Dự án Theo dõi Tài sản GNSS + LTE, Phần 1

Trong dự án của tuần này, tôi đang xây dựng một hệ thống theo dõi tài sản dựa trên LTE có thể được sử dụng cho một loạt các mục tiêu, như phòng chống trộm cắp (và khôi phục), theo dõi xe giao hàng hoặc xe vận chuyển, cũng như bảo dưỡng dự đoán nếu dữ liệu được thu thập kết hợp với một dịch vụ máy học phù hợp. Tất cả các dự án trước đây của tôi đều là các bảng mạch hai lớp mà không có bất kỳ hạn chế về không gian nào, nhưng tôi nhớ việc xây dựng các bảng mạch mật độ cao thực sự nhỏ gọn, vì vậy trong dự án này chúng ta sẽ hướng đến việc xây dựng mô-đun LTE/GNSS càng nhỏ càng tốt. Có rất nhiều điều cần bàn, vì vậy chúng ta sẽ xem xét các mục tiêu, lựa chọn linh kiện và sơ đồ mạch, và tiếp tục với Phần 2 sẽ tập trung vào thiết kế và bố trí PCB.

Có nhiều ứng dụng cho một dự án như thế này, nếu được lắp đặt trên xe buýt hoặc xe khách, dữ liệu GNSS có thể được báo cáo trở lại cho công ty vận tải để cung cấp cập nhật vị trí, từ đó có thể được sử dụng để cung cấp cho khách hàng ước lượng thời gian đến của dịch vụ tiếp theo, và trên quy mô lớn hơn, được sử dụng để cải thiện lịch trình và dữ liệu thời gian dừng. Nếu thiết bị này được lắp đặt trong một tài sản có giá trị cao, dễ di chuyển, như một tháp đèn xây dựng, máy phát điện, hoặc các thiết bị khác thường được để lại ở những khu vực hẻo lánh và là mục tiêu cho việc trộm cắp, việc di chuyển không lên kế hoạch của tài sản có thể kích hoạt phản ứng từ cảnh sát hoặc bảo vệ. Nó cũng có thể được sử dụng để đảm bảo một tài sản ở lại trong một khu vực được định vị trước.

Phía trên là thiết kế PCB mà bạn sẽ đọc về trong Altium 365 Viewer, một cách miễn phí để kết nối với đồng nghiệp, khách hàng, và bạn bè với khả năng xem thiết kế hoặc tải xuống chỉ với một cú nhấp chuột! Tải lên thiết kế của bạn trong vài giây và có một cách tương tác để xem xét kỹ lưỡng mà không cần phần mềm cồng kềnh hoặc sức mạnh máy tính.

GNSS Asset Tracking là gì?

Theo dõi tài sản là một mục tiêu tuyệt vời, nhưng có một số công cụ học máy tuyệt vời và hệ thống dựa trên đám mây được cung cấp, có thể được kết nối với một thiết bị có thể tối ưu hóa lịch trình bảo dưỡng hoặc tự động cảnh báo nhân viên về nhu cầu cần gửi kỹ thuật viên đến một địa điểm. Tôi sẽ thêm một IC bus CAN cơ bản vào mạch cũng như một cảm biến gia tốc để cho phép dữ liệu được thu thập từ hệ thống quản lý động cơ và thu thập dữ liệu rung động (mà các hệ thống học máy rất giỏi trong việc chuyển đổi thành hệ thống cảnh báo sự cố sớm). Cảm biến gia tốc cũng hữu ích ở chỗ nó có thể phát hiện liệu đối tượng có bị di chuyển khi tín hiệu GNSS kém hoặc bị nhiễu, cho phép thêm các lựa chọn cho an ninh.

Những kẻ trộm có kinh nghiệm quá biết đến các thiết bị theo dõi, và họ có thể cắt cáp ắc quy để một thiết bị theo dõi tài sản không thể hoạt động - vì vậy tôi sẽ xây dựng một cell pin lithium polymer đơn để cung cấp năng lượng cho hệ thống nếu ắc quy chính của nó bị ngắt kết nối. Điều này cũng sẽ đảm bảo hoạt động liên tục của thiết bị qua các sự kiện như một máy phát điện lớn khởi động, và gây ra một lượng lớn sụt áp trên ắc quy, đặc biệt trong thời tiết lạnh.

