Projekt lokalizatora GNSS + LTE, część 1

W projekcie tego tygodnia buduję system śledzenia majątku oparty na LTE, który może być używany do różnych celów, takich jak zapobieganie kradzieży (i odzyskiwanie), śledzenie pojazdów dostawczych lub w transporcie, a także przewidywanie konserwacji, jeśli zebrane dane zostaną połączone z odpowiednią usługą uczenia maszynowego. Wszystkie moje poprzednie projekty były dwuwarstwowe płytki bez ograniczeń przestrzennych, ale brakuje mi budowania naprawdę kompaktowych płytek o wysokiej gęstości, więc w tym projekcie będziemy dążyć do zbudowania modułu LTE/GNSS jak najmniejszego. Jest wiele do omówienia, więc będziemy patrzeć na cele, dobór części i schematy, a następnie kontynuować z Częścią 2, która skupi się na projektowaniu i układzie PCB.

Istnieje wiele zastosowań dla projektu tego typu, jeśli zostanie zainstalowany w autobusie lub autokarze, dane GNSS mogą być przekazywane do firmy transportowej w celu dostarczania aktualizacji lokalizacji, co z kolei może być wykorzystane do dostarczania klientom szacunkowych czasów przybycia ich następnego środka transportu, a na większą skalę, może być użyte do poprawy planowania rozkładów jazdy i danych dotyczących czasu postoju. Jeśli zostanie zainstalowane w cennym, przenośnym aktywie, takim jak wieża oświetleniowa na placu budowy, generator lub inne urządzenia, które często są pozostawiane w odległych obszarach i stanowią cel dla złodziei, nieplanowany ruch majątku mógłby wywołać reakcję policji lub ochrony. Może to być również użyte do zapewnienia, że aktywo pozostaje w obrębie geograficznie ogrodzonego obszaru.

Powyżej znajduje się projekt PCB, o którym będziesz czytać w Altium 365 Viewer, darmowym sposobie na łączenie się z współpracownikami, klientami i przyjaciółmi, z możliwością przeglądania projektu lub pobrania go jednym kliknięciem! Wgraj swój projekt w ciągu kilku sekund i miej interaktywny sposób na dogłębne zapoznanie się bez potrzeby korzystania z obszernego oprogramowania czy dużej mocy obliczeniowej komputera.

Co to jest śledzenie majątku GNSS?

Śledzenie majątku to świetny cel, ale dostępne są fantastyczne narzędzia uczenia maszynowego i systemy oparte na chmurze, które można połączyć z urządzeniem, co mogłoby zoptymalizować harmonogramy konserwacji lub automatycznie powiadamiać personel o potrzebie wysłania technika na miejsce. Zamierzam dodać do obwodu podstawowy układ CAN bus oraz akcelerometr, aby umożliwić zbieranie danych z systemu zarządzania silnikiem i zbieranie danych o wibracjach (w czym systemy uczenia maszynowego są doskonałe, przekształcając je w wczesne ostrzeżenie o awarii). Akcelerometr jest również użyteczny, ponieważ może wykryć, czy obiekt został przesunięty, gdy sygnał GNSS jest słaby lub zagłuszony, co pozwala na dalsze opcje zabezpieczeń.

Doświadczeni złodzieje są doskonale świadomi lokalizatorów i mogą przeciąć kable baterii, tak aby śledzenie majątku nie mogło działać — dlatego zamierzam zbudować pojedynczą komórkę baterii litowo-polimerowej, aby zasilać system, jeśli jego główna bateria zostanie odłączona. Zapewni to również ciągłą pracę urządzenia podczas takich zdarzeń, jak uruchomienie dużego generatora, co powoduje znaczny spadek napięcia na baterii, szczególnie w zimnej pogodzie.

Celem jest zbudowanie tego urządzenia możliwie jak najmniejszego i w taki sposób, aby można było je ukryć. Wiele komercyjnych systemów śledzenia, które widziałem w użyciu, jest drogich, nieporęcznych, trudnych do zainstalowania i łatwych do wyłączenia lub usunięcia przez złodziei. Chociaż nie optymalizuję tego projektu specjalnie pod kątem niskich kosztów, staram się używać komponentów o najniższym koszcie, które spełnią wymagania i dobrze pełnią swoje funkcje.

