Implementa la connessione cellulare in banda LTE, sia per le telefonate che per l’accesso a Internet a banda larga.
Un po’ per l’ampia diffusione e disponibilità di reti cellulari supportate dai più recenti standard di comunicazione dati, un po’ per la difficoltà e scarsa convenienza economica di portare linee telefoniche cablate, sono sempre più le utenze che ricorrono alle connessioni telefoniche di tipo radiomobile, specie quando si tratta di lavorare in zone non ancora raggiunte da linee ad alta velocità; in casi del genere si ricorre a varie soluzioni, in base allo scopo da raggiungere. Se la connessione serve per far operare un sistema di controllo più o meno automatico, bisogna disporre di un modulo cellulare, mentre se bisogna interfacciare un computer, microprocessore o microcontrollore a Internet, è indispensabile adottare un modulo cellulare con tecnologia di accesso dati idonea.
In quest’ultimo caso, considerato che attualmente si punta molto su 4G e 5G e che l’UMTS/HSDPA (meglio noto come 3G) viene gradualmente abbandonato, bisogna disporre di un modulo/modem che sia almeno LTE, mentre per le telefonate (tipiche dei telecontrolli, che operano con semplici chiamate telefoniche o SMS) è ancora disponibile il 2G (GSM) o il GPRS (2,5G). Il progetto descritto in queste pagine riguarda proprio un dispositivo che implementa la connettività cellulare con supporto dati LTE, basato su un recente modulo GSM della SIMCom, capace di supportare sia le comuni chiamate telefoniche e il servizio di messaggistica SMS (Short Message Service) sia i protocolli di comunicazione dati dal 2G fino al più recente 4G.
Schema elettrico
Per farvi comprendere bene di cosa si tratta, diamo uno sguardo allo schema del dispositivo, pubblicato in queste pagine, dal quale si vede che tutto è basato sul modulo SIMCom A7682E, che in pratica è l’unico elemento attivo della scheda; gli fanno da contorno alcuni componenti passivi, sei transistor bipolari NPN, oltre ad un array di protezioni da sopratensione TVS (Transient Voltage Suppressor) ed un socket per SIM-Card in versione microSIM.
Partiamo dunque con la descrizione del circuito, per il quale abbiamo previsto solo un modulo cellulare Quadriband, ossia l’A7682E della SIMCom, che è in grado di coprire fino al 4G ed è quindi aggiornato alle nuove tecnologie di comunicazione wireless su rete telefonica radiomobile, almeno a quelle attualmente più utilizzate, se consideriamo che il 5G non ha ancora una diffusione rilevante. Il relativo circuito stampato dispone di due connettori miniatura, uno per le connessioni con l’esterno necessarie all’utilizzo e l’integrazione in altri apparati (possiamo considerarlo un header…) e l’altro per l’aggiornamento del firmware (siglato UPG). Il connettore principale, a 20 pin su due file passo 2×2 mm, trasporta anche positivo e negativo dell’alimentazione, oltre alla linea di controllo dell’accensione (PWR), tutti i segnali e le linee di comunicazione da e verso il modulo SIMCom, ma anche le masse della sezione analogica e di quella digitale del modulo (contatti 18 e 20).
Controllo di accensione e reset
Vediamo dunque di descrivere il funzionamento del circuito partendo dalla sezione di controllo dell’alimentazione, la quale opera intervenendo dall’esterno sulla linea ON/OFF (pin 1); tale linea serve a comandare l’accensione e lo spegnimento del modulo GSM/LTE pur mantenendolo costantemente alimentato dai contatti Vcc e GND dei pin-strip; infatti il nostro modulo GSM1 rimane sempre sotto tensione, fornita dalla linea Vcc (pin 17 e 19 del connettore a 20 poli) ai piedini 34 e 35 (siglati Vbat, perché il modulo nasce per l’utilizzo in dispositivi alimentati a batteria) e viene acceso o spento mediante il livello logico applicato al pin 39 (PWR) il quale internamente è collegato ad una resistenza di pull-up ed è attivo a zero logico, quindi per accendere il modulo GSM1 bisogna portare a livello logico alto la linea ON/OFF (contatto 1 del pin-strip) e mandare in saturazione il transistor T2, il quale pone a livello basso la linea PWR del GSM1.