Tôi đang hướng đến việc xây dựng thiết bị này càng nhỏ càng tốt và theo cách mà nó có thể được giấu kín. Nhiều hệ thống theo dõi thương mại mà tôi đã thấy được sử dụng đều đắt đỏ, cồng kềnh, khó lắp đặt và dễ dàng bị kẻ trộm vô hiệu hóa hoặc tháo rời. Mặc dù tôi không cụ thể tối ưu hóa dự án này để có chi phí thấp, nhưng tôi đang cố gắng sử dụng các thành phần có chi phí thấp nhất có thể đáp ứng được yêu cầu và thực hiện chức năng của chúng một cách tốt nhất.

Như mọi khi, bạn có thể tìm thấy dự án này cùng với tất cả các dự án khác của tôi trên GitHub dưới giấy phép MIT rất thoải mái. Giấy phép MIT cơ bản cho phép bạn làm bất cứ điều gì với thiết kế, từ sao chép một phần nhỏ của nó đến sản xuất hàng loạt như nó vốn có, miễn là bạn biết rằng có thể có lỗi và cả bản thân tôi lẫn Altium không thể chịu trách nhiệm cho bất kỳ vấn đề nào.

Thành phần trong dự án này đều đến từ thư viện Altium Designer® mã nguồn mở của tôi, Thư viện Celestial Altium. Điều này cho phép bạn nhanh chóng tái sử dụng các phần của dự án này trong công việc của riêng bạn.

Lựa Chọn Thành Phần

Trước khi chúng ta bắt đầu xem xét những thành phần quan trọng, tôi chỉ muốn lưu ý rằng vì tôi đang thiết kế này để nó nhỏ nhất có thể, tôi đang sử dụng các bộ phận cỡ 0201 (hệ đo lường Imperial) ở mọi nơi có thể cho các linh kiện bị động. Tôi sẽ sử dụng cỡ 01005 (hệ đo lường Imperial), tuy nhiên tôi gặp khó khăn khi tự mình làm mẫu thử với những cái đó—vì vậy tôi sẽ tiếp tục sử dụng cỡ lớn hơn là 0201, điều này cho phép tôi xây dựng một mẫu thử chỉ với một khuôn dán, nhíp, và lò hồi lưu. Dự án này có thể được thu nhỏ hơn nữa với các bộ phận cỡ 01005.

LTE/GNSS Module

Yêu cầu của tôi đối với một mô-đun LTE/GNSS khá đơn giản, nhưng chúng loại trừ nhiều lựa chọn mà tôi thường sử dụng. Vì đây là một dự án ví dụ, mô-đun phải được chứng nhận sử dụng ở bất kỳ quốc gia nào hoặc có các biến thể cho các khu vực khác nhau. Ngoài ra, tôi muốn sử dụng một mô-đun có sẵn tại các nhà phân phối linh kiện lớn, vì vậy nếu bạn muốn xây dựng một trong những bộ theo dõi này, bạn có thể làm mà không cần phải tìm kiếm nhà cung cấp. Chúng tôi cũng đặc biệt tìm kiếm các mô-đun đã được chứng nhận trước. Nếu sử dụng đúng cách, điều này cho phép bảng mạch hoàn chỉnh được chứng nhận là một bức xạ không chủ ý chứa một bức xạ chủ ý đã được chứng nhận trước. Việc làm này cho phép xây dựng và chứng nhận số lượng rất thấp của bảng mạch này mà không cần chi phí tương đối lớn của việc chứng nhận bức xạ chủ ý.

5 năm qua chứng kiến sự tăng trưởng vượt bậc về số lượng và mức độ sẵn có của các module di động tại các nhà phân phối lớn. 10 năm trước, việc tìm kiếm một module di động có thể sử dụng toàn cầu tại một nhà cung cấp lớn (như Mouser hoặc Digi-Key) có thể là một thách thức, đặc biệt là với mức giá thấp, bất chấp sự đa dạng của các sản phẩm có sẵn. Với sự phát triển của Internet vạn vật, nhu cầu về kết nối di động cho các thiết bị như thiết bị tôi đang thiết kế ngày càng tăng. Do đó, băng tần LTE đặc biệt phục vụ cho các thiết bị IoT với các băng tần LTE Cat-M1 và NB-IoT. Những băng tần này được thiết kế đặc biệt để đáp ứng nhu cầu của các thiết bị tiêu thụ điện năng thấp chạy bằng pin, miễn là thiết bị chủ yếu gửi một lượng nhỏ dữ liệu.

