WS6318 – самый маленький в мире GSM-модуль

Компания Sierra Wirelss, мировой лидер в области GSM-технологий для M2M-рынка, является ключевым поставщиком на рынке ведущих мобильных сетевых операторов, а также производителей оборудования для мобильных компьютеров, сетевой и промышленной автоматизации и энергетического сегмента рынка. Усилия компании сосредоточены как в развитии аппаратной базы, так и в области программного обеспечения. Компания предлагает как решения в области программного обеспечения для встраиваемых систем, так и ПО системного уровня, позволяющее объединить объекты, работающие с продукцией Sierra Wireless, в единую информационную среду. Подтверждением высокого уровня продуктов компании является получение в 2010 престижной награды GSM-ассоциации в категории «Лучший GSM-модуль для сетей 2G» [4]. Среди всех претендентов экспертное жюри выбрало GSM-модуль AirPrime^TM SL6087EDGE за сочетание технических характеристик, интеллектуальных способностей и привлекательной цены.

AirPrime Compact - серия модулей
AirPrime WS Series

Продукты Sierra Wireless серии WS представляют собой спектр особо компактных и удобных в интеграции модулей передачи голоса и данных в сетях GSM. Особенностью этих модулей является полноценная аппаратно-программная реализация GSM-модуля в миниатюрном корпусе. Модули AirPrime WS Series, поддерживающие стандарты сетей второго поколения (GSM/GPRS), полностью соответствуют всем требованиям, предъявляемым к GSM-модулям, используемым в индустрии M2M. Модули AirPrime серии WS Series успешно применяются в области здравоохранения, системах сбора данных (АСКУЭ), системах контроля и мониторинга подвижных объектов, торговых системах (аппараты оплаты), автосигнализациях [2,3].

В конце 2011 года компания Sierra Wireless анонсировала самый миниатюрный из всех представленных на рынке беспроводной модуль - WS6318. Размеры модуля WS6318 (15x18 мм) позволяют расширить области применения GSM-модемов. AirPrime. WS6318 представляет собой двухдиапазонный (900/1800) модем стандарта GSM/GPRS, имеющий встроенный DTMF-декодер и настраиваемый цифровой аудиоинтерфейс (PCM - импульсно-кодовая модуляция), а также реализованный TCP/IP-стек и FTP-протокол. Благодаря уникальной технологии создания защитного слоя, которым покрываются корпуса модулей, WS6318 становится устойчивым к агрессивным условиям внешней среды [2,3].

Чуть большие по размеру модули WISMO218 и WISMO228 выполнены в SMD-корпусе размером 25х25 мм с краевыми контактами для удобной ручной и автоматической пайки на плату. Модуль AirPrime WISMO218 является двухдиапазонным (900/1800) GSM-модемом с полноценно реализованным TCP/IP-стеком. Модуль AirPrime WISMO228 является аналогом модуля WISMO218, поддерживающим четыре диапазона стандарта GSM: 850/900/1800/1900 (рис. 1).

Рис. 1. Компактные модули AirPrime серии WS

Основные технические характеристики модулей серии WS представлены в таблице 1.

Таблица 1. Встраиваемые беспроводные модули Sierra Wireless AirPrime^TM серии WS

Все модули имеют интерфейс UART, до 11 программируемых линий ввода-вывода, часы реального времени, сигналы готовности (состояния) модуля, выход ШИМ, интерфейс к СИМ-карте (1,8/3,3 В). Управление осуществляется посредством АТ-команд. Модули WISMO218, WISMO228 дополнительно имеют SPI-интерфейс.

Модули серии WS имеют встроенный стек TCP/IP, в модуле WS6318 реализована поддержка прикладного протокола FTP.

Технические особенности WS6318

Рассмотрим более подробно модуль WS6318. Функциональная структура модуля [5,6] представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Функциональная структура модуля WS6318

Радиочастотная часть WS6318 основана на специализированной двухдиапазонной микросхеме, включающей в себя:

• цифровой приемник промежуточной частоты;
• двухполосный малошумящий усилитель;
• частотный синтезатор;
• трансмиттер;
• управляемый кварцевый генератор;
• приемопередающий узел Tx/Rx FEM (Front-End Module).