Jak zawsze, ten projekt wraz ze wszystkimi moimi innymi można znaleźć na GitHubie na bardzo liberalnej licencji MIT. Licencja MIT zasadniczo pozwala ci robić, co chcesz z projektem, od kopiowania małych jego części po masową produkcję w niezmienionej formie, pod warunkiem, że jesteś świadomy możliwości wystąpienia błędów i ani ja, ani Altium nie możemy być odpowiedzialni za jakiekolwiek problemy.

Komponenty w tym projekcie pochodzą z mojej otwartej biblioteki Altium Designer®, Celestial Altium Library. Pozwala to szybko wykorzystać części tego projektu w swojej własnej pracy.

Wybór komponentów

Zanim przejdziemy do rozważania komponentów "wysokiej wartości", chcę tylko zaznaczyć, że projektując to urządzenie tak, aby było jak najmniejsze, używam części o rozmiarze 0201 (imperialne) tam, gdzie to możliwe, dla komponentów pasywnych. Użyłbym rozmiaru 01005 (imperialne), jednak mam trudności z prototypowaniem ręcznym tych elementów - dlatego pozostaję przy większych 0201, co pozwala mi zbudować prototyp wykorzystując jedynie szablon do pasty, pincetę i piec do przepływu. Ten projekt prawdopodobnie mógłby być jeszcze bardziej zmniejszony przy użyciu części o rozmiarze 01005.

Moduł LTE/GNSS

Moje wymagania dotyczące modułu LTE/GNSS są dość proste, ale eliminują wiele opcji, które normalnie bym użył. Jako że jest to projekt przykładowy, moduł musi być certyfikowany do użytku w dowolnym kraju lub mieć warianty dla różnych regionów. Dodatkowo chcę użyć modułu dostępnego u głównych dystrybutorów komponentów, więc jeśli chcesz zbudować jeden z tych trackerów, możesz to zrobić bez konieczności szukania dostawcy. Szukamy również specjalnie modułów, które są wcześniej certyfikowane. Jeśli użyje się tego poprawnie, pozwala to na certyfikację gotowej płyty jako niezamierzonego radiatora, który zawiera wcześniej certyfikowany zamierzony radiator. Dzięki temu można zbudować i certyfikować bardzo niskie nakłady tej płyty bez względnie ogromnych wydatków na certyfikację zamierzonego radiatora.

Ostatnie 5 lat zdecydowanie przyniosły ogromny wzrost liczby dostępnych modułów komórkowych oraz poziomu ich zapasów u głównych dystrybutorów. 10 lat temu, znalezienie modułu komórkowego, który mógłby być używany globalnie u głównego dostawcy (takiego jak Mouser czy Digi-Key), szczególnie w niskiej cenie, mimo dostępnej gamy, mogło stanowić problem. Wraz z rozwojem Internetu Rzeczy, znacznie wzrosło zapotrzebowanie na dostęp komórkowy dla urządzeń takich jak to, które projektuję. W związku z tym, pasmo LTE jest specjalnie dostosowane do urządzeń IoT za pomocą pasm LTE Cat-M1 i NB-IoT. Te pasma są specjalnie zaprojektowane, aby sprostać wymaganiom urządzenia o niskim poborze mocy, działającego na bateriach, pod warunkiem, że urządzenie głównie wysyła małe ilości danych.

Z myślą o tym wybrałem moduł uBlox SARA -R410M, który ma opcje dla wszystkich głównych regionów globalnych. Jest dostępny u głównych dystrybutorów, a jego koszt jest całkiem rozsądny. To bardzo nowoczesny modem komórkowy obsługujący najnowsze standardy LTE, jednocześnie zachowując pewną kompatybilność wsteczną ze standardami poprzednich generacji dla obszarów zmagających się z zasięgiem. Ta aplikacja nie zacznie wykorzystywać wszystkich funkcji modułu, ponieważ potrzebujemy tylko podstawowego internetu z niskimi prędkościami transmisji danych.

