Новые функциональные возможности GSM-модуля Cinterion BGS2 Release 3

В статье рассмотрен 2G-модуль Cinterion BGS2 в разрезе выхода нового программного обеспечения, привнесшего дополнительный функционал в программную и аппаратную части.

Портфолио М2М-модулей Cinterion

Линейка М2М-модулей Cinterion включает в себя более 30 продуктов и идеологически делится на три группы:

Модули серии Automotive. Разработаны в соответствии с высокими требованиям автомобильной индустрии и производятся по стандарту TS16949. В данную линейку входят высоконадежные 2G/3G/4G-модули, имеющие набор специальных «automotive» функций.
Модули серии Industrial Plus. Спроектированы для приложений, требующих наиболее современных сотовых М2М-технологий и высокой надежности. Серия включает в себя модули стандартов EV-DO, HSDPA, Multi Mode, LTE, являющихся масштабируемой 3G/4G-платформой.
Модули серии Industrial. Предлагают масштабируемость, совместимость, а также легкий путь к будущей модернизации и дополнительной функциональности. Преимущество данной серии включает в себя максимальную гибкость, высокую функциональность, простоту интеграции, а также прямую и обратную совместимость, которая обеспечивает надежное, функциональное, экономически эффективное решение, сохраняющее инвестиции в технологии.

Международный концерн Gemalto является мировым лидером в цифровых телеметрических системах аутентификации и безопасности. Головной офис находится в г. Амстердам (Нидерланды). Филиалы фирмы, на которых работают более 12 000 сотрудников, расположены в Европе, Азии, Китае, Северной и Южной Америке. М2М-подразделение компании является ведущим производителем GSM-модулей и терминалов Cinterion. Научно-исследовательские и проектные центры М2М-подразделения, с дизайн-центром в Берлине, оснащены самым современным оборудованием, позволяющим вести разработки с учётом последних достижений науки и техники. Продукция фирмы постоянно совершенствуется.

В статье мы остановимся подробно на серии Industrial, поскольку именно эти модули затронуло обновление Release 3, и в частности на базовом модуле BGS2

Форм-фактор 27,6Ч18,8 мм (LGA 106 PAD): BGS2 Rel.3 — BGS5 Rel.3 — EHS5 Rel3.

Несмотря на то, что системы беспроводной связи 3G/4G/5G интенсивно развиваются, остаётся достаточно много областей, в которых не требуются большие скорости передачи данных и достаточно поддержки только сетей 2G. Для российских разработчиков представляют интерес GPRS-модули BGS2 и BGS8, а также модуль BGS5, имеющий встроенную Java-платформу. Мы начинаем публикацию серии статей о нововведениях, которые появились в третьих релизах М2М-модулей Cinterion:

Cinterion BGS2-W Rel.3

Cinterion BGS2-W Rel.3 — это новый релиз миниатюрного, бюджетного GSM/GPRS-модуля, проверенного, надёжного и уже зарекомендовавшего себя на рынке М2М в России и в мире. (В дальнейшем в тексте под названием BGS2 и BGS8 везде подразумеваются модули третьего релиза.) Модуль предназначен для использования в таких М2М-приложениях, как бортовые устройства спутникового мониторинга транспортных средств, переносные кассовые аппараты, медицинские приборы, беспроводные индустриальные системы телеметрии, охранные системы, а также в других аналогичных М2Мустройствах. Модуль оптимально подходит для применений, где требуется малое энергопотребление прибора, высокое качество звука, надежная работа в GPRS и миниатюрность. Архитектура BGS2 является базовой для всех последующих моделей серии Industrial. Поэтому имеет смысл остановиться на этом базовом модуле несколько подробнее, а все дальнейшие разработки рассматривать, как дополнения и усовершенствования базовой идеологии линии модулей Cinterion M2M LGA.

Базовая модель BGS2-W представляет собой четырёхдиапазонный GSM/GPRS-модуль 850/E-900/1800/1900 МГц. Выпускается также модель BGS2-E, рассчитанная на работу в диапазонах 900/1800 МГц. Структурная схема модуля BGS2 приведена на рисунке 1.

Модуль изготовлен на базе нового чипа Intel, который содержит на одном кристалле практически все компоненты, необходимые для создания 2Gустройства последнего поколения. Схема модуля BGS2 включает следующие устройства:

GSM цифровой сигнальный процессор;
система электропитания;
память Flash/PSRAM;
интерфейсы пользователя;
радиочастотный блок;
усилитель мощности;
полосовые фильтры.

Модуль выполнен в конструктиве LGA-106 PAD (Land Grid Array) со 106 контактными площадками под пайку для поверхностного монтажа. Размеры и расположение контактных площадок модуля BGS2 показаны на рисунке 2.

