
• 正常關(guān)機(jī)：通過AT指令A(yù)T+CPOWD關(guān)機(jī)
  
• 低壓自動(dòng)關(guān)機(jī)：模塊檢測(cè)到低電壓時(shí)關(guān)機(jī)，可以通過AT指令A(yù)T+CBC來設(shè)置低電壓的門限值；
  

2.4.2.1 PWRKEY 管腳關(guān)機(jī)

PWRKEY 管腳拉低1.5s以上時(shí)間，模塊會(huì)執(zhí)行關(guān)機(jī)動(dòng)作。

關(guān)機(jī)過程中，模塊需要注銷網(wǎng)絡(luò)，注銷時(shí)間與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)有關(guān)，經(jīng)測(cè)定用時(shí)約2s~12s，因此建議延長(zhǎng) 12s后再進(jìn)行斷電或重啟，以確保在完全斷電之前讓軟件保存好重要數(shù)據(jù)。

時(shí)序圖如下：

2.4.2.2低電壓自動(dòng)關(guān)機(jī)

模塊在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)當(dāng)VBAT管腳電壓低于軟件設(shè)定的關(guān)機(jī)電壓時(shí)（默認(rèn)設(shè)置3.3V），軟件會(huì)執(zhí)行關(guān)機(jī)動(dòng)作 關(guān)閉模塊，以防低電壓狀態(tài)下運(yùn)行出現(xiàn)各種異常。

2.4.3復(fù)位

RESET_N引腳可用于使模塊復(fù)位。拉低RESET_N引腳100ms以上可使模塊復(fù)位。

RESET_N信號(hào)對(duì)干 擾比較敏感，因此建議在模塊接口板上的走線應(yīng)盡量的短，且需包地處理。

參考電路：

注意：

1.復(fù)位功能建議僅在AT+CPOWD和PWRKEY關(guān)機(jī)失敗后使用。

2.RESET_N復(fù)位管腳拉低釋放后，模塊會(huì)處于硬件關(guān)機(jī)狀態(tài)，如果想要重啟功能，需要在RESET_N 復(fù)位后重新拉低POWERKEY關(guān)機(jī)進(jìn)行開機(jī)動(dòng)作。

2.5.串口

模塊提供了三個(gè)通用異步收發(fā)器：主串口MAIN_UART、AUX_UART、DBG_UART。

2.5.1. MAIN_UART

MAIN_UART管腳定義：

對(duì)于AT開發(fā)方式，MAIN_UART用來進(jìn)行AT指令通訊。

MAIN_UART支持固定波特率,不支持自適 應(yīng)波特率 在默認(rèn)情況下，模塊的硬件流控是關(guān)閉的。

當(dāng)客戶需要硬件流控時(shí)，管腳RTS,CTS必須連接到客戶端，

AT 命令“AT+IFC=2,2”可以用來打開硬件流控。

AT命令“AT+IFC=0,0”可以用來關(guān)閉流控。

具體請(qǐng)參考《AirM2M無線 模塊AT命令手冊(cè)》。

MAIN_UART在休眠狀態(tài)下保持的功能，能夠喚醒模塊 MAIN_UART的特點(diǎn)如下：

• 包括數(shù)據(jù)線TXD和RXD，硬件流控控制線RTS和CTS。
  
• 8個(gè)數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)，一個(gè)停止位。 ?硬件流控默認(rèn)關(guān)閉。
  
• 用以AT命令傳送，數(shù)傳等。
  
• 支持波特率如下：600,1200,2400,4800,14400,9600,19200,38400,57600,115200,230400,460800,921600bps
  

注意：

MAIN_UART在開機(jī)過程中短時(shí)會(huì)輸出固定調(diào)試信息

2.5.2. AUX_UART

AUX_UART管腳定義：

AUX_UART為輔助串口，不支持AT指令交互，用于某些外設(shè)通信，如對(duì)接GNSS等。

AUX_UART休眠后會(huì)關(guān)閉，無法通過給AUX_UART發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行喚醒。

2.5.3. DBG_UART

DBG_UART用來軟件調(diào)試時(shí)輸出APtrace，建議預(yù)留測(cè)試點(diǎn)。

DBG_UART在開機(jī)過程中短時(shí)會(huì)輸出固定調(diào)試信息。

DBG_TX、DBG_RX默認(rèn)功能為系統(tǒng)底層日志口，進(jìn)行模塊硬件設(shè)計(jì)時(shí)，在剩余功能引腳充足的前提 下，避免使用DBG_TX和DBG_RX。

