代码收藏家 STM32从零开始实操06：无线电路原理图详解
一、WIFI 模块电路设计
1.1指路
延续使用 ESP-12S 芯片，封装 SMD 16x24mm。
2.2电路图
电路较为简单，如下图：
2.2.1引脚说明
| 序号 | 引脚 | 名称 | 描述 |
| 1 | RST | 复位 | 复位引脚，低电平有效 |
| 3 | EN | 使能 | 芯片使能端，高电平有效 |
| 8 | VCC | 电源 | 3.3V VDD;外部供电电源输出电流建议在 500mA 以上 |
| 9 | GND | 地 | 接地 |
| 15 |
RXD0 |
读 | UART0_ RXD；GPIO3；I2SO_DATA |
| 16 | TXD0 | 写 | UART0_ TXD；GPIO1 |
2.2.2需要说明
（1）复位和使能
芯片内部已经有上拉，外部直接控制就可以。
（2）滤波电容
- 我的想法：0.1uF 陶瓷电容
- 数据手册：0.1uF＋1uF 陶瓷电容
- 老师想法：RVT1A101M0505（100uF 铝电解电容）
- 最终想法：采用老师的想法
- 原因1：ESP-12S 芯片在工作时可能会有较大的电流波动，尤其是在无线传输数据时。100uF的铝电解电容能够提供足够的电容容量来应对这些电流波动，平滑电源电压。
- 原因2：老师的器件选择都是经过调试的，后续应该更加实用。
（3）RXD0、TXD0
通过串口通信，连接单片机的串口
二、SIM 弹片式卡座（中卡）
2.1指路
创新使用芯片 MICRO SIM 6P H1.35 （自弹式）和 ESDA6V1-5W6 的TVS 管。
（没有找到和老师一模一样的器件，最终选择的是和老师的选型比较接近的器件）
2.2需要知道
| 引脚相连 | 功能 | |
| SIM卡 | SIM卡座 | / |
| SIM_VDD |
VCC |
供电 3.3V |
| SIM_DATA | I/O | 传输数据 |
| SIM_CLK | CLK | 时钟 |
| SIM_RST | RST | 复位 |
| SIM_DET | / | SIM卡在位检测，设计中没用 |
2.3电路图
关于以下的说明我只想说我理解的最大原因只有一个：就是 SIM 卡座和 SIM 卡是可分离的两个接触型器件，所以对两者的保护格外多一点。
（1）51Ω 电阻作用
（2）30pF电容
（3）TVS管
ESDA6V1-5W6 是一种多线保护二极管阵列，用于防止静电放电（ESD）和电涌对电子设备的破坏，通常在敏感信号线与地之间连接，用来吸收并泄放 ESD 能量，防止对电路的破坏。它的应用在SIM卡接口中具有重要意义，尤其是对于SIM卡的信号线（SIM_RST、SIM_CLK、SIM_DATA）。
选择ESDA6V1-5W6 是因为它能够同时保护多条信号线，具有快速响应时间、低电容和合适的钳位电压。将其与串联电阻和并联电容结合使用，可以全面提高电路的稳定性和可靠性。
三、GPRS 电路设计
3.1指路
延续使用 SIM800C 24Mbit 。
3.2自己解读数据手册
3.2.1综述
SIM800C 24Mbit 是一款功能强大的四频 GSM/GPRS 模块，支持 GSM850、EGSM900、DCS1800 和 PCS1900MHz 频段。它具有多种接口和功能，适合用于语音和数据通信。
（1）接口
（2）应用接口
3.2.2功能模块图
下图列出了模块的主要功能部分：
3.2.2.1 GSM基带
（1）模拟基带 (Analog Baseband)
定义：模拟基带电路主要负责模拟信号的处理。它通常包括模拟信号的放大、滤波和转换等功能。
作用：
（2）数字基带 (Digital Baseband)
定义：数字基带电路主要负责数字信号的处理。它包括信号的编码、调制、解码和解调等功能。
作用：
（3）模拟基带和数字基带的协同工作
在通信模块中，模拟基带和数字基带协同工作，共同实现信号的发送和接收：
- 发送信号：数字基带将数字信号处理后，通过数模转换器（DAC）转换为模拟信号，再由模拟基带进行进一步处理（如放大和滤波）后发送出去。
- 接收信号：接收到的模拟信号经过模拟基带处理（如滤波和放大），再通过模数转换器（ADC）转换为数字信号，由数字基带进行解调和处理。
通过这种方式，模拟基带和数字基带共同确保了信号的高质量传输和接收。
3.2.2.2 GSM射频
GSM 射频指的是 GSM（全球移动通信系统）模块中的射频前端电路，它负责处理与无线信号相关的所有工作，包括信号的发射、接收、调制、解调，信道选择和频率管理，天线接口。
3.2.2.3 天线接口
3.2.2.4 其他接口
3.2.3引脚说明
在下图中，没有使用的引脚我用删除线划掉了。
本项目有以下几个模块没有使用：
- 串口2和不需要的串口1
- 音频接口
- 调试接口
- 射频同步信号
| 引脚名称 | 引脚序号 | I/O | 描述 | 备注 |
| VBAT | 34、35 | I | 模块提供 2 个 VBAT 电源引脚。SIM800C 采用单电源供电，电压范围 3.4V~4.4V。电源要能够提供足够的峰值电流以保证在突发模式时高达 2A 的峰值耗流。 | |
| VDD_EXT | 40 | O | 2.8V 电源输出 | 如果不用，保持悬空 |
