GNSS + LTE 자산 추적기 프로젝트, 파트 1

이번 주 프로젝트에서는 도난 방지(및 회수), 배송 또는 운송 차량 추적, 수집된 데이터가 적합한 머신러닝 서비스와 결합될 경우 예측 유지보수 등 다양한 목적으로 사용될 수 있는 LTE 기반 자산 추적 시스템을 구축하고 있습니다. 지금까지의 모든 프로젝트는 공간 제약이 없는 두 층의 보드였지만, 정말로 컴팩트한 고밀도 회로 보드를 만드는 것이 그립습니다. 그래서 이 프로젝트에서는 LTE/GNSS 모듈을 가능한 한 작게 만드는 것을 목표로 하겠습니다. 다룰 내용이 많으므로, 목표, 부품 선택 및 회로도를 살펴보고, PCB 디자인 및 레이아웃에 초점을 맞출 2부로 계속될 것입니다.

이러한 프로젝트의 용도는 매우 다양합니다. 예를 들어, 버스나 코치에 설치된 경우 GNSS 데이터를 교통 회사에 보고하여 위치 업데이트를 제공할 수 있으며, 이는 고객에게 다음 서비스의 도착 예정 시간을 제공하는 데 사용될 수 있고, 더 큰 규모에서는 스케줄링 및 정류장 시간 데이터 개선에 사용될 수 있습니다. 고가의 휴대 가능 자산, 예를 들어 건설용 조명 타워, 발전기 또는 원격 지역에 자주 남겨져 도난의 대상이 되는 기타 장비에 설치된 경우, 자산의 계획되지 않은 이동은 경찰이나 보안 대응을 유발할 수 있습니다. 또한 자산이 지오펜스(geofenced) 지역 내에 머무르도록 보장하는 데 사용될 수 있습니다.

위는 Altium 365 Viewer에서 읽게 될 PCB 디자인에 대한 것으로, 동료, 고객, 친구들과 연결할 수 있는 무료 방법이며, 디자인을 보거나 버튼 하나로 다운로드할 수 있습니다! 디자인을 몇 초 만에 업로드하고 무거운 소프트웨어나 컴퓨터 성능 없이도 심층적으로 살펴볼 수 있는 상호 작용적인 방법을 갖게 됩니다.

GNSS 자산 추적이란 무엇인가요?

자산 추적은 훌륭한 목표이지만, 유지보수 일정을 최적화하거나 기술자를 현장에 파견할 필요성에 대해 자동으로 알림을 보낼 수 있는 장치에 연결할 수 있는 훌륭한 머신러닝 도구와 클라우드 기반 시스템이 있습니다. 저는 엔진 관리 시스템에서 데이터를 수집하고 진동 데이터를 수집할 수 있도록 회로에 기본 CAN 버스 IC와 가속도계를 추가할 것입니다(머신러닝 시스템이 초기 고장 경고 시스템으로 전환하는 데 탁월합니다). 가속도계는 GNSS 신호가 약하거나 방해를 받을 때 객체가 이동되었는지 감지할 수 있어 보안에 대한 추가 옵션을 제공하는 데에도 유용합니다.

경험이 많은 도둑들은 추적기를 잘 알고 있으며, 자산 추적기가 작동하지 못하게 하기 위해 배터리 케이블을 자를 수 있습니다. 그래서 저는 주 배터리가 연결 해제되었을 때 시스템을 구동할 수 있는 단일 리튬 폴리머 배터리 셀을 내장할 것입니다. 이는 대형 발전기가 가동되어 특히 추운 날씨에 배터리에 상당한 양의 전압 강하가 발생하는 이벤트를 통해서도 장치의 연속적인 작동을 보장할 것입니다.

이 장치를 가능한 한 작게 만들고 숨길 수 있도록 구축하려고 합니다. 제가 본 많은 상용 추적 시스템은 비싸고, 부피가 크며, 설치하기 어렵고, 도둑이 비활성화하거나 제거하기 쉽습니다. 이 프로젝트를 저비용으로 최적화하는 것이 목표는 아니지만, 요구 사항을 충족하고 기능을 잘 수행할 수 있는 최저 비용의 구성 요소를 사용하려고 합니다.

