Приветствую, Habr! В данной статье рассмотрен процесс разработки Wireless Sensor Network (WSN) шлюза для передачи данных от беспроводных датчиков на сервер через мобильную связь. В качестве начинки будем использовать Sub-1GHz SoC CC1310 и программируемый модуль WP8548 от Sierra Wireless. AirPrime WP8548 - это промышленный модуль LGA-239. Его беспроводной модем обеспечивает передачу данных в сетях HSPA, WCDMA, EDGE и GPRS, а также прием GPS сигнала.
Мотивация. Зачем это всё?
Конечно, данную задачу можно было бы решить путем применения микроконтроллера CC1310 в связке с 3G модемом от SIMCOM или Quectel, но: модуль WP8548 лежит у меня в столе уже несколько лет. Рациональное применение данному модулю из-за его стоимости ($60, DigiKey) я так и не нашел, но зуд попробовать его на деле до сих пор мучает меня. Предупреждаю сразу:
-
Решение дороже аналогичных с Aliexpress
-
Я не решаю конкретную задачу, а пытаюсь оценить возможности данного модуля
Шаг 1. Блок-схема питания
Самый скучный этап проектирования схемы будущего устройства. Но отложим все свои вздохи и посмотрим параметры питания основных компонентов схемы. Открываем страницу 26 документации и видим, что диапазон напряжения питания WP8548 от 3.4 до 4.3 вольт (напрашивается питание от литиевого аккумулятора). CC1310 работает при напряжении питания от 1.8 до 3.8 вольт. Давайте предъявим к будущему устройству общие требования:
-
Работа от литиевого аккумулятора + его зарядка
-
Повышающий преобразователь на 5В для питания внешних устройств от литиевго аккумулятора.
-
Возможность отключения питания части схемы при переходе в спящий режим
-
Размер печатной платы не больше кредитной карты, конечно
Для начала прикинем, что у нас в целом будет на плате. WP8548 имеет возможнсть работы с MicroSD картой, которая требует 2,95В для своего питания. Логический уровень GPIO у модуля 1.8В, что не очень удобно для домашних поделок. Будем использовать микросхемы согласования уровня, которые требуют для своего питания напряжения 1.8В и 3.3В. Кроме того модуль имеет HSIC интерфейс. К нему будем подключать микросхему USB3503 (имеет внутренние LDO) для обеспечения работы с внешними USB устройствами.
Для зарядки используем микросхему BQ24292. С ней мы получаем возможность использовать источник напряжения до 17В на случай, если захотим подключить наш шлюз к солнечной батарее с 12В АКБ. Ток заряда до 4А, что теоретически позволит нам заправлять параллельно два аккумулятора из PowerBank'ов на 20А.
В качестве повышающего преобразователя мне понравилась микросхема TPS63802. Для запуска нужно всего 6 компонентов, а с учетом корпуса микросхемы и частоты преобразования в 2МГц мы получим минимальный по площади (и пригодный для ручной пайки) buck-boost конвертер.
Микроконтроллер CC1310 будет выступать в качестве программируемого PMIC, то есть напряжение 3.3В на него будет подаваться всегда. Все остальные напряжения делаем отключаемыми.
Итого нам надо:
-
1.8В для микросхемы согласования (отключаемое)
-
3.3В для микросхемы согласования (отключаемое)
-
2.95В для MicroSD (отключаемое)
-
3.3В для CC1310 (всегда включено)
Будем использовать программируемую (ADJ) микросхему линейного регулятора TPS79301 для всех четырех напряжений, чтобы не увеличивать количество позиций в перечне элементов.
Суммарно имеем следующее:
Шаг 2. Схема электрическая. Принципиальная
Процесс проектирования схемы расписывать я не буду, а лишь оставлю некоторые части схемы с комментариями. В конце статьи будет ссылка на полную схему.
Схема заряда
Зарядка осуществляется от внешнего адаптера питания напряжением до 17В. При подключении питания по USB (высокий уровень на PSEL от +VBUS), микросхема BQ24292 будет ограничивать ток заряда так, чтобы не перегрузить USB порт ПК.
Часть схемы согласования уровней
Предполагается отключение U5 и U10 при переходе в спящий режим. Для включения WP8548 необходимо кратковременно подать логический 0 на вывод PWR_ON, который имеет внутренний pull-up резистор. По сути, VT1 и VT2 включены по схеме с открытым коллектором для запуска и сброса модуля. Open-drain в CC1310 не используется для этих целей с точки зрения защиты от случайной перегрузки по напряжению.
Питание MicroSD, питание CC1310, USB
USB необходимо для настройки и прошивки WP8548, дополнительно обеспечиваем для него ESD защиту.
Шаг 3: Трассировка и пайка платы
И вот мы добираемся до трассировки платы. По классике жанра, берем кредитку и с линейкой переносим ее контур на слой keep-out. Затем импортируем схему и приступаем к разводке.
Верхний слой. Как видно, корпус модуля довольно неприятный для пайки феном. К счастью, у меня есть домашняя печка для групповой пайки SMD компонентов. Что посоветовать тому, кто собрался паять данный модуль без печки - увы, не знаю.
А вот и сам модуль с сокетом. Паять мы будем сокет.
3D модель платы.
Что касается пайки. Я не заказывал трафарет для паяльной пасты, дабы сэкономить на его стоимости. Поэтому аккуратно наносим припой паяльником, наносим флюс, расставляем компоненты и отправляем плату в печку.
Когда я собираю первую версию платы, то не паяю все компоненты сразу, а начинаю пайку с узлов питания. Например, паяю понижающий DC-DC преобразователь c 12В до 5В. Запускаю и с осциллографом проверяю, что всё работает корректно. Затем продолжаю пайку и собираю понижающий преобразователь с 5В до 2.8В и снова проверяю плату. И так далее, пока не будут собраны и проверены все цепи питания. Если пайка осуществляется на заводе, то на схеме между источниками и потребителями достаточно заложить перемычки.
Делается это для безопасного запуска первой версии устройства и устранения повышенного/пониженного напряжения на цифровых микросхемах в случае неисправности. Возможно, такой подход к отладке спорный, но рабочий.
Отмывочной ванны у меня нет. Всё что смог оттереть щеткой со спиртом - оттёр :) Видим, что горит красный светодиод справа - модуль поймал сеть, синий светодиод слева - идет зарядка аккумулятора. Отлично, подключаем плату к ПК и видим три виртуальных COM-порта.
Кроме того в системе появляется сетевой интерфейс. Пробуем пинговать модуль по адресу 192.168.2.2
Здорово, пробуем подключиться по SSH к модулю. Пользователь root, пароль не требуется.
Видим, что модуль определил SIM-карту на втором слоте, сигнал сети сильный.
Отлично, первый шаг к реализации шлюза сделан. В следующий раз будем писать прошивку для CC1310 и начнем собирать данные от беспроводных устройств.
Ссылка на схему устройства тут.
Автор: Гусев Николай