Zamierzam połączyć moduł SARA z anteną wielozakresową do montażu na płytce ANT-LTE-CER-T firmy Linx Technologies.

Moduł odbiornika GNSS

Kluczowym wymogiem dla tego projektu jest dokładność pozycjonowania - krytyczne jest, aby radio odbiornika nawigacyjnego mogło odbierać sygnały z wielu satelit. Najlepszym sposobem na to jest użycie odbiornika Globalnego Systemu Nawigacji Satelitarnej (GNSS) zamiast czystego GPS. Pozwala to systemowi na potencjalne odbieranie danych o pozycji z GPS (USA), GLONASS (Rosja), Galileo (UE) i BeiDou (Chiny) - znacząco zwiększając liczbę satelit używanych do ustalenia pozycji. Biorąc pod uwagę, że to urządzenie prawdopodobnie zostanie zainstalowane w dyskretnym miejscu, może mieć utrudniony widok nieba, więc większa liczba potencjalnych satelit w zasięgu widzenia jest zdecydowanie pozytywnym aspektem.

W poprzednich projektach miałem trudności ze znalezieniem modułu GNSS, który mógłby przebić serię uBlox 8, więc ten projekt będzie skoncentrowany na uBlox. Konkretny moduł, którego zamierzam użyć, to uBlox NEO-M8N, który posiada pamięć flash, umożliwiającą aktualizację jego oprogramowania. Jest to droższe niż inne opcje z serii 8, ale uważam, że możliwość aktualizacji oprogramowania w urządzeniach takich jak to jest warta swojej ceny.

Chociaż odbiornik GNSS nie musi być certyfikowany, wciąż wolę używać wersji modułowej uBlox niż gołego układu scalonego, ponieważ jest on wyposażony w filtr SAW i LNA na pokładzie, co oszczędza układ i strojenie finalnego produktu. Jest również dostarczany w ekranowanej obudowie RF, co dla tego produktu jest dużym plusem, ponieważ będzie znajdował się w bliskiej odległości od potężnego modemu LTE, który może pracować na częstotliwościach bliskich pasmu GNSS L1. Gdybym nie używał modułu ekranowanego, musiałbym wykonać ekran RF dla tej płytki, co dodatkowo zwiększyłoby koszty inżynieryjne.

Mikrokontroler

Jeśli zewnętrzne zasilanie zostanie odłączone od lokalizatora, urządzenie to będzie musiało potencjalnie działać przez długi czas na wbudowanej baterii, aby kontynuować śledzenie majątku. Moduły radiowe mogą być przełączane w tryb uśpienia o niskim poborze mocy, dlatego chcę użyć mikrokontrolera, który może osiągnąć bardzo niskie zużycie energii w trybie uśpienia. Potrzebuję również stosunkowo kompaktowego mikrokontrolera.

Z tymi wymaganiami od razu skierowałem się do serii EFM32 firmy Silicon Labs. Wcześniej przeprowadziłem obszerne testy na szerokim zakresie mikrokontrolerów ARM, jak również na niektórych mikrokontrolerach 8 i 16 bitowych oraz na serii EFM32, które były nie do pobicia pod względem niskiego zużycia energii i łatwości przełączania ich w stan i z powrotem z niskiego zużycia energii.

W tym projekcie EFM32 Tiny Gecko jest najlepszym kompromisem między kosztem, funkcjonalnością, rozmiarem i mocą. Konkretnie używam EFM32TG11B520F128GM32-B, który jest w obudowie QFN32 o wymiarach 5x5mm i nie wymaga zewnętrznego kryształu, co pozwala zaoszczędzić jeszcze więcej miejsca.

