NE1 模组硬件设计手册

关于此文档

适用范围

NE1 模组硬件设计手册适用于 NE1 模组。

撰写目的

此文档给 NE1 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

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

产品简介

NE1 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：

• 支持 3GPP R14 NB-IoT 协议。
• 支持频段：B3/5/8。
• 支持 PSM 和 eDRX 模式。
• 提供 SIM 卡接口（3V/1.8V）、UART 接口、SPI 接口、I2C 接口和 GPIO 接口等。

模组外观

封装尺寸

NE1 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 2.4 mm。

技术参数

NE1 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阐述。

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	17.7 mm × 15.8 mm × 2.4 mm，LCC 封装 52 个管脚，LGA 封装 14 个管脚。
模组	平台	EC616。
模组	处理器架构	Cortex-M3。
模组	USIM	3V/1.8V SIM card。
模组	电压	电压范围：2.2-4.5V 典型电压：3.3V
模组	正常工作模式	Active：模组处于活动状态。所有功能正常可用，可以进行数据发送和接收。模组在此模式下可切换到 Idle 模式或 PSM 模式。 Idle：模组处于浅睡眠状态和网络连接状态，可接收寻呼消息。模组在此模式下可切换至 Active 或 PSM 模式。 PSM：模组只有 RTC 工作，网络处于非连接状态，不可接收寻呼消息。当定时器超时后，模组将被唤醒。也可通过 Reset 和 PSM_EINT 从 PSM 唤醒模组。
模组	省电	模组在 PSM 下耗流极低（最小电流：800nA），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	下载串口：用于 AT 命令传送和数据传输，默认波特率：115200bps。也可用于固件升级，波特率使用 921600bps。 用户串口：用于对接主控芯片，使用涂鸦串口协议。 日志串口：用于软件调试，获取日志。
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 模式下均可工作。
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 R14。
射频	最大发射功率	23dBm±2dB。
射频	接收灵敏度	-127.3 dBm/15 kHz（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 到 +75°C 1) 扩展工作温度：-40°C 到 +85°C 2) 存储温度：-40°C 到 +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。

功能说明

基带功能介绍

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、工作状态指示灯信号、复位信号、PSM 唤醒信号、多个 GPIO 端口复用的控制信号、电源和接地等。

射频功能介绍

工作频段

工作频段	上行频段	下行频段
B3	1710MHz 到 1785MHz	1805MHz 到 1880MHz
B5	824MHz 到 849MHz	869MHz 到 894MHz
B8	880MHz 到 915 MHz	925MHz 到 960MHz

射频传导功率

频段	最大值	最小值
B3	23dBm±2dB	<-39dBm
B5	23dBm±2dB	<-39dBm
B8	23dBm±2dB	<-39dBm

射频接收灵敏度

频段	传导接收灵敏度
B3/B5/B8	-127.3dBm/15KHz（非重传）

工作模式

下表简要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。

​

省电模式（PSM）

NE1 模组在 PSM 模式下耗流极低（典型耗流 800nA）。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：