Với điều này trong tâm trí, tôi đã chọn module uBlox SARA -R410M, có các tùy chọn cho tất cả các khu vực lớn trên toàn cầu. Nó có sẵn từ các nhà phân phối lớn và giá cả khá hợp lý. Đây là một modem di động rất hiện đại hỗ trợ các tiêu chuẩn LTE mới nhất trong khi vẫn có khả năng tương thích ngược với các tiêu chuẩn thế hệ trước cho các khu vực gặp khó khăn về phủ sóng. Ứng dụng này sẽ không bắt đầu sử dụng tất cả các tính năng của module, vì chúng tôi chỉ cần internet cơ bản với tốc độ dữ liệu thấp.

Tôi sẽ kết hợp mô-đun SARA với bảng anten đa băng tần ANT-LTE-CER-T của Linx Technologies.

Mô-đun Nhận Dạng GNSS

Một yêu cầu quan trọng cho dự án này là độ chính xác vị trí - điều cực kỳ quan trọng là bộ thu radio định vị phải có khả năng nhận tín hiệu từ nhiều vệ tinh. Cách tốt nhất để làm điều này là sử dụng một mô-đun nhận dạng Hệ thống Định vị Vệ tinh Toàn cầu (GNSS) thay vì chỉ sử dụng GPS. Điều này cho phép hệ thống có khả năng nhận dữ liệu định vị từ GPS (Mỹ), GLONASS (Nga), Galileo (EU), và BeiDou (Trung Quốc) - tăng đáng kể số lượng vệ tinh được sử dụng cho việc định vị. Xét rằng thiết bị này có thể sẽ được lắp đặt tại một vị trí kín đáo, nó có thể có tầm nhìn khó khăn với bầu trời, vì vậy việc có thêm nhiều vệ tinh tiềm năng trong tầm nhìn chắc chắn là một điều tốt.

Trong các dự án trước, tôi đã gặp khó khăn trong việc tìm kiếm bất kỳ mô-đun GNSS nào có thể vượt qua được dòng uBlox 8, vì vậy dự án này sẽ tập trung vào uBlox. Mô-đun cụ thể mà tôi sẽ sử dụng là uBlox NEO-M8N, có bộ nhớ flash cho phép cập nhật firmware. Điều này đắt hơn so với các lựa chọn khác trong dòng 8, nhưng tôi cảm thấy việc cập nhật firmware trong các thiết bị như thế này đáng giá chi phí.

Dù bộ thu GNSS không cần phải được chứng nhận, tôi vẫn thích sử dụng phiên bản mô-đun của uBlox hơn là IC trần, vì nó đi kèm với bộ lọc SAW và LNA trên bo mạch, giúp tiết kiệm công sức thiết kế và điều chỉnh sản phẩm cuối cùng. Nó cũng được đặt trong một vỏ bảo vệ chống nhiễu RF, điều này là một lợi ích lớn cho sản phẩm này, vì nó sẽ được đặt gần modem LTE mạnh mẽ, có thể hoạt động ở các tần số gần với băng tần GNSS L1. Nếu tôi không sử dụng mô-đun có vỏ bảo vệ, tôi sẽ cần phải làm một vỏ chống nhiễu RF cho bo mạch này, làm tăng thêm chi phí kỹ thuật.

Vi điều khiển

Nếu nguồn điện ngoại vi bị ngắt kết nối với thiết bị theo dõi, thiết bị này sẽ cần phải hoạt động trong thời gian dài từ pin trên bo mạch để tiếp tục cung cấp khả năng theo dõi tài sản. Các mô-đun radio này có thể được đặt vào chế độ ngủ tiết kiệm năng lượng thấp, vì vậy tôi muốn sử dụng một vi điều khiển có thể đạt được mức tiêu thụ năng lượng rất thấp khi ngủ. Tôi cũng cần một vi điều khiển tương đối gọn nhẹ.

Với những yêu cầu này, tôi đã trực tiếp chọn dòng EFM32 của Silicon Labs. Tôi đã từng thực hiện các bài kiểm tra rộng rãi trên một loạt các vi điều khiển ARM cũng như một số vi điều khiển 8 và 16 bit và dòng EFM32, những cái mà không thể đánh bại về mức tiêu thụ năng lượng thấp và sự dễ dàng đưa chúng vào và ra khỏi các trạng thái ngủ tiết kiệm năng lượng.

Đối với dự án này, EFM32 Tiny Gecko là sự đánh đổi tốt nhất giữa chi phí, chức năng, kích thước và năng lượng. Cụ thể, tôi đang sử dụng EFM32TG11B520F128GM32-B, có gói 5x5mm QFN32 và không cần tinh thể ngoại vi, giúp tiết kiệm không gian hơn nữa.

