GNSS + LTE Asset Tracker Projekt, Teil 1

In dem Projekt dieser Woche baue ich ein LTE-basiertes Asset-Tracking-System, das für eine Reihe von Zielen verwendet werden könnte, wie Diebstahlschutz (und Wiederbeschaffung), Verfolgung von Liefer- oder Transportfahrzeugen sowie prädiktive Wartung, wenn die gesammelten Daten mit einem geeigneten Machine-Learning-Service gekoppelt werden. Alle meine bisherigen Projekte waren Zwei-Lagen-Platinen ohne jegliche Platzbeschränkungen, aber mir fehlt das Bauen von wirklich kompakten Hochdichte-Leiterplatten, also werden wir in diesem Projekt versuchen, das LTE/GNSS-Modul so klein wie möglich zu bauen. Es gibt viel zu besprechen, daher werden wir uns die Ziele, Teileauswahl und Schaltpläne ansehen und mit Teil 2 fortfahren, der sich auf das PCB-Design und -Layout konzentrieren wird.

Es gibt viele Einsatzmöglichkeiten für ein Projekt wie dieses. Wird es in einen Bus oder Reisebus eingebaut, könnten die GNSS-Daten an das Verkehrsunternehmen übermittelt werden, um Standortaktualisierungen zu liefern. Diese könnten wiederum genutzt werden, um Kunden Schätzungen über die Ankunftszeit ihres nächsten Services zu geben und in größerem Maßstab dazu beitragen, die Planung und die Daten der Haltezeiten zu verbessern. Wäre dies in einem hochwertigen, tragbaren Vermögenswert installiert, wie einem Baustrahler, Generator oder anderen Geräten, die oft in abgelegenen Gebieten gelassen werden und ein Ziel für Diebstahl sind, könnte die ungeplante Bewegung des Vermögenswerts eine Polizei- oder Sicherheitsreaktion auslösen. Es könnte auch verwendet werden, um sicherzustellen, dass ein Vermögenswert innerhalb eines geofenced Bereichs bleibt.

Oben sehen Sie das PCB-Design, über das Sie im Altium 365 Viewer lesen werden, eine kostenlose Möglichkeit, sich mit Ihren Kollegen, Kunden und Freunden zu verbinden, mit der Fähigkeit, das Design anzusehen oder mit einem einzigen Klick herunterzuladen! Laden Sie Ihr Design in wenigen Sekunden hoch und haben Sie eine interaktive Möglichkeit, einen detaillierten Blick darauf zu werfen, ohne sperrige Software oder Computerleistung.

Was ist GNSS-Vermögensverfolgung?

Das Verfolgen eines Vermögenswertes ist ein großartiges Ziel, aber es gibt einige fantastische Werkzeuge für maschinelles Lernen und cloudbasierte Systeme im Angebot, die mit einem Gerät verbunden werden können, welches Wartungspläne optimieren oder automatisch das Personal darüber informieren könnte, dass ein Techniker zu einem Standort geschickt werden muss. Ich werde einen grundlegenden CAN-Bus-IC sowie einen Beschleunigungsmesser zum Schaltkreis hinzufügen, um die Daten von einem Motorsteuerungssystem zu sammeln und Vibrationsdaten zu erfassen (bei denen maschinelle Lernsysteme hervorragend darin sind, sie in ein Frühwarnsystem für Fehler umzuwandeln). Der Beschleunigungsmesser ist auch insofern nützlich, als dass er erkennen kann, ob das Objekt bewegt wurde, wenn das GNSS-Signal schlecht oder gestört ist, was weitere Optionen für die Sicherheit bietet.

Erfahrene Diebe sind sich der Tracker durchaus bewusst und sie könnten Batteriekabel durchtrennen, sodass ein Vermögenswert-Tracker nicht funktionieren kann – deshalb werde ich eine einzelne Lithium-Polymer-Batteriezelle in das System einbauen, um das System mit Strom zu versorgen, falls seine Hauptbatterie getrennt wird. Dies wird auch den kontinuierlichen Betrieb des Geräts bei Ereignissen wie dem Starten eines großen Generators sicherstellen und einen erheblichen Spannungsabfall an der Batterie verursachen, insbesondere bei kaltem Wetter.