Il controllo del reset avviene in maniera analoga: il modulo SIMCom prevede un ingresso di reset (RST, localizzato al pin 83, attivo a zero logico e provvisto di resistore interno di pull-up); il reset si ottiene portando il pin 16 (RST) del connettore 20 poli ad 1 logico, allorché il transistor T3 va in saturazione e pone a livello basso la linea RST del GSM1; contestualmente, VDD_EXT dello stesso modulo viene portata ad 1 logico.
Le linee UART e l’adattamento di livello
Procediamo con le linee di controllo dell’UART, ossia RTS, CTS, DTR, DCD, che vanno all’esterno mediante i contatti, rispettivamente, 2, 4, 10 e 6 del connettore; lo stesso dicasi per VRTC (contatto 5) e ADC0 (7). Notate che mediante i ponticelli JP1, JP2, JP3 e JP4 è possibile connettere o disconnettere on board i segnali di controllo CTS, RTS, DTR e DCD; normalmente tali jumper sono aperti e se bisogna chiuderli, è previsto che ciò venga fatto stagnando le piazzole di quelli desiderati.
Dell’UART va notata la particolare configurazione delle linee TXD ed RXD, ciascuna delle quali è interfacciata mediante un transistor NPN configurato a base comune, in modo da non affacciarsi direttamente sui contatti corrispondenti del pin-strip; in particolare, RXD (che è un ingresso), provvista di resistore di pull-up, è connessa al collettore del T5, il cui emettitore è connesso al polo RXD (contatto 14) del pin-strip e pertanto quando quest’ultimo è nello stato open o si trova a livello alto (tensione uguale a VDDEXT del modulo GSM1) il T5 è interdetto e RXD del modulo è a livello alto. Invece TXD (che è un’uscita del GSM1) pilota l’emettitore del T4, il cui collettore è provvisto di resistore di pull-up R13, in parallelo al condensatore C11 che filtra i disturbi) e quindi è a livello alto (lo stesso potenziale di VDDEXT) quando il pad del modulo SIMCom è ad 1 logico e a zero quando lo stesso si trova a livello basso. La connessione esterna del TXD è localizzata al piedino 12 del connettore 20 poli. I transistor T4 e T5 servono, in definitiva, come ripetitori degli stati logici e da adattatori di livello dalla tensione VDDEXT del modulo (che è 1,8V come i livelli logici con cui lavorano i segnati TXD e RXD) e lo standard TTL, i cui livelli sono 0/5V.
Il segnale RI e l’audio
Il segnale di RI (indicatore di arrivo della chiamata telefonica) esce dal contatto 8 del connettore, che fa capo al collettore del transistor T6, un NPN utilizzato come interruttore statico per ripetere verso l’esterno l’RI del modulo; pertanto quando il contatto 7 del GSM1 si porta a livello alto, il pin 12 dello strip assume il livello logico basso e viceversa (il livello alto si ottiene solo se il pin 8 è portato al positivo di alimentazione attraverso un resistore di adeguato valore). L’uscita open-collector permette di fornire il segnale di chiamata in arrivo a dispositivi e sistemi con alimentazione differente da quella del nostro circuito, quindi magari a 12V, ovvero di comandare degli attuatori.
L’audio, facente capo a due contatti per il microfono (si tratta di un ingresso differenziale) ed altrettanti per l’altoparlante, transita dai contatti 15, 13, 11, 9, che corrispondono rispettivamente a MIC1P e MIC1N (positivo e negativo del microfono) ed SPK1N e SPK1P (rispettivamente negativo e positivo dell’altoparlante).
