剖析Air724UG的硬件设计，还有大发现？01部分

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一、绪论

Air724UG是一款基于紫光展锐UIS8910DM平台设计的LTE Cat 1无线通信模组。支持FDD-LTE/TDD-LTE的4G远距离通讯和Bluetooth近距离无线传输技术，支持 WiFi Scan 和 WiFi 定位，支持VoLTE、Audio、Camera、LCD、Keypad等功能。另外，模组提供了USB/UART/SPI/I2C/SDIO等通用接口满足IoT行业的各种应用诉求。

Air724UG 支持Luat二次开发。下图为Air724UG模块功能框图：

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二、综述

2.1  型号信息

表格 1：模块型号列表

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2.2 主要性能

表格 2：模块主要性能

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​三、应用接口

模块采用LCC封装，117个SMT焊盘管脚，以下章节将详细阐述Air724UG各接口的功能

3.1 管脚描述

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3.2 工作模式

下表简要的叙述了接下来几章提到的各种工作模式。

表格 5：工作模式

模式	功能
正常工作	SLEEP	在模块没有任何任务处理则会自动进入睡眠模式。睡眠模式下，模块的功耗会降到非常低，但模块仍然能够收发数据、短消息和来电。
	IDLE	软件正常运行。模块注册上网络，没有数据，语音和短信交互。
	TALK/Data	连接正常工作。有数据或者语音或者短信交互。此模式下，模块功耗取决于环境信号的强弱，动态DTX 控制以及射频工作频率。
关机模式	此模式下PMU停止给基带和射频供电，软件停止工作，串口不通，但VBAT管脚依然通电
最少功能模式(保持供电电压）	AT+CFUN=0 可以将模块设置为最少功能模式 此模式下，射频和SIM卡都不工作，但是串口仍然可以访问
飞行模式	AT+CFUN=4 可以将模块设置为飞行模式，此模式下模块射频不工作

具体的功耗数据请查询 5.4 功耗章节。

3.3 电源供电

管脚名	类型	序号	描述
VBAT	PI	59，60	模块主电源，供电范围3.3V~4.3V

3.3.1 模块电源工作特性

在模块应用设计中，电源设计是很重要的一部分。由于LTE射频工作在最大发射功率时会有约700mA的持续 工作电流，电源必须能够提供足够的电流，不然有可能会引起供电电压的跌落甚至模块直接掉电重启。

3.3.2 减小电压跌落

模块电源VBAT电压输入范围为3.3V~4.3V，但是模块在射频发射时通常会在VBAT电源上产生电源电压跌落现象，这是由于电源或者走线路径上的阻抗导致，一般难以避免。因此在设计上要特别注意模块的电源设计， 在VBAT输入端，建议并联一个低ESR(ESR=0.7Ω)的100uF的钽电容，以及100nF、33pF、10pF滤波电容，VBAT输入 端参考电路如图4所示。并且建议VBAT的PCB走线尽量短且足够宽，减小VBAT走线的等效阻抗，确保在最大发射 功率时大电流下不会产生太大的电压跌落。建议VBAT走线宽度不少于1mm，并且走线越长，线宽越宽。

图表 3：VBAT 输入参考电路

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3.3.3 供电参考电路

电源设计对模块的供电至关重要，必须选择能够提供至少1A电流能力的电源。若输入电压跟模块的供电电 压的压差小于2V，建议选择LDO作为供电电源。若输入输出之间存在的压差大于2V，则推荐使用开关电源转换器以提高电源转换效率。

LDO供电：

下图是5V供电的参考设计，采用了Micrel公司的LDO，型号为MIC29302WU。它的输出电压是4.16V，负载电 流峰值到3A。为确保输出电源的稳定，建议在输出端预留一个稳压管，并且靠近模块VBAT管脚摆放。建议选择 反向击穿电压为5.1V，耗散功率为1W以上的稳压管。

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图表 4：供电输入参考设计

DC-DC 供电：

下图是 DC-DC 开关电源的参考设计，采用的是杰华特公司的 JW5033S 开关电源芯片，它的最大输出电流是 2A，输入电压范围 3.7V~18V。注意 C25 的选型要根据输入电压来选择合适的耐压值。

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图表 6：DCDC 供电输入参考设计

由于DC-DC 芯片对布局和走线有要求，为了简化设计，也可以采用合宙推出的JW5033S 电源模块：

Air5033S 来给 4G 模块供电，只需要外加两颗滤波电容即可，参考电路如下：

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图表 6：Air5033S 供电输入参考设计

3.4 开关机

3.4.1 开机

管脚名	类型	序号	描述
PWRKEY	DI	68	模块开机/关机控制脚， 内部上拉到VBAT
VBUS	DI	14	USB插入检测，Vmax=5.25V Vmin=3.3V Vnorm=5.0V Luat固件可触发充电开机