Антенный выход модуля выведен на один из граничных выводов корпуса LGA, и для подключения антенны или антенного разъема (любого типа - SMA, UFL и др.) достаточно обеспечить 50-омную микрополосковую линию и диод перед входом модуля для защиты от электростатических разрядов. Для защиты от электромагнитного шума микрополосковая линия должна быть окружена общим проводом.

Радиочастотные характеристики модуля совместимы с рекомендациями стандарта GSM 05.05.

• чувствительность в диапазонах E-GSM900/DCS1800- -109дБм;
• селективность фильтров:
• отклонение 200 кГц > +9 дБн;
• отклонение 400 кГц > +41 дБн;
• подавление соседнего канала> 9дБн.
• линейный динамический диапазон 63дБм.

Передатчик обладает следующими параметрами:

• максимальная выходная мощность EGSM/GSM1800 33дБм/30дБм ±2дБм при обычной температуре окружающей среды;
• минимальная выходная мощность EGSM/GSM1800 5дБм/0дБм ±5дБм.

В документации целый раздел посвящен описанию условий проведения тестов на соответствие стандартам, при этом тесты проводились на соответствие как международным, так и собственным корпоративным стандартам Sierra Wireless [5].

Основная функциональность модуля обеспечивается при помощи процессорного ядра общего назначения архитектуры ARM9, цифрового сигнального процессора и ряда аналоговых элементов (аудиотракт, линии ввода-вывода и АЦП). Напряжение питания ядра 1,2 В, напряжение цифровых интерфейсов 2,8 В.

Модуль имеет достаточно богатый набор интерфейсов и сигнальных линий. Номинальное напряжение питания цифровой части модуля 2,8 В делает его напрямую совместимым с 3,3 В логикой (например внешний управляющий контроллер).

Модуль поддерживает как 3 В SIM-карты, так и 1,8 В версии. Интерфейс SIM-карты полностью совместим с рекомендациями GSM 11.11.

Для нужд приложения доступны 10 универсальных программируемых линий ввода-вывода и одна входная. Линии ввода-вывода могут быть использованы для управления внешними устройствами, например, подсветкой клавиатуры.

Два последовательных порта (UART-а) позволяют управлять модулем и отслеживать его состояние. При этом UART1 (основной последовательный порт) является универсальным, доступным для передачи команд, данных и чтения состояния, и используется для связи модуля с хост-контроллером или ПК. UART1 содержит восемь сигнальных линий и логически совместим с протоколом v24. Для получения совместимости с интерфейсом RS232 достаточно простой микросхемы преобразователя уровней. Поддерживается набор скоростей от 1200 до 115200 кбит/с с автоопределением битовой скорости. При работе с модулем в зависимости от задач и желаемой функциональности используется от двух до всех восьми линий интерфейса.

Второй асинхронный интерфейс, как часто принято для GSM/GPRS модулей, предназначен только для вывода отладочной информации и содержит всего две линии.

На рисунке 3 представлена примерная электрическая принципиальная схема включения модуля WS6318. Предполагается, что модуль управляется внешним хост-контроллером по UART1 без аппаратного контроля потока (двухпроводная схема подключения). Для сохранения настроек часов реального времени используется незаряжаемая батарея (возможно подключение заряжаемой аккумуляторной батареи или ионистора [5]).

Рис. 3. Пример электрической принципиальной схемы включения модуля WS6318

Аналоговая часть модуля содержит два выхода для динамиков и один микрофонный вход, кроме этого доступно два аналого-цифровых преобразователя. Дополнением является цифровой аудио интерфейс PCM. Для обеспечения высокого качества звука при голосовых вызовах модуль WS6318 имеет встроенную функцию шумо- и эхоподавления.

