Применение специализированных беспроводных процессоров в M2M-устройствах, которые рассчитаны на работу в сетях GSM и изготавливаются сравнительно небольшими партиями, может представлять некоторые трудности для:

• проектирования, ввиду, например, высокой концентрации различного рода трактов (РЧ, цифровые, аналоговые, аудио) на малой площади;
• снабжения, из-за необходимости применения дополнительных, порой специфических компонентов, в т.ч. ИС запоминающих устройств, антенный разъем, разъем SIM-карты и др.;
• производства, например, вследствие применения корпусов со специальной технологией пайки (BGA).

Именно для устранения этих трудностей были разработаны специальные модули, которые интегрируют всю необходимую для M2M-применений функциональность и при этом предъявляют более простые требования к интеграции в систему. В ассортименте компании Wavecom такие модули были отнесены к отдельному семейству. В этом году в нем намечено важное изменение: в конце года прекратится производство модулей GR64. Однако, понимая важность долговременной доступности модулей в конструктиве, нашедшем широкое применение как основа для защиты инвестиций своих клиентов, компания Sierra Wireless (интегрировавшая в свой состав компанию Wavecom) выпустила новый продукт под названием Q64. Как следует из рисунка 1, оба модуля имеют абсолютно одинаковую конструкцию печатной платы (50х33 мм), расположение и форму крепежных отверстий, место размещения и тип антенного и системного разъемов. Главное же отличие кроется в схемной реализации нового модуля Q64. Он стал первым модулем Sierra, который выполнен на основе беспроводного микропроцессора WMP100 [1]. В отличие от GR64, у которого вся интеллектуальная электроника была расположена в нижнем слое внутри двух экранированных кожухов, у Q64 микропроцессор WMP100 установлен отдельно в верхнем слое. Вследствие этого, несколько изменены характеристики профиля (высота 4 мм у GR64 и 6,7 мм у Q64) и массы (8 г у GR64 и 11,6 г у Q64). Приведенные значения высоты указаны без учета занимающего незначительную площадь антенного разъема. Если же взять за основу для сравнения габаритную высоту, т.е. с учетом этого разъема, то она будет одинаковой у обоих модулей и равна 6,8 мм. Еще одно важное отличие касается SIM-карты. Модуль GR64 был доступен в двух исполнениях: GR64001 без разъема и держателя SIM-карты и GR64002 с таковым (показан на рисунке 1).

Рис. 1. Внешний вид модулей GR64 и Q64 

У модуля Q64 исполнение идентичное GR64002 не предусмотрено, но зато он предоставляет доступ к технологии inSIM, которая заключается в размещении кристалла SIM-карты на поверхности кристалла беспроводного процессора Wavecom. Данная технология дает уникальную возможность реализации промышленных и автомобильных M2M-устройств, способных многие годы бесперебойно работать в условиях действия повышенной вибрации и изменения в широких пределах температуры и влажности. К числу значимых визуальных отличий также можно отнести отсутствие у Q64 дополнительной контактной площадки, связанной с РЧ-разъемом, которая оказывала паразитный эффект на работу РЧ-тракта.

Применение в модуле Q64 беспроводного процессора WMP100 позволило, с одной стороны, добиться такого же уровня функциональности РЧ тракта, что и у GR64 (см. таблицу 1), а с другой стороны, предоставить пользователю ряд новых возможностей.

Таблица 1. Основные характеристики модулей GR64 и Q64 

Главным образом, эти возможности предоставляет исполняемая процессором WMP100 операционная система реального времени (ОСРВ) OpenAT. К их числу относится возможность исключения из системы отдельного прикладного процессора, отвечающего за выполнение критичных ко времени задач, а также поддержка функции загрузки ПО по эфиру (DOTA) и различного рода плагинов, в том числе плагины C-GPS, TCP/IP и Интернет, C-Bluetooth, шифрования данных, языка программирования LUA и режима совместимости с GR64. Кроме того, ряд преимуществ предоставляет собственно процессор WMP100, в том числе порт USB2.0, сторожевой таймер и расширенное число линий ввода-вывода. Данные и прочие возможности Q64 иллюстрирует рисунок 2.