在VBAT供电后，可以通过如下三种方式来触发Air724UG开机

1. 把 PWRKEY 拉低1.2秒以上
2. 给 VBUS 管脚供电，来触发充电开机（AT固件不支持）
3. RTC 定时开机（AT固件不支持）

3.4.1.1 PWRKEY 管脚开机

VBAT上电后，可以通过PWRKEY管脚启动模块，把PWRKEY管脚拉低1.2秒以上之后模块会进入开机流程，软 件会检测VBAT管脚电压，若VBAT管脚电压大于软件设置的开机电压（3.1V），会继续开机动作直至系统开机完 成；否则，会停止执行开机动作，系统会关机，开机成功后PWRKEY管脚可以释放。可以通过检测  V_GLOBAL_1V8 管脚的电平来判别模块是否开机。推荐使用开集驱动电路来控制PWRKEY管脚。下图为参考电路：

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图表 5：开集驱动参考开机电路

另一种控制PWRKEY管脚的方法是直接使用一个按钮开关。按钮附近需放置一个TVS管用以ESD保护。下图 为参考电路：

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图表 6：按键开机参考电路

按键开机时序图：

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3.4.1.2 上电开机

将模块的PWRKEY  直接接地可以实现上电自动开机功能。需要注意，在上电开机模式下，将无法关机，只要 VBAT  管脚的电压大于开机电压即使软件调用关机接口，模块仍然会再开机起来。另外，在此模式下，要想成功开机起来 VBAT  管脚电压仍然要大于软件设定的开机电压值（3.1V），如果不满足，模块会关闭，就会出现反复开关机的情况。

对于用锂电池或其他可充电电池供电的应用场景，推荐优先采用按键开机的方式。

如果要上电开机，除了要把 PWRKEY 拉低以外，还必须把 VBUS 管脚接到充电器上来触发充电开机，或者在 VBUS 和 VBAT 之间加一个肖特基二极管来触发充电开机，否则在锂电池过放导致模块低电压关机后，在给锂电池重新充电时因为电压还不稳，而模块只会检测到一次 PWRKEY 拉低的中断，会导致概率性无法开机。

增加这颗肖特基二极管后会增加约 0.6mA 的待机电流。

参考电路如下：

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3.4.2 关机

以下的方式可以关闭模块：

• 正常关机：使用PWRKEY管脚关机
• 正常关机：通过AT指令AT+CPOWD关机
• 低压自动关机：模块检测到低电压时关机，可以通过AT指令 AT+CBC 来设置低电压的门限值；

3.4.2.1 PWRKEY 管脚关机

PWRKEY 管脚拉低 1.5s 以上时间，模块会执行关机动作。

关机过程中，模块需要注销网络，注销时间与当前网络状态有关，经测定用时约2s~12s，因此建议延长12s  后再进行断电或重启，以确保在完全断电之前让软件保存好重要数据。

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3.4.2.2 低电压自动关机

模块在运行状态时当 VBAT 管脚电压低于软件设定的关机电压时（默认设置 3.1V），软件会执行关机动作关闭模块，以防低电压状态下运行出现各种异常。

3.4.3 复位

管脚名	类型	序号	电压域	描述
RESET_IN_N	DI	1	VBAT	模块复位输入，低有效；内部上拉到VBAT

RESET_IN_N 引脚可用于使模块复位。拉低 RESET_IN_N 引脚 100ms 以上可使模块复位。RESET_IN_N 信号对干扰比较敏感， 因此建议在模块接口板上的走线应尽量的短，且需包地处理。

参考电路：

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备注：

1 . 复位功能建议仅在AT+CPOWD 和PWRKEY 关机失败后使用。

3.5 串口

模块提供了五个通用异步收发器：主串口 UART1、校准串口 UART2、通用串口 UART3、调试串口 HOST UART

和 ZSP UART。

3.5.1 UART1

表格 6：UART1 管脚定义

管脚名	类型	序号	电压域	描述
UART1_TXD	DO	36	V_GLOBAL_1V8	UART1 发送数据
UART1_RXD	DI	35	V_GLOBAL_1V8	UART1 接收数据
UART1_RTS	DO	37	V_GLOBAL_1V8	流控管脚，UART1 请求发送数据
UART1_CTS	DI	38	V_GLOBAL_1V8	流控管脚，UART1 清除发送

对于 Luat 开发方式，UART1  可以用作一个通用的串口来连接其他的串口设备。

对于AT 开发方式，UART1 用来进行 AT 指令通讯。UART1 支持固定波特率和自适应波特率。自适应波特率支持范围 9600bps 到 115200bps。