Микрофон может иметь как однопроводное, так и дифференциальное подключение (часть схемы на рисунке 5 как раз иллюстрирует дифференциальное подключение). Эффективность и качество работы микрофона в условиях шумов, и, в частности, TDMA-шумов, зависит от способа подключения и конфигурации печатной платы. Общей рекомендацией является наличие хорошего общего провода или отдельного слоя, фильтрации шумов и, конечно же, экранирования аудиолиний. Коэффициент усиления микрофонного входа является управляемым и настраивается при помощи АТ-команд. Поскольку модуль имеет встроенные цепи для электретного микрофона, в самом простом случае он может быть подключен к модулю напрямую. Следует сказать, что для подключения активного микрофона к модулю необходима развязка по постоянному току.

Для лучшей фильтрации TDMA-шумов микрофон лучше подключать через небольшой LC-фильтр (фильтр, образованный конденсаторами C5...C8 и индуктивностями L2, L3 на рисунке 3). С некоторой потерей качества можно применять и простой RC-фильтр. Это справедливо и для подключения одной линией, и для дифференциального подключения. При этом однопроводное подключение микрофона является более чувствительным к TDMA-шумам.

Аналогично микрофону, два выхода на динамики также допускают дифференциальное или однопроводное подключение. Дифференциальное подключение (на рисунке 3 - SP1 и разъем для внешнего динамика X1) является более предпочтительным и с точки зрения меньшей чувствительности к шумам (включая TDMA-помехи), и в плане уровня выходного сигнала, т.к. при однопроводном подключении происходит потеря половины мощности выходного аудиосигнала.

Для большей защиты аудиолиний от помех рекомендуется окружать их общим проводом и вести линии их разводки на печатной плате параллельно друг другу.

Цифровой аудиоинтерфейс PCM позволяет подключать к WS6318 стандартную аудиопериферию, например, аудиокодек. Основные параметры интерфейса следующие:

• поддерживается только режим «мастер»;
• тактовая частота 768кГц;
• 13-битные данные, старшим битом вперед;
• не поддерживается компрессия сигнала.

WS6318 имеет несколько импульсных выходов, в частности, два выхода ШИМ, два выхода тактовых частот - 26 МГц и 32 кГц - и выход для генерации тона при вызове, т.н. buzzer. В частности, выход частоты 26 МГц может быть использован внешним Bluetooth-устройством. ШИМ-сигнал генерируется с частотами от 25,6 до 1083,3 кГц и скважностью от 0 до 100% в зависимости от текущих настроек (период и длительность импульсов задаются двумя 7-битными числами). В схеме на рисунке 3 выходы TX_CTRL и PWM0 управляют свечением диодов, подключенных к ним через инверторы с открытым стоком. TX_CTRL сигнализирует об активности передатчика, а PWM0 управляет светодиодом подсветки.

Одной из ключевых проблем при создании GSM/GPRS-терминалов является обеспечение их устойчивого питания. Общей особенностью энергопотребления GSM/GPRS модулей является короткие импульсы высокого потребления тока (часто на пару порядков выше тока в дежурном режиме) определенной длительности и следующие с определенной частотой. Требованиями к системе питания в этом случае является обеспечение достаточного тока для модуля при уровне напряжения на питающих выводах не ниже минимального и уровнем пульсаций в моменты потребления не выше установленных нормативных пределов для конкретной модели.

Так для устройств GSM/GPRS класса 2 импульсы потребления длятся 577 мкс, повторяясь каждые 4.615 мс, для GPRS устройств 10 класса 1154 мкс, также каждые 4,615 мс (рис. 4).

Рис. 4. Характер потребления тока GSM-модулями (GSM/GPRS класс 2)

Для модуля WS6318 пики потребления тока (1,4 А в режиме GSM /GPRS) со временем нарастания 10 мкс, в режиме «В сети» длятся 1/8 часть времени для GSM/GPRS класса 2 и 1/4 часть - для GPRS класса 10.

Для снижения уровня помех по питанию применен LC-фильтр - C1L1C2 - см. рисунок 3.

Диаграмма состояний, описывающая работу WS6318, представлена на рисунке 5.

