Air780EP硬件设计原理解析（第二部分）

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接下来，我们继续学习第二部分。

3.3 电源供电

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3.3.1 模块电源工作特性

在模块应用设计中，电源设计是很重要的一部分。由于LTE射频工作时最大峰值电流高达1.5A，在最大发射功率时会有约700mA的持续工作电流，电源必须能够提供足够的电流，不然有可能会引起供电电压的跌落甚至模块直接掉电重启。

3.3.2 减小电压跌落

模块电源VBAT电压输入范围为3.3V~4.3V，但是模块在射频发射时通常会在VBAT电源上产生电源电压跌落现象，这是由于电源或者走线路径上的阻抗导致，一般难以避免。因此在设计上要特别注意模块的电源设计，在VBAT输入端，建议并联一个低ESR(ESR=0.7Ω)的100uF的钽电容，以及100nF、33pF、10pF滤波电容，VBAT输入端参考电路如图4所示。并且建议VBAT的PCB走线尽量短且足够宽，减小VBAT走线的等效阻抗，确保在最大发射功率时大电流下不会产生太大的电压跌落。建议VBAT走线宽度不少于1mm，并且走线越长，线宽越宽。

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3.3.3 供电参考电路

电源设计对模块的供电至关重要，必须选择能够提供至少1A电流能力的电源。若输入电压跟模块的供电电压的压差小于2V，建议选择LDO作为供电电源。若输入输出之间存在的压差大于2V，则推荐使用开关电源转换器以提高电源转换效率。

LDO供电：

下图是5V供电的参考设计，采用了Micrel公司的LDO，型号为MIC29302WU。它的输出电压是4.16V，负载电流峰值到3A。为确保输出电源的稳定，建议在输出端预留一个稳压管，并且靠近模块VBAT管脚摆放。建议选择反向击穿电压为5.1V，耗散功率为1W以上的稳压管。

DC-DC 供电：

下图是 DC-DC 开关电源的参考设计，采用的是杰华特公司的 JW5033S 开关电源芯片，它的最大输出电流是 2A，输入电压范围 3.7V~18V。注意 C25 的选型要根据输入电压来选择合适的耐压值。

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3.4 开关机

3.4.1 开机

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在VBAT供电后，可以通过如下两种方式来触发Air780EP开机：

1. 按键开机: PWKEY管脚通过轻触按键连接到地，按键按下1秒以上实现开机。
2. 上电开机：将PWRKEY管脚直接短接到地，VBAT上电后就可以实现开机。

**PWRKEY **管脚开机

VBAT上电后，可以通过PWRKEY管脚启动模块，把PWRKEY管脚拉低1秒以上之后模块会进入开机流程，软件会检测VBAT管脚电压，若VBAT管脚电压大于软件设置的开机电压（3.3V），会继续开机动作直至系统开机

完成；否则，会停止执行开机动作，系统会关机，开机成功后PWRKEY管脚可以释放。可以通过检测VDD_EXT

管脚的电平来判别模块是否开机。推荐使用开集驱动电路来控制PWRKEY管脚。下图为参考电路：

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另一种控制PWRKEY管脚的方法是直接使用一个按钮开关。按钮附近需放置一个TVS管用以ESD保护。下图为参考电路：

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上电开机

将模块的PWRKEY 直接接地可以实现上电自动开机功能。需要注意，在上电开机模式下，将无法关机。

对于用电池供电的应用场景不建议用 PWRKEY 接地的上电自动开机方式。

3.4.2 关机

以下的方式可以关闭模块：

• 正常关机：使用PWRKEY管脚关机
• 正常关机：通过AT指令AT+CPOWD关机

**PWRKEY **管脚关机

PWRKEY 管脚拉低 1.5s 以上时间，模块会执行关机动作。

关机过程中，模块需要注销网络，注销时间与当前网络状态有关，经测定用时约2s~12s，因此建议延长

12s后再进行断电或重启，以确保在完全断电之前让软件保存好重要数据。时序图如下：

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低电压自动关机

模块在运行状态时当 VBAT 管脚电压低于模块工作的最低工作电压时（默认设置 3.3V），软件会执行关机动作关闭模块，以防低电压状态下运行出现各种异常。

3.4.3 复位

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RESET_N 引脚可用于使模块复位。 拉低RESET_N 引脚 100ms 以上可使模块复位。 RESET_N 信号对干扰比较敏感， 因此建议在模块接口板上的走线应尽量的短，且需包地处理。

