Open Electronics publicó el 6 de octubre el diseño de un módulo que agrega conectividad celular en bandas LTE, tanto para llamadas telefónicas como para acceso a internet de banda ancha.
Las redes celulares con los estándares de datos más recientes están en casi todas partes, y llevar una línea telefónica fija suele ser difícil y poco conveniente. Por eso cada vez más usuarios recurren a conexiones de telefonía móvil, sobre todo cuando trabajan en zonas donde todavía no llegan las líneas de alta velocidad. La solución depende del objetivo. Si la conexión sirve para manejar un sistema de control más o menos automático, hace falta un módulo celular. Si hay que conectar a internet un computador, un microprocesador o un microcontrolador, el módulo celular tiene que soportar una tecnología de acceso a datos adecuada.
En este segundo caso, con el foco puesto en 4G y 5G y con UMTS/HSDPA (el conocido 3G) en retirada gradual, se necesita un módulo o módem que sea al menos LTE. Para llamadas, típicas de los sistemas de control remoto que funcionan con llamadas simples o SMS, todavía están disponibles 2G (GSM) y GPRS (2,5G). El proyecto es justamente un dispositivo con conectividad celular y soporte de datos LTE, basado en un módulo reciente de SIMCom que maneja llamadas comunes, mensajes SMS y protocolos de datos desde 2G hasta 4G.
El esquemático
El diagrama del dispositivo muestra que todo se apoya en el módulo SIMCom A7682E, que en la práctica es el único elemento activo de la placa. A su alrededor hay algunos componentes pasivos, seis transistores bipolares NPN, un arreglo de protección contra sobretensiones TVS (Transient Voltage Suppressor) y un zócalo para tarjeta microSIM.
El A7682E es un módulo celular cuatribanda capaz de llegar a 4G, así que está al día con las tecnologías inalámbricas de las redes de telefonía móvil, al menos con las más usadas hoy, considerando que el 5G todavía no tiene una difusión importante. Su placa tiene dos conectores en miniatura. Uno lleva las conexiones al exterior necesarias para usarlo e integrarlo en otros equipos (se puede considerar un header) y el otro sirve para actualizar el firmware, con la etiqueta UPG.
El conector principal es de 20 pines en dos filas con paso de 2×2 mm. Lleva la alimentación positiva y negativa, la línea de control de encendido (PWR), todas las señales y líneas de comunicación hacia y desde el módulo SIMCom, y también las tierras de las secciones analógica y digital del módulo (contactos 18 y 20).
Control de encendido y reset
El funcionamiento parte por la sección de control de la alimentación, que se maneja desde afuera con la línea ON/OFF (pin 1). Esa línea enciende y apaga el módulo GSM/LTE, que se mantiene siempre alimentado por los contactos Vcc y GND de la tira de pines.
El módulo GSM1 está siempre bajo tensión. La línea Vcc (pines 17 y 19 del conector de 20 polos) lo alimenta por los pines 34 y 35, etiquetados Vbat porque el módulo fue pensado para equipos a batería. Se enciende o se apaga según el nivel lógico aplicado al pin 39 (PWR), que internamente tiene una resistencia de pull-up y se activa en cero lógico. Para encender GSM1 hay que llevar la línea ON/OFF (contacto 1 de la tira de pines) a nivel lógico alto, lo que satura el transistor T2 y baja la línea PWR de GSM1.
El control de reset funciona de forma parecida. El módulo SIMCom tiene una entrada de reset (RST, en el pin 83, activa en cero lógico y con pull-up interno). El reset se consigue llevando a 1 lógico el pin 16 (RST) del conector de 20 polos. Así el transistor T3 entra en saturación y baja la línea RST de GSM1. Al mismo tiempo, el VDD_EXT del mismo módulo pasa a 1 lógico.
Las líneas UART y la adaptación de niveles
Las líneas de control de la UART, RTS, CTS, DTR y DCD, salen al exterior por los contactos 2, 4, 10 y 6 del conector, respectivamente. Lo mismo ocurre con VRTC (contacto 5) y ADC0 (contacto 7). Con los puentes JP1, JP2, JP3 y JP4 se pueden conectar o desconectar en la placa las señales CTS, RTS, DTR y DCD. Normalmente esos puentes quedan abiertos, y si hace falta cerrarlos se sueldan los pads de los que se quieran usar.
Las líneas TXD y RXD de la UART tienen una configuración particular. Cada una pasa por un transistor NPN en configuración de base común, para no quedar conectada directo a los contactos de la tira de pines.
- RXD es una entrada y tiene una resistencia de pull-up. Va al colector de T5, cuyo emisor está conectado al polo RXD (contacto 14) de la tira de pines. Cuando ese contacto queda abierto o en nivel alto (una tensión igual al VDDEXT del módulo GSM1), T5 está cortado y el RXD del módulo queda en nivel alto.