Рис. 2. Функциональная схема модуля Q64  

Все представленные здесь входные и выходные сигналы доступны на системном разъеме, при этом соблюдается обратная совместимость по расположению и назначению выводов с GR64, но все же нужно учитывать, что у Q64 назначение выводов несколько изменено в связи с расширением функциональных возможностей (см. таблицу 2).

Таблица 2. Отличия в назначении выводов модулей GR64 и Q64

Что же касается электрических характеристик, то здесь имеют место более принципиальные отличия. Принцип обратной совместимости не выполняется для нескольких сигналов:

• выход опорного напряжения VREF имеет ограниченную с 75 до 15мА нагрузочную способность;
• входной диапазон АЦП сужен с 2,59 до 2В;
• минимальное напряжение питания часов реального времени изменено с 1 до 1,85В;
• изменена в лучшую сторону схемотехника выхода управления звуковым излучателем (BUZZER);
• скорректированы логические уровни интерфейсов UART1 и UART2.

Кроме того, цифровой аудиоинтерфейс у Q64 выполнен с использованием протокола IOM-2, который несовместим с использовавшимся прежде протоколом SSI.

Еще одна несовместимость касается последовательности включения. У Q64 длительность импульса запуска процессора (на входе ON/OFF) должна быть не менее 1500 мс, а у GR64 она должна была быть не менее 450 мс.

Однако гораздо более сложной проблемой является несовместимость наборов AT-команд модулей GR64 и Q64. Без каких-либо специальных мер Q64 поддерживает только 11% из 204 AT-команд GR64. В какой-то степени данную проблему позволяет компенсировать специальный плагин режима совместимости с GR64. После его установки поступающие GR64-команды будут транслироваться во внутренние AT-команды Q64. За счет этого процент совместимости гарантированно повышается до 52%, а при условии частичной совместимости - до 80...85%. Примерно 15% команд GR64 являются либо непортируемыми, либо требующими изменения программы. Более детально об отличии AT-команд модулей GR64 и Q64 с плагином совместимости можно узнать в [2].

Обзор интерфейсов Q64

Для управления работой модуля Q64 и обеспечения его взаимодействия с разнообразными внешними компонентами, в том числе цифровыми ИС, датчиками, микрофоном, наушниками, клавиатурой, ЖК- и светодиодными индикаторами, он оснащен разнообразными интерфейсами. Обзор этих интерфейсов сведен в таблицу 3.

Таблица 3. Обзор интерфейсов модуля Q64

Особенности организации
электропитания для модуля Q64

Применение Q64, как собственно и любого другого GSM-модуля, требует от разработчика особого отношения к организации его электропитания. Это связано с тем, что потребляемый модулем ток носит импульсный характер и является следствием периодической работы GSM-передатчика. Амплитуда импульса потребляемого тока достигает 1,5 А, а его длительность - около 577 мкс (GSM /GPRS класс 2) или 1154 мкс (GSM /GPRS класс 10) при периодичности повторения 4,615 мс. Таким образом, внешняя система электропитания, помимо формирования требуемого напряжения питания модуля (3,2...4,8 В, ном. знач. 3,6 В), должна отвечать следующим требованиям:

• гарантированно обеспечивать кратковременную нагрузочную способность током 1,5А;
• сохранять при этом напряжение питания на уровне не ниже минимально-необходимого и с уровнем пульсаций не выше максимально-допустимого (10мВ).

Помимо адекватного выбора источника питания, разработчик должен до минимума свести все переходные сопротивления между источником питания и модулем. В документации оговаривается, что суммарный бюджет общего сопротивления цепей электропитания не должен превышать 150 мОм, причем, в эту величину входит и внутреннее сопротивление источника питания.

Методы подавления влияния TDMA-шумов
на работу аудиотракта

Описанная выше периодическая работа GSM-передатчика является следствием использования технологии TDMA. Такая работа передатчика помимо влияния на систему электропитания создает мощный источник помех с основной частотой 217 Гц, который имеет свойство проникать в аудиотракт и беспокоить слушателя назойливым прерывистым гулом. Такой эффект получил название TDMA-шума.