参考电路：

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注意：

1. 复位功能建议仅在AT+CPOWD 和PWRKEY 关机失败后使用。

3.5 串口

模块提供了 4 个通用异步收发器：主串口 MAIN_UART、AUX_UART、DBG_UART、UART3。

3.5.1 MAIN_UART

表格 6：MAIN_UART 管脚定义

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对于AT 开发方式，3.5.1. MAIN_UART 用来进行 AT 指令通讯。MAIN_UART 支持固定波特率, 不支持自适应波特率

在默认情况下，模块的硬件流控是关闭的。当客户需要硬件流控时，管脚 RTS,CTS 必须连接到客户端，AT命令 “AT+IFC=2,2” 可以用来打开硬件流控。AT 命令 “AT+IFC=0,0” 可以用来关闭流控。具体请参考《AirM2M 无线模块 AT 命令手册》。

MAIN_UART 在休眠状态下保持的功能，能够唤醒模块。

MAIN_UART 的特点如下：

• 包括数据线TXD和RXD，硬件流控控制线RTS和CTS。
• 8个数据位，无奇偶校验，一个停止位。
• 硬件流控默认关闭。
• 用以AT命令传送，数传等。
• 支持波特率如下：600,1200,2400,4800,14400,9600,19200,38400,57600,115200,230400,460800,921600bps

注意：

MAIN_UART 在开机过程中短时会输出固定调试信息

3.5.2 AUX_UART

表格 7：AUX_UART 管脚定义

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AUX_UART为辅助串口，不支持AT指令交互，用于某些外设通信，如对接GNSS等。 AUX_UART休眠后会关闭，无法通过给AUX_UART发送数据进行唤醒。

3.5.3 DBG_UART

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DBG_UART 用来软件调试时输出AP trace，建议预留测试点。 DBG_UART 在开机过程中短时会输出固定调试信息。

DBG_TX、DBG_RX 默认功能为系统底层日志口，进行模块硬件设计时，在剩余功能引脚充足的前提下，避免使用DBG_TX 和DBG_RX。

如果将此引脚复用为其他功能，则无法从 DBG_TX 和DBG_RX 抓取系统日志。

在某些场景下，如果模块出现异常，无法抓到问题日志，只能通过硬件改版，引出 DBG_TX、 DBG_RX，抓取日志再进行分析。

包括但不限于以下两种场景：

1、低功耗场景：

在低功耗场景下，USB 无法使用，只能通过 DBG_TX、DBG_RX 来抓取日志。

2、非低功耗场景：

模块接入USB 时，工作正常，未接入 USB 时，工作异常的情况，只能通过 DBG_TX、DBG_RX 来抓取日志。

3.5.4 UART3

不支持LCD 功能，可以再复用一组 UART3

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3.5.5 串口连接方式

串口的连接方式较为灵活，如下是三种常用的连接方式。三线制的串口请参考如下的连接方式：

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带流控的串口连接请参考如下电路连接，此连接方式可提高大数据量传输的可靠性，防止数据丢失。

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3.5.6 串口电压转换

Air780EP 模块的串口电平为 1.8V 或 3.3V，通过 PIN100 IO_SEL 配置IO 口电平，能够满足大部分外设，主控的串口直接需求，但是如果要和 5V 或者以上的MCU 或其他串口外设通信，那就必须要加电平转换 电路：

电平转换参考电路如下：

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注意

• 此电平转换电路不适用波特率高于460800 bps的应用。
• 由于休眠状态下VDD_EXT会掉电，因此如果在需要休眠的应用场景用VDD_EXT做串口电平转换上拉的话，会导致模块无法休眠的情况。因此在需要进入休眠的场景下，建议用AGPIO3进行上拉。
• D2 必须选用低导通压降的肖特基二极管。 肖特基二极管以及 NPN 三极管的推荐型号如下：

对于波特率高于 460800bps 的应用，可以通过外加电平转换芯片来实现电压转换，参考电路如下：

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此电路采用的是电平转换芯片是TI 的TXS0108E， 8 位双向电压电平转换器，适用于漏极开路和推挽应用，最大支持速率：

推挽：110Mbps开漏：1.2Mbps

3.6 USB接口****

Air780EP 的USB 符合USB2.0 规范，支持高速（480Mbps）、全速（12Mbps）模式和低速（1.2Mbps）模式。USB 接口可用于AT 命令传送，数据传输，软件调试和软件升级。