- TXD es una salida de GSM1 y maneja el emisor de T4. El colector de T4 tiene la resistencia de pull-up R13, en paralelo con el condensador C11 que filtra el ruido. Queda en nivel alto (el mismo potencial que VDDEXT) cuando el pad del módulo SIMCom está en 1 lógico, y en cero cuando está en nivel bajo. La conexión externa de TXD está en el pin 12 del conector de 20 polos.
Los transistores T4 y T5 repiten los estados lógicos y adaptan los niveles entre la tensión VDDEXT del módulo, que es de 1,8 V (la misma de los niveles lógicos con que trabajan TXD y RXD), y el estándar TTL, cuyos niveles son 0 y 5 V.
La señal RI y el audio
La señal RI (ring indicator, que avisa una llamada entrante) sale por el contacto 8 del conector, que llega al colector del transistor T6, un NPN usado como interruptor estático para repetir hacia afuera el RI del módulo. Cuando el contacto 7 de GSM1 pasa a nivel alto, el pin 12 de la tira toma nivel lógico bajo, y al revés. El nivel alto se obtiene solo si el pin 8 se lleva al positivo de la alimentación a través de una resistencia de valor adecuado. Esta salida de colector abierto permite entregar la señal de llamada entrante a equipos y sistemas con una alimentación distinta a la del circuito, por ejemplo de 12 V, o manejar actuadores.
El audio usa dos contactos para el micrófono, que es una entrada diferencial, y otros dos para el parlante. Pasa por los contactos 15, 13, 11 y 9, que corresponden a MIC1P y MIC1N (positivo y negativo del micrófono) y a SPK1N y SPK1P (negativo y positivo del parlante).
Antena y LED de señal
La antena que necesita el módulo GSM1 se conecta mediante un conector dorado en la placa celular, que llega al contacto 32 (RF ANT). Es un conector tipo MMCX.
El transistor T1 maneja localmente el LED de "campo" del módulo celular. Su base se polariza con el nivel lógico del pin 41 (NETLIGHT) de GSM1. Desde el colector del transistor sale la línea que llega al contacto 3 (LED) del conector de 20 polos. Por ahí el microcontrolador anfitrión, o en general el sistema que use el módulo, conoce el estado de la red celular (presencia, intensidad de señal, disponibilidad) y el estado de conexión del módulo (sin señal de red, red presente, etc.).
Manejo de la SIM
Las líneas de la SIM se conectan a los contactos del bus dedicado del módulo GSM1 por las líneas SIM_CLK (reloj), SIM_RST (reset) y SIM_DATA (canal de datos). La línea SIM_VDD enciende y apaga la SIM (le da y le quita alimentación) y la maneja el propio módulo GSM1.
Protección TVS y alimentación
El diseño incluye un arreglo de cuatro zéner (D1) formado por elementos TVS, diodos especiales que protegen la tarjeta SIM de picos de tensión causados por interferencias, que pueden viajar desde la línea de alimentación hasta las líneas del bus de comunicación entre la SIM y el módulo celular. Ese arreglo está en el esquemático pensando en desarrollos futuros, pero no se montó en el prototipo, porque la documentación de SIMCom no lo considera necesario para el A7682E. Igual quedó previsto en el circuito impreso, porque en teoría la placa admite otros módulos SIMCom compatibles pin a pin que podrían requerirlo, o por si aparecen problemas de interferencia en alguna aplicación.
La comunicación entre la SIM y el módulo celular tiene otra protección. Los condensadores C5 a C9, C6, C7 y C8 van conectados a tierra desde las líneas SIM_VDD, SIM_RST, SIM_CLK y SIM_DATA, respectivamente, para filtrar interferencias impulsivas que podrían afectar la comunicación entre la tarjeta (chip-card) y el módulo GSM1.
La alimentación Vcc del circuito debe rondar los 4 V, porque el módulo está pensado para funcionar con una batería de litio de una celda, que con carga completa queda cerca de 4,2 V. O sea, con una tensión continua de entre 3,6 y 4,2 V. Igual se puede alimentar desde una fuente "fija", como una fuente conectada a la red eléctrica o una línea que venga de otro equipo, siempre que se mantenga dentro de ese rango.
El esquemático se completa con el conector UPG (CN1), un conector macho en miniatura de 6 polos en una sola fila, con un paso muy estrecho de 1 mm. Además de la alimentación de 5 V y la tierra, lleva las líneas DP, DM y Vbus de la conexión USB 2.0 integrada y la línea Boot, que se usa para programar el módulo celular SIMCom A7682E. El conector se ve arriba a la derecha en la foto del prototipo de la Fig. 1.
El armado
Con el esquemático explicado, queda la parte práctica. La placa requiere un circuito impreso de doble cara, cuyas pistas se pueden descargar desde la sección de archivos fuente y Gerber de la página de presentación del número de la revista. Para fabricar los PCB se puede usar el servicio económico PCBPRODUCTION. Una vez recibido el PCB, se montan los componentes respetando, en los que tienen polaridad, la orientación que indica el plano de montaje.
