Константин Староверов
В статье приводится обзор первого программируемого модуля беспроводного процессора Q26 Extreme компании Sierra Wireless, который поддерживает сети мобильной связи второго и третьего поколений.
Технология мобильной связи 3G, благодаря возможности передачи данных на скорости до 2 Мбит/с – в стационарном режиме, до 384 кбит/с – в режиме низкой мобильности (до 3 км/ч) и не менее 144 кбит/с – в режиме высокой мобильности (до 120 км/ч), открывает перспективы для модернизации существующих и появления новых M2M-применений. Появление нового поколения охранных систем, в т.ч. систем видеонаблюдения, систем мониторинга транспорта, платежных терминалов и других беспроводных применений, нуждающихся в повышении быстродействия канала связи, в первую очередь зависит от темпов развертывания 3G-сетей. В России право на развертывание 3G-сетей имеют все крупные мобильные операторы – Мегафон, МТС и Вымпелком. Начиная с 2007 года эти компании проделали огромную работу, и на данный момент в коммерческой эксплуатации 3G-сети работают во многих крупных городах в различных уголках России. Таким образом, существуют все необходимые условия для внедрения нового поколения M2M-применений, и самое время ознакомится с существующими техническими средствами для их реализации. В рамках данной публикации предлагается ознакомиться с одной из недавних разработок компании Sierra Wireless – модулем беспроводного процессора Q26 Extreme, который способен работать как в сети 2G (GSM/GPRS/EDGE), так и в 3G (WCDMA/HSxPA).
Модуль выполнен в виде собранного на основе печатной платы устройства (рис. 1) длиной 40 мм, шириной 32.2 мм, высотой 6.3 мм и массой 11.8 г. Электронные компоненты, установленные с обеих сторон платы, закрыты экранирующими кожухами. Кожух в нижней части дополнен четырьмя монтажными ножками (1), предназначенными для фиксации модуля в целевой плате методом пайки, а также покрыт вспененным теплопроводящим материалом (3), который улучшает тепловой контакт и способствует лучшему отводу тепла. В нижней части модуля можно найти 100-выводной разъем (2) для его подключения к внешней схеме, а также РЧ-разъем (4) для подключения основной антенны. При необходимости паяного подключения коаксиального кабеля основной антенны предусмотрен альтернативный способ - контактные ламели (6). Для подключения по такому же способу предусмотрены контактные ламели разнесенной антенны (5). Модуль снабжается наклейкой с маркировкой согласно рис. 1.
Рис. 1. Внешний вид и маркировка модуля Q26 Extreme
Q26 Extreme выполнен на основе двух процессоров: первый отвечает за РЧ-связь в 2G/3G-сетях, а другой - за реализацию прикладных функций (рис. 2). РЧ-тракт модуля способен работать в трех диапазонах 3G-сетей (диапазоны I, II и V по стандарту WCDMA) и четырех диапазонах 2G-сетей (GSM850, E-GSM900, DCS1800, PSC1900); процесс переключения между 2G- и 3G-сетями полностью автоматизирован.
Рис. 2. Укрупненная структура модуля Q26 Extreme
Работая в 3G-сети, модуль поддерживает исходящую пакетную передачу данных на скорости до 2 Мбит/с (HSUPA, категория 5) и входящую пакетную передачу данных на скорости до 7,2 Мбит/с (HSDPA, категория 8). РЧ-процессор поддерживает работу с основной и разнесенной антеннами. В случае последней, как уже упоминалось, предусмотрена отдельная РЧ-ламель для паяного подключения коаксиального кабеля антенны (рекомендованный тип кабеля RG178). Характеристики РЧ-тракта совместимы с рекомендациями ETSI GSM 05.05: чувствительность приема во всех диапазонах 3G 106,7 дБм; избирательность (200/400 кГц) свыше 9/41 дБн; линейный динамический диапазон приемника 63 дБ; ослабление совмещенного канала не менее 9 дБн; максимальная выходная мощность во всех диапазонах 3G 24 дБм + 1/–3 дБ. Все рабочие характеристики модуля действительны для рабочего температурного диапазона –20...55 °C, однако с некоторыми ограничениями он может работать и в более широком температурном диапазоне –30...75 °С. К числу таковых относится ограничение длительности передачи при уровнях мощности, близких к максимальному значению.