Sạc và Quản lý Pin

Nhiều IC sạc pin hiện có chỉ được thiết kế cho đầu vào 5 V. Tôi muốn điện áp trung gian chung trên bo mạch này là 8 V vì một số lý do mà chúng ta sẽ sớm tìm hiểu—điều này loại bỏ nhiều IC sạc pin đơn không hỗ trợ đầu vào hơn 6 V. Dự án này không cần khả năng sạc nhanh, vì pin chỉ hoạt động như một nguồn cung cấp điện không gián đoạn, với thiết bị dự kiến luôn được cắm vào. Do đó, tôi không quá lo lắng về dòng sạc, chỉ quan tâm đến điện áp đầu vào và không gian.

Tôi quyết định sử dụng Texas Instruments BQ24040DSQR, với dòng sạc tối đa 1 A, nó hơn là đủ cho nhu cầu của tôi. Ngoài ra, gói PWSON chỉ có kích thước 2x2mm, đáp ứng yêu cầu về một mô-đun LTE/GNSS gọn nhẹ.

Ngoài việc sạc pin, chúng ta cũng cần biết trạng thái sạc nếu như chúng ta đang hoạt động không kết nối với nguồn điện bên ngoài. Vì lý do này, tôi sử dụng bộ quản lý pin I2C BQ27542DRZ của Texas Instruments. Nó có thể theo dõi chính xác trạng thái xả pin, cung cấp một chỉ số chính xác về phần trăm năng lượng đã sử dụng thay vì một ước lượng như khi chỉ nhìn vào điện áp. Tôi không triển khai bất kỳ chức năng cắt pin nào - chi phí của một cell 18650 đơn lẻ nhỏ bé so với khả năng phục hồi một tài sản cực kỳ đắt giá từ gói dữ liệu cuối cùng trước khi pin bị hết. Bằng cách theo dõi chính xác việc xả pin, firmware có thể kéo dài tuổi thọ của thiết bị bằng cách ngủ trong thời gian dài giữa các lần kiểm tra và phản hồi dữ liệu từ modem di động nếu cần. Modem di động là người tiêu thụ năng lượng lớn nhất, và việc theo dõi mức tiêu thụ năng lượng của nó và kiểm soát việc sử dụng là cách hiệu quả nhất để kéo dài thời gian chạy không kết nối.

Cảm biến và Lưu trữ Dữ liệu

Như đã đề cập ở trên, việc sử dụng modem di động là một cách tuyệt vời để giảm thời lượng pin của thiết bị. Do đó, chúng ta muốn sử dụng nó càng ít càng tốt, trong khi vẫn cung cấp dữ liệu hữu ích. Để tận dụng tốt nhất modem, đáng giá khi lưu trữ dữ liệu để truyền tải theo từng đợt, vi điều khiển không có nhiều không gian flash nên tốt nhất là có một flash ngoài. Tôi đang sử dụng một IC flash SPI 4 megabyte sẽ cho phép lưu trữ một lượng đáng kể dữ liệu về vị trí, chuyển động, hoặc dữ liệu khác đã thu thập để được truyền tải định kỳ theo từng đợt.

Như tôi đã đề cập ở đầu bài viết, thiết bị có thể được sử dụng cho bảo dưỡng dự đoán và EFM32TG hỗ trợ bus CAN, vì vậy tôi đã thêm một bộ thu phát CAN NCV7351D13R2G của ON Semiconductor để dữ liệu có thể được thu thập từ hệ thống quản lý động cơ hoặc thiết bị khác hỗ trợ CAN. Dữ liệu này cũng có thể được thu thập trên flash ngoài để được truyền tải đến một dịch vụ đám mây theo từng đợt như vậy.

Điều chỉnh Nguồn/Điện áp

Nhiều dự án gần đây của tôi đã tập trung mạnh vào thiết kế nguồn cung cấp điện chuyển mạch, và có lý do chính đáng, bởi vì nguồn cung cấp thường là trái tim của một dự án, về mặt điện. Trong dự án này, chúng ta sẽ làm một chút khác biệt. Do hạn chế về không gian, tôi đang cố gắng sử dụng các mô-đun tích hợp nhỏ gọn thay vì xây dựng nhiều bộ điều chỉnh điện áp. Những mô-đun này đều nhỏ hơn nhiều so với một bộ điều chỉnh mà tôi có thể thiết kế, và chúng thường còn nhỏ hơn cả các cuộn cảm mà tôi sẽ sử dụng một mình.