Ładowanie i zarządzanie baterią

Wiele dostępnych układów ładowania baterii jest zaprojektowanych tylko do wejścia 5 V. Chcę, aby wspólne napięcie pośrednie na tej płytce wynosiło 8 V z powodów, które wkrótce omówimy, co eliminuje wiele układów ładowania pojedynczych ogniw, które nie obsługują więcej niż 6 V na wejściu. Ten projekt nie wymaga szybkiego ładowania, ponieważ bateria działa tylko jako nieprzerwane zasilanie, z założeniem, że urządzenie będzie zawsze podłączone. Dlatego nie jestem zbytnio zainteresowany prądem ładowania, tylko napięciem wejściowym i przestrzenią.

Postanowiłem użyć Texas Instruments BQ24040DSQR, z maksymalnym prądem ładowania 1 A, jest to więcej niż wystarczające dla moich potrzeb. Ponadto, obudowa PWSON ma tylko 2x2mm, co spełnia wymagania dotyczące kompaktowego modułu LTE/GNSS.

Oprócz samego ładowania baterii, musimy również znać stan naładowania, jeśli działamy bez zewnętrznego źródła zasilania. W tym celu używam menedżera baterii I2C BQ27542DRZ od Texas Instruments. Może on dokładnie monitorować stan rozładowania, dając dokładny odczyt wykorzystanego procentu mocy, a nie tylko przybliżenie, jakie dałoby patrzenie na napięcie. Nie implementuję żadnej funkcjonalności odcięcia baterii - koszt pojedynczej ogniwa 18650 blednie w porównaniu z potencjalnym odzyskaniem niezwykle drogiego zasobu z tego ostatniego pakietu danych przed wyłączeniem baterii. Dokładne monitorowanie rozładowania baterii pozwala firmware'owi przedłużyć żywotność urządzenia, umożliwiając mu długie okresy snu między sprawdzaniem i przekazywaniem danych z modemu komórkowego, jeśli zajdzie taka potrzeba. Modem komórkowy jest zdecydowanie największym konsumentem mocy, a monitorowanie jego zużycia energii i kontrolowanie jego użycia to najskuteczniejszy sposób na przedłużenie czasu pracy bez połączenia.

Sensing and Data Storage

Jak wspomniano powyżej, użycie modemu komórkowego jest świetnym sposobem na zmniejszenie czasu pracy urządzenia na baterii. Dlatego chcemy używać go jak najrzadziej, jednocześnie przekazując przydatne dane. Aby najlepiej wykorzystać modem, warto przechowywać dane do przesyłania w seriach, mikrokontroler nie ma dużej ilości miejsca w pamięci flash, więc najlepiej jest mieć zewnętrzną pamięć flash. Używam 4-megabajtowego układu pamięci flash SPI, który pozwoli na przechowywanie znacznej ilości danych o pozycji, ruchu lub innych zebranych danych, które mogą być okresowo przesyłane w seriach.

Jak wspomniałem na początku artykułu, urządzenie może być używane do predykcyjnego utrzymania ruchu, a EFM32TG obsługuje magistralę CAN, więc dodałem nadajnik-odbiornik CAN NCV7351D13R2G firmy ON Semiconductor, aby dane mogły być zbierane z systemu zarządzania silnikiem lub innego urządzenia z obsługą CAN. Te dane również mogą być zbierane na zewnętrznej pamięci flash, aby być przesyłane do usługi w chmurze w seriach.

Regulacja mocy/napięcia

Wiele moich ostatnich projektów miało silny nacisk na projektowanie przetwornic impulsowych, i to z dobrego powodu, ponieważ zasilacz często stanowi serce projektu, mówiąc elektrycznie. W tym projekcie zamierzamy zrobić rzeczy trochę inaczej. Ze względu na ograniczenia przestrzenne, staram się używać bardzo małych zintegrowanych modułów zamiast budować wiele regulatorów napięcia. Te moduły są wszystkie znacznie mniejsze niż regulator, który mógłbym zaprojektować, i często są mniejsze niż same dławiki, które bym użył.

Moją celem jest obsługa wejścia 10-35V, co pozwoliłoby na użycie zarówno 12 V jak i 24 V akumulatorów kwasowo-ołowiowych w stanie rozładowanym i w pełni naładowanym. Mając pojedynczą komórkę litową (3-4.2v) jako nasze zapasowe źródło zasilania i szeroki zakres napięć do obsługi, będę potrzebował pośredniego napięcia, z którego wszystko będzie działać.