Ich strebe danach, dieses Gerät so klein wie möglich zu bauen und auf eine Weise, dass es versteckt werden kann. Viele kommerzielle Tracking-Systeme, die ich in Gebrauch gesehen habe, sind teuer, sperrig, schwer zu installieren und für Diebe leicht zu deaktivieren oder zu entfernen. Obwohl ich dieses Projekt nicht speziell darauf optimiere, kostengünstig zu sein, versuche ich, die kostengünstigsten Komponenten zu verwenden, die den Anforderungen entsprechen und ihre Funktionen gut erfüllen.

Wie immer können Sie dieses Projekt zusammen mit all meinen anderen auf GitHub unter der sehr permissiven MIT-Lizenz finden. Die MIT-Lizenz erlaubt Ihnen im Wesentlichen, mit dem Design zu machen, was Sie wollen, von kleinen Teilen davon zu kopieren bis hin zur Massenproduktion, solange Sie sich bewusst sind, dass Fehler vorhanden sein können und weder ich noch Altium für irgendwelche Probleme verantwortlich gemacht werden können.

Die Komponenten in diesem Projekt stammen alle aus meiner Open-Source Altium Designer® Bibliothek, der Celestial Altium Library. Dies ermöglicht es Ihnen, Teile dieses Projekts schnell in Ihrer eigenen Arbeit wiederzuverwenden.

Komponentenauswahl

Bevor wir uns die "großen" Komponenten genauer ansehen, möchte ich nur anmerken, dass ich, da ich dies so klein wie möglich gestalten möchte, überall dort, wo es möglich ist, passive Komponenten der Größe 0201 (imperial) verwende. Ich würde 01005 (imperial) verwenden, jedoch habe ich Schwierigkeiten, damit Prototypen von Hand zu erstellen – daher bleibe ich bei den größeren 0201, die es mir ermöglichen, einen Prototypen nur mit einer Pastenschablone, Pinzette und einem Reflow-Ofen zu bauen. Dieses Projekt könnte wahrscheinlich mit 01005 großen Teilen noch weiter verkleinert werden.

LTE/GNSS-Modul

Meine Anforderungen an ein LTE/GNSS-Modul sind ziemlich einfach, aber sie schließen viele der Optionen aus, die ich normalerweise verwenden würde. Da dies ein Beispielprojekt ist, muss das Modul entweder für die Verwendung in jedem Land zertifiziert sein oder Varianten für verschiedene Regionen haben. Zusätzlich dazu möchte ich ein Modul verwenden, das bei großen Komponentendistributoren verfügbar ist, sodass, wenn Sie einen dieser Tracker bauen möchten, Sie dies tun können, ohne nach einem Lieferanten suchen zu müssen. Wir suchen auch speziell nach Modulen, die bereits zertifiziert sind. Dies ermöglicht, wenn es korrekt verwendet wird, dass die fertige Platine als unbeabsichtigter Strahler zertifiziert wird, der einen vorzertifizierten beabsichtigten Strahler enthält. Dies ermöglicht es, sehr geringe Stückzahlen dieser Platine zu bauen und zu zertifizieren, ohne die relativ hohen Kosten für die Zertifizierung als beabsichtigter Strahler.

In den letzten 5 Jahren gab es definitiv einen enormen Anstieg bei der Anzahl verfügbarer Mobilfunkmodule und deren Lagerbeständen bei den großen Distributoren. Vor 10 Jahren könnte es schwierig gewesen sein, ein Mobilfunkmodul zu finden, das weltweit bei einem großen Lieferanten (wie Mouser oder Digi-Key) verwendet werden konnte, besonders zu einem niedrigen Preis, trotz der verfügbaren Auswahl. Mit dem Aufkommen des Internets der Dinge gibt es eine viel größere Nachfrage nach Mobilfunkzugang für Geräte wie das, welches ich entwerfe. Daher richten sich die LTE-Bänder speziell an IoT-Geräte mit den LTE Cat-M1 und NB-IoT Bändern. Diese Bänder sind speziell darauf ausgelegt, die Anforderungen eines stromsparenden Geräts, das mit Batterien betrieben wird, zu erfüllen, solange das Gerät hauptsächlich kleine Datenmengen sendet.