Mục tiêu của tôi là hỗ trợ đầu vào 10-35V, điều này sẽ cho phép sử dụng với cả pin axit chì 12 V và 24 V ở trạng thái xả và sạc đầy. Với một cell lithium duy nhất (3-4.2v) làm bộ dự phòng pin và một phạm vi điện áp rộng để hỗ trợ, tôi sẽ cần một điện áp trung gian cho mọi thứ chạy từ đó.

Tôi đã chọn 8 volt cho điện áp trung gian. Nó chỉ thấp hơn một chút so với điện áp đầu vào tối thiểu của chúng tôi và không quá cao so với điện áp pin trên bo. Điều này cung cấp một điểm trung bình tốt cho các bộ điều chỉnh trong khi vẫn cho phép tạo ra hiệu quả điện áp 5 V, 3.8 V và 3.3 V cần thiết cho các IC của chúng tôi, và cho IC sạc pin chạy từ đó.

Đầu vào được điều chỉnh thông qua mô-đun Monolithic Power Systems MPM3550, và pin trên bo mạch được tăng cường sử dụng TPS61089. Tôi không thể tìm thấy một mô-đun bộ tăng áp phù hợp nào nhỏ hơn giải pháp mà tôi có thể xây dựng với TPS61089, tuy nhiên bộ tăng áp là bộ điều chỉnh duy nhất không phải mô-đun trên bo mạch.

Điện áp trung gian 8v sau đó được giảm xuống còn 5V cho bộ thu phát CAN sử dụng bộ điều chỉnh tuyến tính MC78LC50 vì dòng điện kéo là khá thấp. 3.8V được cung cấp cho mô-đun SARA sử dụng mô-đun PMU8218 D, và 3.3V cho phần còn lại của hệ thống đến từ Texas Instruments LMZ21701SILT. Tôi thực sự thích tìm kiếm những bộ điều chỉnh này. Thật là kinh ngạc khi thấy một số mô-đun có thể chuyển đổi bao nhiêu năng lượng từ những mô-đun nhỏ và tương đối rẻ tiền.

Đối với việc chuyển đổi tải tức thì từ nguồn ngoại vi sang pin, tôi sử dụng cùng một Analog Devices LTC4414EMS mà tôi đã sử dụng trong dự án UPS 12V trước đây của mình.

Sơ đồ mạch

Có khá nhiều điều diễn ra trong dự án này so với một số dự án trước, vì vậy tôi đã minh họa sơ đồ mạch cấp cao nhất với một số ghi chú để hiển thị dòng điện qua hệ thống.

Nguồn Điện Đầu Vào

Hãy bắt đầu xem xét sơ đồ từ nguồn điện vào. Với mục tiêu kết nối sản phẩm này với các máy phát điện lớn và các nhà máy công nghiệp khác, chúng ta cần phải rất cẩn thận với nguồn điện vào. Các động cơ khởi động lớn trong máy phát điện lớn có thể gây ra điện áp phản hồi khổng lồ và các loạn lạc khác.

Để xử lý điện áp vào tiềm ẩn gây hại và không ổn định trong khi động cơ được khởi động, tôi đã hơi quá mức với bộ lọc nguồn điện vào.

Có bảo vệ cực ngược trên cả hai đầu vào điện áp dương và âm. Phía âm thông qua IC N-Ch MOSFET IC1 được đặt vào mạch ‘ngược lại’, cho phép diode thân thực hiện dẫn dòng, từ đó cho phép cổng nhận dòng điện đầy đủ, bật FET. Để bảo vệ diode thân, tôi cũng đã thêm một diode bên ngoài, D5, để cung cấp cùng một chức năng từ một thiết bị dung sai cao hơn.

Về mặt tích cực, có một giá đỡ cầu chì mini dành cho ô tô, M1, tiếp theo là hai diode TVS. Các diode TVS có thể không có khả năng xử lý một dòng điện lớn, tuy nhiên chúng sẽ dẫn đủ dòng điện để làm cháy cầu chì và do đó bảo vệ mạch. Sau bảo vệ đầu vào cơ bản này là một diode để bảo vệ chống ngược cực, một diode khác để bảo vệ khỏi hiện tượng flyback và một bộ lọc EMI dẫn cơ bản. Bộ điều chỉnh điện áp đầu vào tuyên bố tuân thủ CISPR22 Lớp B trong bảng dữ liệu của nó và khuyến nghị việc triển khai bộ lọc trong sơ đồ mạch cho tuân thủ CISPR25 Lớp 5. Vì thiết bị này có thể được sử dụng trong môi trường ô tô, CISPR25 Lớp 5 đáng được nhắm đến cho tuân thủ phát thải dẫn.