Аудиотракт Q64 состоит из основного и вспомогательного микрофонных входов и основного и вспомогательного драйверов маломощных динамиков. Основной аудиоканал является полностью дифференциальным, но при необходимости может использоваться как несимметричный. Вспомогательный же канал предусматривает только несимметричное подключение. Для максимального подавления влияния TDMA-шумов на перечисленные элементы аудиотракта Q64 необходимо следовать приведенным в документации рекомендациям, которые можно разделить на три группы:

• рекомендации по выбору микрофона, динамиков и элементов фильтрации;
• рекомендации по выбору и расчету схемы их подключения;
• рекомендации по трассировке печатных проводников.

Основные входной и выходной каналы рекомендуется использовать только в дифференциальном режиме, так как дифференциальные каскады наименее подвержены влиянию различного рода шумам, в том числе и TDMA. В качестве элемента фильтрации TDMA-шума вполне достаточным может оказаться использование блокировочного конденсатора, который включается параллельно микрофону (или динамику) в непосредственной близости с ним. Если такой фильтрации оказывается недостаточно, прибегают к использованию более сложных LC-фильтров. На рисунке 3 показаны примеры использования таких фильтров на микрофонных входах.

Рис. 3. Схема подключения микрофонов и динамиков с учтенным влиянием TDMA-шума 

Если полное сопротивление нагрузки с учетом цепей ее подключения не превышает величины 3 Ом и используется дифференциальный режим, элементы фильтрации на основном выходе можно не предусматривать. Что касается несимметричного вспомогательного выхода, то здесь потребуется установка блокировочного конденсатора в максимальной близости с динамиком. Общее полное сопротивление вспомогательной нагрузки не должно превышать 1,5 Ом.

Соблюдение особых правил трассировки печатных проводников также способствует подавлению TDMA-шума. Вблизи несимметричных каскадов необходимо обеспечить высокое качество (незашумленность) общего сигнального слоя, а при трассировке дифференциальных аудио-линий необходимо соблюдать их параллельность, прокладывать дорожки толщиной не менее 0,2 мм и с зазором не более 0,15 мм. Дорожки дифференциальной линии должны быть окружены общим сигнальным слоем. Необходимо избегать их пространственного пересечения цифровыми дорожками в других слоях печатной платы.

Встроенный механизм подзаряда
аккумуляторной батареи

Модуль Q64, так же как и GR64, оснащен схемой заряда аккумуляторной батареи. Однако, если прежде поддерживался только один режим заряда литиево-ионного аккумулятора, то теперь доступны еще один программно-реализованный алгоритм заряда никель-кадмиевых и никель-металлогидридных аккумуляторов и новый полностью аппаратно-реализованный режим буферного подзаряда. На рисунке 2 показано, что схема заряда представляет собой простой транзисторный коммутатор, который позволяет соединить вход источника питания зарядного устройства CHG_IN с батарейным напряжением VCC. Выход этого источника питания должен быть согласован с типом используемого аккумулятора и ограничен по току на уровне 800 мА. В алгоритме заряда литиево-ионного аккумулятора в целях безопасности дополнительно оценивается температура аккумулятора. Для этого ко входу АЦП ADIN1 необходимо подключить термистор по приведенной в документации схеме. Режим буферного подзаряда активизируется автоматически после перехода процессора WMP100 в отключенное состояние и при нахождении напряжения аккумуляторной батареи в пределах 2,8...3,2 В. Он реализуется путем непрерывного питания батареи током 50 мА. Такой режим заряда не позволяет полноценно зарядить аккумулятор, а предназначен лишь для предотвращения глубокого разряда аккумулятора.

Заключение

Несмотря на то, что модуль Q64 нельзя назвать полной обратно-совместимой заменой для снимаемого с производства GR64, на практике может оказаться вполне достаточной их практически полная совместимость по конструкции, расположению и назначению выводов и частичная совместимость по AT-командам. Ведь те преимущества, которые дают встроенный в модуль процессор WMP100 и исполняемая им ОСРВ OpenAT, можно назвать более чем адекватной платой за возможную доработку аппаратного и программного обеспечения.

Литература

1. Пушкарев О. Беспроводной процессор WMP100//Новости электроники, ╧1, 2008. - С. 25-27.

2. AT commands delta between GR plug-in and GR64//Wavecom, WA_DEV_Q64_UGD_001, Revision: 001, November 1, 2007. - 62 p.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: wireless.vesti@compel.ru