NX1-CT 模组硬件设计手册

关于此文档

适用范围

NX1-CT 模组硬件设计手册适用于 NX1-CT 模组。

撰写目的

此文档给 NX1-CT 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

NX1-CT 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：B5/8
• 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、GPIO 接口等。

模组外观

封装尺寸

NX1-CT 有 52 个 LCC 封装管脚，封装尺寸是 17.7 × 15.8 mm，高度为 2.4 mm。

技术参数

NX1-CT 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	17.7 mm × 15.8 mm × 2.4 mm，LCC 封装 52 个管脚
模组	平台	XY1100
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：2.2-4.2V 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，模组处于网络连接状态，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：1μA）。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 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	-126 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、电源和地等。

射频功能介绍

工作频段

工作频段	上行频段	下行频段
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
B5	23dBm±2dB	<-39dBm
B8	23dBm±2dB	<-39dBm

射频接收灵敏度

频段	传导接收灵敏度
B5/B8	-126dBm/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）

NX1-CT 模组在 PSM 模式下耗流极低（典型耗流 1μA）。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

NX1-CT 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	GPIO18	I/O	GPIO18，对应 IC Pin33	普通 GPIO 口
3	SPI_MISO	I	主机输入从机输出信号/GPIO6	3V，只支持 slave 模式
4	SPI_MOSI	O	主机输出从机输入信号/GPIO7	3V，只支持 slave 模式
5	SPI_SCLK	O	串行时钟信号/GPIO8	3V，只支持 slave 模式
6	SPI_CS	O	片选信号/GPIO9	3V，只支持 slave 模式
7	NC	-	NC
8	GPIO11	I/O	GPIO11，对应 IC Pin40	普通 GPIO 口，上电不能拉高
9	ADC	I	通用模数转换接口	12-bit AUXADC
10	SIM_GND	–	SIM 卡专用地	–
11	SIM_DATA	–	SIM 卡数据信号	–
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	模组复位脚	3V WKUP_EN，低电平信号宽度大于 6 秒时为复位信号
16	NETLIGHT	I/O	GPIO5，对应 IC Pin51	普通 GPIO 口，如需网络指示功能推荐使用该 PIN
17	RXD_DBG_AT	I	主串口接收数据，烧录校准口	3V，请注意参考电平转换，支持 AT 指令对接
18	TXD_DBG_AT	O	主串口发射数据，烧录校准口	3V，请注意参考电平转换，支持 AT 指令对接
19	PSM_EINT	I	模组唤醒脚	3V WKUP_EN，低电平信号宽度大于 100μs 且小于 6s 时为唤醒信号
20	GPIO13	I/O	GPIO13，对应 IC Pin39	普通 GPIO
21	NC	–	NC	–
22	NC	–	NC	–
23	NC	–	NC	–
24	VIO33_EXT	O	3V 输出电源（PSM 模式无输出）	V-norm=3V
25	NC	–	NC	–
26	GPIO1	I/O	GPIO1，对应 IC Pin3	普通 GPIO 口
27	GND	–	GND	–
28	UART1_RXD	I	默认通用对接用户串口接收数据	3V，请注意参考电平转换，支持涂鸦通用对接协议
29	UART1_TXD	O	默认通用对接用户串口发射数据	3V，请注意参考电平转换，支持涂鸦通用对接协议
30	NC	–	NC	–
31	NC	–	NC	–
32	I2C_SDA	I/O	I2C0_数据/GPIO3	默认 I2C 接口
33	I2C_SCL	O	I2C0_时钟/GPIO2	默认 I2C 接口
34	GND	–	GND	–
35	RF_ANT	–	RF_天线	50Ω 特征阻抗
36，37	GND	–	GND	–
38	RXD_LOG	I	接收数据	默认为 log 串口，3V 请注意参考电平转换
39	TXD_LOG	O	发射数据	默认为 log 串口，3V 请注意参考电平转换
40，41	GND	–	GND	–
42，43	VBATT	I	输入电源	V=2.2V-4.2V，V-norm=3.3V
44	NC	–	NC	–
59	GPIO19	I/O	GPIO19，对应 IC Pin32	普通 GPIO 口
60	NC	–	NC	–
61	NC	–	NC	–
62	GPIO12	I/O	GPIO12，对应 IC Pin41	普通 GPIO 口，上电不能拉高
63	NC	–	NC	–
64	NC	–	NC	–
65	GPIO10	–	GPIO10，对应 IC Pin43	普通 GPIO 口，上电不能拉高
66	GND	–	GND	–

电源接口

电源管脚及地描述

NX1-CT 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	4.2	V
1、27、34、36、37、40 和 41	GND	GND	–	–	–	–

供电要求

NX1-CT 供电电源电压范围 2.2 到 4.2V。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

NX1-CT 的 RESET 和 PSM_EINT 管脚在内部为同一管脚。外部输入有效的低电平实现唤醒或者复位功能。

• 按键唤醒（上电默认情况）：当高电平信号脉冲宽度大于 100μs 且小于 6s 时为唤醒信号。当高电平信号宽度大于 6 秒时为复位信号。
• 用户软件唤醒：当高电平信号脉冲宽度大于 20ms 时为复位信号。当高电平信号脉冲宽度大于 100μs 且小于 20ms 时为唤醒信号。

电路图

• 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：

  

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	RXD_DBG_AT	固件下载接收数据
18	TXD_DBG_AT	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	RXD_LOG	日志串口接收数据
39	TXD_LOG	日志串口发送数据

接口应用

NX1-CT 模组的串口电平为 3V。若客户 MCU 系统的电平为 3.3V，模组和应用系统的串口连接不需要增加电平转换器。若客户 MCU 系统的电平为 5V，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：

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 3V。

• 若客户 MCU 系统电平为 3.3V，模组和 MCU 之间不需要增加电平转换器。
• 若客户 MCU 系统电平为 5V，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

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

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。

封装信息及生产指导

机械尺寸

NX1-CT 共有 52 个 LCC 封装管脚。
NX1-CT 尺寸大小为：17.7±0.35 mm (L) × 15.8±0.35 mm (W) × 2.4±0.15 mm (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/侧视图