在默认情况下，模块的硬件流控是关闭的。当客户需要硬件流控时，管脚 RTS,CTS  必须连接到客户端，AT 命令“AT+IFC=2,2”可以用来打开硬件流控。AT 命令“AT+IFC=0,0”可以用来关闭流控。具体请参考《AirM2M 无线模块 AT 命令手册》。

UART1 的特点如下：

• 包括数据线TXD和RXD，硬件流控控制线RTS和CTS。
• 8个数据位，无奇偶校验，一个停止位。
• 硬件流控默认关闭。
• 用以AT命令传送，数传等。
• 支持波特率如下：1200,2400,4800,9600,14400,19200,28800,38400,57600,115200,230400,460800,921600bps
• AT指令版本默认情况下模块是自适应波特率(AT+IPR=0)，在自适应波特率模式下，开机后初始化信息（开头是“RDY”）不会回发给主控机。在模块开机2-3秒后，可以给模块发送AT命令。主控机需首先发送“AT”字符给模块来训练主控机的波特率，此时模块会上报初始化信息，表明训练成功。用户可以发送一个“AT+IPR=x   :&W”命令给模块（x是波特率，比如9600），此命令的作用是设置一个固定的波特率并保存，在完成这些配置之后，每次模块开机以后，会自动串口返回URC初始化信息（开头是“RDY”）。

为了更好的使用自适应波特率功能，以下的使用条件需要注意：

模块和上位机之间同步：

自适应波特率功能开启情况下，当模块上电，在发送“AT”字符前最好等待 2~3 秒钟。当模块上报开机初始化信息，表明波特率训练成功，和上位机完成了同步。

在自适应波特率模式下，主控器如果需要开机信息，必须首先进行同步。否则开机初始化信息将不会上报。

自适应波特率操作配置：

• 串口配置为8位数据位，无奇偶校验位，1位停止位（出厂配置）
• 模块开机时只有字符串“AT”可以训练波特率。（“at”、“At”或者“aT”无法被识别）
• 波特率训练成功后，可以识别大写、小写或大小写组合的AT命令。
• 不推荐在固定波特率模式时切换到自适应波特率模式。
• 在自适应波特率模式下，不推荐切换到软件多路复用模式。

3.5.2 UART2

表格 7：UART2 管脚定义

管脚名	类型	序号	电压域	描述
UART2_TXD	DO	4	V_GLOBAL_1V8	UART2 发送数据
UART2_RXD	DI	3	V_GLOBAL_1V8	UART2 接收数据

UART2 可以用来射频校准，同时UART2 还用来和内部的蓝牙进行通讯，如果用到了蓝牙功能，则UART2 不可再用作其他用途。

注意：UART2 在开机后会自动打印一段log，波特率921600，这段log不能通过修改软件来关闭，推荐优先使用

UART1 和 UART3

UART2打印的Log如下：

RDA8910m Boot_ROM V1.0-17b887ec HW_CFG: 36

SW_CFG: 0

SE_CFG: 0

check flash img

load complete! checking......

Security Disabled Check uImage Done Run ...

3.5.3 UART3

管脚名	类型	序号	电压域	描述
UART3_TXD	DO	90	V_GLOBAL_1V8	UART3 发送数据
UART3_RXD	DI	89	V_GLOBAL_1V8	UART3 接收数据

可以用作外接GPS等外设。

3.5.4 HOST UART

管脚名	类型	序号	电压域	描述
HOST_TXD	DO	5	V_GLOBAL_1V8	调试串口，输出 AP log，波特率 921600bps
HOST_RXD	DI	6	V_GLOBAL_1V8	调试串口，接收调试指令

HOST UART 用来软件调试时输出 AP trace，建议预留测试点。

3.5.5 ZSP UART

管脚名	类型	序号	电压域	描述
ZSP_UART_TXD	DO	7	V_GLOBAL_1V8	调试串口，输出 CP log，波特率 8Mbps

ZSP UART 用来软件调试时输出 CP trace

3.5.6 串口连接方式

串口的连接方式较为灵活，如下是三种常用的连接方式。 三线制的串口请参考如下的连接方式：

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带流控的串口连接请参考如下电路连接，此连接方式可提高大数据量传输的可靠性，防止数据丢失。

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3.5.7 串口电压转换

Air724UG 模块的串口电平都是 1.8V 的，如果要和 3.3V/5V 的MCU 或其他串口外设通信，必须要加电平转换电路：

电平转换参考电路如下：

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注意此电平转换电路不适用波特率高于 460800 bps 的应用；