В качестве прикладного процессора в модуле используется 32-битный процессор ARM946 с возможностями исполнения кода программы с производительностью до 88 MIPS. Его собственная частота синхронизации программируется до 104 МГц. Процессор оснащен кэш-памятью данных и инструкций (каждая по 8 кбайт) и характеризуется быстродействием доступа к памяти до 52 МГц. Прикладной процессор исполняет запрограммированную в модуль операционную систему реального времени (ОСРВ) Open AT® вместе с обширным набором плагинов (поддерживаются бесплатной средой для программирования M2M Studio). Данное программное обеспечение предоставляет возможность управления модулем в двух режимах: в режиме модема посредством AT-команд, передаваемых внешним микропроцессором через последовательный интерфейс, и в режиме беспроводного процессора посредством исполнения написанной на языке Си или LUA программы. Последний язык имеет более широкие возможности по управлению встроенными ресурсами и позволяет реализовать полностью автономное устройство, которое не требует дополнения внешним микропроцессором (таблица 1).
Таблица 1. Сравнение возможностей по управлению модулем
посредством AT-команд и из ОС Open AT
|
Встроенная функция |
Поддержка управления |
Поддержка управления |
|
Последовательный интерфейс |
– |
Есть |
|
Интерфейс клавиатуры |
Есть |
Есть |
|
Основной последовательный канал |
Есть |
Есть |
|
Вспомогательный последовательный канал |
Есть |
Есть |
|
Интерфейс USIM |
Есть |
Есть |
|
Ввод-вывод общего назначения |
Есть |
Есть |
|
Аналогово-цифровой преобразователь |
Есть |
Есть |
|
Аналоговый аудио-интерфейс |
Есть |
Есть |
|
Выход звукового излучателя |
Есть |
Есть |
|
Интерфейс зарядного устройства |
Есть |
Есть |
|
Внешнее прерывание |
Есть |
Есть |
|
Сигнал LED0 |
Есть |
Есть |
|
Цифровой аудио-интерфейс (PCM) |
– |
Есть |
|
Интерфейс USB2.0 |
Есть |
Есть |
Встроенный прикладной процессор дополнен множеством интерфейсов, среди которых:
- коммуникационные интерфейсы: 2 × UART (UART1- основной интерфейс до 921кбит/с V24-совместимый; UART2- вспомогательный интерфейс для подключения модулей Bluetooth/GPS до 921 кбит/сек); интерфейс USB 2.0 … 12 Мбит/с;
- интерфейсы цифрового ввода/вывода: 2 × SPI (102 кбит/с...13 Мбит/с); 1 × I2C (до 400кбит/с); параллельный интерфейс EBI; интерфейс 1.8-/3-вольтовых SIM-карт; интерфейс ввода/вывода общего назначения (45 линий, мультиплексированы с сигналами других внутренних интерфейсов); цифровой аудио-интерфейс PCM (16 бит, 768 кГц, 6 слотов, используемый слот-4); интерфейс клавиатуры (матрица 5×5);
- интерфейсы аналогового ввода/вывода: АЦП (два входа, разрешающая способность более 10 бит, 1635 отсчетов, входной диапазон 0...2 В, периодичность оцифровки 0.5...3 с.); ЦАП (один выход, разрешающая способность 8бит, выходной диапазон 0...2.3 В, время установления не более 40 мкс); аналоговый аудио-интерфейс (два микрофонных входа с поддержкой несимметричного и дифференциального режимов, два дифференциальных усилителя мощности ЗЧ 16 мВт (32 Ом) и 250 мВт (8 Ом)); интерфейс звукового излучателя (ШИМ-коммутатор с выходом типа «открытый сток», импульсный ток нагрузки не более 100 мА, частота ШИМ 1...50 кГц)
- прочие интерфейсы: интерфейс зарядного устройства (поддерживает два алгоритма зарядки и один полностью аппаратно-реализованный режим буферного подзаряда аккумуляторов трех типов: Ni-Cd, Ni-Mh, Li-ION); интерфейс включения/отключения модуля (вывод ON/~OFF); интерфейс сброса (~RESET); интерфейс внешних прерываний (три входа с настраиваемой чувствительностью к нарастающему, падающему или обоим фронтам); интерфейс резервного питания ЧРВ (1.85...3В)
Все сигналы перечисленных интерфейсов вместе с линиями питания сведены в 100-выводной разъем (шаг выводов 0.5 мм). На плате модуля установлена вилка разъема, а на целевой плате должна быть предусмотрена ответная розетка. Компания Sierra Wireless рекомендует использовать розетку AXK500147BN1J от разъема серии P5K (Panasonic).