항상 그렇듯이, 이 프로젝트와 제가 진행한 모든 프로젝트는 매우 관대한 MIT 라이선스 하에 GitHub에서 찾을 수 있습니다. MIT 라이선스는 설계의 일부를 복사하는 것부터 그대로 대량 생산에 이르기까지, 설계를 원하는 대로 사용할 수 있게 해주지만, 오류가 있을 수 있으며 저나 Altium이 어떠한 문제에 대해서도 책임을 지지 않음을 인지해야 합니다.

이 프로젝트의 구성 요소는 모두 제 오픈 소스 Altium Designer® 라이브러리, Celestial Altium Library에서 왔습니다. 이를 통해 이 프로젝트의 일부를 자신의 작업에 빠르게 재사용할 수 있습니다.

구성 요소 선택

'큰 티켓' 구성 요소를 살펴보기 전에, 가능한 한 작게 설계하려고 하기 때문에, 수동 구성 요소의 경우 가능한 곳마다 0201(임페리얼) 크기 부품을 사용하고 있다는 점을 언급하고 싶습니다. 01005(임페리얼)를 사용할 수도 있지만, 그것들로 손으로 프로토타입을 제작하는 것이 어려워서, 페이스트 스텐실, 핀셋, 리플로우 오븐만으로 프로토타입을 제작할 수 있는 더 큰 0201 크기를 고수하고 있습니다. 이 프로젝트는 01005 크기 부품으로 더욱 축소될 수 있을 것입니다.

LTE/GNSS 모듈

제가 필요로 하는 LTE/GNSS 모듈에 대한 요구 사항은 꽤 간단하지만, 보통 사용하던 많은 옵션들을 제외하게 됩니다. 이것이 예시 프로젝트인 만큼, 모듈은 어느 나라에서나 사용이 인증되었거나 다른 지역별로 변형된 제품이어야 합니다. 이와 더불어, 이 트래커를 만들고 싶은 사람이라면 누구나 공급업체를 찾느라 애쓰지 않고도 주요 부품 유통업체에서 모듈을 사용할 수 있기를 원합니다. 또한, 우리는 사전에 인증된 모듈을 구체적으로 찾고 있습니다. 이를 올바르게 사용하면, 사전에 인증된 의도적 방사체를 포함하는 비의도적 방사체로 완성된 보드가 인증될 수 있습니다. 이렇게 하면 이 보드를 매우 적은 양으로 제작하고 의도적 방사체 인증의 상대적으로 큰 비용 없이 인증할 수 있습니다.

지난 5년 동안 주요 유통업체에서 재고 수준과 함께 사용 가능한 셀룰러 모듈의 수가 크게 증가했습니다. 10년 전에는 Mouser나 Digi-Key와 같은 주요 공급업체에서 전 세계적으로 사용할 수 있는 셀룰러 모듈을 찾는 것이 낮은 가격에도 불구하고, 사용 가능한 범위에도 불구하고 어려웠을 수 있습니다. 사물인터넷의 부상으로, 제가 설계하고 있는 것과 같은 장치에 대한 셀룰러 접근 수요가 훨씬 더 많아졌습니다. 이에 따라, LTE 밴드는 LTE Cat-M1 및 NB-IoT 밴드로 IoT 장치를 특별히 지원합니다. 이 밴드들은 주로 소량의 데이터를 전송하는 장치가 배터리에서 작동하는 요구 사항을 처리하도록 특별히 설계되었습니다.

이를 염두에 두고, 전 세계 주요 지역에 대한 옵션이 있는 uBlox SARA -R410M 모듈을 선택했습니다. 주요 유통업체에서 구할 수 있으며 가격도 상당히 합리적입니다. 이 모듈은 최신 LTE 표준을 지원하는 매우 현대적인 셀룰러 모뎀이면서도 커버리지에 어려움을 겪고 있는 지역을 위해 이전 세대 표준과의 일부 하위 호환성을 가지고 있습니다. 이 애플리케이션은 모듈의 모든 기능을 사용하기 시작하지 않을 것입니다. 우리는 낮은 데이터 속도로 기본 인터넷만 필요로 합니다.

