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Air780EP硬件設(shè)計(jì)原理解析(第二部分)

青山老竹農(nóng) ? 來(lái)源:jf_82863998 ? 作者:jf_82863998 ? 2024-11-06 15:06 ? 次閱讀

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接下來(lái),我們繼續(xù)學(xué)習(xí)第二部分。

3.3 電源供電

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3.3.1 模塊電源工作特性

在模塊應(yīng)用設(shè)計(jì)中,電源設(shè)計(jì)是很重要的一部分。由于LTE射頻工作時(shí)最大峰值電流高達(dá)1.5A,在最大發(fā)射功率時(shí)會(huì)有約700mA的持續(xù)工作電流,電源必須能夠提供足夠的電流,不然有可能會(huì)引起供電電壓的跌落甚至模塊直接掉電重啟。

3.3.2 減小電壓跌落

模塊電源VBAT電壓輸入范圍為3.3V~4.3V,但是模塊在射頻發(fā)射時(shí)通常會(huì)在VBAT電源上產(chǎn)生電源電壓跌落現(xiàn)象,這是由于電源或者走線路徑上的阻抗導(dǎo)致,一般難以避免。因此在設(shè)計(jì)上要特別注意模塊的電源設(shè)計(jì),在VBAT輸入端,建議并聯(lián)一個(gè)低ESR(ESR=0.7Ω)的100uF的鉭電容,以及100nF、33pF、10pF濾波電容,VBAT輸入端參考電路如圖4所示。并且建議VBAT的PCB走線盡量短且足夠?qū)挘瑴p小VBAT走線的等效阻抗,確保在最大發(fā)射功率時(shí)大電流下不會(huì)產(chǎn)生太大的電壓跌落。建議VBAT走線寬度不少于1mm,并且走線越長(zhǎng),線寬越寬。

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3.3.3 供電參考電路

電源設(shè)計(jì)對(duì)模塊的供電至關(guān)重要,必須選擇能夠提供至少1A電流能力的電源。若輸入電壓跟模塊的供電電壓的壓差小于2V,建議選擇LDO作為供電電源。若輸入輸出之間存在的壓差大于2V,則推薦使用開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器以提高電源轉(zhuǎn)換效率。

LDO供電:

下圖是5V供電的參考設(shè)計(jì),采用了Micrel公司的LDO,型號(hào)為MIC29302WU。它的輸出電壓是4.16V,負(fù)載電流峰值到3A。為確保輸出電源的穩(wěn)定,建議在輸出端預(yù)留一個(gè)穩(wěn)壓管,并且靠近模塊VBAT管腳擺放。建議選擇反向擊穿電壓為5.1V,耗散功率為1W以上的穩(wěn)壓管。

DC-DC 供電:

下圖是 DC-DC 開關(guān)電源的參考設(shè)計(jì),采用的是杰華特公司的 JW5033S 開關(guān)電源芯片,它的最大輸出電流是 2A,輸入電壓范圍 3.7V~18V。注意 C25 的選型要根據(jù)輸入電壓來(lái)選擇合適的耐壓值。

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3.4 開關(guān)機(jī)

3.4.1 開機(jī)

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在VBAT供電后,可以通過(guò)如下兩種方式來(lái)觸發(fā)Air780EP開機(jī):

  1. 按鍵開機(jī): PWKEY管腳通過(guò)輕觸按鍵連接到地,按鍵按下1秒以上實(shí)現(xiàn)開機(jī)。
  2. 上電開機(jī):將PWRKEY管腳直接短接到地,VBAT上電后就可以實(shí)現(xiàn)開機(jī)。

**PWRKEY **管腳開機(jī)

VBAT上電后,可以通過(guò)PWRKEY管腳啟動(dòng)模塊,把PWRKEY管腳拉低1秒以上之后模塊會(huì)進(jìn)入開機(jī)流程,軟件會(huì)檢測(cè)VBAT管腳電壓,若VBAT管腳電壓大于軟件設(shè)置的開機(jī)電壓(3.3V),會(huì)繼續(xù)開機(jī)動(dòng)作直至系統(tǒng)開機(jī)