如果將此引腳復(fù)用為其他功能，則無法從DBG_TX和DBG_RX抓取系統(tǒng)日志。

在某些場(chǎng)景下，如果模塊出現(xiàn)異常，無法抓到問題日志，只能通過硬件改版，引出DBG_TX、 DBG_RX，抓取日志再進(jìn)行分析。

包括但不限于以下兩種場(chǎng)景：

1、低功耗場(chǎng)景：

在低功耗場(chǎng)景下，USB無法使用，只能通過DBG_TX、DBG_RX來抓取日志。

2、非低功耗場(chǎng)景：

模塊接入U(xiǎn)SB時(shí)，工作正常，未接入U(xiǎn)SB時(shí)，工作異常的情況，只能通過DBG_TX、DBG_RX來抓取 日志。

2.5.4. 串口連接方式

串口的連接方式較為靈活，如下是三種常用的連接方式。

三線制的串口請(qǐng)參考如下的連接方式：

帶流控的串口連接請(qǐng)參考如下電路連接，此連接方式可提高大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)目煽啃?，防止?shù)據(jù)丟失。

帶流控的串口連接方式示意圖:

2.5.5. 串口電壓轉(zhuǎn)換

Air780EX 模塊的串口電平為固定1.8V或3.3V，能夠滿足大部分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或其他串口外設(shè)通信，那就必須要加電平轉(zhuǎn)換電路。

電平轉(zhuǎn)換參考電路如下：

注意 ：

• 此電平轉(zhuǎn)換電路不適用波特率高于460800bps的應(yīng)用。
  
• D2必須選用低導(dǎo)通壓降的肖特基二極管。
  

肖特基二極管以及NPN三極管的推薦型號(hào)如下：

對(duì)于波特率高于460800bps的應(yīng)用，可以通過外加電平轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，

參考電路如下：

此電路采用的是電平轉(zhuǎn)換芯片是TI的TXS0108E，8位雙向電壓電平轉(zhuǎn)換器，

適用于漏極開路和推挽應(yīng)用，

最大支持速率：

推挽：110Mbps

開漏：1.2Mbps

2.6. USB 接口

Air780EX 的 USB 符合USB2.0規(guī)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命令傳送，數(shù)據(jù)傳輸，軟件調(diào)試和軟件升級(jí)。

USB管腳定義：

USB接口參考設(shè)計(jì)電路如下：

注意事項(xiàng)如下：

1. USB走線需要嚴(yán)格按照差分線控制，做到平行和等長(zhǎng)；

2. USB走線的阻抗需要控制到差分90歐姆；

3. 需要盡可能的減少USB走線的stubs，減少信號(hào)反射；USB信號(hào)的測(cè)試點(diǎn)最好直接放在走線上以 減少stub；

4. 盡可能的減少USB走線的過孔數(shù)量；

5. 在靠近USB連接器或者測(cè)試點(diǎn)的地方添加TVS保護(hù)管，由于USB的速率較高，需要注意TVS管 的選型，保證選用的TVS保護(hù)管的寄生電容小于1pF

6. VBUS作為USB插入喚醒作用，并不直接參與USB插入檢測(cè)，非必須，在不需要USB插入喚醒的 場(chǎng)景也可以不接

2.7. USB 下載模式

Air780EX 模塊進(jìn)入U(xiǎn)SB下載模式：

在開機(jī)之前，把BOOT通過51K電阻上拉到VBAT電源.

2.8. SIM卡接口

Air780EX支持1路SIM卡接口，支持ETSI和IMT-2000卡規(guī)范，支持1.8V和3.0VUSIM卡。

2.8.1. SIM接口

下表介紹了SIM接口的管腳定義。

2.8.2. SIM接口參考電路

下圖是SIM接口的參考電路，使用6pin的SIM卡座。

在SIM卡接口的電路設(shè)計(jì)中，為了確保SIM卡的良好的功能性能和不被損壞，

在電路設(shè)計(jì)中建議遵循以下設(shè)計(jì) 原則：

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

2. SIM卡信號(hào)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(hào)對(duì)USIM_DATA信號(hào)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(duì)USIM_RST_N信號(hào)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 模塊和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。

2.9. LDO輸出

注意：

VDD_EXT不建議給外設(shè)供電，僅能做外部上拉用.

2.10. 功能管腳

2.10.1. MAIN_RI

MAIN_RI 信號(hào)動(dòng)作：

如果模塊用作主叫方，MAIN_RI會(huì)保持高電平，收到URC信息或者短信時(shí)除外。

而模塊用作被叫方時(shí)， MAIN_RI 的時(shí)序如下所示。

語(yǔ)音呼叫時(shí)模塊用作被叫方MAIN_RI時(shí)序：

數(shù)據(jù)呼叫時(shí)模塊用作被叫方MAIN_RI時(shí)序：

模塊主叫時(shí)MAIN_RI時(shí)序：

收到URC信息或者短信時(shí)MAIN_RI時(shí)序：

2.10.2. MAIN_DTR

模塊支持兩種睡眠模式：

睡眠模式1：發(fā)送AT+CSCLK=1，通過MAIN_DTR管腳電平控制模塊是否進(jìn)入睡眠

睡眠模式2：發(fā)送AT+CSCLK=2，模塊在串口空閑一段時(shí)間后自動(dòng)進(jìn)入睡眠

具體參閱2.11.2睡眠模式

2.10.3.狀態(tài)指示燈

Air780EX用一個(gè)管腳信號(hào)來指示網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。