SARA 모듈을 Linx Technologies의 ANT-LTE-CER-T 보드 마운트 멀티밴드 안테나와 페어링할 예정입니다.

GNSS 수신기 모듈

이 프로젝트의 핵심 요구 사항은 위치 정확도입니다. 항법 수신기 라디오가 많은 위성의 신호를 수신할 수 있어야 한다는 것이 중요합니다. 이를 위한 최선의 방법은 순수 GPS보다는 글로벌 내비게이션 위성 시스템(GNSS) 수신기를 사용하는 것입니다. 이를 통해 시스템이 GPS(미국), GLONASS(러시아), 갈릴레오(EU), BeiDou(중국)의 내비게이션 수정 데이터를 수신할 수 있게 되어, 위치 수정을 위해 사용되는 위성의 수가 크게 증가합니다. 이 장치가 아마도 은밀한 위치에 설치될 가능성이 높기 때문에, 하늘을 바라보는 시야가 어려울 수 있으므로, 더 많은 잠재적 위성이 시야에 있으면 분명히 좋은 일입니다.

과거 프로젝트에서 나는 uBlox 8 시리즈를 능가할 수 있는 GNSS 모듈을 찾는 데 어려움을 겪었기 때문에, 이 프로젝트는 uBlox 중심으로 진행될 것입니다. 사용할 구체적인 모듈은 펌웨어를 업데이트할 수 있게 해주는 플래시 메모리가 탑재된 uBlox NEO-M8N입니다. 이는 다른 8 시리즈 옵션보다 비싸지만, 이러한 장치에서 펌웨어 업데이트가 비용 가치가 있다고 생각합니다.

GNSS 수신기가 인증을 받을 필요는 없지만, SAW 필터와 LNA가 탑재되어 있어 최종 제품의 레이아웃과 조율을 절약해주기 때문에, 나는 베어 IC보다는 uBlox의 모듈 버전을 사용하는 것을 선호합니다. 또한, 이 제품에는 큰 이점인 RF 차폐된 케이스가 함께 제공되며, 이는 GNSS L1 밴드와 가까운 주파수에서 작동할 수 있는 강력한 LTE 모뎀과 근접해 있을 것이기 때문입니다. 만약 차폐된 모듈을 사용하지 않았다면, 이 보드에 RF 차폐를 만들어야 했을 것이며, 이는 추가적인 엔지니어링 비용을 발생시켰을 것입니다.

마이크로컨트롤러

외부 전원이 추적기에서 분리되면, 이 장치는 자체 온보드 배터리를 사용하여 장기간 동안 계속해서 자산 추적 기능을 제공할 필요가 있습니다. 이 무선 모듈은 저전력 슬립 모드로 설정할 수 있으므로, 매우 낮은 슬립 전력 소비로 전환할 수 있는 마이크로컨트롤러를 사용하고 싶습니다. 또한, 상대적으로 컴팩트한 마이크로컨트롤러가 필요합니다.

이러한 요구 사항을 갖고 바로 Silicon Labs EFM32 시리즈를 선택했습니다. 저는 이전에 다양한 ARM 마이크로컨트롤러는 물론 일부 8비트 및 16비트 마이크로컨트롤러에 대해 광범위한 테스트를 수행했으며, EFM32 시리즈는 저전력 소비와 저전력 슬립 상태로의 진입 및 탈출 용이성 측면에서 누구도 이길 수 없었습니다.

이 프로젝트의 경우, EFM32 Tiny Gecko가 비용, 기능, 크기 및 전력 사이의 최적의 균형을 제공합니다. 구체적으로, 저는 EFM32TG11B520F128GM32-B를 사용하고 있는데, 이는 5x5mm QFN32 패키지에 있으며 외부 크리스탈이 필요 없어 추가 공간을 절약합니다.