Zdecydowałem się na 8 woltów dla napięcia pośredniego. Jest to nieco poniżej naszego minimalnego napięcia wejściowego i nie za daleko powyżej napięcia na pokładowym akumulatorze. Zapewnia to dobry punkt środkowy dla regulatorów, jednocześnie pozwalając na efektywne generowanie wymaganych 5 V, 3.8 V i 3.3 V dla naszych układów scalonych, oraz umożliwia działanie układu ładowania akumulatora.

Napięcie wejściowe jest stabilizowane przy użyciu modułu Monolithic Power Systems MPM3550, a wbudowany akumulator jest wzmacniany przy użyciu TPS61089. Nie udało mi się znaleźć odpowiedniego modułu przetwornicy podnoszącej, który byłby mniejszy niż rozwiązanie, które mogłem zbudować z TPS61089, jednak przetwornica podnosząca jest jedynym regulatorem na płycie, który nie jest modułem.

Napięcie pośrednie 8V jest następnie obniżane do 5V dla transceivera CAN przy użyciu liniowego regulatora MC78LC50, ponieważ pobór prądu jest dość niski. 3.8V jest dostarczane do modułu SARA przy użyciu modułu PMU8218 D, a 3.3V dla reszty systemu pochodzi z Texas Instruments LMZ21701SILT. Bardzo podobało mi się szukanie tych regulatorów. To naprawdę zadziwiające, ile mocy niektóre moduły są w stanie przełączyć z niewiarygodnie małych i stosunkowo tanich modułów.

Do natychmiastowego przełączania obciążenia z zasilania zewnętrznego na baterię używam tego samego Analog Devices LTC4414EMS, którego użyłem w moim poprzednim projekcie UPS 12V.

Schematy

W tym projekcie dzieje się całkiem sporo w porównaniu z niektórymi poprzednimi, więc zilustrowałem główny arkusz schematyczny z kilkoma notatkami, aby pokazać przepływ mocy przez system.

Moc Wejściowa

Zacznijmy od przyjrzenia się schematom od strony wejścia zasilania. Mając na celu dołączenie tego produktu do dużych generatorów i innych zakładów przemysłowych, musimy być bardzo ostrożni z mocą wejściową. Ogromne silniki rozruchowe w dużych generatorach mogą powodować ogromne napięcia zwrotne i inne chaosy.

Aby poradzić sobie z potencjalnie szkodliwym i niekonsekwentnym napięciem wejściowym podczas uruchamiania silnika, trochę przesadziłem z filtrem mocy wejściowej.

Jest ochrona przed odwrotną polaryzacją na obu wejściach napięcia, zarówno dodatnim, jak i ujemnym. Strona ujemna jest przez tranzystor N-Ch MOSFET IC1, który jest umieszczony w obwodzie „do tyłu”, co pozwala diodzie korpusu na przewodzenie prądu, co z kolei pozwala bramce na pełne otrzymywanie prądu, włączając FET. Aby chronić diodę korpusu, dodałem również zewnętrzną diodę, D5, aby zapewnić tę samą funkcję z bardziej tolerancyjnego urządzenia.

Po stronie pozytywnej znajduje się mini uchwyt bezpiecznika samochodowego, M1, po którym następują dwie diody TVS. Diody TVS mogą nie mieć zdolności do radzenia sobie z dużym przepięciem, jednak przewodzą wystarczająco duży prąd, aby spalić bezpiecznik i tym samym chronić obwód. Po tej podstawowej ochronie wejściowej znajduje się dioda do dalszej ochrony przed odwróceniem polaryzacji, kolejna dioda do ochrony przed przepięciami indukcyjnymi oraz podstawowy filtr EMI przewodzony. Regulator napięcia wejściowego deklaruje zgodność z klasą B CISPR22 w swojej karcie katalogowej i zaleca implementację filtra w schemacie dla zgodności z klasą 5 CISPR25. Ponieważ to urządzenie może być używane w środowisku samochodowym, warto dążyć do zgodności z klasą 5 CISPR25 pod kątem emisji przewodzonych.