Mit diesem Hintergrund habe ich das uBlox SARA-R410M Modul ausgewählt, das Optionen für alle wichtigen globalen Regionen bietet. Es ist bei großen Distributoren verfügbar und die Kosten sind ziemlich vernünftig. Es ist ein sehr modernes Mobilfunkmodem, das die neuesten LTE-Standards unterstützt und dennoch eine gewisse Abwärtskompatibilität zu vorherigen Generationenstandards für Gebiete mit schlechter Abdeckung bietet. Diese Anwendung wird nicht annähernd alle Funktionen des Moduls nutzen, da wir nur ein grundlegendes Internet mit niedrigen Datenraten benötigen.

Ich werde das SARA-Modul mit einer Linx Technologies ANT-LTE-CER-T Board-Montage-Mehrbandsantenne koppeln.

GNSS-Empfängermodul

Ein Schlüsselanforderung für dieses Projekt ist die Positionierungsgenauigkeit – es ist entscheidend, dass das Navigationsreceiver-Radio Signale von vielen Satelliten empfangen kann. Der beste Weg, dies zu tun, ist die Verwendung eines Global Navigation Satellite System (GNSS) Empfängers anstatt reines GPS. Dies ermöglicht dem System, potenziell Navigationsfixdaten von GPS (USA), GLONASS (Russland), Galileo (EU) und BeiDou (China) zu erhalten – was die Anzahl der Satelliten, die für eine Positionsbestimmung verwendet werden, deutlich erhöht. Da dieses Gerät wahrscheinlich an einem diskreten Ort installiert wird, könnte es eine herausfordernde Sicht auf den Himmel haben, daher ist eine größere Anzahl potenzieller Satelliten in Sicht definitiv von Vorteil.

In vergangenen Projekten hatte ich Schwierigkeiten, ein GNSS-Modul zu finden, das die uBlox 8 Serie übertrifft, daher wird dieses Projekt auf uBlox ausgerichtet sein. Das spezifische Modul, das ich verwenden werde, ist das uBlox NEO-M8N, welches über einen Flash-Speicher verfügt, der es ermöglicht, seine Firmware zu aktualisieren. Dies ist teurer als die anderen Optionen der 8er Serie, aber ich finde, dass Firmware-Updates bei solchen Geräten den Kosten wert sind.

Obwohl der GNSS-Empfänger nicht zertifiziert werden muss, bevorzuge ich dennoch die Modulversion von uBlox gegenüber dem nackten IC, da sie mit einem SAW-Filter und LNA an Bord kommt, was das Layout und die Abstimmung des Endprodukts erspart. Es kommt auch in einem RF-abgeschirmten Gehäuse, was für dieses Produkt ein großer Vorteil ist, da es in unmittelbarer Nähe zum leistungsstarken LTE-Modem sein wird, das auf Frequenzen nahe dem GNSS L1-Band arbeiten kann. Würde ich kein abgeschirmtes Modul verwenden, müsste ich einen RF-Schutz für dieses Board anfertigen, was weitere Ingenieurskosten verursachen würde.

Microcontroller

Wenn die externe Stromversorgung vom Tracker getrennt wird, muss dieses Gerät möglicherweise über längere Zeiträume mit seinem eigenen Akku weiterhin das Asset tracken können. Diese Funkmodule können in einen energiesparenden Schlafmodus versetzt werden, daher möchte ich einen Mikrocontroller verwenden, der einen sehr niedrigen Stromverbrauch im Schlafmodus erreichen kann. Ich benötige auch einen relativ kompakten Mikrocontroller.

Mit diesen Anforderungen habe ich mich direkt für die EFM32-Serie von Silicon Labs entschieden. Ich habe zuvor umfangreiche Tests mit einer breiten Palette von ARM-Mikrocontrollern sowie einigen 8- und 16-Bit-Mikrocontrollern durchgeführt, und die EFM32-Serie war unschlagbar in Bezug auf den niedrigen Stromverbrauch und die Leichtigkeit, mit der sie in den energiesparenden Schlafmodus versetzt und wieder daraus aufgeweckt werden konnten.

Für dieses Projekt ist der EFM32 Tiny Gecko der beste Kompromiss zwischen Kosten, Funktionalität, Größe und Leistung. Speziell verwende ich den EFM32TG11B520F128GM32-B, der in einem 5x5mm großen QFN32-Gehäuse untergebracht ist und keinen externen Quarz benötigt, was weiteren Platz spart.