如下兩表分別描述了管腳定義和不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的邏輯電平 變化：

網(wǎng)絡(luò)指示管腳定義：

指示網(wǎng)絡(luò)管腳的工作狀態(tài)：

指示燈參考電路如下圖所示：

2.11. 省電功能

根據(jù)系統(tǒng)需求，有兩種方式可以使模塊進(jìn)入到低功耗的狀態(tài)。

對(duì)于AT版本使用“AT+CFUN”命令可以使模塊 進(jìn)入最少功能狀態(tài)。

2.11.1. 最少功能模式/飛行模式

最少功能模式可以將模塊功能減少到最小程度，此模式可以通過發(fā)送“AT+CFUN=”命令來設(shè)置。

參數(shù)可以選擇0，1，4。

• 0：最少功能（關(guān)閉RF和SIM卡）；
  
• 1：全功能（默認(rèn)）；
  
• 4：關(guān)閉RF發(fā)送和接收功能；
  

如果使用“AT+CFUN=0”將模塊設(shè)置為最少功能模式，射頻部分和SIM卡部分的功能將會(huì)關(guān)閉。

而串口依然 有效，但是與射頻部分以及SIM卡部分相關(guān)的AT命令則不可用。

如果使用“AT+CFUN=4”設(shè)置模塊，RF部分功能將會(huì)關(guān)閉，而串口依然有效。所有與RF部分相關(guān)的AT命令不 可用。

模塊通過“AT+CFUN=0”或者“AT+CFUN=4”設(shè)置以后，可以通過“AT+CFUN=1”命令設(shè)置返回到全功能狀態(tài)。

2.11.2. 睡眠模式（慢時(shí)鐘模式）

2.11.2.1 串口應(yīng)用

串口應(yīng)用下支持兩種睡眠模式：

• 睡眠模式1：通過MAIN_DTR管腳電平控制模塊是否進(jìn)入睡眠
  
• 睡眠模式2：模塊在串口空閑一段時(shí)間后自動(dòng)進(jìn)入睡眠
  

2.11.2.1.1 睡眠模式 1

開啟條件：

發(fā)送AT指令A(yù)T+CSCLK=1

模塊進(jìn)入睡眠： 控制MAIN_DTR腳拉高，模塊會(huì)進(jìn)入睡眠模式1

模塊退出睡眠： 拉低MAIN_DTR腳50ms以上，模塊會(huì)退出睡眠模式可以接受AT指令

模塊在睡眠模式1時(shí)的軟件功能： 不響應(yīng)AT指令，但是收到數(shù)據(jù)/短信/來電會(huì)有URC上報(bào)

HOST 睡眠時(shí)，模塊收到數(shù)據(jù)/短信/來電如何喚醒HOST： MAIN_RI 信號(hào)

2.11.2.1.2 睡眠模式 2

開啟條件：

發(fā)送AT指令A(yù)T+CSLCK=2

模塊進(jìn)入睡眠： 串口空閑超過AT+WAKETIM配置的時(shí)間（默認(rèn)5s），模塊自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式2

模塊退出睡眠： 串口連續(xù)發(fā)送AT直到模塊回應(yīng)時(shí)即退出睡眠模式2。不響應(yīng)DTR管腳中斷喚醒

模塊在睡眠模式2時(shí)的軟件功能： 不響應(yīng)AT指令，但是收到數(shù)據(jù)/短信/來電會(huì)有URC上報(bào)

HOST 睡眠時(shí)，模塊收到數(shù)據(jù)/短信/來電如何喚醒HOST： MAIN_RI 信號(hào)

2.11.2.2 USB應(yīng)用

開啟條件：

USBHOST必須支持USBsuspend/resume

模塊進(jìn)入睡眠： HOST發(fā)起USBsuspend

模塊退出睡眠： HOST發(fā)起USBresume

HOST睡眠時(shí)，模塊收到數(shù)據(jù)/短信/來電如何喚醒HOST： MAIN_RI信號(hào)

2.12.模式切換匯總

本文主要介紹了Air780EX的主要性能和應(yīng)用接口，由于文章篇幅原因，

射頻接口，電氣特性，實(shí)網(wǎng)功耗數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)規(guī)格等內(nèi)容將在下篇文章介紹。

未完待續(xù)。。。