Antenna e LED di campo
L’antenna necessaria al funzionamento del modulo GSM1 si collega tramite un connettore dorato sullo stampato del cellulare, facente capo al contatto 32 (RF ANT); il connettore è di tipo MMCX. Proseguiamo con il transistor T1, che qui ci serve per comandare localmente il LED “di campo” del cellulare: la sua base viene polarizzata dal livello logico presente sul piedino 41 (NETLIGHT) del GSM1. Dal collettore del transistor parte la linea che porta al contatto 3 (LED) del connettore 20 poli, attraverso il quale il microcontrollore host (o in generale il sistema che utilizza il nostro modulo) si informa sulle condizioni della rete cellulare (presenza, intensità del segnale, disponibilità) nonché sullo stato di connessione del modulo (assenza segnale di rete, presenza rete ecc.).
Gestione della SIM
Concludiamo l’analisi dello schema elettrico del circuito occupandoci delle linee di gestione della SIM, che si interfaccia ai contatti del bus dedicato sul modulo GSM1 tramite le linee SIM_CLK (clock) SIM_RST (reset) e SIM_DATA (canale dati); la linea SIM_VDD viene utilizzata per accendere e spegnere (alimentare e privare dell’alimentazione) la SIM ed è gestita dal modulo GSM1.
Protezione TVS e alimentazione
Notate la presenza dell’array di quattro Zener (D1) composto da elementi TVS, ossia speciali diodi che servono a proteggere la SIM-Card da eventuali picchi di tensione dovuti a disturbi, che possono arrivare dalla linea di alimentazione fino alle linee del bus di comunicazione tra SIM e cellulare. In vero nello schema lo abbiamo messo per futuri sviluppi, pur non essendo stato montato nel prototipo perché la documentazione fornita dalla SIMCom non lo ritiene necessario per il modulo A7682E qui utilizzato. Lo abbiamo comunque previsto, a livello di circuito stampato, perché la scheda in teoria può supportare altri moduli SIMCom pin-to-pin compatibili che potrebbero richiederlo o comunque se doveste riscontrare problemi di disturbi nella vostra applicazione.
Un’ulteriore protezione della comunicazione tra SIM e modulo cellulare è fornita dai condensatori C5-C9, C6, C7, C8 collegati rispettivamente alle linee SIM_VDD, SIM_RST, SIM_CLK, SIM_DATA verso massa, la cui funzione è filtrare tali linee da disturbi impulsivi che potrebbero affliggere la comunicazione tra la scheda (chip-card) e il modulo GSM1.
L’alimentazione Vcc del circuito è previsto che sia di circa 4V, perché il modulo è progettato per essere alimentato da una batteria a litio a singola cella (che a piena carica si colloca intorno ai 4,2V…) e quindi con una tensione di valore compreso fra 3,6 e 4,2 volt in continua; è comunque possibile alimentarlo con una fonte “fissa” ovvero con un alimentatore da rete o una linea proveniente da un altro apparato, a patto di rimanere nel range suindicato.
Terminiamo la descrizione dello schema elettrico con il connettore siglato UPG (CN1), che è del tipo miniatura maschio da 6 poli single-in-line a passo molto fitto (1 mm): oltre a trasportare l’alimentazione a 5 volt e la massa, veicola le linee DP, DM, Vbus della connessione USB 2.0 integrata e la linea Boot da utilizzare per la programmazione del cellulare SIMCom A7682E. Il connettore è visibile in alto a destra nella fotografia del prototipo proposta dalla Fig. 1.
Realizzazione pratica
Bene, una volta spiegato dettagliatamente lo schema elettrico dobbiamo passare agli aspetti pratici: la scheda richiede la realizzazione di un circuito stampato a doppia faccia, le cui tracce dei lati rame si possono scaricare dalla sezione Download Sorgenti e File Gerber presente nella pagina di presentazione di questo numero della rivista (www.elettronicain.it). Per la realizzazione dei PCB potete utilizzare l’economico servizio PCBPRODUCTION di Futura Elettronica (www.futurashop.it). Una volta ricevuto il PCB potete montarvi i componenti occorrenti seguendo, per quelli polarizzati, l’orientamento mostrato dal piano di montaggio che vedete in queste pagine.