배터리 충전 및 관리

많은 배터리 충전 IC는 오직 5V 입력용으로만 설계되어 있습니다. 저는 이 보드에서 곧 설명할 이유로 8V를 공통 중간 전압으로 사용하고 싶습니다. 이는 6V 이상의 입력을 지원하지 않는 많은 단일 셀 충전 IC를 배제합니다. 이 프로젝트는 배터리가 끊김 없는 전원 공급 장치로만 작동하며, 장치가 항상 연결되어 있을 것으로 예상되므로, 빠른 충전 기능이 필요하지 않습니다. 따라서, 저는 충전 전류보다는 입력 전압과 공간에 더 관심이 있습니다.

저는 Texas Instruments BQ24040DSQR을 사용하기로 결정했습니다. 최대 충전 전류가 1A이므로 제 요구에 충분히 부합합니다. 또한, PWSON 패키지는 단지 2x2mm로, 컴팩트한 LTE/GNSS 모듈에 대한 요구 사항을 충족합니다.

배터리를 충전하는 것뿐만 아니라, 외부 전원에서 분리된 상태에서도 충전 상태를 알아야 합니다. 이를 위해 저는 텍사스 인스트루먼트의 BQ27542DRZ I2C 배터리 관리자를 사용하고 있습니다. 이 장치는 방전 상태를 정확하게 모니터링하여 사용된 전력의 정확한 비율을 알려주므로, 단순히 전압을 보는 것보다 더 정확한 정보를 제공합니다. 저는 배터리 차단 기능을 구현하지 않고 있습니다—단일 18650 셀의 비용은 배터리가 소모되기 전에 마지막 데이터 패킷으로 인해 매우 비싼 자산을 회수할 가능성에 비해 사소합니다. 배터리 방전을 정확하게 모니터링함으로써, 펌웨어는 필요한 경우 셀룰러 모뎀에서 데이터를 체크하고 피드백하는 사이에 장시간 동안 잠자는 것으로 장치의 수명을 연장할 수 있습니다. 셀룰러 모뎀은 가장 많은 전력을 소비하는 부분이며, 그 전력 소비를 모니터링하고 사용을 제어하는 것이 분리된 상태에서 실행 시간을 연장하는 가장 효과적인 방법입니다.

감지 및 데이터 저장

위에서 언급했듯이, 셀룰러 모뎀을 사용하는 것은 장치의 배터리 수명을 줄이는 좋은 방법입니다. 따라서 가능한 한 적게 사용하면서도 유용한 데이터를 계속 전송하고 싶습니다. 모뎀을 최적으로 활용하기 위해서는 전송할 데이터를 모아서 일괄 전송하는 것이 좋습니다. 마이크로컨트롤러는 많은 양의 플래시 공간을 가지고 있지 않기 때문에 외부 플래시가 필요합니다. 저는 4메가바이트 SPI 플래시 IC를 사용하고 있는데, 이것은 위치, 움직임 또는 기타 수집된 데이터의 상당량을 저장하고 주기적으로 일괄 전송할 수 있게 해줍니다.

기사의 시작 부분에서 언급했듯이, 이 장치는 예측 유지보수에 사용될 수 있으며 EFM32TG는 CAN 버스를 지원하므로, 저는 엔진 관리 시스템이나 다른 CAN 지원 장치에서 데이터를 수집할 수 있는 ON Semiconductor NCV7351D13R2G CAN 트랜시버를 추가했습니다. 이 데이터도 외부 플래시에 수집되어 클라우드 서비스로 일괄 전송될 수 있습니다.

전력/전압 조절

제 최근 프로젝트들은 스위치 모드 전원 공급 장치 설계에 큰 초점을 맞추고 있었는데, 전원 공급 장치가 종종 프로젝트의 심장이라 할 수 있는 전기적인 측면에서 그럴만한 이유가 있습니다. 이 프로젝트에서는 조금 다른 방식으로 접근할 것입니다. 공간 제약으로 인해, 여러 전압 조절기를 구축하는 대신 매우 작은 통합 모듈을 사용하려고 합니다. 이 모듈들은 제가 설계할 수 있는 조절기보다 훨씬 작으며, 종종 제가 단독으로 사용했을 인덕터보다도 작습니다.