Batterieladung und -management

Viele auf dem Markt verfügbare Batterieladungs-ICs sind nur für eine Eingangsspannung von 5 V ausgelegt. Ich möchte jedoch, dass die gemeinsame Zwischenspannung auf dieser Platine 8 V beträgt, aus Gründen, auf die wir bald zu sprechen kommen – was viele Einzelzellen-Lade-ICs ausschließt, die keine Eingangsspannung von mehr als 6 V unterstützen. Dieses Projekt benötigt keine Schnellladefähigkeiten, da die Batterie nur als unterbrechungsfreie Stromversorgung dient, wobei erwartet wird, dass das Gerät immer eingesteckt ist. Daher bin ich nicht übermäßig besorgt über den Ladestrom, sondern nur über die Eingangsspannung und den Platz.

Ich habe mich entschieden, den Texas Instruments BQ24040DSQR zu verwenden, der mit einem maximalen Ladestrom von 1 A für meine Bedürfnisse mehr als ausreichend ist. Außerdem ist das PWSON-Gehäuse nur 2x2mm groß, was die Anforderung für ein kompaktes LTE/GNSS-Modul erfüllt.

Neben dem Aufladen der Batterie müssen wir auch den Ladezustand kennen, wenn wir ohne externe Stromversorgung betrieben werden. Dafür verwende ich den Texas Instruments BQ27542DRZ I2C-Batteriemanager. Er kann den Entladezustand präzise überwachen und gibt eine exakte Angabe des genutzten Energieprozentsatzes anstatt einer Näherung, wie es die reine Betrachtung der Spannung tun würde. Ich implementiere keine Batterieabschaltfunktion – die Kosten einer einzelnen 18650-Zelle sind im Vergleich zur potenziellen Wiederherstellung eines unglaublich teuren Vermögenswerts aus dem letzten Datenpaket vor dem Ausschalten der Batterie vernachlässigbar. Durch die präzise Überwachung der Batterieentladung kann die Firmware die Lebensdauer des Geräts verlängern, indem es für lange Zeiträume zwischen den Überprüfungen schläft und bei Bedarf Daten vom Mobilfunkmodem zurücksendet. Das Mobilfunkmodem ist bei weitem der größte Energieverbraucher, und die Überwachung seines Energieverbrauchs sowie die Steuerung seiner Nutzung ist der effektivste Weg, die Laufzeit ohne Verbindung zu verlängern.

Sensorik und Datenspeicherung

Wie oben erwähnt, ist die Verwendung eines Mobilfunkmodems eine hervorragende Möglichkeit, die Akkulaufzeit des Geräts zu reduzieren. Daher möchten wir es so wenig wie möglich nutzen, während wir dennoch nützliche Daten zurücksenden. Um das Modem optimal zu nutzen, lohnt es sich, Daten zur Übertragung in Bündeln zu speichern. Der Mikrocontroller verfügt nicht über einen großen Flash-Speicher, daher ist es am besten, einen externen Flash zu haben. Ich verwende einen 4 Megabyte großen SPI-Flash-IC, der es ermöglichen wird, eine erhebliche Menge an Positions-, Bewegungs- oder anderen gesammelten Daten zu speichern und periodisch in einem Bündel zu übertragen.

Wie ich zu Beginn des Artikels erwähnt habe, könnte das Gerät für die prädiktive Wartung verwendet werden, und der EFM32TG unterstützt den CAN-Bus, daher habe ich einen ON Semiconductor NCV7351D13R2G CAN-Transceiver hinzugefügt, sodass Daten von einem Motorsteuerungssystem oder einem anderen CAN-fähigen Gerät gesammelt werden könnten. Diese Daten könnten ebenfalls auf dem externen Flash gesammelt und in Bündeln an einen Cloud-Dienst übertragen werden.

Strom-/Spannungsregelung

Viele meiner jüngsten Projekte hatten einen starken Fokus auf das Design von Schaltnetzteilen, und das aus gutem Grund, denn das Netzteil ist oft das Herz eines Projekts, elektrisch gesehen. In diesem Projekt werden wir die Dinge ein wenig anders angehen. Aufgrund der Platzbeschränkungen versuche ich, sehr kleine integrierte Module anstelle des Aufbaus mehrerer Spannungsregler zu verwenden. Diese Module sind alle viel kleiner als ein Regler, den ich hätte entwerfen können, und sie sind oft kleiner als nur die Induktoren, die ich allein verwendet hätte.