So với các bộ điều chỉnh trong dự án trước, bộ điều chỉnh đầu vào cho thiết kế này rất đơn giản. Tất cả những gì cần làm là thiết lập tần số sử dụng một điện trở từ các gợi ý trong bảng dữ liệu, và tính toán điện trở phản hồi. Điện trở phản hồi chỉ là một điện trở song song với bộ chia điện áp phản hồi trên mô-đun. Các tụ điện đầu vào và đầu ra có dung lượng lớn hơn so với giá trị tối thiểu được đề xuất trong bảng dữ liệu, tôi đã chọn giá trị lớn nhất mà tôi có thể cho kích thước tụ điện gốm 1210 (hệ đo lường Anh) và phạm vi điện áp đầu vào.

Quản lý Pin

Thiết kế sạc pin rất đơn giản, dòng điện được thiết lập ở mức tối đa (1 A) mà chip có thể xử lý. Bạn có thể đọc thêm về thiết kế sạc pin trong dự án Nguồn cung cấp điện không gián đoạn 12 V của tôi.

Mạch giám sát cell pin trông phức tạp hơn nhiều so với thực tế.

Bản chất, mạch giám sát pin chỉ là một cảm biến dòng điện đang tính toán tổng số dòng điện chảy qua pin. Điện trở cảm biến dòng (R16) có một mạng lọc cơ bản trên nó, nhưng ngoài ra chỉ kết nối trực tiếp với BQ27542DRZ, mà sau đó tính toán tổng dòng điện đã sử dụng có thể truy cập qua I2C.

Chức năng UPS trên mô-đun LTE/GNSS này được cung cấp bởi LTC4414EMS và một MOSFET kênh P. Như tôi đã nói trước đó, tôi sẽ không đi sâu vào điều này quá nhiều, vì chúng tôi đã xây dựng một dự án hoàn chỉnh xung quanh điều này trước đó. Đáng chú ý ở đây là bộ điều chỉnh 8 V cho pin luôn hoạt động, nếu nguồn điện bị gián đoạn khi modem di động đang truyền tải với công suất tối đa, không có đủ dung lượng tụ điện trên bo mạch để cung cấp điện cho nó trong khi một bộ điều chỉnh mất vài mili giây để khởi động.

Pin sang Điện áp Trung gian

Trong dự án này chỉ có một bộ điều chỉnh điện áp tùy chỉnh duy nhất. Như tôi đã đề cập trước đó, tôi không thể tìm thấy một mô-đun tăng áp nhỏ gọn và công suất cao phù hợp. Bộ chuyển đổi tăng áp nhỏ nhất mà tôi có thể thiết kế cho các yêu cầu dòng điện của mô-đun di động này là TI TPS61089.

Tôi đã sử dụng dung lượng tụ đầu vào tối thiểu trong thiết kế này, bởi vì pin lithium có điện trở đủ thấp mà tôi cảm thấy có thể đẩy giới hạn một chút xa hơn so với khi sử dụng nguồn điện không thể đáp ứng nhanh chóng với nhu cầu dòng điện lớn. Tương tự, không có nhiều dung lượng tụ đầu ra, vì chỉ cần đáp ứng nhu cầu ngay lập tức của bộ điều chỉnh này, ở nơi khác trong mạch đã có đủ dung lượng tụ lớn.

Tôi đang chạy bộ điều chỉnh ở tần số 2Mhz, điều này làm giảm hiệu suất của thiết kế một chút, giảm xuống còn khoảng 86% dưới tải 2A, tuy nhiên, nó giảm kích thước đến mức đáng để đánh đổi với tuổi thọ pin. Có những việc tôi có thể làm trong phần mềm bằng cách không sử dụng radio thường xuyên để bù đắp cho sự mất mát năng lượng, nhưng với phần mềm tôi không thể làm cho bảng mạch nhỏ hơn. Với một thiết kế hiệu suất cao hơn 90%, tôi sẽ sử dụng nhiều hơn bốn lần không gian bảng mạch.

Nhiều Bộ Điều Chỉnh

Thiết bị tiêu thụ năng lượng nhiều nhất, modem di động, yêu cầu tới 2A ở 3.8V. Các Mô-đun Nguồn Linh hoạt PMU2818 khá dễ dàng để triển khai hầu hết các giá trị trong sơ đồ của tôi (ngoại trừ bộ chia phản hồi) được rút ra từ nhiều bảng trong bảng dữ liệu, có giá trị đề xuất cho một loạt các điện áp và điều kiện.