Сведения по совместимости с модулем Q2686
Модуль Q26 Extreme является одним из представителей семейства Q26. Для работы в сетях G2 по стандартам GSM/GPRS в этом семействе также имеется другой модуль – Q2686. Пользователям этих модулей, которые желают модернизировать свои разработки в направлении добавления поддержки 3G-сетей, конечно интересно получить информацию об их совместимости с Q26 Extreme. Сравниваемые модули имеют идентичный форм-фактор и размеры, за исключением толщины, которая у Q26 Extreme, за счет размещения дополнительного экранирующего кожуха, на 2.3 мм больше. Координаты расположения РЧ-разъема (тип UFL), 100-выводного разъема и четырех монтажных ножек полностью идентичны у обоих модулей. РЧ- разъем IMP, который имеется у Q2686, у 3G-модуля не предусмотрен. Подключение разнесенной антенны предусмотрено только у Q26 Extreme. Далее перейдем к отличиям в рабочих условиях. Если в существующей разработке 2G-модуль использовался с расчетом на поддержку диапазона –30...85 °С, который связан с отклонением некоторых рабочих характеристик, то необходимо обратить внимание, что в таком применении рабочий диапазон Q26 Extreme ограничен до 75 °С. Номинальное напряжение питания всех модулей совпадает и равно 3,6 В, однако его минимальное и максимальное значение отличаются. У Q26 Extreme минимальное значение равно 3.4 В (у Q2686 – 3.2 В), а максимальное – 4.2 В (у Q2686 – 4.8 В). Q26 Extreme при передаче на скоростях HSDPA/HSUPA c максимальной выходной мощностью характеризуется потребляемым током 820/800 мА, что вдвое больше максимального потребления 2G-модуля. Наконец, имеют место некоторые отличия в назначении выводов. Они представлены в таблице 2.
Таблица 2. Отличия в назначении выводов модулей Q2686 и Q26 Extreme
|
Номер |
Q2686 |
Q26 Extreme |
||||
|
Имя |
Назначение |
Применение |
Имя |
Назначение |
Применение |
|
|
42 |
резерв |
не используется |
— |
A1 |
Шина адреса |
1.8 В |
|
43 |
GPIO_0 |
линия |
Мультиплексирован |
GPIO_0 |
линия в/в |
Мультиплексирование |
|
51 |
GPIO1 |
линия в/в |
1.8 В |
CS2/GPIO1/INT2 |
Выбор микросхемы, |
1.8 В |
|
53 |
GPIO2 |
линия в/в |
1.8 В |
A24 |
Шина адреса |
1.8 В |
|
83 |
NC-5 |
нет подключения |
— |
/CS3/GPIO44/PWM1 |
Выбор микросхемы, |
— |
|
81, |
NC |
нет подключения |
— |
Параллельный |
Интерфейс |
1.8 В |
Описанные отличия могут стать основанием для модификации имеющейся схемы включения Q2686 при необходимости сделать ее совместимой с Q26 Extreme. Чтобы достоверно установить, какая из частей схемы подлежит изменению, компания Sierra Wireless рекомендует заполнить карту проверки схемы, шаблон которой приведен в [1].