图中 V_GLOBAL_1V8 是模块输出的 I/O 参考电压。VDD_MCU 是客户端的 I/O 参考电压。

D2 必须选用低导通压降的肖特基二极管。

肖特基二极管以及 NPN 三极管的推荐型号如下：

物料名称	型号	厂商	描述
肖特基二极管	RB521S-30	江苏长电	Schottky Diode;30V;200mA;SOD523;1.6*0.8*0.6mm
	PSB521S-30	上海智晶	Schottky Diode;30V;200mA;SOD523;1.6*0.8*0.6mm
	LRB521S-30T1 G	LRC	Schottky Diode;30V;200mA;SOD523;1.6*0.8*0.6mm
	PSBD521S-30	Prisemi	Schottky Diode;30V;200mA;SOD523;1.6*0.8*0.6mm
NPN 三极管	MMBT3904	江苏长电	Transistor;NPN;40V;200mA;SOT23;1.1mm;ROHS
	MMBT3904	上海智晶	Transistor;NPN;40V;200mA;SOT23;1.1mm;ROHS
	LMBT3904LT1G	LRC	Transistor;NPN;40V;200mA;SOT23;1.1mm;ROHS

对于波特率高于 460800bps 的应用，可以通过外加电平转换芯片来实现电压转换，参考电路如下：

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此电路采用的是电平转换芯片是TI 的TXS0108E， 8 位双向电压电平转换器，适用于漏极开路和推挽应用， 最大支持速率：

推挽：110Mbps 开漏：1.2Mbps

3.6 USB 接口

Air724UG 的USB 符合USB2.0 规范，支持高速（480Mbps）、全速（12Mbps）模式和低速（1.2Mbps） 模式。USB 接口可用于AT 命令传送，数据传输，软件调试和软件升级。

表格 8：USB 管脚定义

管脚名	类型	序号	描述
USB_DP	IO	16	USB 差分信号正，走线需控制 90 欧姆差分阻抗
USB_DM	IO	15	USB 差分信号负，走线需控制 90 欧姆差分阻抗
VBUS	DI	14	USB 插入检测, Vmax=5.25V Vmin=3.3V Vnorm=5.0V , Luat 固件可触发充电开机

GND

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参考地

USB接口参考设计电路如下：

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图表 9：USB 接口参考设计

1. USB 走线需要严格按照差分线控制，做到平行和等长；
2. USB 走线的阻抗需要控制到差分 90 欧姆；
3. 需要尽可能的减少USB 走线的stubs，减少信号反射；USB 信号的测试点最好直接放在走线上以减少stub；
4. 尽可能的减少USB 走线的过孔数量；
5. 在靠近USB 连接器或者测试点的地方添加 TVS 保护管，由于USB 的速率较高，需要注意TVS 管的选型，保证选用的TVS 保护管的寄生电容小于 1pF
6. VBUS 作为USB 插入检测，必须连接USB 电源或者外接电源，否则USB 无法被检测到，VBUS 的检测电压要大于 3.3V

3.7 USB 下载模式

管脚名	类型	序号	电压域	描述
USB_BOOT KEYIN0	DI	66	V_GLOBAL_1V8	在开机之前上拉到 V_GLOBAL_1V8，模块会强行进入 USB 下载模式 ，USB_BOOT  和 V_GLOBAL_1V8  须留测试点，方便后续升级软件
V_GLOBAL_1V8	PO	65	V_GLOBAL_1V8	输出 1.8V，IOmax=50mA
KEYOUT0	DO	96	V_GLOBAL_1V8	扫描键盘输出 0
KEYIN1	DI	91	V_GLOBAL_1V8	扫描键盘输入 1

Air724UG 模块有两种方式可以进入 USB 下载模式：

1. 在开机之前，把USB_BOOT/KEYIN0 上拉到 V_GLOBAL_1V8
2. 在开机之前，把USB_BOOT/KEYIN0 和 KEYOUT0 短接在一起

建议给USB_BOOT/KEYIN0 和 V_GLOBAL_1V8 预留测试点，方便下载调试使用。

在带有矩阵扫描键盘的应用中，建议把USB_BOOT/KEYIN0 和 KEYOUT0 组成的按键接出来，以方便进行整机烧录的操作。

模块进入USB 下载模式后会枚举出下图所示的端口：

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Air724UG 还有一种方式会进入调试模式：在开机之前，把KEYIN1 上拉到 V_GLOBAL_1V8；进入调试模式后USB 枚举出来的端口和USB 下载模式的端口是一样的。

进入调试模式后将无法正常开机，故正常开机请不要把 KEYIN1 上拉到 V_GLOBAL_1V8

今天先分享到这里，后面继续分享。

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