• T3412 定时器超时后，模组将自动唤醒。
• 当模组处于 PSM 模式时，拉低 PSM_EINT（下降沿）可将模组从 PSM 唤醒。

接口说明

管脚定义

标识符号说明

管脚属性标识符号	描述
I	输入
O	输出
IO	输入/输出

管脚配置图

NE1 接口管脚顺序定义如下图所示。

管脚描述

引脚序号	符号	IO 类型	功能	备注
1	GND	–	GND	–
2	GPIO1	I	GPIO1(boot flag)	1.8V，下载模式需要拉低。
3	SPI_MISO	I	主机输入从机输出信号/GPIO14	1.8V，只支持 slave 模式。
4	SPI_MOSI	O	主机输出从机输入信号/GPIO11	1.8V，只支持 slave 模式。
5	SPI_SCLK	O	串行时钟信号/GPIO15	1.8V，只支持 slave 模式。
6	SPI_CS	O	片选信号/GPIO16	1.8V，只支持 slave 模式。
7	NC	-	NC。
8	GPIO10	I/O	GPIO10	普通 GPIO 口。
9	ADC0	I	通用模数转换接口 AIO2	12-bit AUXADC。
10	SIM_GND	–	SIM 卡专用地	–
11	SIM_DATA	–	SIM 卡数据信号	推荐增加 20K 上拉电阻。
12	SIM_RST	–	SIM 卡复位信号	–
13	SIM_CLK	–	SIM 卡时钟信号	–
14	SIM_VCC	–	SIM 卡电源	1.8/3.0V。
15	RESET	I	复位模组	3.3V，低电平有效，使用时推荐增加 20K 上拉电阻和 RC 滤波电路。
16	NETLIGHT	I/O	GPIO19	普通 GPIO 口，该引脚在通用固件 V2.0.4 版本以后已不再支持网络指示功能，如需使用建议在 MCU 端做网络指示灯。
17	UART1_RXD	I	主串口接收数据，烧录校准口，AT 接收口	1.8V，MCU TXD 电压范围在 1.8 到 3.6V 内推荐采用与模组 RXD 直连。
18	UART1_TXD	O	主串口发射数据，烧录校准口，AT 发射口，涂鸦 log 输出口	1.8V，请注意参考电平转换。
19	PSM_EINT	I	WAKEUP3，外部中断引脚，从 PSM 唤醒模组	3.3V，下降沿有效，使用时推荐增加 20K 上拉电阻和 RC 滤波电路。
20	RI	–	GPIO7	普通 GPIO 口。
21	WAKEUP1	I	WAKEUP1，外部中断引脚，从 PSM 唤醒模组	3.3V，下降沿有效，使用时推荐增加 20K 上拉电阻和 RC 滤波电路。
22	WAKEUP2	I	WAKEUP2，外部中断引脚，从 PSM 唤醒模组	3.3V，下降沿有效，使用时推荐增加 20K 上拉电阻和 RC 滤波电路。
23	NC	–	NC	–
24	VIO18_EXT	O	1.8V 输出电源（PSM 模式无输出）	–V-min=1.53V，V-norm=1.8V。
25	WAKEUP5	I	WAKEUP5，外部中断引脚，从 PSM 唤醒模组	3.3V，下降沿有效，使用时推荐增加 20K 上拉电阻和 RC 滤波电路。
26	WAKEUP4	I	WAKEUP4，外部中断引脚，从 PSM 唤醒模组	3.3V，下降沿有效，使用时推荐增加 20K 上拉电阻和 RC 滤波电路。
27	GND	–	GND	–
28	UART2_RXD	I	默认通用对接用户串口 接收数据	1.8V，请注意参考电平转换。
29	UART2_TXD	O	默认通用对接用户串口 发射数据	1.8V，请注意参考电平转换。
30	NC	–	NC	–
31	NC	–	NC	–
32	I2C0_SDA	I/O	I2C0_数据/GPIO9	默认 I2C 接口。
33	I2C0_SCL	O	I2C0_时钟/GPIO17	默认 I2C 接口。
34	GND	–	GND	–
35	RF_ANT	–	RF_天线	50Ω 特征阻抗。
36，37	GND	–	GND	–
38	UART0_RXD	I	接收数据	默认为芯片原厂 log 串口，1.8V 请注意参考电平转换。
39	UART0_TXD	O	发射数据	默认为芯片原厂 log 串口，1.8V 请注意参考电平转换。
40，41	GND	–	GND	–
42，43	VBATT	I	输入电源	V=2.2V 到 4.3V，V-norm=3.3V，底板需加 TVS 防静电。
44	NC	–	NC	–
45	NC	–	NC	–
46	NC	–	NC	–
47	NC	–	NC	–
48	NC	–	NC	–
49	NC	–	NC	–
50	NC	–	NC	–
51	NC	–	NC	–
52	NC	–	NC	–
53	NC	–	NC	–
54	NC	–	NC	–
55	NC	–	NC	–
56	NC	–	NC	–
57	NC	–	NC	–
58	NC	–	NC	–
59	SWDIO	–	Debug 口	–
60	NC	–	NC	–
61	NC	–	NC	–
62	SWCLK	–	Debug 口	–
63	NC	–	NC	–
64	FREF	–	基准频率	–
65	GPIO6	–	GPIO6	普通 GPIO 口。
66	GND	–	GND	–

电源接口

电源管脚及地描述

NE1 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 和 43	VBAT	输入电源	2.2	3.3	4.5	V
1、27、34、36、37、40 和 41	GND	GND	–	–	–	–

供电要求

NE1 供电电源电压范围 2.2 到 4.5V。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。

• 电压跌落：为了确保模组正常工作，供电电压跌落不低于模组最低工作电压 2.2V。
• 稳压和滤波电容：在靠近模组 VBAT 输入端，建议并联 1 个 100μF（ESR＜0.7Ω）的钽电容、1 个100nF、1 个100pF（0402 封装）和 1 个 22pF（0402 封装）滤波电容。
• ESD 保护：在靠近 VBAT 输入端，增加一个 TVS 管，以便提高模组的浪涌电压承受能力。
• 走线要求：原则上，VBAT 走线越长，线宽越宽。

参考电路如下图所示。

复位，PSM 唤醒接口

管脚描述

管脚号	信号名称	功能描述
15	RESET	模组复位
19	PSM_EINT	外部中断引脚，从 PSM 唤醒模组

接口应用

• 复位：RESET 管脚拉低一段时间后（大于 35ms），再次将该管脚悬空或置高，即可复位。
• PSM 唤醒：拉低 PSM_EINT（下降沿）可将模组从 PSM 唤醒，时序图如下所示。至少需要 4ms 的低脉冲宽度，通过三极管唤醒时输出端不能上拉。MCU GPIO 唤醒时请使用开漏输出管脚，避免供电电压下降时被误判断为低电平状态。