完成;否則,會(huì)停止執(zhí)行開機(jī)動(dòng)作,系統(tǒng)會(huì)關(guān)機(jī),開機(jī)成功后PWRKEY管腳可以釋放。可以通過(guò)檢測(cè)VDD_EXT

管腳的電平來(lái)判別模塊是否開機(jī)。推薦使用開集驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制PWRKEY管腳。下圖為參考電路:

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另一種控制PWRKEY管腳的方法是直接使用一個(gè)按鈕開關(guān)。按鈕附近需放置一個(gè)TVS管用以ESD保護(hù)。下圖為參考電路:

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上電開機(jī)

將模塊的PWRKEY 直接接地可以實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)開機(jī)功能。需要注意,在上電開機(jī)模式下,將無(wú)法關(guān)機(jī)。

對(duì)于用電池供電的應(yīng)用場(chǎng)景不建議用 PWRKEY 接地的上電自動(dòng)開機(jī)方式。

3.4.2 關(guān)機(jī)

以下的方式可以關(guān)閉模塊:

  • 正常關(guān)機(jī):使用PWRKEY管腳關(guān)機(jī)
  • 正常關(guān)機(jī):通過(guò)AT指令A(yù)T+CPOWD關(guān)機(jī)

**PWRKEY **管腳關(guān)機(jī)

PWRKEY 管腳拉低 1.5s 以上時(shí)間,模塊會(huì)執(zhí)行關(guān)機(jī)動(dòng)作。

關(guān)機(jī)過(guò)程中,模塊需要注銷網(wǎng)絡(luò),注銷時(shí)間與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)有關(guān),經(jīng)測(cè)定用時(shí)約2s~12s,因此建議延長(zhǎng)

12s后再進(jìn)行斷電或重啟,以確保在完全斷電之前讓軟件保存好重要數(shù)據(jù)。時(shí)序圖如下:

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低電壓自動(dòng)關(guān)機(jī)

模塊在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)當(dāng) VBAT 管腳電壓低于模塊工作的最低工作電壓時(shí)(默認(rèn)設(shè)置 3.3V),軟件會(huì)執(zhí)行關(guān)機(jī)動(dòng)作關(guān)閉模塊,以防低電壓狀態(tài)下運(yùn)行出現(xiàn)各種異常。

3.4.3 復(fù)位

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RESET_N 引腳可用于使模塊復(fù)位。 拉低RESET_N 引腳 100ms 以上可使模塊復(fù)位。 RESET_N 信號(hào)對(duì)干擾比較敏感, 因此建議在模塊接口板上的走線應(yīng)盡量的短,且需包地處理。

參考電路:

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注意:

  1. 復(fù)位功能建議僅在AT+CPOWD 和PWRKEY 關(guān)機(jī)失敗后使用。

3.5 串口

模塊提供了 4 個(gè)通用異步收發(fā)器:主串口 MAIN_UART、AUX_UART、DBG_UART、UART3。

3.5.1 MAIN_UART

表格 6:MAIN_UART 管腳定義

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對(duì)于AT 開發(fā)方式,3.5.1. MAIN_UART 用來(lái)進(jìn)行 AT 指令通訊。MAIN_UART 支持固定波特率, 不支持自適應(yīng)波特率

在默認(rèn)情況下,模塊的硬件流控是關(guān)閉的。當(dāng)客戶需要硬件流控時(shí),管腳 RTS,CTS 必須連接到客戶端,AT命令 “AT+IFC=2,2” 可以用來(lái)打開硬件流控。AT 命令 “AT+IFC=0,0” 可以用來(lái)關(guān)閉流控。具體請(qǐng)參考《AirM2M 無(wú)線模塊 AT 命令手冊(cè)》。

MAIN_UART 在休眠狀態(tài)下保持的功能,能夠喚醒模塊。

MAIN_UART 的特點(diǎn)如下:

  • 包括數(shù)據(jù)線TXD和RXD,硬件流控控制線RTS和CTS。
  • 8個(gè)數(shù)據(jù)位,無(wú)奇偶校驗(yàn),一個(gè)停止位。
  • 硬件流控默認(rèn)關(guān)閉。
  • 用以AT命令傳送,數(shù)傳等。
  • 支持波特率如下:600,1200,2400,4800,14400,9600,19200,38400,57600,115200,230400,460800,921600bps

注意:

MAIN_UART 在開機(jī)過(guò)程中短時(shí)會(huì)輸出固定調(diào)試信息

3.5.2 AUX_UART

表格 7:AUX_UART 管腳定義

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AUX_UART為輔助串口,不支持AT指令交互,用于某些外設(shè)通信,如對(duì)接GNSS等。 AUX_UART休眠后會(huì)關(guān)閉,無(wú)法通過(guò)給AUX_UART發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行喚醒。

3.5.3 DBG_UART

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DBG_UART 用來(lái)軟件調(diào)試時(shí)輸出AP trace,建議預(yù)留測(cè)試點(diǎn)。 DBG_UART 在開機(jī)過(guò)程中短時(shí)會(huì)輸出固定調(diào)試信息。

DBG_TX、DBG_RX 默認(rèn)功能為系統(tǒng)底層日志口,進(jìn)行模塊硬件設(shè)計(jì)時(shí),在剩余功能引腳充足的前提下,避免使用DBG_TX 和DBG_RX。

如果將此引腳復(fù)用為其他功能,則無(wú)法從 DBG_TX 和DBG_RX 抓取系統(tǒng)日志。

在某些場(chǎng)景下,如果模塊出現(xiàn)異常,無(wú)法抓到問題日志,只能通過(guò)硬件改版,引出 DBG_TX、 DBG_RX,抓取日志再進(jìn)行分析。

包括但不限于以下兩種場(chǎng)景:

1、低功耗場(chǎng)景:

在低功耗場(chǎng)景下,USB 無(wú)法使用,只能通過(guò) DBG_TX、DBG_RX 來(lái)抓取日志。

2、非低功耗場(chǎng)景:

模塊接入U(xiǎn)SB 時(shí),工作正常,未接入 USB 時(shí),工作異常的情況,只能通過(guò) DBG_TX、DBG_RX 來(lái)抓取日志。

3.5.4 UART3

不支持LCD 功能,可以再?gòu)?fù)用一組 UART3

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3.5.5 串口連接方式

串口的連接方式較為靈活,如下是三種常用的連接方式。三線制的串口請(qǐng)參考如下的連接方式:

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帶流控的串口連接請(qǐng)參考如下電路連接,此連接方式可提高大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)目煽啃裕乐箶?shù)據(jù)丟失。

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3.5.6 串口電壓轉(zhuǎn)換

Air780EP 模塊的串口電平為 1.8V 或 3.3V,通過(guò) PIN100 IO_SEL 配置IO 口電平,能夠滿足大部分外設(shè),主控的串口直接需求,但是如果要和 5V 或者以上的MCU 或其他串口外設(shè)通信,那就必須要加電平轉(zhuǎn)換 電路:

電平轉(zhuǎn)換參考電路如下:

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注意

  • 此電平轉(zhuǎn)換電路不適用波特率高于460800 bps的應(yīng)用。
  • 由于休眠狀態(tài)下VDD_EXT會(huì)掉電,因此如果在需要休眠的應(yīng)用場(chǎng)景用VDD_EXT做串口電平轉(zhuǎn)換上拉的話,會(huì)導(dǎo)致模塊無(wú)法休眠的情況。因此在需要進(jìn)入休眠的場(chǎng)景下,建議用AGPIO3進(jìn)行上拉。
  • D2 必須選用低導(dǎo)通壓降的肖特基二極管。 肖特基二極管以及 NPN 三極管的推薦型號(hào)如下:

對(duì)于波特率高于 460800bps 的應(yīng)用,可以通過(guò)外加電平轉(zhuǎn)換芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換,參考電路如下:

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此電路采用的是電平轉(zhuǎn)換芯片是TI 的TXS0108E, 8 位雙向電壓電平轉(zhuǎn)換器,適用于漏極開路和推挽應(yīng)用,最大支持速率:

推挽:110Mbps開漏:1.2Mbps

3.6 USB接口****

Air780EP 的USB 符合USB2.0 規(guī)范,支持高速(480Mbps)、全速(12Mbps)模式和低速(1.2Mbps)模式。USB 接口可用于AT 命令傳送,數(shù)據(jù)傳輸,軟件調(diào)試和軟件升級(jí)。

表格 8:USB 管腳定義

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USB接口參考設(shè)計(jì)電路如下:

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圖表 9:USB 接口參考設(shè)計(jì)

  1. USB 走線需要嚴(yán)格按照差分線控制,做到平行和等長(zhǎng);
  2. USB 走線的阻抗需要控制到差分 90 歐姆;
  3. 需要盡可能的減少USB 走線的stubs,減少信號(hào)反射;USB 信號(hào)的測(cè)試點(diǎn)最好直接放在走線上以減少stub;
  4. 盡可能的減少USB 走線的過(guò)孔數(shù)量;
  5. 在靠近USB 連接器或者測(cè)試點(diǎn)的地方添加 TVS 保護(hù)管,由于USB 的速率較高,需要注意TVS 管的選型,保證選用的 TVS 保護(hù)管的寄生電容小于 1pF
  6. VBUS 作為USB 插入喚醒作用,并不直接參與 USB 插入檢測(cè),非必須,在不需要 USB 插入喚醒的場(chǎng)景也可以不接**。**

3.7 USB下載模式****

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Air780EP 模塊進(jìn)入U(xiǎn)SB 下載模式:

  1. 在開機(jī)之前,把USB_BOOT 上拉到VDD_EXT

3.8 I2C

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Air780EP 可支持兩路I2C 接口:

  1. 兼容Philips I2C 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議
  2. 支持Fast mode (400Kbps)和 Slow mode(100Kbps)
  3. 只支持 master 模式,不支持 slaver 模式
  4. 可通過(guò)軟件來(lái)配置內(nèi)部的上拉電阻,1.8K 或者 20K
  5. 理論上最多可支持 127 個(gè)從設(shè)備

I2C 的參考電路如下:

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Air780EP 的I2C 接口電壓是 1.8V/3.3V 可配置,通過(guò)PIN100 IO_SEL 配置IO 口電平,能夠滿足大部分外設(shè)的直接需求,但是如果要和 5V 或者以上電平的外設(shè)通信,那就必須要加電平轉(zhuǎn)換電路:

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上圖推薦用 AGPIO3 上拉,在不需要模塊進(jìn)入休眠的場(chǎng)景或者允許休眠掉電的場(chǎng)景也可以用 VDD_EXT 上拉電平轉(zhuǎn)換用的 NMOS 管必須選用結(jié)電容小于 50pF 的型號(hào),推薦型號(hào)如下:

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3.9 SIM卡接口****

Air780EP 支持 2 路 SIM 卡接口,支持 ETSI 和 IMT-2000 卡規(guī)范,支持 1.8V 和 3.0V USIM 卡。以滿足雙 SIM卡切換的需求。

3.9.1 SIM 接口

下表介紹了 SIM 接口的管腳定義。

表格 9:SIM 卡接口管腳定義

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3.9.2 雙 SIM 卡切換說(shuō)明

Air780EP 支持雙卡單待,同一時(shí)間只能使用其中一個(gè) SIM 通道。可以通過(guò)相應(yīng)的 AT 指令進(jìn)行SIM 卡通道切換:或者選擇自動(dòng)切換功能,系統(tǒng)會(huì)根據(jù)外部網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行自動(dòng)切換(自動(dòng)切換功能通常用于同時(shí)使用不同運(yùn)營(yíng)商SIM 卡的場(chǎng)景)。具體指令請(qǐng)參考《4G 模塊AT 命令手冊(cè)》

注意:

  1. 模塊開機(jī)會(huì)默認(rèn)檢測(cè) SIM1 通道,在SIM1 通道檢測(cè)到SIM 卡不在位的情況下才會(huì)去檢測(cè)SIM2 通道。
  2. USIM_DET 信號(hào)為 SIM 卡插拔檢測(cè)管腳,上下邊沿電平觸發(fā)中斷,觸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行SIM1 通道的卡在位檢測(cè)。而SIM2 通道不支持SIM 卡插拔檢測(cè)。
  3. 對(duì)于內(nèi)置貼片SIM 卡的雙卡應(yīng)用場(chǎng)景,如網(wǎng)絡(luò)攝像頭(IPC)場(chǎng)景,建議將貼片 SIM 卡置于SIM2

通道,外置插拔SIM 卡座置于SIM1 通道,以實(shí)現(xiàn)優(yōu)先使用外置插拔SIM 卡的效果。

3.9.3 SIM 接口參考電路

下圖是 SIM 接口的參考電路,使用 6pin 的 SIM 卡座。

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如果需要用到 sim 卡在位檢測(cè),推薦電路如下。

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在SIM卡接口的電路設(shè)計(jì)中,為了確保SIM卡的良好的功能性能和不被損壞,在電路設(shè)計(jì)中建議遵循以下設(shè)計(jì)原則:

  1. SIM卡座與模塊距離擺件不能太遠(yuǎn),越近越好,盡量保證SIM卡信號(hào)線布線不超過(guò)20cm。
  2. SIM卡信號(hào)線布線遠(yuǎn)離RF線和VBAT電源線。
  3. 為了防止可能存在的USIM_CLK信號(hào)對(duì)USIM_DATA信號(hào)的串?dāng)_,兩者布線不要太靠近,在兩條走線之間增加地屏蔽。且對(duì)USIM_RST_N信號(hào)也需要地保護(hù)。
  4. 為了保證良好的ESD保護(hù),建議加TVS管,并靠近SIM卡座擺放。選擇的ESD器件寄生電容不大于50pF。在模塊和SIM卡之間也可以串聯(lián)22歐姆的電阻用以抑制雜散EMI,增強(qiáng)ESD防護(hù)。SIM卡的外圍電路必須盡量靠近SIM卡座。
  5. 在需要模塊進(jìn)入休眠的場(chǎng)景SIM_DET禁止用VDD_EXT上拉,否則會(huì)造成無(wú)法休眠的問題。建議用AGPIO3上拉,或者用SIM_DET IO內(nèi)部上拉的方式

3.10 ****LDO輸出

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注意:

  1. VDD_EXT 作為大部分IO 的內(nèi)部供電,在模塊進(jìn)入休眠后會(huì)掉電關(guān)閉,以降低功耗。

VDD_EXT 在模塊休眠期間,會(huì)隨著模塊底層頻繁喚醒做網(wǎng)絡(luò)交互以維持網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)狀態(tài)。客觀上造成 VDD_EXT 在模塊休眠期間輸出周期不等的高脈沖,如果用 VDD_EXT 做某些 IO 如喚醒IO 管腳,或者 MAIN_UART 的上拉,就會(huì)造成頻繁觸發(fā) IO 中斷導(dǎo)致模塊無(wú)法進(jìn)入休眠。

  1. 在需要休眠的場(chǎng)景可以用AGPIO3 進(jìn)行上拉。

3.11 功能管腳

******3.11.1 **MAIN_RI

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表格 10:MAIN_RI 信號(hào)動(dòng)作

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如果模塊用作主叫方,MAIN_RI 會(huì)保持高電平,收到 URC 信息或者短信時(shí)除外。而模塊用作被叫方時(shí),MAIN_RI 的時(shí)序如下所示:

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3.11.2 MAIN_DTR

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模塊支持兩種睡眠模式:

睡眠模式 1:發(fā)送 AT+CSCLK=1,通過(guò) MAIN_DTR 管腳電平控制模塊是否進(jìn)入睡眠睡眠模式 2:發(fā)送 AT+CSCLK=2,模塊在串口空閑一段時(shí)間后自動(dòng)進(jìn)入睡眠

3.11.3 狀態(tài)指示燈

Air780EP 用一個(gè)管腳來(lái)指示開機(jī)狀態(tài),用兩個(gè)管腳信號(hào)來(lái)指示網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。如下兩表分別描述了管腳定義和不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的邏輯電平變化:

表格 11:網(wǎng)絡(luò)指示管腳定義

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指示燈參考電路如下圖所示:

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3.12 省電功能

根據(jù)系統(tǒng)需求,有兩種方式可以使模塊進(jìn)入到低功耗的狀態(tài)。對(duì)于AT版本使用“AT+CFUN”命令可以使模塊進(jìn)入最少功能狀態(tài)。

3.12.1 最少功能模式 / 飛行模式

最少功能模式可以將模塊功能減少到最小程度,此模式可以通過(guò)發(fā)送“AT+CFUN=”命令來(lái)設(shè)置。參數(shù)可以選擇 0,1,4。

  • 0:最少功能(關(guān)閉RF和SIM卡);
  • 1:全功能(默認(rèn));
  • 4:關(guān)閉RF發(fā)送和接收功能;

如果使用“AT+CFUN=0”將模塊設(shè)置為最少功能模式,射頻部分和 SIM 卡部分的功能將會(huì)關(guān)閉。而串口依然有效,但是與射頻部分以及 SIM 卡部分相關(guān)的 AT 命令則不可用。

如果使用“AT+CFUN=4”設(shè)置模塊,RF部分功能將會(huì)關(guān)閉,而串口依然有效。所有與RF部分相關(guān)的AT命令不可用。

模塊通過(guò)“AT+CFUN=0”或者“AT+CFUN=4”設(shè)置以后,可以通過(guò)“AT+CFUN=1”命令設(shè)置返回到全功能狀態(tài)。

3.12.2 睡眠模式(慢時(shí)鐘模式)

串口應(yīng)用

串口應(yīng)用下支持兩種睡眠模式:

  1. 睡眠模式 1:通過(guò) MAIN_DTR 管腳電平控制模塊是否進(jìn)入睡眠
  2. 睡眠模式 2:模塊在串口空閑一段時(shí)間后自動(dòng)進(jìn)入睡眠

睡眠模式 1

開啟條件:

發(fā)送 AT 指令 AT+CSCLK=1

模塊進(jìn)入睡眠:

控制 MAIN_DTR 腳拉高,模塊會(huì)進(jìn)入睡眠模式 1

模塊退出睡眠:

拉低 MAIN_DTR 腳 50ms 以上,模塊會(huì)退出睡眠模式可以接受 AT 指令模塊在睡眠模式 **1 **時(shí)的軟件功能:

不響應(yīng) AT 指令,但是收到數(shù)據(jù)/短信/來(lái)電會(huì)有 URC 上報(bào) HOST 睡眠時(shí),模塊收到數(shù)據(jù) / 短信 / 來(lái)電如何喚醒 HOST : MAIN_RI 信號(hào)

睡眠模式 2

開啟條件:

發(fā)送 AT 指令 AT+CSLCK=2

模塊進(jìn)入睡眠:

串口空閑超過(guò) AT+WAKETIM 配置的時(shí)間(默認(rèn) 5s),模塊自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式 2

模塊退出睡眠:

串口連續(xù)發(fā)送 AT 直到模塊回應(yīng)時(shí)即退出睡眠模式 2

模塊在睡眠模式 2 時(shí)的軟件功能:

不響應(yīng) AT 指令,但是收到數(shù)據(jù)/短信/來(lái)電會(huì)有 URC 上報(bào) HOST 睡眠時(shí),模塊收到數(shù)據(jù) / 短信 / 來(lái)電如何喚醒 HOST : MAIN_RI 信

USB****應(yīng)用

開啟條件:

USB HOST 必須支持 USB suspend/resume

模塊進(jìn)入睡眠:

HOST 發(fā)起 USB suspend

模塊退出睡眠:

HOST 發(fā)起 USB resume

HOST 睡眠時(shí),模塊收到數(shù)據(jù) / 短信 / 來(lái)電如何喚醒 HOST

MAIN_RI 信號(hào)

3.13 模式切換匯總

表格 13:模式切換匯總

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接下來(lái)我們學(xué)習(xí)第三部分。
審核編輯 黃宇
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