제 목표는 10-35V 입력을 지원하는 것으로, 이는 방전 상태와 완전 충전 상태에서 12V 및 24V 납산 배터리 모두 사용할 수 있게 합니다. 단일 리튬 셀(3-4.2v)을 배터리 백업으로 사용하고 지원해야 할 넓은 범위의 전압을 고려할 때, 모든 것이 작동할 중간 전압이 필요할 것입니다.

중간 전압으로 8볼트를 선택했습니다. 이는 최소 입력 전압보다 약간 낮고, 기내 배터리 전압보다 너무 높지 않습니다. 이는 조절기에 좋은 중간 지점을 제공하면서도, 우리의 IC들과 배터리 충전기 IC가 작동하는 데 필요한 5V, 3.8V 및 3.3V의 효율적인 생성을 여전히 허용합니다.

입력은 Monolithic Power Systems MPM3550 모듈을 사용하여 조절되며, 기내 배터리는 TPS61089을 사용하여 부스트됩니다. TPS61089으로 구축할 수 있는 솔루션보다 작은 적합한 부스트 컨버터 모듈을 찾을 수 없었지만, 부스트 컨버터는 보드에서 유일한 비모듈 레귤레이터입니다.

8V 중간 전압은 전류 소모가 매우 낮기 때문에 MC78LC50 선형 레귤레이터를 사용하여 CAN 트랜시버에 5V로 감소됩니다. SARA 모듈에는 PMU8218 D 모듈을 사용하여 3.8V가 공급되며, 시스템의 나머지에는 Texas Instruments LMZ21701SILT에서 3.3V가 공급됩니다. 이러한 레귤레이터를 찾는 것이 정말 즐거웠습니다. 꽤 작고 상대적으로 저렴한 모듈에서 얼마나 많은 전력을 전환할 수 있는지 보는 것은 정말 놀랍습니다.

외부 전원에서 배터리로의 순간적인 부하 전환을 위해 이전 12V UPS 프로젝트에서 사용한 것과 동일한 Analog Devices LTC4414EMS를 사용하고 있습니다.

회로도

이 프로젝트에는 이전 프로젝트들에 비해 상당히 많은 일이 진행되고 있으므로, 시스템을 통한 전력 흐름을 보여주기 위해 몇 가지 주석과 함께 최상위 레벨의 회로도 시트를 그렸습니다.

입력 전력

전원 입력부터 회로도를 살펴보기 시작합시다. 이 제품을 대형 발전기 및 기타 산업 설비에 연결하는 것을 목표로 하기 때문에 입력 전원에 매우 주의해야 합니다. 대형 발전기의 거대한 시동 모터는 엄청난 플라이백 전압과 기타 혼란을 일으킬 수 있습니다.

모터가 크랭킹되는 동안 잠재적으로 손상을 입히고 일관성이 없는 입력 전압을 처리하기 위해, 입력 전원 필터에 약간 과하다 싶을 정도로 신경을 썼습니다.

양극과 음극 전압 입력 모두에 역극성 보호가 있습니다. 음측은 N-Ch MOSFET IC1을 회로에 '역방향'으로 배치하여 바디 다이오드가 전류를 전도하게 하고, 이를 통해 게이트가 전류를 완전히 받아 FET를 켜게 합니다. 바디 다이오드를 보호하기 위해, 더 내성이 강한 장치에서 동일한 기능을 제공하는 외부 다이오드, D5도 추가했습니다.

긍정적인 측면에서, 미니 자동차 블레이드 퓨즈 홀더 M1이 있으며, 그 뒤를 이어 두 개의 TVS 다이오드가 있습니다. TVS 다이오드는 큰 서지를 처리할 능력이 없을 수도 있지만, 충분한 전류를 전도하여 퓨즈를 태워 회로를 보호할 수 있습니다. 이 기본 입력 보호 다음에는 추가적인 역극성 보호를 위한 다이오드, 플라이백으로부터 보호하기 위한 또 다른 다이오드와 기본적인 전도성 EMI 필터가 있습니다. 입력 전압 조정기는 데이터시트에서 CISPR22 클래스 B 준수를 주장하며 CISPR25 클래스 5 준수를 위한 스키마틱에서 필터의 구현을 권장합니다. 이 장치가 자동차 환경에서 사용될 수 있기 때문에, 전도성 방출 준수를 위해 CISPR25 클래스 5를 목표로 하는 것이 가치가 있습니다.