W porównaniu do regulatorów w poprzednim projekcie, regulator wejściowy dla tego projektu jest bardzo prosty. Wszystko, co jest wymagane, to ustalenie częstotliwości za pomocą rezystora z sugerowanych w tabeli w karcie katalogowej, oraz obliczenie rezystora sprzężenia zwrotnego. Rezystor sprzężenia zwrotnego to po prostu rezystor równoległy do dzielnika napięcia sprzężenia zwrotnego na module. Kondensatory wejściowe i wyjściowe mają większą pojemność niż minimalna sugerowana przez kartę katalogową, wybrałem największą wartość, jaką mogłem, dla rozmiaru ceramicznego kondensatora 1210 (imperialnego) oraz zakresu napięcia wejściowego.

Zarządzanie Baterią

Projekt ładowania baterii jest bardzo prosty, prąd ustawiono na maksymalną wartość (1 A), na którą pozwala układ. Więcej o projektowaniu ładowania baterii można przeczytać w moim projekcie Zasilacza Awaryjnego 12 V.

Monitor komórek baterii wygląda na znacznie bardziej skomplikowany, niż jest w rzeczywistości.

Monitor baterii to w zasadzie tylko czujnik prądu, który sumuje cały prąd przepływający przez baterię. Rezystor pomiarowy prądu (R16) posiada podstawową sieć filtrującą, ale poza tym jest bezpośrednio podłączony do BQ27542DRZ, który oblicza całkowity zużyty prąd, dostępny następnie przez I2C.

Funkcjonalność UPS w tym module LTE/GNSS zapewnia LTC4414EMS oraz tranzystor MOSFET typu P-kanałowego. Jak wspomniałem wcześniej, nie będę tego zbytnio rozwijał, ponieważ zbudowaliśmy wokół tego cały projekt wcześniej. Warto tutaj zauważyć, że regulator 8 V dla baterii działa zawsze, jeśli zasilanie zostanie przerwane, gdy modem komórkowy nadaje z pełną mocą, na pokładzie nie ma wystarczającej pojemności, aby go zasilić, podczas gdy regulator potrzebuje kilku milisekund na uruchomienie.

Bateria do Napięcia Pośredniego

W tym projekcie jest tylko jeden niestandardowy regulator napięcia. Jak wspomniałem wcześniej, nie mogłem znaleźć odpowiednio małego i mocnego modułu regulatora podwyższającego. Ten TI TPS61089 to najmniejszy przetwornik podwyższający, jaki mogłem zaprojektować dla obecnych wymagań modułu komórkowego.

W tej konstrukcji mam minimalną pojemność wejściową, ponieważ baterie litowe mają wystarczająco niską rezystancję, że czuję, iż mogę trochę bardziej przesunąć granice, niż zrobiłbym to z źródłem zasilania, które nie jest w stanie tak szybko reagować na duże zapotrzebowanie prądowe. Podobnie, nie ma dużej ilości pojemności wyjściowej, ponieważ potrzeby tego regulatora są natychmiastowe i gdzie indziej w obwodzie jest wystarczająca pojemność buforowa.

Regulator pracuje z częstotliwością 2 MHz, co nieco obniża efektywność projektu, redukując ją do około 86% przy obciążeniu 2A, jednakże zmniejsza to tak bardzo rozmiar, że jest to warte kompromisu dla czasu pracy baterii. Są rzeczy, które mogę zrobić w oprogramowaniu, nie używając tak często radia, aby zrekompensować stratę mocy, ale oprogramowaniem nie mogę zmniejszyć rozmiaru płytki. Przy projekcie o efektywności 90%+ użyłbym więcej niż czterokrotnie większej przestrzeni na płytce.

Wiele Regulatorów

Najbardziej prądożądne urządzenie, modem komórkowy, wymaga do 2A przy 3.8V. Moduły zasilające Flex Power Modules PMU2818 są dość łatwe do zaimplementowania, większość wartości w moim schemacie (poza dzielnikiem sprzężenia zwrotnego) jest wzięta z wielu tabel w karcie danych, które sugerują wartości dla szerokiego zakresu napięć i warunków.