Последовательность включения модуля в работу
Для включения модуля Q26 Extreme в работу помимо подачи напряжения питания необходимо инициировать запуск последовательности включения. Для этого на вывод ON/OFF подается высокий уровень в течение времени не менее TON/OFF-HOLD. По истечении этого времени внутренний механизм будет помнить о необходимости продолжения последовательности включения. По ходу данной последовательности автоматически генерируется сброс модуля (состояние RESET) длительностью 40 мс. Приложение внешнего сигнала сброса на данной фазе необходимо исключить. По завершении сброса модуль переходит к своей инициализации (состояние ON), длительность которой зависит от SIM-карты и сети мобильной связи. По окончании инициализации через AT-интерфейс генерируется ответ «OK» и модуль начинает работу по назначению (состояние READY). Описанную последовательность иллюстрирует рис. 3.
Рис. 3. Последовательность включения модуля в работу
Длительность выдержки времени TON/OFF-HOLD зависит от многих факторов. Ее типичное значение составляет 3.5 с, однако применение такого значения не гарантирует успешного завершения последовательности включения. В такой ситуации возможность возврата сигнала ON/OFF в низкое состояние лучшего всего определить по индикаторам WIND или по факту передачи ответа «OK» по AT-интерфейсу. Если их использование не предусмотрено, рекомендуется использовать значение TON/OFF-HOLD при наихудших условиях, которое составляет 8 с. Также возможен вариант длительного сохранения сигнала ON/OFF в высоком состоянии и его перевод в низкое состояние непосредственно перед переводом модуля в состояние OFF (инициированное, например, командой AT+CPOF).
Встроенное зарядное устройство
Модуль Q26 Extreme оснащен блоком зарядного устройства (ЗУ). Его структурная схема представлена на рис. 4.
Рис. 4. Встроенное зарядное устройство
На базе единой схемы данный блок поддерживает два алгоритма заряда и один полностью аппаратно-реализованный алгоритм буферного подзаряда аккумуляторов трех типов (Ni-Cd, Ni-Mh, Li-Ion). Принцип действия зарядного устройства основан на подключении напряжения источника питания ЗУ с вывода CHG_IN к выводу VBATT, подключенного к аккумулятору. Для этого в блоке ЗУ предусмотрен специальный коммутатор. Частота и длительность коммутации определяется алгоритмом зарядки. В процессе зарядки контролируется напряжение на аккумуляторе, а при зарядке аккумуляторов типа Li-Ion дополнительно контролируется температура через вход ADC1/BAT-TEMP с помощью внешнего термистора (NTC). После перевода модуля Q26 Extreme в состояние OFF, в блоке ЗУ активизируется специальный режим буферного подзаряда. Он позволяет избежать глубокого разряда аккумулятора, когда имеют место длительные перерывы в работе модуля (т.е. длительно не выполняются основные алгоритмы заряда). В качестве источника питания зарядного устройства может использоваться любой сетевой источник питания с выходным напряжением 4.6…6 В, нагрузочной способностью 1С (или в соответствии с требованиями к току заряда используемого аккумулятора) и пульсациями выходного напряжения не более 150 мВ.
В заключение необходимо отметить, что модуль Q26 Extreme является основной для построения еще одной новинки Sierra Wireless – программируемого шлюза Fastrack XTEND HSPA (рис. 5).
Рис. 5. Внешний вид программируемого шлюза Fastrack XTEND HSPA
Данное устройство допускает интеграцию в состав разнообразного промышленного оборудования или может использоваться автономно. Предусмотрена возможность подключения выполненных по открытым стандартам плат расширения ввода/вывода (например, для добавления поддержки технологий GPS, WiFi, Bluetooth, Zigbee и др.) Компания Sierra Wireless предлагает платы расширения GPS и Ethernet.
Литература
1. Differences between Q26Extreme and Q268x//Q26 Wireless CPU® Compatibility Document, Wavecom, Ref: WA_DEV_Q26EX_PTS_0022, 26/11/2008 - 20p.
