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GSM, UMTS und LTE für die Industrie

Welches Funkmodul ist das Richtige?

5. Juli 2016, 10:10 Uhr | Stefan Koltes

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Fortsetzung des Artikels von Teil 3

Schrittweise Implementierung der Module

Hinsichtlich der Hardware-Anbindung verhalten sich LTE-Module anders als eventuell bereits implementierte GSM/GPRS-Derivate. Während bei letzteren die Kontaktierung zum Host-Mikrocontroller via UART realisiert wird, empfiehlt es sich bei LTE-Modulen, die USB-Schnittstelle des Applikations-Host zu nutzen. Vor allem lässt sich so vermeiden, dass ein Flaschenhals bei der Datenübertragung vom Applikations-Mikrokontroller zum LTE-Modul entsteht. Die Grundlagen der 50-Ω-Stegleitung zur Antenne sowie die Tatsache, dass die Datenleitung vom LTE-Modul zum SIM-Halter maximal 100 mm betragen darf, gilt für beide Derivate im selben Maße.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Dimensionierung des Power Management. Hier empfiehlt es sich, an den Vorgaben der Modulhersteller festzuhalten, die hierzu in entsprechenden Applikationsschriften verbindliche Festlegungen definiert haben.

Wird das Power Management des Moduls knapp – also entsprechend den unteren Anforderungen der Hersteller – dimensioniert, so kann das Modul während der Zellakquise mit einem Strombedarf bis zu 1,8 A den Akku des Gerätes leeren. Diese Gefahr besteht vor allem in Regionen, die über eine schlechte Netzabdeckung verfügen. Hier dauert die Zellakquise erfahrungsgemäß deutlich länger.

Im hochfrequenten Teil des Hardware Layout ist darauf zu achten, dass alle Ground Pads mit der Leiterbahn verbunden werden. Es ist empfehlenswert, eine Vier-Schichten-Platine zu verwenden und darauf zu achten, dass schnelle DC/DC-Umsetzer, Schaltregler und eventuell weitere Funktechnologien wie Bluetooth- oder WLAN-Module möglichst weit entfernt vom LTE-Modul platziert werden.

Beim Schreiben der Software unterscheiden sich für die LTE-, GPRS- und UMTS-Standards die applikationsbezogenen A-Kommandos, während die Standard-Kommandos – beispielsweise Netzwerkparameter (AT+MCELL), Signalstärke (AT+CSQ) oder die Provider-Information (AT+COPS) – in der Regel identisch sind.

Prinzipiell ist es empfehlenswert, sich vor dem Beginn der Software-Entwicklung über die am besten geeignete Entwicklungsumgebung Gedanken zu machen. Dieser Aufwand im Vorfeld erweist sich in der Relation zu der Zeiteinsparung, die der Entwickler hiermit erreichen kann, als sehr lohnend.

Im ersten Schritt wird die Verbindung zwischen PC und der Entwicklungsumgebung (dem Motherboard) mittels RS-232-Schnittstelle, also einem Sub-D9-Stecker, aufgebaut. Auf diese Art werden Fehler durch eventuelle Inkompatibilität von USB-Treibern vermieden. Manche LTE-Module sind bei der Kontakierung via UART per Default so eingestellt, dass sie in den Sleep-Modus gehen; zumindest dann, wenn nicht innerhalb der Zeitspanne von ca. 5 s ein Befehl vom UART gesendet wird. Diese Voreinstellung lässt sich mit einem AT-Kommando, das die Einstellungen im E²PROM des Moduls festlegt, abändern. Aktiv wird die Änderung allerdings erst mit dem nächsten Restart des Moduls.

Als Software Tool empfehlen sich Terminalprogramme – beispielsweise Hyperterminal oder TeraTerm. Vor allem Hyperterminal ermöglicht eine sehr gute Überwachung des Datenflusses von und zur Entwicklungsumgebung über die „Send and Enter“-Funktion.

TeraTerm wiederum ist vom Handling her einfacher. Wenn man die richtige Baudrate (bei LTE-Modulen 115.200 Baud) und den korrekten seriellen Com-Port gewählt hat, steht den ersten Versuchen nichts mehr im Wege. Ein kleiner Nachteil des TeraTerm besteht darin, dass das Programm den numerischen 10er-Block der Tastatur nicht erkennt.

Nachdem die ersten Schritte erfolgreich absolviert wurden, empfiehlt sich die Installation der jeweiligen USB-Treiber des Moduls, um applikationsnah die Software entwickeln zu können. Anschließend wird die SIM-Karte vom Motherboard der Entwicklungsumgebung in deren Tochterkarte mit dem Modul gesteckt. Wichtig ist, dass das externe Steckernetzteil, welches während der ersten Schritte die Entwicklungsumgebung mit Spannung versorgt hat, getrennt wird. Nun wird das Daughterboard via Micro-USB-2.0- oder USB-3.0-Stecker kontaktiert. Über die USB-Schnittstelle erfolgt auch die Spannungsversorgung des Board.

Erst jetzt kann das Modul – entsprechend den Vorgaben des AT-Guide – wieder mit einem Terminalprogramm angesprochen werden. Im nächsten Schritt geht es darum, das Tochter-Board von der Mutterplatine zu trennen und direkt – via vorhandene Jumper-Steckplätze – mit der Applikation zu verbinden. Auf diese Weise lässt sich bei eventuell auftretenden Fehlfunktionen sicherstellen, dass der Hardware-Design-Schritt keinen Fehler in sich birgt und die Applikations-Software überarbeitet werden muss. Eine weitere Lösung zum Test der Applikations-Software besteht darin, den Versuchsaufbau mit der Hyperterminal-Software oder mit Programmen wie Microsoft Visual Studio zu testen.

Im letzten Schritt wird das Hardware Layout mit dem Modul für den Prototyp des Gerätes erstellt. Dieses kann – falls gewünscht – an den Distributor Endrich gesendet werden. Hier wird es vorab vom zuständigen Applikationsingenieur überprüft und anschließend an die Firma Fibocom weitergeleitet. Deren Supportteam wird das Layout bei Bedarf optimieren. Selbstverständlich kann vor dieser Maßnahme mit Endrich ein NDA vereinbart werden, damit die Qualitäts- und Sicherheitsregeln des Kunden gewahrt bleiben.

Stefan Koltes
ist bei Endrich seit 2013 Produktmanager/FAE für Antennen und intelligente Funkmodule zuständig. Davor war er bei verschiedenen Distributoren unter anderem als Vertriebsspezialist für Funktechnologien tätig. Mit letzteren hat er bereits seit 2002 reichlich Erfahrungen gesammelt.

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