Pojemność wyjściowa jest ograniczona do tego, co powinno być umieszczone bezpośrednio obok modułu, ponieważ pojemność buforowa dla modemu komórkowego znajduje się na arkuszu schematu modemu. Większość układów logicznych na płycie pracuje na 3.3V, jednak mają one dość skromne wymagania prądowe. LMZ21701 jest tak samo łatwy w użyciu jak regulowany regulator liniowy, i potrzebny jest tylko opcjonalny kondensator miękkiego startu, aby wybrać czas uruchomienia.

W końcu, prosty stałowyjściowy LDO jest używany do dostarczenia zasilania 5 V. Transceiver CAN, który jest zasilany, ma wystarczająco niskie zapotrzebowanie na prąd, tak że regulator liniowy będzie miał znikomy wpływ na żywotność baterii.

Mikrokontroler Silicon Labs EFM32

Jedną z fajnych rzeczy w serii EFM32 jest to, że są one naprawdę łatwe do skonfigurowania, przynajmniej z punktu widzenia schematu, jeśli nie zamierzasz robić z nimi niczego zbyt szalonego. Jeśli chodzi o zewnętrzne komponenty wspomagające, to wszystko, czego naprawdę potrzebujesz, to kilka kondensatorów odsprzęgających. Nie potrzebuję zewnętrznego oscylatora o niskiej częstotliwości, ponieważ nie będę używał żadnej funkcjonalności, która go wymaga.

Po podłączeniu zasilania do mikrokontrolera, to tylko kwestia połączenia wszystkich twoich IO. Miałem nadzieję, że będę miał wystarczająco dużo IO dla tego projektu w tym modelu/opakowaniu, i wszystko idealnie się ułożyło. Mogłem zaoszczędzić trochę IO, gdybym potrzebował więcej, łącząc piny resetowania dla peryferiów.

Dla tego projektu zdecydowałem się użyć złączy wiązek z każdej kartki, zamiast po prostu używać portów. Wiązki sprawiają, że główna kartka wygląda bardzo czysto i trzyma wszystko razem, co zaoszczędziło mi zaskakująco dużo czasu w porównaniu z używaniem portów.

Rozważam również pamięć flash SPI jako część mikrokontrolera schematu. Pamięć flash SPI jest również bardzo łatwa do podłączenia, wystarczy tylko kondensator odsprzęgający lub podłączony magistrala komunikacyjna.

Moduł LTE uBlox SARA

Jedną z zalet używania modułów do większości funkcji w tym projekcie jest znacznie niższa liczba pozycji na liście materiałów BOM—wszystko wymaga znacznie mniej komponentów wspierających i mniej obliczeń wartości. Moduł LTE nie różni się w tym względzie od budowania własnego.

Główne elementy, na które należy zwrócić uwagę w schemacie LTE, to antena i karta SIM. Ścieżka anteny powinna być dopasowana impedancyjnie, a także powinna posiadać pewne elementy dostrajające. Używam sugerowanych wartości z karty katalogowej do strojenia anteny, jednak w rzeczywistym świecie należy przeprowadzić test za pomocą analizatora sieci wektorowej, aby określić rzeczywiste wartości wymagane dla twojej płytki drukowanej.

Istnieje 4-liniowa dioda TVS dla złącza karty SIM. Karta SIM jest bardzo prawdopodobnym źródłem wyładowań elektrostatycznych, wynikających z wkładania lub wyjmowania karty SIM, a bezpośrednie połączenie z modułem RF jest świetnym sposobem na uszkodzenie wyładowaniem, które mogłoby pogorszyć lub zniszczyć radio.

uBlox SARA używa 1,8v dla swoich linii IO, więc używam translatora poziomów logicznych Texas Instruments TXB0108PW, aby przekonwertować napięcia logiczne. Używałem ich w poprzednich projektach i byłem z nich bardzo zadowolony.