Mein Ziel ist es, einen Eingang von 10-35V zu unterstützen, was die Verwendung mit sowohl 12 V als auch 24 V Blei-Säure-Batterien im entladenen und voll geladenen Zustand ermöglichen würde. Mit einer einzelnen Lithiumzelle (3-4,2V) als unserer Batterieunterstützung und einem weiten Bereich zu unterstützender Spannungen werde ich eine Zwischenspannung benötigen, von der alles betrieben werden kann.

Ich habe mich für 8 Volt als Zwischenspannung entschieden. Das liegt gerade unter unserer minimalen Eingangsspannung und nicht zu weit über der Spannung der Bordbatterie. Dies bietet einen guten Mittelpunkt für die Regler und ermöglicht gleichzeitig die effiziente Erzeugung der für unsere ICs erforderlichen 5 V, 3,8 V und 3,3 V sowie den Betrieb des Batterielade-ICs.

Die Eingangsspannung wird mit einem Monolithischen Power Systems MPM3550 Modul heruntergeregelt, und die an Bord befindliche Batterie wird mit einem TPS61089 verstärkt. Ich konnte kein geeignetes Boost-Konverter-Modul finden, das kleiner war als die Lösung, die ich mit dem TPS61089 bauen konnte, jedoch ist der Boost-Konverter der einzige nicht-modulare Regler auf der Platine.

Die 8V Zwischenspannung wird dann für den CAN-Transceiver mit einem MC78LC50 Linearregler auf 5V abgesenkt, da der Stromverbrauch ziemlich niedrig ist. 3,8V werden dem SARA-Modul mit einem PMU8218 D-Modul zugeführt, und 3,3V für den Rest des Systems stammen vom Texas Instruments LMZ21701SILT. Ich habe es wirklich genossen, nach diesen Reglern zu suchen. Es ist ziemlich atemberaubend, wie viel Leistung einige Module aus unglaublich kleinen und relativ preiswerten Modulen umschalten können.

Für den sofortigen Lastumschalter von externer Stromversorgung auf Batterie verwende ich denselben Analog Devices LTC4414EMS, den ich in meinem vorherigen 12V UPS-Projekt verwendet habe.

Schaltpläne

Es gibt in diesem Projekt im Vergleich zu einigen der vorherigen ziemlich viel zu tun, daher habe ich das oberste Schaltplanschema mit einigen Anmerkungen illustriert, um den Energiefluss durch das System zu zeigen.

Eingangsleistung

Lassen Sie uns damit beginnen, die Schaltpläne vom Stromanschluss aus zu betrachten. Mit dem Ziel, dieses Produkt an große Generatoren und andere Industrieanlagen anzuschließen, müssen wir sehr vorsichtig mit der Eingangsleistung sein. Die riesigen Anlassermotoren in großen Generatoren können enorme Rückspannungen und anderes Chaos verursachen.

Um mit der potenziell schädlichen und inkonsistenten Eingangsspannung während des Anlassens eines Motors umzugehen, habe ich bei dem Eingangsleistungsfilter ein wenig übertrieben.

Es gibt einen Verpolungsschutz sowohl für die positive als auch für die negative Spannungseingabe. Die negative Seite erfolgt durch den N-Kanal-MOSFET IC1, der 'rückwärts' in den Schaltkreis eingefügt wird, was es der Body-Diode erlaubt, Strom zu leiten, was wiederum dem Gate erlaubt, vollständig Strom zu empfangen und den FET einzuschalten. Um die Body-Diode zu schützen, habe ich auch eine externe Diode, D5, hinzugefügt, um dieselbe Funktion von einem toleranteren Bauteil zu bieten.

Auf der positiven Seite befindet sich eine Mini-Automobil-Flachsicherungshalterung, M1, gefolgt von zwei TVS-Dioden. Die TVS-Dioden haben möglicherweise nicht die Fähigkeit, mit einem großen Überspannungsschutz umzugehen, jedoch leiten sie genügend Strom, um eine Sicherung durchzubrennen und dadurch den Schaltkreis zu schützen. Nach diesem grundlegenden Eingangsschutz folgt eine Diode für weiteren Schutz gegen Verpolung, eine weitere Diode zum Schutz vor Rückspannungsspitzen und ein grundlegender geführter EMI-Filter. Der Eingangsspannungsregler behauptet in seinem Datenblatt die Einhaltung der CISPR22 Klasse B und empfiehlt die Implementierung des Filters im Schaltplan für die Einhaltung der CISPR25 Klasse 5. Da dieses Gerät in einer Automobilumgebung verwendet werden könnte, ist die Zielsetzung der CISPR25 Klasse 5 für die Einhaltung der geführten Emissionen lohnenswert.

