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NM1系列模组硬件设计手册适用于 NM1,NM1-CT,NM1-GL 模组。
此文档给 NM1 系列模组产品使用者提供了设计开发依据。通过阅读此文档,用户可以对本产品有整体认识,对产品的技术参数有明确的了解,并可在此文档基础上顺利完成相关功能类产品或设备的应用开发。
本文档旨在给用户提供一个较为全面的设计参考,其中不仅提供了产品功能特点和技术参数,还提供了产品可靠性测试和相关测试标准、业务功能实现流程、射频性能指标以及用户电路设计指导。
缩略语 | 英文全称 | 中文解释 |
---|---|---|
ESD | Electro-Static discharge | 静电放电 |
USB | Universal Serial Bus | 通用串行总线 |
UART | Universal Asynchronous Receiver Transmitter | 通用异步收发器 |
SIM | Subscriber Identification Module | 用户识别模组 |
SPI | Serial Peripheral Interface | 串行外设接口 |
I2C | Inter-Integrated Circuit | 交互集成线路 |
I/O | Input/output | 输入/输出 |
GPIO | General-purpose Input/output | 通用输入输出接口 |
TDB | To Be Determined | 待定 |
RTC | Real Time Clock | 实时时钟 |
ADC | Analog-to-Digital Converter | 模拟-数字转换器 |
NM1系列模组是一款体积小、高性能、低功耗的 NB-IoT 模组。该模组产品的功能特点如下:
NM1 有 66 个管脚,其中 LCC 封装 52 个管脚,LGA 封装 14 个管脚,封装尺寸是 17.7*15.8 mm,高度为 2.4mm。
NM1的主要特性可以从机械特性、基带、射频、技术标准和环境特性等方面来看。
主要技术参数
标题 | 参数项 | 规格说明 |
---|---|---|
机械特性 | 尺寸大小/封装类型 | 17.7mmx15.8mmx2.4mm,LCC 封装 52 个管脚,LGA 封装 14 个管脚 |
模组 | 平台 | MT2625 |
模组 | 处理器架构 | ARM Cortex -M4 |
模组 | USIM | 1.8V SIM card |
模组 | USB 接口 | USB 1.1 |
模组 | 电压 | |
模组 | 正常工作模式 | |
模组 | 省电 | 模组在 PSM 下耗流极低(最小电流:3.5uA),PSM 的主要目的是降低模组功耗,延长电池的供电时间。 |
模组 | 串口 | |
模组 | RTC | 支持 |
模组 | ADC | 有一个10 位模数转换输入接口来测量电压值。该模数转换接口在 Active 和 Idle 式下均可工作。 |
模组 | RI信号* | 当有短信接收或 URC 输出时,模组将通过 RI 引脚通知 DTE。 |
模组 | 模组状态指示 | 上电开机后Active状态和Idle状态是高电平,关机和PSM状态是低电平 |
射频 | 协议 | NB-IoT 3GPP R13 |
射频 | 最大发射功率 | 23dBm±2dB |
射频 | 接收灵敏度 | -123dBm/15KHz(非重传) |
射频 | 天线接口 | 50 欧姆特征阻抗,天线由第三方提供。 |
技术标准 | 数据速率 | Single-tone:25.5kbps(下行),16.7kbps(上行) Multi-tone:25.5kbps(下行),62.5kbps(上行) |
技术标准 | 网络协议特性 | UDP/TCP/CoAP/LWM2M/PPP*/SSL*/DTLS*/FTP*/ HTTP*/MQTT/HTTPS* |
环境特性 | 温度 | 正常工作温度:-35°C ~ +75°C 1) 扩展工作温度:-40°C ~ +85°C 2) 存储温度:-40°C ~+90°C |
应用 | 短信* | 文本和 PDU 模式 |
应用 | 升级 | 通过下载串口升级 OTA 升级(注意升级时间和电池电量) |
注意:
- 1) 表示当模组工作在此温度范围时,模组的相关性能满足 3GPP 标准要求。
- 2) 表示当模组工作在此温度范围时,模组仍能保持正常工作状态,数据传输,射频频谱,网络等基本不受影响,仅个别指标如输出功率等参数的值可能会超出 3GPP 标准的范围。当温度返回至正常工作温度范围时,模组的各项指标仍符合 3GPP 标准。