Wcześniej wspomniałem, gdy omawialiśmy zasilanie 3,8V, że pojemność buforowa została zapewniona na module LTE, i oto ona. Dla szczytowych wymagań prądowych jest to dość skromna ilość pojemności, jednak szczytowe zapotrzebowanie powinno być krótkotrwałe i mało prawdopodobne, aby zostało osiągnięte w większości okoliczności, dostarczone kondensatory są wystarczające, aby zapewnić prawidłowe działanie.

Jest również wiele mas na SARA... ogromna ilość pinów masy. Mam pełny symbol schematyczny części, który jest prawie całkowicie złożony z pinów masy!

uBlox NEO M8N GNSS

NEO-M8N posiada wiele peryferiów komunikacyjnych, zazwyczaj łączyłbym tylko linie uart, jednak, ponieważ mamy już na pokładzie I2C, pomyślałem, że byłoby interesujące połączyć je, aby zapewnić więcej opcji w przyszłości. Dodałem koraliki ferrytowe na wejściu oraz na liniach uart, aby zmniejszyć ilość przewodzonego EMI, które może dostać się do modułu.

Antena w idealnym świecie nie wymagałaby komponentów dostrajających, jednak w rzeczywistości prawdopodobnie są one potrzebne dla lepszej odpowiedzi. Nie mając płytki prototypowej przetestowanej na VNA, nie chciałem zgadywać, jakie mogą być niezgodności, ponieważ nie mogłem znaleźć wystarczająco dużo danych na temat anteny i modułu, aby obliczyć wartości. Jeśli budujesz własną wersję tego projektu, powinieneś rozważyć scharakteryzowanie płytki, modułu i anteny, aby odpowiednio dostroić ścieżkę RF dla optymalnej wydajności.

Moduł już zawiera filtr SAW i LNA, więc z anteną montowaną bezpośrednio przy module nie ma potrzeby dodawania więcej. Jeśli planujesz użyć zdalnej anteny zewnętrznej, możesz użyć pinu VCC_RF do zasilania aktywnej anteny z wbudowanym filtrem i LNA.

Akcelerometr

Akcelerometr, którego używam, jest jednym z najtańszych, który posiada przerwania i gesty. Bardzo lubię serię ST akcelerometrów, które mają możliwość generowania przerwań dla zdarzeń i gestów, takich jak ruch czy podwójne stuknięcie. W tej aplikacji, jeśli urządzenie jest używane wyłącznie do ochrony przed kradzieżą, całe urządzenie może zostać wprowadzone w głęboki sen z aktywnym tylko akcelerometrem i zasilaniem. Jeśli akcelerometr wykryje ruch, może obudzić mikrokontroler, który może zacząć go dokładniej monitorować.

Możesz się zastanawiać, gdzie były podciągające rezystory I2C na poprzednich schematach, no cóż, tutaj są! Akcelerometr był pierwszym urządzeniem I2C, dla którego sporządziłem schemat, i z ograniczoną przestrzenią na arkuszu mikrokontrolera, po prostu zostawiłem rezystory podciągające tam, gdzie były.

Przetwornik CAN

W końcu mamy przetwornik CAN, który może być podłączony do systemu zarządzania silnikiem. Złącze CAN to kolejne miejsce, przez które mogą wnikać transjenty, zarówno od technika podłączającego przewody, jak i od transjentów pochodzących z urządzenia, do którego przewody są podłączone podczas działania.

W następnej części

To jest dość duży projekt, więc na tym zakończę ten artykuł. W następnym artykule zajmę się trasowaniem płytki i sprawdzę, jak bardzo możemy ją zmniejszyć. Dwa moduły RF z pewnością stanowią wyzwanie dla małej płytki, z dość mocnym nadajnikiem i niezwykle czułym odbiornikiem szukającym sygnałów z kosmosu.

Z łączną liczbą 141 komponentów, nie licząc fiducjali, ten moduł LTE/GNSS będzie interesującym projektem trasowania.

Masz więcej pytań? Zadzwoń do eksperta w Altium.