• 模组进入 PSM 模式后，RESET 和 PSM_EINT 都可以唤醒模组。

1. 推荐使用开集驱动进行控制，电路如下图所示：

   

2. 通过按键方式控制，电路如下图所示：

   

UART 接口

管脚描述

本模组提供 3 路 UART 接口：

• 下载串口：可用于固件升级和 AT 通信，其默认波特率为 115200bps，下载时波特率 921600bps。
• 用户串口：可用于客户 MCU 对接，波特率可以设置为 115200bps 或 9600bps。
• 日志串口：客户可以通过调试串口来查看日志信息，以进行软件调试。

管脚号	信号名称	功能描述
17	UART1_RXD	固件下载接收数据
18	UART1_TXD	固件下载发送数据
28	UART2_RXD	用户串口接收数据
29	UART2_TXD	用户串口发送数据
38	UART0_RXD	日志串口接收数据
39	UART0_TXD	日志串口发送数据

接口应用

NE1 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，如下图所示：

也可以使用三极管做电平转换：

SIM 卡接口

管脚描述

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

SIM 卡接口应用

电路设计要求

• 卡座靠近模组摆放，信号线长度不超过 200mm。
• SIM_VDD 增加 1μF 去耦电容，靠近卡座摆放。
• SIM_DATA 增加 10-20K 上拉电阻。
• SIM_DATA、SIM_RST、SIM_CLK 需要加 33pF 电容用于滤除射频干扰。
• SIM 卡走线应远离射频和 VBAT 电路，SIM_CLK 和 SIM_DATA 走线不能太靠近，防止信号串扰。
• 如 SIM 经常需要手动插拔，信号线需要增加 TVS 管，寄生电容低于 50pF，走线要求先经过 ESD 器件再到模组。

​

SPI 串行接口

管脚描述

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

SPI 接口电气特性及接口应用

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：

I2C 总线

管脚描述

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。

接口应用

模组状态指示

Netlight 接口描述

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。

接口应用

天线接口

天线管脚描述

管脚号	信号名称	功能描述
35	RF_ANT	50 欧姆特性阻抗

射频天线匹配电路

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，C10 和 C23 不贴片。天线端口建议预留 TVS。

射频信号线走线

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：

• 模组的天线引脚到天线连接器之间的走线距离尽量短，避免直角走线，建议走线角度为 135 度或采用弧度走线。
• 射频信号线参考的地平面要保持完整。同层的地与射频信号线之间要保持 2 倍线宽，射频信号线周边的地要多打地孔。
• 模组天线引脚相邻的地引脚要充分接地。
• 连接器信号脚的焊盘要与地平面保持一定距离。
• 可以通过阻抗模拟计算工具，对射频信号线进行精确的 50 欧姆阻抗控制。

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。

天线要求

天线插损要求

频段	要求
B5/B8	插入损耗 <1dB
B3	插入损耗 <1.5dB

天线参数要求

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

天线设计要求

• 天线位置要避开电源、数据线和芯片等会产生射频干扰的器件。
• 为确保 RF 性能的最优化，天线部分和主板或其他金属件的距离至少保持 15mm 以上。
• 天线外围不要包裹金属件，以免影响天线辐射性能。建议天线区域的转接板镂空处理。

天线类型

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 天线和 PCB 板天线等。天线形式有单极天线、PIFA 天线、IFA 天线和 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

​

可靠性设计

EMC 和 ESD 设计建议

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。

• 在模组外围电路 layout 走线时，对于电源和信号线等走线，保持 2 倍线的间距宽度，可以有效地减少信号之间的耦合，使信号有较”干净”的回流路径。
• 外围电源电路设计时，去耦电容要摆放靠近模组电源管脚，高频高速电路和敏感电路应该远离 PCB 边缘，并且之间的布局尽量隔离，减少相互之间干扰。并且对敏感信号进行保护，对系统板侧可能存在干扰模组工作的电路或器件进行屏蔽设计。

设计时需要注意 ESD 防护：

• 对关键输入输出信号接口，比如 SIM 卡信号接口等地方，需要就近放置 ESD 器件进行保护。
• 此外在主板侧，要求用户合理设计结构件和 PCB 布局，保证金属屏蔽壳等充分接地，为静电放电设置一条通畅的泄放通道。

PCB 焊盘设计

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。

热设计建议

在工作过程中模组本身会发热，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。

封装信息及生产指导

机械尺寸

NE1 共有 66 个管脚，其中 52 个为 LCC 封装，14 个为 LGA 封装。
NE1 尺寸大小为：17.7±0.35mm (L) × 15.8±0.35mm (W) × 2.4±0.15mm (H)，如下图所示。

侧视图

原理图封装

PCB 封装图-SMT

模组俯视/底视