이전 프로젝트의 조정기와 비교할 때, 이 설계의 입력 조정기는 매우 간단합니다. 필요한 것은 데이터시트의 표에서 제안하는 저항기를 사용하여 주파수를 설정하고 피드백 저항기를 계산하는 것뿐입니다. 피드백 저항기는 모듈 내 피드백 전압 분배기에 병렬로 연결된 저항기일 뿐입니다. 입력 및 출력 커패시터는 데이터시트에서 제안한 최소값보다 큰 용량이며, 입력 전압 범위와 1210 (imperial) 세라믹 커패시터 크기에 대해 가능한 가장 큰 값을 선택했습니다.

배터리 관리

배터리 충전 설계는 매우 간단하며, 전류는 칩이 지원할 수 있는 최대치(1A)로 설정됩니다. 12V 무정전 전원 공급 장치 프로젝트에서 배터리 충전 설계에 대해 더 자세히 알아볼 수 있습니다.

배터리 셀 모니터는 보기보다 훨씬 복잡해 보입니다.

배터리 모니터는 본질적으로 배터리를 통해 흐르는 모든 전류를 집계하는 전류 센서에 불과합니다. 전류 감지 저항(R16)에는 기본적인 필터링 네트워크가 있지만, 그 외에는 BQ27542DRZ에 직접 연결되어 I2C를 통해 접근할 수 있는 총 사용 전류를 계산합니다.

이 LTE/GNSS 모듈의 UPS 기능은 LTC4414EMS와 P-채널 MOSFET에 의해 제공됩니다. 앞서 말했듯이, 이에 대해 너무 깊이 들어가지는 않겠습니다. 우리는 이전에 이 주제를 둘러싼 전체 프로젝트를 구축했습니다. 여기서 주목할 만한 점은, 배터리용 8V 레귤레이터가 항상 작동 중이며, 셀룰러 모뎀이 전력을 최대로 전송하는 동안 전력이 중단되면, 레귤레이터가 몇 밀리초 동안 시작하는 동안에는 기판에 충분한 커패시턴스가 없어 전력을 공급할 수 없다는 것입니다.

배터리에서 중간 전압으로

이 프로젝트에는 하나의 맞춤형 전압 조절기만 있습니다. 앞서 언급했듯이, 적당히 작고 고출력의 부스트 조절기 모듈을 찾을 수 없었습니다. 이 TI TPS61089는 셀룰러 모듈의 전류 요구 사항에 대해 설계할 수 있는 가장 작은 부스트 컨버터입니다.

이 설계에서는 입력 커패시턴스를 최소화했습니다. 리튬 배터리는 충분히 낮은 저항을 가지고 있어서, 대용량 전류 요구에 빠르게 대응할 수 없는 전원을 사용할 때보다 조금 더 한계를 늘릴 수 있다고 생각합니다. 마찬가지로, 출력 커패시턴스도 많지 않습니다. 이 조절기의 즉각적인 필요 사항만 처리하면 되며, 회로의 다른 곳에 충분한 벌크 커패시턴스가 있기 때문입니다.

저는 조절기를 2MHz에서 운영하고 있으며, 이는 설계의 효율성을 다소 떨어뜨려 2A 부하에서 약 86%로 낮추지만, 배터리 수명을 위한 트레이드오프로 충분히 작은 발자국을 줄이기 때문에 가치가 있습니다. 소프트웨어에서 라디오를 자주 사용하지 않음으로써 전력 손실을 만회할 수 있는 방법이 있지만, 소프트웨어로는 보드를 더 작게 만들 수 없습니다. 90% 이상의 효율적인 설계를 사용한다면, 보드 공간을 네 배 이상 사용할 것입니다.

많은 조절기들

가장 전력을 많이 소모하는 장치인 셀룰러 모뎀은 최대 2A를 3.8V에서 요구합니다. Flex Power Modules PMU2818는 내 회로도에서 대부분의 값을 구현하기가 매우 쉽습니다(피드백 분배기 외에). 데이터시트에는 다양한 전압과 조건에 대한 권장 값이 많은 표에 나와 있습니다.