Указаны также условия переходов между состояниями. Часть переходов совершается путем подачи АТ-команд, часть дополнительно зависит от внешних событий, например, таких, как входящий вызов, часть переходов инициируется хост-контроллером. Краткое описание состояний приводится в таблице 2.

Встроенным программным обеспечением WS6318 поддерживается богатый набор стандартных и проприетарных команд, по сравнению с предшествующими модемами добавлен ряд команд и у части команд появились новые режимы [7]:

• набор команд управления стандартным модемом (стандартный и расширенные наборы);
• обработка сообщений- набор стандарта 3GPP TS27.005 (настройка сервиса, прием, чтение, набор и передача сообщений);
• работа с сервисами GSM/GPRS, SIM-картой (общая информация об устройстве, управление вызовами, работа с сервисами сети оператора связи, управление доступом к модему, SIM-картой, адресной книгой, работа с пакетной передачей данных);
• команды ITU-T V25.TER (общее управление модулем, обработка звонков);
• команды TIA IS-101 (управление аналоговым и цифровым аудиоканалами, настройка усиления приемника и передатчика);
• команды TIA578A (идентификация устройства, работа с факсимильными данными);
• TCP/IP- команды (настройка IP-соединения, создание и поддержка серверных и клиентских TCP-сокетов- до четырех серверных и до восьми клиентских сокетов, работа с UDP-сокетами, поддержка ICMP-сервисов- ping);
• проприетарные команды (идентификация и обнаружение сервисов, управление потоком данных в UART, тестирование модуля, управление вызовами, голосовыми сервисами, управление запуском модуля, способом регистрации в сети, управление периферийными устройствами- линии ввода-вывода, АЦП, ШИМ, генерация тактовых импульсов, настройка подавления эхо и шумов и пр.).

Новые возможности встроенного программного обеспечения (ряд возможностей, перечисленных ниже, скорее всего будет доступен в более поздних версиях прошивок WS6318) касаются, прежде всего, управления через АТ-команды периферийными устройствами модуля WS6318:

• линии ввода вывода- конфигурирование, чтение состояния, установка уровня;

AT+WMGPIO=<IO>, <cde>AT+WMGPIOCFG=<IO>, <dir>, <pull> updated

• выбор динамика;
• выбор PCM шины;

AT+SPEAKER=<speaker>

• настройка UART1;

AT+WHCNF=<type>, <mode>

• работа с АЦП;

AT*PSADC=<adc>, <measTime>

• настройка выходных тактовых импульсов;

AT*PSADC=<adc>, <measTime>

• генерация тона;
• установка коэффициента усиления для цифрового аудио;

AT+WDGR=<configuration>, <Rgain>

AT+WDGT=<configuration>, <Tgain>

• тестирование аудиоканала.

Добавлены ряд функций работы с сетями операторов связи:

• работа с дополнительными номерами экстренных вызовов (добавление, удаление, отображение);

AT+WAEN=<mode>[,<nb1>[,...,<nb10>]...]

• фиксирование соты (до перезапуска модуля, например перезагрузки);
• отображение информации о соседних сотах;

AT*PSENGI=5

• сканирование сетевого окружения (сканирование до 10 соседних сот и отображение информации о них вне зависимости от оператора связи)

AT*PSENGI=5.

Расширены функции управления энергопотреблением, в частности, команда отложенного перехода в спящий режим:

AT+PSSLEEP=<mode>[, <seconds>].

Для целого ряда приложений, включая и М2М, весьма привлекательным может оказаться возможность прямой работы с FTP-протоколом - конфигурирование FTP-клиента, передача файлов:

AT+WIPCREATE, AT+WIPOPT, AT+WIPCLOSE, AT+WIPFILE.

Прошивка модуля может быть обновлена дистанционно (air-upgrade) при помощи протокола Xmodem-1K.

Отладочные средства

Для ознакомления и оценки возможностей моделей серии AirPrime WS, а также для разработки и отладки программного и аппаратного обеспечения, предлагается универсальная отладочная плата AirPrime WS Series Development Kit Board (рис. 6) [8].