Preparazione e saldatura SMD
La realizzazione richiede una certa attenzione, in quanto il circuito è a montaggio superficiale e richiede inoltre un minimo di attrezzatura che consta di almeno un saldatore a punta molto fine, del filo di lega saldante (o pasta salda) del diametro massimo di 0,5 mm, della pasta flussante a media densità, una lente d’ingrandimento e una pinzetta per il posizionamento dei componenti. La saldatura del modulo SIMCom richiede l’utilizzo di una stazione ad aria calda e, preferibilmente, di una piastra riscaldante in grado di portare la parte inferiore del circuito stampato a una temperatura di almeno 100 °C. In alternativa, si può impiegare un fornetto specifico per la saldatura o il rework dei componenti SMD. In questo caso, la procedura prevede di applicare prima un flussante a bassa densità sulle piazzole del modulo SIMCom, seguito da uno strato uniforme di pasta saldante. Successivamente, il modulo va posizionato con precisione al centro delle piazzole, rispettando rigorosamente l’orientamento indicato nelle immagini del prototipo e nel piano di montaggio. Senza spostare il modulo, il circuito stampato va inserito nel cassetto del forno.
Una volta avviata la macchina, si seguirà il ciclo di saldatura appropriato, determinato dal tipo di pasta utilizzata: lead-free (senza piombo, conforme alle normative Rohs) o leaded (contenente piombo). È importante notare che questi forni sono generalmente dotati di curve di saldatura preimpostate in fabbrica, ma in alcuni casi è possibile configurare curve personalizzate in base alle esigenze specifiche. Sistemato il modulo A7682E, che è il primo componente da saldare per evitare di dover scaldare gli altri nel “fornetto” e perciò di sottoporli a stress termico, potete procedere con i componenti restanti. Volendo sarebbe possibile saldare tutti i componenti in una volta sola (ad eccezione dei connettori, da saldare alla fine, nonché dello zoccolo per la microSIM, da saldare manualmente) ed in questo caso prendete il circuito stampato, spalmate con la pasta salda le piazzole destinate ai componenti SMD e poi mettete il tutto nel fornetto assicurandovi che nessun elemento si sia spostato.
Componenti manuali e antenna
Se scegliete di effettuare la saldatura manuale dei componenti discreti, procuratevi un saldatore a stilo (o una stazione saldante) con punta fine e una potenza non superiore ai 30 watt. Applicate del flussante sulle piazzole e iniziate a stagnare le resistenze e i condensatori. Successivamente, passate al LED e ai transistor, assicurandovi di rispettare il corretto orientamento dei terminali per i transistor, dato che la loro disposizione è univoca. Per quanto riguarda i condensatori elettrolitici al tantalio e il LED, seguite l’orientamento indicato nel piano di montaggio riportato in queste pagine. Prestate particolare attenzione durante la saldatura del LED: cercate di ridurre al minimo il tempo di esposizione al calore per evitare che la finestrella in resina trasparente, attraverso cui passa la luce, si deformi. Infine inserite nei rispettivi fori i connettori a 20 poli per l’interconnessione della scheda e quello per implementare l’aggiornamento del firmware e la programmazione (UPG o CN1 che dir si voglia).
Per il collegamento dell’antenna GSM è previsto uno speciale connettore MMCX dorato, in formato THT, da stagnare manualmente nelle apposite piazzole.
L’antenna cellulare da utilizzare con il circuito qui proposto deve essere compatibile con tutte le bande supportate dal modulo SIMCom A7682E, quindi 850/900/1800/1900 MHz; un buon esempio è il prodotto 8170-ANTGSMSTL-MMCX commercializzato dalla Futura Elettronica (on-line su www.futurashop.it), che è un’antenna cellulare a stilo con base magnetica e 3 metri di cavo. Cavo RG174, connettore MMCX femmina. Lunga 12 cm, questa antenna è Quadriband, compatibile con le reti GSM con frequenze delle reti radiomobili a 850/900/1800/1900 MHz (824~894 MHz / 1710~1990 MHz– 880~960 MHz / 1710~1990 MHz – 1920~2170 MHz).