- “*” 表示正在开发中。
基带部分主要包括以下信号组:SIM 卡接口信号、I2C 接口信号、UART 接口信号、USB 接口信号、工作状态指示灯信号、开机信号、复位信号、PSM 唤醒信号、多个 GPIO 端口复用的控制信号、电源和地等。
工作频段 | 上行频段 | 下行频段 |
---|---|---|
B1 | 1920MHz~1980MHz | 2110MHz~2170MHz |
B2 | 1850MHz~1910MHz | 1930MHz~1990MHz |
B3 | 1710MHz~1785MHz | 1805MHz~1880MHz |
B5 | 824MHz~849MHz | 869MHz~894MHz |
B8 | 880MHz~915 MHz | 925MHz~960MHz |
B12 | 699MHz~716MHz | 729MHz~746MHz |
B13 | 777MHz~787MHz | 746MHz~756MHz |
B17 | 704MHz~716MHz | 734MHz~746MHz |
B18 | 815MHz~830MHz | 860MHz~875MHz |
B19 | 830MHz~845MHz | 875MHz~890MHz |
B20 | 832MHz~862MHz | 791MHz~821MHz |
B25 | 1850MHz~1915MHz | 1930MHz~1995MHz |
B26 | 814MHz~849MHz | 859MHz~894MHz |
B28 | 703MHz~748MHz | 758MHz~803MHz |
B66 | 1710MHz~1780MHz | 2110MHz~2200MHz |
频段 | 最大值 | 最小值 |
---|---|---|
B1 | 23dBm±2dB | <-39dBm |
B2 | 23dBm±2dB | <-39dBm |
B3 | 23dBm±2dB | <-39dBm |
B5 | 23dBm±2dB | <-39dBm |
B8 | 23dBm±2dB | <-39dBm |
B12 | 23dBm±2dB | <-39dBm |
B13 | 23dBm±2dB | <-39dBm |
B17 | 23dBm±2dB | <-39dBm |
B18 | 23dBm±2dB | <-39dBm |
B19 | 23dBm±2dB | <-39dBm |
B20 | 23dBm±2dB | <-39dBm |
B25 | 23dBm±2dB | <-39dBm |
B26 | 23dBm±2dB | <-39dBm |
B28 | 23dBm±2dB | <-39dBm |
B66 | 23dBm±2dB | <-39dBm |
频段 | 传导接收灵敏度 |
---|---|
B1/B2/B3/B4/B5/B8/B12/B13/B14/B17/B18/B19/B20/B25/B26/B28/B66/B70/B85 | -123dBm/15KHz(非重传) |
注意:
- 该设计符合 3GPP Rel.13 和 Rel.14 中的 NB-IoT 协议。
- “*” 表示正在开发中。
下表简要的叙述了模组的三种工作模式。
工作状态 | 描述 |
---|---|
Connected | 连接态:Active 模式,模组注册入网后处于该状态,可以发送和接收数据,无数据交互超过一段时间后会进入 Idle 态,时间可配置。 |
Idle | 空闲态:LightSleep 模式,可收发数据,且接收下行数据会进入 Connected 状态,无数据交互超过一段时会进入 PSM 态,时间可配置。 |
PSM | PMS态:DeepSleep 模式,终端关闭收发信号机,不监听无线侧的寻呼,因此虽然依旧注册在网络,但信令不可达,无法收到下行数据,功率很小。持续时间由核心网配置(T3412),有上行数据需要传输或TAU周期结束时会进入 Connected 态。 |
NM1 模组在 PSM 模式下耗流极低(典型耗流3.5uA)。PSM 的主要目的是降低模组功耗,延长电池的供电时间。下图为模组在不同模式下的功耗示意图。
模组进入PSM 的过程如下:模组在与网络端建立连接或跟踪区更新(TAU)时,网络会下发T3324和T3412 定时器配置到模组,UE 在进入Idle状态后会启动T3324 和T3412 定时器。当T3324 定时器超时后,模组进入PSM。
模组在针对紧急业务进行连网或初始化PDN(公共数据网络)时,不能申请进入PSM。