Рис. 6. Отладочная плата AirPrime WS Series Development Kit Board

AirPrime WS Series Development Kit Board содержит все необходимые периферийные выводы и интерфейсы, поддерживаемые модулями, включая линии ввода-вывода, АЦП, аудиоинтерфейсы, разъем SIM-карты, основной и отладочный UARTы. Отладочная плата рассчитана на установку модулей при помощи пайки на выделенные контактные площадки, и на установку так называемых сокетных плат с модулями AirPrime WS Series (рис. 7).

Рис. 7. Сокетные платы AirPrime WS Series - WISMO218 (а) и WS6318 (б)

Помимо возможностей отладки программного обеспечения, отладочный набор, наряду с технической документацией, конечно же, может служить примером построения аппаратной части системы - обвязка модулей, конфигурация печатной платы, типы элементов.

О линейке GSM-продуктов Sierra Wirelss

Встраиваемые беспроводные модули Sierra Wireless, выпускаемые под маркой AirPrime^TM предоставляют широкий спектр возможностей и решений для организации связи в различных приложениях. Размеры, исполнение, функциональность модулей варьируется в широких пределах: от плат расширения с интерфейсом PCI Express до модулей поверхностного монтажа, от устройств с единственной функциональностью модема до полностью программируемых многофункциональных устройств, от устройств, поддерживающих сети от 2G до 4G. И все это - для самого обширного набора приложений: от бытовой электроники до промышленных систем.

В семейство AirPrime входит несколько линеек продуктов, оптимизированных для конкретных областей применения или по ряду параметров (рис. 8) [2,3].

Рис. 8. Спектр беспроводных модулей AirPrime

• Автомобильные (Automotive 1000)- серии AR оптимизированы для применения в качестве встраиваемых модулей в автомобильных системах, выдерживают до 1000 циклов «нагрев/охлаждение», выпускаются в корпусах, совместимых с версиями 2G CDMA 1xRTT, 3G EV-DO Rev A и 3G HSPA.
• Интегрированные (Integrated)- серии WMP, совмещают в себе возможность выполнения приложений и обеспечения 2G связи, выпускаются в BGA-корпусах с богатым набором интерфейсов.
• Интеллектуальные (Smart)- программируемые модули, поддерживающие распределенные вычисления, корпуса совместимы с модулями 2G/3G GSM и CDMA с межплатными соединениями (серии Q) или в корпусе LGA.
• Модули расширения (Extension)- XM-серия GPS-модулей для серий SL, Q.
• Высокоскоростные/высокопроизводительные модели (High-speed)- серии MC для высокоскоростных сетей, включая 3G EV-DO, 3G HSPA+, 4G LTE, выпускаются в виде плат расширения PCI Express формата MiniCard с интерфейсом USB.
• Компактные (Compact)- серия миниатюрных модулей WS для приложений типа M2M, работающие в сетях 2G GSM, доступны в корпусах LCC (WISMO2x8) или LGA.

Модули AirPrime можно использовать в качестве самостоятельных единиц, как осуществляющих беспроводную связь, так и выполняющих прикладную задачу. Для сложных систем управления они могут выступать в роли сетевых сопроцессоров. Например, модуль SL6087 обладает специальными возможностями для создания GSM/ГЛОНАСС-оборудования: отдельный UART для подключения ГЛОНАСС/GPS-модуля и программная поддержка функций для систем eCall/ЭРА ГЛОНАСС. Модуль монтируется на плату без применения разъема, что особенно важно при выпуске больших партий изделий для автопрома, энергетики и систем мобильных платежей. Среда разработки пользовательских приложений Developer Studio предоставляется бесплатно. Для удаленного обслуживания оборудования можно воспользоваться сервисом AirVantage^TM, который позволяет через WEB-интерфейс контролировать параметры SL6087 и, в случае необходимости, дистанционно обновлять как приложение пользователя, так и внутренне программное обеспечение GSM-модуля (firmware).