Im Vergleich zu den Reglern im vorherigen Projekt ist der Eingangsregler für dieses Design sehr einfach. Alles, was erforderlich ist, ist die Einstellung der Frequenz mit einem Widerstand aus den Vorschlägen in einer Tabelle im Datenblatt und die Berechnung des Rückkopplungswiderstands. Der Rückkopplungswiderstand ist einfach ein Widerstand parallel zum Rückkopplungsspannungsteiler auf dem Modul. Die Eingangs- und Ausgangskondensatoren haben eine größere Kapazität als das Minimum, das vom Datenblatt vorgeschlagen wird. Ich habe mich für den größten Wert entschieden, den ich für die Größe des 1210 (imperialen) Keramikkondensators und den Eingangsspannungsbereich finden konnte.

Batteriemanagement

Das Design der Batterieladung ist sehr einfach, der Strom ist auf das Maximum (1 A) eingestellt, das der Chip leisten kann. Mehr über das Design des Batterieladens können Sie in meinem Projekt zum 12 V unterbrechungsfreien Stromversorgungssystem nachlesen.

Die Batteriezellenüberwachung sieht viel komplizierter aus, als sie ist.

Die Batterieüberwachung ist im Grunde nur ein Stromsensor, der den gesamten durch die Batterie fließenden Strom zusammenzählt. Der Strommesswiderstand (R16) verfügt über ein einfaches Filternetzwerk, ist aber ansonsten direkt mit dem BQ27542DRZ verbunden, der den gesamten verbrauchten Strom berechnet, der dann über I2C zugänglich ist.

Die USV-Funktionalität dieses LTE/GNSS-Moduls wird durch den LTC4414EMS und einen P-Kanal-MOSFET bereitgestellt. Wie ich bereits sagte, werde ich darauf nicht zu sehr eingehen, da wir bereits ein ganzes Projekt dazu aufgebaut haben. Es ist hier erwähnenswert, dass der 8 V Regler für die Batterie immer läuft, wenn die Stromversorgung unterbrochen wird, während das Mobilfunkmodem mit voller Leistung sendet, gibt es nicht genügend Kapazität an Bord, um es mit Strom zu versorgen, während ein Regler mehrere Millisekunden zum Anlaufen benötigt.

Batterie zu Zwischenspannung

In diesem Projekt gibt es nur einen benutzerdefinierten Spannungsregler. Wie ich bereits erwähnt habe, konnte ich kein geeignet passendes, kleines und leistungsstarkes Boost-Reglermodul finden. Dieser TI TPS61089 ist der kleinste Boost-Konverter, den ich für die Stromanforderungen des Mobilfunkmoduls entwerfen konnte.

Ich habe in diesem Design eine minimale Eingangskapazität, weil Lithiumbatterien einen ausreichend niedrigen Widerstand haben, sodass ich glaube, ich kann die Grenzen ein wenig weiter ausreizen, als ich es mit einer Stromquelle tun würde, die nicht so schnell auf große Stromnachfragen reagieren kann. Ebenso gibt es keine große Menge an Ausgangskapazität, da nur die unmittelbaren Bedürfnisse dieses Reglers berücksichtigt werden müssen, es gibt ausreichend Bulk-Kapazität anderswo in der Schaltung.

Ich betreibe den Regler mit 2 MHz, was die Effizienz des Designs etwas verringert, sie sinkt unter einer 2A Last auf etwa 86%, jedoch reduziert es den Platzbedarf so sehr, dass es den Kompromiss für die Batterielebensdauer wert ist. Es gibt Dinge, die ich in der Software tun kann, indem ich das Radio nicht so häufig benutze, um den Energieverlust auszugleichen, aber mit Software kann ich die Platine nicht kleiner machen. Mit einem 90%+ effizienten Design würde ich mehr als das Vierfache des Platinenplatzes verwenden.

Viele Regler

Das stromhungrigste Gerät, das Mobilfunkmodem, benötigt bis zu 2A bei 3,8V. Die Flex Power Modules PMU2818 lassen sich recht einfach implementieren, die meisten Werte in meinem Schaltplan (außer dem Rückkopplungsteiler) stammen aus den vielen Tabellen im Datenblatt, die vorgeschlagene Werte für eine breite Palette von Spannungen und Bedingungen enthalten.