表格 8：USB 管脚定义

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USB接口参考设计电路如下：

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图表 9：USB 接口参考设计

1. USB 走线需要严格按照差分线控制，做到平行和等长；
2. USB 走线的阻抗需要控制到差分 90 欧姆；
3. 需要尽可能的减少USB 走线的stubs，减少信号反射；USB 信号的测试点最好直接放在走线上以减少stub；
4. 尽可能的减少USB 走线的过孔数量；
5. 在靠近USB 连接器或者测试点的地方添加 TVS 保护管，由于USB 的速率较高，需要注意TVS 管的选型，保证选用的 TVS 保护管的寄生电容小于 1pF
6. VBUS 作为USB 插入唤醒作用，并不直接参与 USB 插入检测，非必须，在不需要 USB 插入唤醒的场景也可以不接**。**

3.7 USB下载模式****

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Air780EP 模块进入USB 下载模式：

1. 在开机之前，把USB_BOOT 上拉到VDD_EXT

3.8 I2C

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Air780EP 可支持两路I2C 接口：

1. 兼容Philips I2C 标准协议
2. 支持Fast mode （400Kbps）和 Slow mode（100Kbps）
3. 只支持 master 模式，不支持 slaver 模式
4. 可通过软件来配置内部的上拉电阻，1.8K 或者 20K
5. 理论上最多可支持 127 个从设备

I2C 的参考电路如下：

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Air780EP 的I2C 接口电压是 1.8V/3.3V 可配置，通过PIN100 IO_SEL 配置IO 口电平，能够满足大部分外设的直接需求，但是如果要和 5V 或者以上电平的外设通信，那就必须要加电平转换电路：

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上图推荐用 AGPIO3 上拉，在不需要模块进入休眠的场景或者允许休眠掉电的场景也可以用 VDD_EXT 上拉电平转换用的 NMOS 管必须选用结电容小于 50pF 的型号，推荐型号如下：

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3.9 SIM卡接口****

Air780EP 支持 2 路 SIM 卡接口，支持 ETSI 和 IMT-2000 卡规范，支持 1.8V 和 3.0V USIM 卡。以满足双 SIM卡切换的需求。

3.9.1 SIM 接口

下表介绍了 SIM 接口的管脚定义。

表格 9：SIM 卡接口管脚定义

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3.9.2 双 SIM 卡切换说明

Air780EP 支持双卡单待，同一时间只能使用其中一个 SIM 通道。可以通过相应的 AT 指令进行SIM 卡通道切换：或者选择自动切换功能，系统会根据外部网络信号强度进行自动切换（自动切换功能通常用于同时使用不同运营商SIM 卡的场景）。具体指令请参考《4G 模块AT 命令手册》

注意：

1. 模块开机会默认检测 SIM1 通道，在SIM1 通道检测到SIM 卡不在位的情况下才会去检测SIM2 通道。
2. USIM_DET 信号为 SIM 卡插拔检测管脚，上下边沿电平触发中断，触发系统进行SIM1 通道的卡在位检测。而SIM2 通道不支持SIM 卡插拔检测。
3. 对于内置贴片SIM 卡的双卡应用场景，如网络摄像头（IPC）场景，建议将贴片 SIM 卡置于SIM2

通道，外置插拔SIM 卡座置于SIM1 通道，以实现优先使用外置插拔SIM 卡的效果。

3.9.3 SIM 接口参考电路

下图是 SIM 接口的参考电路，使用 6pin 的 SIM 卡座。

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如果需要用到 sim 卡在位检测，推荐电路如下。

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在SIM卡接口的电路设计中，为了确保SIM卡的良好的功能性能和不被损坏，在电路设计中建议遵循以下设计原则：

1. SIM卡座与模块距离摆件不能太远，越近越好，尽量保证SIM卡信号线布线不超过20cm。
2. SIM卡信号线布线远离RF线和VBAT电源线。
3. 为了防止可能存在的USIM_CLK信号对USIM_DATA信号的串扰，两者布线不要太靠近，在两条走线之间增加地屏蔽。且对USIM_RST_N信号也需要地保护。
4. 为了保证良好的ESD保护，建议加TVS管，并靠近SIM卡座摆放。选择的ESD器件寄生电容不大于50pF。在模块和SIM卡之间也可以串联22欧姆的电阻用以抑制杂散EMI，增强ESD防护。SIM卡的外围电路必须尽量靠近SIM卡座。
5. 在需要模块进入休眠的场景SIM_DET禁止用VDD_EXT上拉，否则会造成无法休眠的问题。建议用AGPIO3上拉，或者用SIM_DET IO内部上拉的方式