Restando sulla realizzazione, notate che i ponticelli JP1, JP2, JP3 e JP4 del circuito stampato non sono dei comuni jumper a passo 2,54 mm basati su pin-strip, ma vengono realizzati tramite piazzole, sul lato inferiore del circuito stampato, da unire con una goccia di stagno quando si desidera che uno o più di essi vengano chiusi (stato ON); in condizioni normali, quindi, sono sconnessi (OFF) e se vi occorre connettere i segnali di controllo CTS, RTS, DTR e DCD dovete unire le rispettive piazzole fondendovi sopra dello stagno fino ad unire quelle di ciascun jumper.
Per l’utilizzo, ricordate che il circuito funziona con un alimentatore capace di erogare 4 volt e una corrente di almeno 800 mA, che è il picco di assorbimento alla massima potenza in trasmissione.
Facciamo un rapido test
Per provare il funzionamento del modulo cellulare possiamo collegarlo ad un Personal Computer tramite USB, interponendo allo scopo un converter TTL/USB, quindi impartendo da un emulatore di terminale dei comandi AT basilari, ad esempio quelli per comporre un numero telefonico e gestire una chiamata telefonica (ATDT seguito dal numero da chiamare e il ; finale). Il compito diventa più semplice utilizzando la base per moduli GSM presentata nel fascicolo n° 236 di Elettronica In (Fig. 3) e disponibile già assemblata presso Futura Elettronica con il codice FT1427.
La base FT1427
Questa base è dotata di un connettore a 20 poli, formato femmina, compatibile con il modulo 4G, e include diverse funzionalità utili: il controllo del power-on, il reset del modulo e un convertitore TTL/USB di tipo CH340. Quest’ultimo è seguito da un traslatore di livelli logici a MOSFET, che permette di adattare l’interfaccia UART TTL ai livelli di tensione compatibili (0/3,3V) richiesti dal modulo cellulare. La scheda FT1427 provvede inoltre a portare all’esterno, tramite due prese jack, l’audio e il microfono per consentire l’espletamento delle chiamate telefoniche. Integra, infine, un converter DC/DC switching (basato sull’integrato LC3406) operante ad alta frequenza (ben 1,5 MHz, in modo da ridurre le dimensioni dei componenti reattivi richiesti) che fornisce in uscita 3,6V con cui alimentare il modulo SIMCom.
Driver e connessione da PC
Questa scheda può essere facilmente riconosciuta e gestita da un Personal Computer con sistema operativo recente (per esempio Windows 8, 10 o 11) ma non ci sono problemi neppure a utilizzare sistemi operativi Windows più datati: basta scaricare da Internet i driver dell’integrato CH340, che è uno dei più popolari converter TTL/USB, peraltro utilizzato anche da alcune schede Arduino, tant’è che i driver possono essere scaricati, oltre che dal sito web del produttore dell’integrato (https://wch-ic.com/products/CH340.html).
Per la gestione del modem incorporato nel modulo GSM/4G da Windows potete utilizzare un qualsiasi emulatore di terminale (per esempio Hyperterminal, MobaxTerm, Telnet…) impostando la porta COM virtuale assegnata dal sistema operativo una volta installati correttamente i driver, quindi impartendo i comandi AT del caso; ricordiamo che per vedere la COM virtuale dovete andare nella Gestione Risorse di Windows aprendo le porte COM/LPT. I driver consentono anche a Windows di accedere a Internet andando nelle connessioni di rete e creando una connessione basata su modem USB, che nello specifico corrisponderà alla scheda adattatrice.
Bene, con questo riteniamo di aver spiegato tutto ciò che vi occorrerà per utilizzare il modulo cellulare; non ci resta che augurarvi buon lavoro!