Следует подчеркнуть, что точно в таком же конструктиве выполнен высокоскоростной модуль 3G Cinterion EHS5. Однако модули BGS8 и EHS6 имеют другой конструктив. Оба типа модулей BGS2 и EHS5 имеют одинаковую конфигурацию контактных площадок: 66 сигнальных площадок с размерами 1,5Ч0,8 мм, расположенных по периметру модуля; 40 резервных выводов с размерами 1,1Ч1,1 мм, расположенных в центральной части модуля. Такая конфигурация выводов модулей позволяет оптимальным образом сконструировать печатную плату с точки зрения взаимозаменяемости и модернизации оборудования. Взаимозаменяемость модулей обеспечивается в том числе и тем, что в архитектуре серии предусмотрено сразу много дополнительных, зарезервированных выводов, которые подключаются в новых моделях по мере необходимости.

Модули BGS2 предназначены для работы в расширенном диапазоне температур –40…+90 °C. Технические характеристики модуля BGS2 приведены в таблице 1:

Для связи со внешними устройствами в модуле BGS2 используются два последовательных интерфейса.

Основной проводной несимметричный, асинхронный, модемный последовательный интерфейс (Asynchronous Serial Interface ASC0) выполнен в соответствии со стандартом ITU-T V.24, protocol DCE signalling, и предназначен для связи микроконтроллера со внешними периферийными устройствами. На контактные площадки LGA выведено восемь сигналов этого интерфейса: TXD0, RXD0, RTS0, CTS0, DTR0, DSR0, DCD0, RING0. Уровни сигналов ASC0 можно задать аппаратно.

Если контакт 10 (VDIG) соединить с контактом 35 (V180), то уровни сигналов будут 1,8 В. Для работы с уровнями 2,85 В контакт 10 (VDIG) нужно соединить с контактом 22 (V285). Для подключения к устройствам с внешним интерфейсом RS232 нужно использовать схему согласования уровней.

Второй последовательный интерфейс ASC1 модуля BGS2 предназначен для приложений, в которых нужно использовать одновременный параллельный доступ по последовательным портам. Например, можно организовать запрос статуса во время передачи данных по основному интерфейсу ASC0. Этот интерфейс имеет только четыре сигнальные линии TXD, RXD1, RTS1, CTS1 и ограниченную функциональность. Он также соответствует стандарту ITU-T V.24. Интерфейс ASC1 конфигурируется с помощью специальной команды AT^SCFG. В заводских настройках для интерфейса ASC1 задан уровень сигналов 1,8 В.

Интерфейс пользовательских вводов/выводов содержит шесть линий, через которые могут быть реализованы программно следующие интерфейсы: I²C DAT (GPIO10), I²C CLK (GPIO9), Status LED (GPIO5), PWM1 (GPIO7), PWM2 (GPIO6), Jamming indicator (GPIO6). Для настройки GPIO используются следующие АТ-команды:

AT^SPIO, AT^SCPIN, AT^SGIO, AT^SSIO.

Кроме аналогового аудиоинтерфейса, модуль BGS2 оснащен современным аудио цифровым интерфейсом с поддержкой импульсно-кодовой модуляциии (Pulse Code Modulation Interface, PCM).

Цифровой PCM-интерфейс поддерживает режим «мастер» с частотой дискретизации 256 кГц и обеспечивает перечисленные ниже параметры:

16 бит — линейность;
8 кГц — частота семплирования;
самый старший бит передается первым (MSB-First);
125 мкс — продолжительность формирования кадра;
общая синхронизация для приема и передачи.

Цифровой аудиоинтерфейс модуля BGS2 позволяет использовать его для связи с другими устройствами с поддержкой PCM в таких приложениях как, например, голосовая связь через Интернет (Voice over Networks, VoIP), цифровые беспроводные аудиосистемы, охранная сигнализация, беспроводные системы аварийного оповещения и т. д. Интерфейс DAI программируется с помощью АТ-команды AT^SAIC. Кроме того, в модуле BGS2 поддерживается последовательная шина аудиоинтерфейса Inter-IC Sound (Phillips I²S Bus Specifications, revised June 5, 1996).

Помимо этого, хочется напомнить об интересных программно-аппаратных функциях BGS2, доступных для пользователя еще с предыдущего релиза:

Informal Network Scan — сканирование GSM-сети, получение информации от всех базовых станций в пределах «видимости» модуля (работает как с SIM-картой, так и без нее).
2 Mбайт Flash-памяти на «борту», доступно для пользователя через ASC0, ASC1. PING Command — запрос времени отклика от сервера.
Adaptive Cell Lock — функция привязки модуля к базовой станции или группе станций.
Audio Prompt — воспроизведение, сохранение, удаление аудиофайлов в формате AMR из внутренней памяти модуля (возможно применять для организации голосового меню).