3.10 ****LDO输出

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注意：

1. VDD_EXT 作为大部分IO 的内部供电，在模块进入休眠后会掉电关闭，以降低功耗。

VDD_EXT 在模块休眠期间，会随着模块底层频繁唤醒做网络交互以维持网络注册状态。客观上造成 VDD_EXT 在模块休眠期间输出周期不等的高脉冲，如果用 VDD_EXT 做某些 IO 如唤醒IO 管脚，或者 MAIN_UART 的上拉，就会造成频繁触发 IO 中断导致模块无法进入休眠。

1. 在需要休眠的场景可以用AGPIO3 进行上拉。

3.11 功能管脚

******3.11.1 **MAIN_RI

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表格 10：MAIN_RI 信号动作

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如果模块用作主叫方，MAIN_RI 会保持高电平，收到 URC 信息或者短信时除外。而模块用作被叫方时，MAIN_RI 的时序如下所示：

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3.11.2 MAIN_DTR

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模块支持两种睡眠模式：

睡眠模式 1：发送 AT+CSCLK=1，通过 MAIN_DTR 管脚电平控制模块是否进入睡眠睡眠模式 2：发送 AT+CSCLK=2，模块在串口空闲一段时间后自动进入睡眠

3.11.3 状态指示灯

Air780EP 用一个管脚来指示开机状态，用两个管脚信号来指示网络的状态。如下两表分别描述了管脚定义和不同网络状态下的逻辑电平变化：

表格 11：网络指示管脚定义

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指示灯参考电路如下图所示：

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3.12 省电功能

根据系统需求，有两种方式可以使模块进入到低功耗的状态。对于AT版本使用“AT+CFUN”命令可以使模块进入最少功能状态。

3.12.1 最少功能模式 / 飞行模式

最少功能模式可以将模块功能减少到最小程度，此模式可以通过发送“AT+CFUN=”命令来设置。参数可以选择 0，1，4。

• 0：最少功能（关闭RF和SIM卡）；
• 1：全功能（默认）；
• 4：关闭RF发送和接收功能；

如果使用“AT+CFUN=0”将模块设置为最少功能模式，射频部分和 SIM 卡部分的功能将会关闭。而串口依然有效，但是与射频部分以及 SIM 卡部分相关的 AT 命令则不可用。

如果使用“AT+CFUN=4”设置模块，RF部分功能将会关闭，而串口依然有效。所有与RF部分相关的AT命令不可用。

模块通过“AT+CFUN=0”或者“AT+CFUN=4”设置以后，可以通过“AT+CFUN=1”命令设置返回到全功能状态。

3.12.2 睡眠模式（慢时钟模式）

串口应用

串口应用下支持两种睡眠模式：

1. 睡眠模式 1：通过 MAIN_DTR 管脚电平控制模块是否进入睡眠
2. 睡眠模式 2：模块在串口空闲一段时间后自动进入睡眠

睡眠模式 1

开启条件：

发送 AT 指令 AT+CSCLK=1

模块进入睡眠：

控制 MAIN_DTR 脚拉高，模块会进入睡眠模式 1

模块退出睡眠：

拉低 MAIN_DTR 脚 50ms 以上，模块会退出睡眠模式可以接受 AT 指令模块在睡眠模式 **1 **时的软件功能：

不响应 AT 指令，但是收到数据/短信/来电会有 URC 上报 HOST 睡眠时，模块收到数据 / 短信 / 来电如何唤醒 HOST ： MAIN_RI 信号

睡眠模式 2

开启条件：

发送 AT 指令 AT+CSLCK=2

模块进入睡眠：

串口空闲超过 AT+WAKETIM 配置的时间（默认 5s），模块自动进入睡眠模式 2

模块退出睡眠：

串口连续发送 AT 直到模块回应时即退出睡眠模式 2

模块在睡眠模式 2 时的软件功能：

不响应 AT 指令，但是收到数据/短信/来电会有 URC 上报 HOST 睡眠时，模块收到数据 / 短信 / 来电如何唤醒 HOST ： MAIN_RI 信

USB****应用

开启条件：

USB HOST 必须支持 USB suspend/resume

模块进入睡眠：

HOST 发起 USB suspend

模块退出睡眠：

HOST 发起 USB resume

HOST 睡眠时，模块收到数据 / 短信 / 来电如何唤醒 HOST ：

MAIN_RI 信号

3.13 模式切换汇总

表格 13：模式切换汇总

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接下来我们学习第三部分。
审核编辑 黄宇
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