当模组处于PSM 模式时,将关闭连网活动,包括搜寻小区消息、小区重选等。但是T3412 定时器(与周期性TAU 更新相关)仍然继续工作。
PSM 唤醒方式:
管脚属性标识符号 | 描述 |
---|---|
I | 输入 |
O | 输出 |
IO | 输入/输出 |
NM1 接口管脚顺序定义如下图所示。
管脚号 | 模组信号定义 | 管脚属性 | 输入/输出 | 管脚电压 | 备注 |
---|---|---|---|---|---|
1 | AGND | GND | – | – | – |
2 | GPIO0 | GPIO0 | – | 1.8V | USB下载模式需要拉低,正常开机前禁止拉低,否则会不开机 |
3 | SPI_MISO | 主机输入从机输出信号 | I | 1.8V | – |
4 | SPI_MOSI | 主机输出从机输入信号 | O | 1.8V | – |
5 | SPI_SCLK | 串行时钟信号 | O | 1.8V | – |
6 | SPI_CS | 片选信号 | O | 1.8V | – |
7 | PWRKEY | 拉低 PWRKEY使模组开机 | I | VIL max=0.3* VBAT VIH min=0.7* VBAT |
– |
8 | GPIO22 | GPIO22 | – | – | – |
9 | ADC0 | 通用模数转换接口 | I | 0V~1.4V | – |
10 | SIM_GND | SIM 卡专用地 GND | – | – | – |
11 | SIM_DATA | SIM 卡数据信号 | IO | – | – |
12 | SIM_RST | SIM 卡复位信号 | IO | – | – |
13 | SIM_CLK | SIM 卡时钟信号 | IO | – | – |
14 | SIM_VDD | SIM 卡电源 | O | 1.8V | – |
15 | RESET | 复位模组低电平有效 | I | – | – |
16 | NETLIGHT | 模组状态指示 | O | – | 普通GPIO口,如需网络指示功能推荐使用该PIN |
17 | UART0_RXD | 主串口接收数据 | I | 1.8V | – |
18 | UART0_TXD | 主串口发射数据 | O | 1.8V | – |
19 | PSM_EINT | 外部中断引脚, 从 PSM 唤醒模组。 | I | – | – |
20 | SRCLKENAI | NFC 接口 | – | 1.8V | – |
21 | USB_DP | USB +信号 | – | – | – |
22 | USB_DM | USB -信号 | – | – | – |
23 | USB_EINT | USB_EINT | – | ||
24 | VIO18_EXT | 1.8V 输出电源(PSM 模式下无电压输出。) | O | Vmin=1.53V Vnorm=1.8V |
– |
25 | DVDD_IO | NC | NC | NC | – |
26 | NC | NC | – | – | – |
27 | GND | GND | – | – | – |
28 | UART1_RXD | 默认通用对接用户串口接收数据 | I | 1.8V | – |
29 | UART1_TXD | 默认通用对接用户串口发射数据 | O | 1.8V | – |
30 | UART1_CTS | 是否接收数据 | – | 1.8V | – |
31 | UART1_RTS | 是否发送数据 | – | 1.8V | – |
32 | I2C0_SDA | I2C数据 | IO | – | – |
33 | I2C0_SCL | I2C时钟 | O | – | – |
34 | GND | GND | – | – | – |
35 | RF_ANT | 主天线 | 50 欧姆特性阻抗 | ||
36 | GND | GND | – | – | – |
37 | GND | GND | – | – | – |
38 | UART2_RXD | 日志串口接收数据 | I | 1.8V | – |
39 | UART2_TXD | 日志串口发射数据 | O | 1.8V | – |
40 | GND | GND | – | – | – |
41 | GND | GND | – | – | – |
42 | VSYS_BB | 输入电源 | I | Vmin=2.1V Vnorm=3.3V Vmax=3.63V |
– |
43 | VBAT_BOOST | 输入电源 | I | Vmin=2.1V Vnorm=3.3V Vmax=3.63V |