Die Ausgangskapazität ist auf das beschränkt, was unmittelbar neben dem Modul platziert werden sollte, da die Bulk-Kapazität für das Mobilfunkmodem auf dem Modemschaltplanblatt liegt. Die Mehrheit der Logik-ICs auf der Platine sind 3,3V, jedoch haben sie recht bescheidene Strombedarfe. Der LMZ21701 ist so einfach zu verwenden wie ein einstellbarer linearer Regler, und es wird nur ein optionaler Soft-Start-Kondensator benötigt, um die Startzeit auszuwählen.

Schließlich wird ein einfacher Festspannungs-LDO verwendet, um 5 V Leistung zu liefern. Der CAN-Transceiver, den er versorgt, hat einen ausreichend niedrigen Strombedarf, sodass der lineare Regler einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Batterielebensdauer haben wird.

Silicon Labs EFM32 Mikrocontroller

Eines der guten Dinge an der EFM32-Serie ist, dass sie wirklich einfach einzurichten sind, zumindest aus schematischer Sicht, wenn man nichts allzu Verrücktes damit vorhat. Was externe unterstützende Komponenten angeht, benötigt man eigentlich nur ein paar Entkopplungskondensatoren. Ich benötige den externen Niederfrequenz-Oszillator nicht, da ich keine Funktionen verwenden werde, die ihn erfordern.

Nachdem der Mikrocontroller mit Strom versorgt wurde, geht es nur noch darum, alle Ihre IOs anzuschließen. Ich hatte gehofft, dass ich für dieses Projekt genügend IOs auf diesem Modell/Paket haben würde, und es hat genau gepasst. Ich könnte einige IOs sparen, wenn ich mehr bräuchte, indem ich die Reset-Pins für die Peripheriegeräte zusammenlege.

Für dieses Projekt habe ich mich entschieden, Kabelbaumstecker von jedem Blatt zu verwenden, anstatt nur Ports zu nutzen. Kabelbäume machen das oberste Blatt sehr übersichtlich und halten alles zusammen, was mir im Vergleich zur Verwendung von Ports überraschend viel Zeit erspart hat.

Ich betrachte auch den SPI-Flash als Teil des Mikrocontroller-Abschnitts des Schaltplans. SPI-Flash ist ebenfalls sehr einfach anzuschließen, man benötigt nur einen Entkopplungskondensator oder den Kommunikationsbus verbunden.

uBlox SARA LTE Modul

Eines der guten Dinge daran, für die meisten Funktionen in diesem Projekt Module zu verwenden, ist, dass die Stückliste (BOM) viel kürzer ist – alles benötigt viel weniger unterstützende Komponenten und viel weniger Berechnung von Werten. Das LTE-Modul ist im Vergleich zum Eigenbau keine Ausnahme.

Die Hauptpunkte, die im LTE-Schaltplan zu beachten sind, sind die Antenne und die SIM-Karte. Die Antennenleitung sollte impedanzangepasst sein und auch einige Abstimmkomponenten haben. Ich verwende die im Datenblatt vorgeschlagenen Werte für die Abstimmung der Antenne, jedoch sollte ein realer Test mit einem Vektor-Netzwerkanalysator durchgeführt werden, um die tatsächlich benötigten Werte für Ihre Leiterplatte zu bestimmen.

Es gibt eine 4-Leitungs-TVSDiode für den SIM-Kartenanschluss. Eine SIM-Karte ist eine sehr wahrscheinliche Quelle für eine statische Entladung von jemandem, der eine SIM-Karte einsetzt oder entfernt, und die direkte Verbindung zum HF-Modul ist eine großartige Möglichkeit, eine schädigende Entladung zu erhalten, die das Radio degradieren oder zerstören könnte.

Das uBlox SARA verwendet 1,8 V für seine IO-Leitungen, daher verwende ich einen Texas Instruments TXB0108PW Logikpegelwandler, um die Logikspannungen umzuwandeln. Ich habe diese in vergangenen Projekten verwendet und war sehr zufrieden mit ihnen.