Điện dung đầu ra bị giới hạn ở mức nên được đặt ngay cạnh mô-đun, vì điện dung lớn cho modem di động nằm trên tờ sơ đồ của modem. Phần lớn các IC logic trên bảng mạch là 3.3V, tuy nhiên, chúng có nhu cầu dòng điện khá khiêm tốn. LMZ21701 dễ sử dụng như một bộ điều chỉnh tuyến tính có thể điều chỉnh, và chỉ cần một tụ điện khởi động mềm tùy chọn để chọn thời gian khởi động.

Cuối cùng, một LDO đầu ra cố định đơn giản được sử dụng để cung cấp nguồn điện 5 V. Bộ thu phát CAN mà nó cung cấp điện có nhu cầu dòng điện đủ thấp đến mức bộ điều chỉnh tuyến tính sẽ có ảnh hưởng không đáng kể đến tuổi thọ pin.

Vi điều khiển Silicon Labs EFM32

Một trong những điều tuyệt vời về dòng EFM32 là chúng thực sự dễ dàng để thiết lập, ít nhất là từ góc độ sơ đồ mạch, nếu bạn không định làm gì quá phức tạp với chúng. Về phần linh kiện hỗ trợ bên ngoài, tất cả những gì bạn thực sự cần chỉ là vài tụ bù. Tôi không cần dao động kỹ thuật số bên ngoài tần số thấp vì tôi sẽ không sử dụng bất kỳ chức năng nào đòi hỏi nó.

Sau khi cấp nguồn cho vi điều khiển, chỉ cần kết nối tất cả các IO của bạn. Tôi hy vọng rằng mình sẽ có đủ IO cho dự án này trên mô hình/gói này, và mọi thứ đã diễn ra đúng như mong đợi. Tôi có thể tiết kiệm một số IO nếu tôi cần thêm bằng cách kết hợp các chân reset cho các thiết bị ngoại vi.

Đối với dự án này, tôi quyết định sử dụng các kết nối dây từ mỗi tờ, thay vì chỉ sử dụng cổng. Dây đai làm cho tờ cấp cao nhất trông rất gọn gàng, và giữ mọi thứ lại với nhau, điều này đã tiết kiệm cho tôi một lượng thời gian đáng ngạc nhiên so với việc sử dụng cổng.

Tôi cũng xem xét bộ nhớ flash SPI như một phần của phần vi điều khiển trong sơ đồ mạch. Bộ nhớ flash SPI cũng rất dễ kết nối, chỉ cần một tụ bù hoặc bus truyền thông được kết nối.

uBlox SARA LTE Module

Một trong những điều tốt khi sử dụng các module cho hầu hết các chức năng trong dự án này là số lượng BOM thấp hơn nhiều—mọi thứ đều cần ít linh kiện hỗ trợ hơn và ít tính toán giá trị hơn. Module LTE cũng không khác biệt so với việc tự xây dựng.

Những điều chính cần lưu ý trên sơ đồ LTE là ăng-ten và thẻ SIM. Đường dẫn ăng-ten cần được khớp trở kháng, và cũng cần có một số linh kiện điều chỉnh. Tôi đang sử dụng các giá trị được đề xuất từ bảng dữ liệu để điều chỉnh ăng-ten, tuy nhiên một bài kiểm tra thực tế nên được thực hiện với một máy phân tích mạng vectơ để xác định các giá trị thực tế cần thiết cho bảng mạch của bạn.

Có một diode TVS 4 dòng cho kết nối thẻ sim. Một thẻ SIM là một nguồn có khả năng cao cho một sự phóng điện tĩnh từ việc ai đó lắp vào hoặc tháo thẻ SIM, và được kết nối trực tiếp với module RF là một cách tuyệt vời để nhận một sự phóng điện hủy hoại có thể làm suy giảm hoặc phá hủy radio.

uBlox SARA sử dụng 1.8v cho các dòng IO của nó, vì vậy tôi đang sử dụng bộ chuyển đổi mức logic Texas Instruments TXB0108PW để chuyển đổi các điện áp logic. Tôi đã sử dụng chúng trong các dự án trước và rất hài lòng với chúng.

Tôi đã đề cập trước đó khi thảo luận về nguồn cung cấp điện 3.8V rằng dung lượng tụ điện lớn được cung cấp trên chính mô-đun LTE, và đây là nó. Đối với nhu cầu dòng điện cao đỉnh, đây là một lượng dung lượng tụ điện khá khiêm tốn, tuy nhiên, nhu cầu đỉnh nên chỉ tồn tại trong thời gian ngắn và khó có khả năng đạt được trong hầu hết các trường hợp, các tụ điện được cung cấp đủ để đảm bảo hoạt động chính xác.