– |
44 | VSYS_PA | 输出电源 | O | 3.3V | – |
45 | GPIO11 | 预留 | – | 1.8V | – |
46 | GPIO10 | 预留 | – | 1.8V | – |
47 | GPIO25 | 预留 | – | 1.8V | – |
48 | MD_WAKEUP | – | – | – | – |
49 | GPIO28 | 预留 | – | 1.8V | – |
50 | AP_READY | – | – | – | – |
51 | STATUS | – | – | – | – |
52 | GPIO24 | 预留 | – | 1.8V | – |
53 | GPIO34 | 预留 | – | 1.8V | – |
54 | GPIO33 | 预留 | – | 1.8V | – |
55 | GPIO21 | 预留 | – | 1.8V | – |
56 | GPIO20 | 预留 | – | 1.8V | – |
57 | GPIO8 | 预留 | – | 1.8V | – |
58 | GPIO1 | 预留 | – | 1.8V | – |
59 | GPIO19 | 预留 | – | 1.8V | – |
60 | RTC_GPIO0 | – | – | – | – |
61 | SIM_DET | SIM卡检测脚 | – | – | SIM卡检测脚,目前暂不支持,浮空即可 |
62 | GPIO32 | 预留 | – | 1.8V | – |
63 | AVDD33_VUSB | – | I | – | – |
64 | FREF | 基准频率 | I | – | – |
65 | GPIO31 | 预留 | – | 1.8V | – |
66 | GND | GND | – | – | – |
NM1 可采用电池或外部电源供电。电源地和信号地,需要全部连接到系统板的地平面上。如果 GND 信号的连接不好,会对整体性能有影响。
管脚号 | 信号名称 | 描述 | 最小 | 典型 | 最大 | 单位 |
---|---|---|---|---|---|---|
42 | VBAT_BOOST | 输入电源 | 2.1 | 3.3 | 3.63 | V |
43 | VSYS_BB | 输入电源 | 2.1 | 3.3 | 3.63 | V |
44 | VSYS_PA | 输出电源 | – | 3.3 | – | V |
1,27,34,36,37,40,41 | GND | GND | – | – | – | – |
NM1 供电电源电压范围 2.1~3.6V。可使用低静态电流、输出电流能力达到 0.5A 的 LDO 作为供电电源,也支持锂锰电池供电。
参考电路如下图所示。
管脚号 | 信号名称 | 功能描述 |
---|---|---|
7 | PWRKEY | 模组开机 |
15 | RESET | 模组复位 |
19 | PSM_EINT | 外部中断引脚,从PSM唤醒模组 |
推荐使用开集驱动进行控制,电路如下图所示:
通过按键方式控制,电路如下图所示:
自动开机并恢复Powerkey为高电平电路如下图所示:
本模组提供3路 UART接口:
注意:MCU 应用默认使用用户串口,并使用涂鸦默认串口协议
管脚号 | 信号名称 | 功能描述 |
---|---|---|
17 | UART0_RXD | 固件下载接收数据 |
18 | UART0_TXD | 固件下载发送数据 |
28 | UART1_RXD | 用户串口接收数据 |
29 | UART1_TXD | 用户串口发送数据 |
38 | UART2_RXD | 日志串口接收数据 |
39 | UART2_TXD | 日志串口发送数据 |
NM1 模组的串口电平为 1.8V。若客户 MCU 系统的电平为 3.3V,则需在模组和应用系统的串口连接中增加电平转换器。以UM3202 为例,如下图:
也可以使用三极管做电平转换:
注意:调试串口、辅助串口与主串口的连接方式同参考上图。
管脚号 | 协议信号名称 | 信号定义 | 备注 |
---|---|---|---|
11 | SIM_DATA | SIM卡数据管脚 | 电压精度:1.8V±5% 最高电源电流:约60mA |
13 | SIM_CLK | SIM卡时钟管脚 | 电压精度:1.8V±5% 最高电源电流:约60mA |
12 | SIM_RST | SIM卡复位管脚 | 电压精度:1.8V±5% 最高电源电流:约60mA |
14 | SIM_VDD | SIM卡电源 | 电压精度:1.8V±5% 最高电源电流:约60mA |