출력 용량은 모듈 바로 옆에 배치해야 할 것으로 제한되며, 셀룰러 모뎀의 대량 용량은 모뎀 회로도 시트에 있습니다. 보드 상의 대부분의 로직 IC는 3.3V이지만, 그들은 상당히 겸손한 전류 요구를 가지고 있습니다. LMZ21701은 조절 가능한 선형 레귤레이터만큼 사용하기 쉽고, 시작 시간을 선택하기 위해 선택적인 소프트-스타트 캐패시터만 필요합니다.

마지막으로, 간단한 고정 출력 LDO가 사용되어 5V 전력을 제공합니다. 이것이 전원을 공급하는 CAN 트랜시버는 선형 레귤레이터가 배터리 수명에 미미한 영향을 미칠 정도로 충분히 낮은 전류 요구를 가지고 있습니다.

Silicon Labs EFM32 마이크로컨트롤러

EFM32 시리즈의 좋은 점 중 하나는 적어도 회로도 관점에서 볼 때, 너무 복잡한 작업을 하지 않는다면 설정하기 정말 쉽다는 것입니다. 외부 지원 부품과 관련해서는 몇 개의 디커플링 캐패시터만 필요합니다. 저는 저주파 외부 발진기가 필요 없습니다. 왜냐하면 그것을 요구하는 기능을 사용하지 않을 것이기 때문입니다.

마이크로컨트롤러에 전원을 공급한 후에는 모든 IO를 연결하는 문제뿐입니다. 이 모델/패키지에서 이 프로젝트에 충분한 IO가 있기를 바랐고, 딱 맞게 작업할 수 있었습니다. 필요한 경우 주변 장치의 리셋 핀을 결합함으로써 일부 IO를 절약할 수 있었습니다.

이 프로젝트에서는 포트를 사용하는 대신 각 시트에서 하네스 커넥터를 사용하기로 결정했습니다. 하네스는 최상위 시트를 매우 깔끔하게 보이게 하며, 모든 것을 함께 유지하여 포트를 사용하는 것에 비해 놀랍도록 많은 시간을 절약해 주었습니다.

또한 SPI 플래시를 회로도의 마이크로컨트롤러 부분의 일부로 고려하고 있습니다. SPI 플래시도 연결하기 매우 쉽습니다. 단지 디커플링 캐패시터나 통신 버스를 연결하기만 하면 됩니다.

uBlox SARA LTE 모듈

이 프로젝트의 대부분의 기능에 모듈을 사용하는 것의 좋은 점 중 하나는 BOM 수가 훨씬 낮다는 것입니다—모든 것이 훨씬 적은 지원 구성 요소와 훨씬 적은 값 계산이 필요합니다. LTE 모듈도 자체 제작에 비해 다르지 않습니다.

LTE 회로도에서 주목해야 할 주요 사항은 안테나와 SIM 카드입니다. 안테나 트랙은 임피던스가 일치해야 하며, 일부 튜닝 구성 요소도 있어야 합니다. 저는 안테나를 튜닝하기 위해 데이터시트에서 제안한 값을 사용하고 있지만, 실제로 필요한 값은 벡터 네트워크 분석기로 실제 테스트를 수행하여 회로 기판에 대해 결정해야 합니다.

SIM 카드 커넥터용 4선 TVS 다이오드가 있습니다. SIM 카드는 누군가 SIM 카드를 삽입하거나 제거할 때 정전기 방전의 매우 가능성 있는 원인이며, RF 모듈에 직접 연결되어 있어 손상을 입히거나 라디오를 파괴할 수 있는 방전을 일으키는 좋은 방법입니다.

uBlox SARA는 IO 라인에 1.8v를 사용하므로, 저는 논리 전압을 변환하기 위해 Texas Instruments TXB0108PW 논리 레벨 변환기를 사용하고 있습니다. 저는 이전 프로젝트에서 이것들을 사용해 매우 만족스러웠습니다.