Функция Split Power Supply

В аппаратной части новых функций модуля BGS2 следует отметить раздельное питание усилителя мощности радиочастотного блока и блоков общего назначения. В предыдущих моделях модулей Cinterion M2M LGA применялась схема централизованного питания, в которой на все блоки подавалось одно питание BATT+.

В новых модулях Rel.3 используются два разных понятия для напряжения питания: одно для цифровой части «ВАТТ+BB» и второе для напряжения питания GSM-усилителя мощности «ВАТТ+RF». Эти напряжения питания подаются на две контактные площадки: площадку номер 5 — «ВАТТ+BB», подводящую электропитание к блокам общего назначения (Transceiver, Switching, RF/BB-Linear regulator, GSM processor, GPIO), и на контактную площадку номер 53 — «ВАТТ+RF», соответствующую схеме питания GSM-усилителя мощности (RF power amplifier/ Frontend module) (Рисунок 1).

При переходе на Rel.3 с модулей предыдущего релиза, в которых используется схема с одним DC/DC-конвертером, по-прежнему можно подавать одно напряжение BATT+ на BATT+BB и BATT+RF. Так же, как и в предыдущих моделях, одно напряжение питания подается на два контакта с номерами 5 и 53. В режиме Split Power Supply использует два питающих напряжения:

модуль PA=Vbatt (усилитель мощности) может работать от 2,8 В;
модуль BB (цифровая часть) работает при Vmin > 3,3 В.

Среди преимуществ раздельного питания следует выделить:

напряжение питания от 2,8 В;
возможность применения недорогих и компактных DC/DC-конвертеров (Vbatt < 3,3 В/0,2 A);
поддержка различных типов батарей (например, LFP-батарей: 3,2 В номинальное напряжение, 10 лет жизненный цикл);
возможность совершения звонка при напряжении батареи <3,3 В, использование ее полного ресурса.

В третьей версии также пересмотрено стартовое состояние (startup behavior) сигнальной линии RING0. Сигнал RING0 используется для индикации входящих вызовов, а также других незапрашиваемых кодов URC (Unsolicited Result Code). В момент начального запуска уровень сигнала RING0 переходит из низкого состояния в высокое. Далее в процессах инициализации программного обеспечения и командного интерфейса сигнал RING0 остается в высоком состоянии. Когда поступает голосовой вызов, в цепи RING0 на 1 с устанавливается низкий уровень, а затем линия переходит в высокое состояние на 4 с. Каждые 5 с генерируется и передается по цепи RXD0 строка Ring. При получении сигнала вызова для устройства громкой связи с активированным режимом «вызов на ожидании» в цепи устанавливается низкий уровень RING0. Остальные коды URC переводят линию RING0 в низкое состояние на 1 с.

В новой редакции релиза скорректировано состояние пользовательского ввода/вывода GPIO8 в момент инициализации программного обеспечения (Firmware initialization): T/PD_B (Pull down — 51 мкА, 1,75 В). В предыдущем варианте это состояние было T/PU_B (Pull up — 55 мкА, 0,05 В). В технической документации третьей версии модуля появилось два новых раздела — ADC и Jamming Indicator.

В отношении аналого-цифрового преобразователя ADC отмечается, что в модуле BGS2 Rel.3 используется АЦП с диапазоном входных напряжений 0–1,172 В. Разрешающая способность составляет 1024, при относительной погрешности линейности характеристики 0,3%. АЦП модуля может работать в различных режимах, которые задаются командой AT^SRADC.

Обновленный улучшенный алгоритм Jamming detection

В новом разделе технической документации Jamming Indicator рассмотрена новая версия индикации внешней заглушающей помехи v 2.0.

Хорошо известно, что различного рода структуры (полиция, военные, криминалитет) для подавления GSM-сигнала используют устройства, вырабатывающие сигналы на рабочих частотах 2G и 3G, которые модем или телефон воспринимают как сильный сигнал базовой станции и начинают «работать» с этой псевдо-станцией. В результате работа с сотовой связью в этом районе становится невозможной. При этом глушатся не только обычные сотовые телефоны, но также и GSM/GNSS-навигаторы.

Команда AT^SCFG MEopMode/JamDet/If позволяет регистрировать немодулированные сигналы, внешне напоминающие сигнал базовой станции, и реагировать на это, активируя пользовательский ввод/вывод GPIO6. При обнаружении сигнала глушения GPIO6 переходит в высокое состояние, в котором будет находиться до тех пор, пока модуль не перестанет регистрировать этот сигнал.

Функция Fast SIM switch

Благодаря новым алгоритмам работы модуля при работе с двумя подключенными через внешний переключатель SIM-картами, удалось значительно сократить время переключения между ними и добиться более быстрой регистрации в сети. Для переключения между SIMкартами введена отдельная AT-команда, при этом внешний мультиплексор автоматически управляется модулем через GPIO.