Уникальным для рынка предложением является поддержка встраиваемых приложений. Среда исполнения Open AT Framework (рисунок 9) состоит из оптимизированной для приложений М2М операционной системы Open AT, набора программных библиотек и интегрированной среды разработки, основанной на Eclipse^TM. Open AT имеет встроенную поддержку сервисов связи (голосовые вызовы, факс, передача данных, СМС), содержит стек TCP/IP, а также предоставляет доступ к аппаратным ресурсам (интерфейсам и линиям ввода-вывода), для которых обычно применяется отдельный контроллер.

Рис. 9. Структура встраиваемой среды выполнения Open AT Framework

Разработка приложений под Open AT идет на языке ANSI C/C++:

• набор C-API;
• событийный подход к построению приложения;
• многозадачность (pre-emptive multitasking);
• поддержка TCP/IP.

Благодаря сервисам управления AirPrime Management Services модули AirPrime могут быть настроены удаленно. Более того, в рамках поддержки и развития бизнес-приложений модули могут быть интегрированы в единую облачную систему AirVantage M2M Cloud Platform при помощи приложения AirVantage Ready Agent.

Спектр продуктов компании Sierra Wireless включает в себя как высоконадежные терминалы и роутеры для индустриальных применений, так и устройства потребительского класса: 3G/USB-модемы и PCMCI-карты для ноутбуков. Продукция Sierra Wireless известна под марками AirCard®, AirLink^TM, AirPrime^TM, AirVantage^TM [1, 2].

Беспроводные широкополосные модемы марки AirCard® предназначены для обеспечения связи мобильных устройств (ноут-, нетбуков) с сетью Интернет через сеть мобильной GSM связи, 3G или 4G сети. Модемы выпускаются в виде плат расширения ПК или ноутбуков, в виде USB-устройств или Wi-Fi-точек доступа.

Семейство управляемых интеллектуальных шлюзов и маршрутизаторов AirLink^TM (рис. 10) предоставляет потребителям решения для широкого ряда производственных, транспортных, корпоративных задач. Устройства AirLink^TM допускают применение даже в специальных приложениях с высокими требованиями к надежности и безопасности работы.

Рис. 10. Семейство управляемых интеллектуальных шлюзов и маршрутизаторов AirLink^TM

Облачная платформа AirVantage^TM M2M Cloud Platform включает в себя набор инструментов для управления отдельными устройствами и их окружением, набор средств разработки М2М-приложений, набор API для организации web-сервисов.

Заключение

GSM/GPRS модульWS6318 представляет собой компактное, но мощное в плане функциональности решение для широкого круга задач обеспечения связи и передачи данных в сфере С2С, С2М или М2М взаимодействий.

Небольшое количество внешних элементов и удобный корпус упрощают разработку конечного устройства и его печатной платы. Высокая степень интеграции WS6318 приводит к тому, что схемотехника внешних дополнительных элементов получается относительно простой. Это же касается и конфигурации печатной платы - следуя рекомендациям документации, разработчик с малыми затратами времени и сил может получить качественное решение. Сравнительно низкое энергопотребление позволяет продлить время автономной работы устройства и в конечном счете снижает издержки на его эксплуатацию.

Литература

1. Sierra Wireless - Wireless mobile computing and M2M//http://www.sierrawireless.com/

2. Sierra Wireless - AirPrime wireless modules 2G 3G 4G, GSM CDMA//http://www.sierrawireless.com/en/productsandservices/AirPrime/Wireless_Modules.aspx

3. Sierra Wireless AirPrime M2M Embedded Solutions//http://www.sierrawireless.com/productsandservices/AirPrime.aspx

4. Артур Копылов. Новинка от Sierra Wireles.GSM-модуль SL6087. Электронные компоненты 2010, №9

5. Product Technical Specification and Customer Design Guidelines for AirPrime WS6318.

6. DV2.2 Hardware Release Note for AirPrime WS6318-Rev3.0.

7. L30 AT Command Manual for AirPrime WS6318.

8. User Guide for AirPrime WS Series Development Kit (Board 1400682-B).

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: [email protected]