앞서 3.8V 전원 공급에 대해 언급했을 때 LTE 모듈 자체에 대량의 커패시턴스가 제공된다고 말했고, 여기에 그것이 있습니다. 피크 전류 요구 사항에 대해 상당히 적은 양의 커패시턴스이지만, 피크 요구는 단기간 지속될 것이며 대부분의 상황에서 도달하기 어려울 것이므로, 제공된 커패시터는 올바른 작동을 보장하기에 충분합니다.

또한 SARA에는 많은 접지가 있습니다... 엄청난 양의 접지 핀이 있습니다. 거의 모두 접지 핀인 전체 스키마틱 심볼 부품이 있습니다!

uBlox NEO M8N GNSS

NEO-M8N은 많은 통신 주변 장치를 가지고 있으며, 보통은 uart 라인만 연결하지만, 이미 I2C를 탑재하고 있으므로 미래에 더 많은 옵션을 제공하기 위해 연결하는 것이 흥미로울 것이라고 생각했습니다. 모듈에 들어오는 전도성 EMI의 양을 줄이기 위해 입력과 uart 라인에 페라이트 비드를 추가했습니다.

이상적인 세계에서 안테나는 튜닝 구성 요소가 필요하지 않겠지만, 더 나은 응답을 위해 실제로는 필요할 수 있습니다. VNA에서 테스트된 프로토타입 보드 없이는 안테나와 모듈에 대한 충분한 데이터를 찾을 수 없어 불일치가 무엇일지 추측하고 싶지 않았습니다. 이 프로젝트의 자체 버전을 구축하는 경우, 보드, 모듈 및 안테나를 특성화하여 RF 경로를 최적의 성능으로 제대로 조정하는 것을 고려해야 합니다.

모듈에는 이미 SAW 필터와 LNA가 포함되어 있으므로, 안테나가 모듈에 직접 장착되면 더 이상 추가할 필요가 없습니다. 오프보드 원격 안테나를 사용할 계획이라면, 필터와 LNA가 내장된 활성 안테나에 전원을 공급하기 위해 VCC_RF 핀을 사용할 수 있습니다.

가속도계

제가 사용하는 가속도계는 인터럽트와 제스처를 갖춘 가장 저렴한 제품 중 하나입니다. 이벤트와 제스처, 예를 들어 움직임이나 더블 탭을 위한 인터럽트를 생성할 수 있는 ST 시리즈의 가속도계가 정말 마음에 듭니다. 이 애플리케이션에서, 만약 장치가 순수하게 도난 방지용으로 사용된다면, 가속도계와 전원 공급 장치만 활성 상태로 전체 장치를 깊은 수면 상태로 전환할 수 있습니다. 가속도계가 움직임을 감지하면, 마이크로컨트롤러를 깨워 더욱 면밀하게 모니터링을 시작할 수 있습니다.

이전 회로도에서 I2C 풀업 저항이 어디 있는지 궁금했을 수도 있습니다, 여기 있습니다! 가속도계는 제가 회로도를 그린 첫 번째 I2C 장치였고, 마이크로컨트롤러 시트에 제한된 공간이 있어서, 저는 그냥 풀업 저항을 그 자리에 두었습니다.

CAN 트랜시버

마지막으로, 엔진 관리 시스템에 연결될 수 있는 CAN 트랜시버가 있습니다. CAN 커넥터는 기술자가 전선을 연결하거나, 운영 중인 장치에서 전선에 연결된 장치로부터 전압 변동이 발생할 때, 변동 전압이 들어올 수 있는 또 다른 장소입니다.

다음 파트에서

이것은 꽤 큰 프로젝트이므로, 이 글에서는 여기까지 하겠습니다. 다음 글에서는 보드를 라우팅하고 얼마나 작게 만들 수 있는지 살펴볼 예정입니다. 두 개의 RF 모듈은 상대적으로 고전력 송신기와 우주에서 오는 신호를 찾는 매우 민감한 수신기를 갖춘 작은 보드에 대해 도전적인 제안을 합니다.

피듀셜을 포함하지 않고 총 141개의 구성 요소를 가진 이 LTE/GNSS 모듈은 흥미로운 라우팅 프로젝트가 될 것입니다.

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