Cũng có rất nhiều mặt đất trên SARA... một lượng lớn chân mặt đất. Tôi có một phần biểu tượng sơ đồ đầy đủ gần như toàn bộ là chân mặt đất!

uBlox NEO M8N GNSS

NEO-M8N có rất nhiều phần tử giao tiếp, thông thường tôi chỉ kết nối các dòng uart, tuy nhiên, vì chúng tôi đã có I2C trên bo mạch rồi nên tôi nghĩ sẽ thú vị khi kết nối chỉ để cung cấp thêm nhiều lựa chọn trong tương lai. Tôi đã thêm các hạt ferrite trên đầu vào và trên các dòng uart để giảm lượng EMI dẫn truyền có thể vào mô-đun.

Trong một thế giới lý tưởng, ăng-ten sẽ không cần các thành phần điều chỉnh, tuy nhiên, nó có thể sẽ cần để có phản hồi tốt hơn. Không có một bảng mạch mẫu được kiểm tra trên VNA, tôi không muốn đoán xem sự không khớp có thể là gì, vì tôi không thể tìm đủ dữ liệu về ăng-ten và mô-đun để tính toán các giá trị. Nếu bạn đang xây dựng phiên bản của riêng mình cho dự án này, bạn nên xem xét việc đặc tính hóa bảng mạch, mô-đun và ăng-ten để điều chỉnh đúng cách đường dẫn RF cho hiệu suất tối ưu.

Mô-đun đã bao gồm một bộ lọc SAW và LNA, vì vậy với ăng-ten được gắn trực tiếp vào mô-đun không cần phải thêm nữa. Nếu bạn đang lên kế hoạch sử dụng ăng-ten từ xa ngoài bảng mạch, bạn có thể sử dụng chân VCC_RF để cấp nguồn cho ăng-ten hoạt động với bộ lọc và LNA tích hợp.

Gia tốc kế

Cảm biến gia tốc mà tôi đang sử dụng là một trong những loại rẻ nhất có chức năng ngắt và cử chỉ. Tôi thực sự thích dòng ST của cảm biến gia tốc có khả năng tạo ra ngắt cho các sự kiện và cử chỉ, như một chuyển động hoặc chạm đúp. Đối với ứng dụng này, nếu thiết bị chỉ được sử dụng hoàn toàn cho chống trộm, toàn bộ thiết bị có thể được đưa vào trạng thái ngủ sâu chỉ với cảm biến gia tốc và nguồn điện hoạt động. Nếu cảm biến gia tốc phát hiện chuyển động, nó có thể đánh thức vi điều khiển, từ đó có thể bắt đầu giám sát nó một cách chặt chẽ hơn.

Bạn có thể đã tự hỏi điện trở kéo lên I2C ở đâu trên các bản vẽ mạch trước đây, đây chính là chúng! Cảm biến gia tốc là thiết bị I2C đầu tiên tôi lập sơ đồ mạch cho, và với không gian hạn chế trên bản vẽ vi điều khiển, tôi chỉ để các điện trở kéo lên ở nguyên vị trí của chúng.

Bộ Thu Phát CAN

Cuối cùng, chúng ta có một bộ thu phát CAN có thể được kết nối với hệ thống quản lý động cơ. Cổng kết nối CAN là một nơi khác mà các xung đột có thể xâm nhập, hoặc từ một kỹ thuật viên kết nối các dây, hoặc từ các xung đột đến từ thiết bị mà các dây được kết nối đến trong quá trình hoạt động.

Trong Phần Tiếp Theo

Đây là một dự án khá lớn, vì vậy tôi sẽ phải dừng lại ở đây cho bài viết này. Trong bài viết tiếp theo, tôi sẽ tiến hành định tuyến cho bảng mạch và xem chúng ta có thể làm cho nó nhỏ gọn đến mức nào. Hai mô-đun RF chắc chắn tạo nên một thách thức lớn cho một bảng mạch nhỏ, với một bộ phát công suất tương đối cao và một bộ thu cực kỳ nhạy cảm tìm kiếm tín hiệu từ vũ trụ.

Với tổng cộng 141 linh kiện, không bao gồm các điểm fiducial, mô-đun LTE/GNSS này sẽ là một dự án định tuyến thú vị.

Có thêm câu hỏi? Hãy gọi cho chuyên gia tại Altium.