管脚号 | 信号名称 | 功能描述 |
---|---|---|
3 | SPI_MISO | 主输入、从输出 |
4 | SPI_MOSI | 主输出、从输入 |
5 | SPI_ SCLK | SPI 接口时钟信号 |
6 | SPI_CS | SPI 选通信号 |
注意:NM1 SPI仅支持Slave模式,NM1-CT SPI支持Master/Slave模式。
本模组的 SPI 接口电平为 1.8V。若客户MCU系统电平为3.3V,则需在模组和MCU之间增加电平转换器;推荐使用一个支持 SPI 数据速率的电平转换器。
参考电路如下图所示:
管脚号 | 信号名称 | 功能描述 |
---|---|---|
32 | SDA | I2C串行数据 |
33 | SCL | I2C串行时钟 |
I2C 是一种 IC 之间通信的两线总线。两条信号线,串行数据(SDA)的和串行时钟(SCL),在连接的设备之间传送信息。每个设备靠唯一的地址来识别,既可作为发送器也可作为接收器。
本模组具有 USB1.1 接口,USB 只能用于模组升级。如果需要 ESD 设计,必须满足 ESD 保护器件的结电容值<0.5pf,否则较大的结电容会引起波形失真,影响总线通讯。差分数据线的差分阻抗需控制在 90 欧姆。
管脚号 | 信号名称 | 功能描述 |
---|---|---|
2 | GPIO0 | USB下载时要拉低GPIO0 |
21 | USB_DP | USB_DP下载 |
22 | USB_DM | USB_DM下载 |
63 | AVDD33_VUSB | AVDD33_VUSB |
管脚号 | 信号名称 | 功能描述 |
---|---|---|
16 | NETLIGHT | 上电开机后 Connected 状态和 Idle 状态为高电平,掉电和 PSM 状态为低电平。 |
管脚号 | 信号名称 | 功能描述 |
---|---|---|
35 | RF_ANT | 50 欧姆特性阻抗 |
天线电路预留 π 型匹配电路,靠近天线放置,供天线厂进行匹配调试。可以根据实际调试结果选取适当的阻容感值。
默认 L1 为 0 欧姆,C1,C2 不贴片。
用户 MCU PCB 的射频信号要求阻抗 50 欧姆,阻抗的控制通常采用微带线。
微带线 PCB 结构:
电路设计要点:
阻抗计算时,按照下图填写各个参数,通过改变射频线宽度,使阻抗接近 50 欧姆。
频段 | 要求 |
---|---|
B5/B8/B12*/B13*/B17*/B18*/B19*/B20/B26*/B28* | 插入损耗<1dB |
B1/B2*/B3/B25*/B66* | 插入损耗<1.5dB |
参数 | 要求 |
---|---|
频段 | 根据实际应用国家和地区的运营商要求 |
驻波比 | ≤ 2 |
效率 | ≥30% |
最大输入功率(W) | 50 |
输入阻抗(Ω) | 50 |
极化类型 | 线极化 |
该模组无自带 PCB 板载天线,需要第三方提供天线。可使用外置胶棒天线,弹簧天线,IPEX-FPC 天线,PCB 板天线等,天线形式有单极天线,PIFA 天线,IFA 天线,loop 天线等。
常见的天线形式如下图所示:
胶棒天线
IPEX-FPC 天线
内置 FPC 天线
用户在整机设计时应充分考虑到由于信号完整性、电源完整性引发的 EMC 问题:
设计时需要注意 ESD 防护:
我们建议用户在设计主板上面的封装焊盘时,中间的 14 个焊盘按结构图中的尺寸进行设计,而对于一周 52 个信号焊盘向模组外加长 0.3mm 以上,焊盘的其他三边向外延伸 0.05mm 处理。
模组在工作过程中本身会发热,也可能受到其他高温器件的影响。本模组设计时对散热进行了考虑,与系统板连接时请保持地热焊盘接地良好,这对热传导与热平衡有很大帮助,同时对于整机的电气性能也有很大好处。
注意:
- 尽量让本模组产品远离电源、高速信号线放置,并对这些干扰源走线要保护好。
- 天线及连接网卡和天线的同轴线缆也不要靠近这些干扰源放置。
- 不要让模组靠近诸如 CPU 等发热量比较大器件放置,温度升高会影响到射频性能。
NM1 共有 66 个管脚,52 个为 LCC 封装,14个为 LGA 封装。
NM1 尺寸大小为:17.7mm (L)×15.8mm (W) ×2.4mm (H)如下图所示。
注意:模组长宽公差 ±0.35mm;高度公差±0.2mm;PCB 板厚公差 ±0.1mm。关键尺寸如果客户有明确要求,请沟通后在规格书中进行明确的标定。
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