Ich habe früher erwähnt, als ich über die 3,8V-Stromversorgung sprach, dass die Bulk-Kapazität direkt auf dem LTE-Modul bereitgestellt wurde, und hier ist sie. Für die Spitzenstromanforderungen ist es eine ziemlich bescheidene Menge an Kapazität, jedoch sollte die Spitzenanforderung kurzlebig sein und in den meisten Fällen wahrscheinlich nicht erreicht werden, die bereitgestellten Kondensatoren sind ausreichend, um einen korrekten Betrieb zu gewährleisten.

Es gibt auch eine Menge von Erdungen auf dem SARA… eine riesige Menge an Erdungspins. Ich habe ein vollständiges Schaltsymbolteil, das fast ausschließlich aus Erdungspins besteht!

uBlox NEO M8N GNSS

Der NEO-M8N verfügt über viele Kommunikationsperipheriegeräte, normalerweise würde ich nur die UART-Leitungen anschließen, jedoch, da wir bereits I2C an Bord haben, dachte ich, es wäre interessant, diese auch zu verbinden, um in Zukunft mehr Optionen zu bieten. Ich habe Ferritperlen am Eingang und an den UART-Leitungen hinzugefügt, um die Menge an geleitetem EMI, die in das Modul eindringen kann, zu reduzieren.

In einer idealen Welt würde die Antenne keine Abstimmkomponenten benötigen, jedoch ist dies wahrscheinlich für eine bessere Antwort erforderlich. Ohne ein auf einem VNA getestetes Prototyp-Board wollte ich nicht raten, wie die Fehlanpassung sein könnte, da ich nicht genügend Daten über die Antenne und das Modul finden konnte, um die Werte zu berechnen. Wenn Sie Ihre eigene Version dieses Projekts bauen, sollten Sie in Betracht ziehen, das Board, das Modul und die Antenne zu charakterisieren, um den HF-Pfad für optimale Leistung richtig abzustimmen.

Das Modul enthält bereits einen SAW-Filter und einen LNA, sodass mit der Antenne, die direkt am Modul montiert wird, keine weiteren hinzugefügt werden müssen. Wenn Sie planen, eine externe Fernantenne zu verwenden, können Sie den VCC_RF-Pin nutzen, um eine aktive Antenne mit eingebautem Filter und LNA zu betreiben.

Beschleunigungssensor

Der Beschleunigungssensor, den ich verwende, ist einer der günstigsten, der Unterbrechungen und Gesten erkennen kann. Ich mag wirklich die ST-Serie von Beschleunigungssensoren, die in der Lage sind, Unterbrechungen für Ereignisse und Gesten zu generieren, wie eine Bewegung oder ein Doppeltippen. Für diese Anwendung, wenn das Gerät rein für Diebstahlschutz verwendet wird, kann das gesamte Gerät in einen Tiefschlaf versetzt werden, wobei nur der Beschleunigungssensor und die Stromversorgungen aktiv sind. Wenn der Beschleunigungssensor eine Bewegung erkennt, kann er den Mikrocontroller wecken, der dann anfängt, es genauer zu überwachen.

Vielleicht haben Sie sich gefragt, wo die I2C-Pull-Up-Widerstände auf den vorherigen Schaltplansheets waren, nun, hier sind sie! Der Beschleunigungssensor war das erste I2C-Gerät, für das ich den Schaltplan erfasst habe, und mit begrenztem Platz auf dem Mikrocontroller-Sheet habe ich die Pull-Up-Widerstände einfach dort gelassen, wo sie waren.

CAN-Transceiver

Schließlich haben wir einen CAN-Transceiver, der mit einem Motorsteuerungssystem verbunden werden könnte. Der CAN-Anschluss ist ein weiterer Ort, an dem Transienten eintreten könnten, entweder durch einen Techniker, der die Drähte anschließt, oder durch Transienten, die vom Gerät kommen, mit dem die Drähte während des Betriebs verbunden sind.

Im nächsten Teil

Das ist ein ziemlich großes Projekt, daher muss ich es hier für diesen Artikel belassen. Im nächsten Artikel werde ich die Platine routen und sehen, wie klein wir sie machen können. Die beiden RF-Module stellen sicherlich eine herausfordernde Aufgabe für eine kleine Platine dar, mit einem relativ leistungsstarken Sender und einem extrem empfindlichen Empfänger, der nach Signalen aus dem Weltraum sucht.

Mit insgesamt 141 Komponenten, ohne Fiducials, wird dieses LTE/GNSS-Modul ein interessantes Routing-Projekt sein.

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