| 8、13、19、21、 27、30、31、 33、36、37 | GND | 接地 | VBAT 回流 GND，推荐使用 36，37 脚 | |
| 开机 关机 | ||||
| PWRKEY | 39 | I | 通过拉低 PWRKEY 可以实现模块的开启和关闭 | 模块内部已经上拉至 3V |
| 音频接口 | ||||
| GPIO 接口 | ||||
| NETLIGHT | 41 | O | 网络状态指示灯 | 如果不用，保持悬空 |
| STATUS | 42 | O | 运行状态指示灯 | 如果不用，保持悬空 |
| 串口 | ||||
| 如果不用，保持悬空 | ||||
| UART1_DCD | 5 | O | 数据载波检测 | |
| UART1_TXD | 1 | O | 数据发送 | |
| UART1_RXD | 2 | I | 数据接收 | |
| 调试接口 | ||||
| 如果不用，保持悬空 | ||||
| 模数转换（ADC） | ||||
| 外部 SIM 卡接口 | ||||
| SIM_VDD | 18 | O | SIM 卡 1.8V/3V 电源输入 | 所有引脚预留TVS管位置，防止 ESD 干扰 |
| SIM_DATA | 15 | I/O | SIM 卡数据输入/输出 | |
| SIM_CLK | 16 | O | SIM 卡时钟 | |
| SIM_RST | 17 | O | SIM 卡复位 | |
| 如果不用，保持悬空 | ||||
| 天线接口 | ||||
| GSM_ANT | 32 | I/O | 连接 GSM 天线 | |
| 射频同步信号 | ||||
3.2.4接口应用（多偏向于硬件设计）
3.2.4.1供电
模块 VBAT 的电压使用 4.0V。
模块以最大功率发射时，电流峰值瞬间最高可达到2A，从而导致在 VBAT 上有较大的电压跌落。
建议靠近 VBAT 使用一个大电容稳压，推荐使用 100µF 钽电容（ CA 低 ESR )和一个 1µF~10µF的陶瓷电容 （CB）并联。
增加并联的 33pF 和 10pF 电容可以有效去除高频干扰。
同时为防止浪涌对芯片的损坏，建议在模块 VBAT 引脚上使用一个 5.1V/500mW 的齐纳二极管。
PCB 布局时，电容和齐纳二极管应尽可能靠近模块的 VBAT 引脚。
| 厂家 | 料号 | 功率 | 封装 | |
| 1 | On semi | MMSZ5231BT1G | 500mW | SOD123 |
| 2 | Prisemi | PZ3D4V2H | 500mW | SOD123 |
| 3 | Vishay | MMSZ4689-V | 500mW | SOD123 |
| 4 | Crownpo | CDZ55C5V1SM | 500mW | 0805 |
DC 输入电压为 +5V，使用 LDO 供电的推荐电路如下图所示：
（也许可以完成你设计 LDO 时的闭环）
在用户的设计中，请特别注意电源部分的设计，确保即使在模块耗电流达到 2A 时，VBAT 的跌落也不要低于 3.0V。如果电压跌落低于 3.0V , 模块可能会关机。从 VBAT 引脚到电源的 PCB 布线要足够宽以降低在传 输突发模式下的电压跌落。
3.2.4.2开机关机
当超过模块的温度和电压限制时不要开启模块。模块一旦检测到这些不适合的条件就会立即关机。在极端的情况下这样的操作会导致模块永久性的损坏。
用户通过拉低 PWRKEY 引脚至少 1 秒然后释放，使模块开机。此引脚已在模块内部上拉到 3V。推荐电路如下图：
模块也可以采用以上电路关机，通过把 PWRKEY 信号拉低 1.5 秒用来关机。注意：
PWRKEY 拉低时间超过 33 秒模块会重新开机。VDD_EXT（2.8V 电源输出） 在 STATUS（运行状态指示灯） 变为低电平，以及 PWRKEY 释放 55ms 后关闭。关机过程中，模块首先从网络上注销，让内部软件进入安全状态并且保存相关数据，最后关闭内部电源。在最后断电前模块的串口将发送以下字符:
NORMAL POWER DOWN
这之后模块将不会执行 AT 命令，模块进入关机模式，仅 RTC 处于激活状态。关机模式可以通过 VDD_EXT 引脚来检测，在关机模式下此引脚输出为低电平。在一些应用中，用户需要关闭模块然后再迅速重新启动模块，在这种情况下关机和开机之间的延时要大于800ms。
3.2.4.3串口
当用户使用全功能串口时，可以参考下图连接方式：
当用户使用 3.3V 电平的时候，可以使用下图来实现电平匹配，如果用户的串口电平为 3V，可将下图中的 5.6K 电阻调整为 14K，使模块端分压到 2.8V 即可。
使用 3V 或 3.3V 的用户也可以使用二极管的方式来实现电平匹配：
（我个人认为上面的那个二极管方向画反了）
注意：当使用二极管隔离时，由于二极管有压降，请确认客户端认可的高电平下限应低于 2.8V 减去二极管压降（这样传过来的才是高电平）， 同时由于图中在用户的 RX 端有一个下拉电阻（为了没有信号驱动时，模块的TX端处于低电平状态，防止悬空引起的电平不稳定。这可以防止电路噪声或电磁干扰导致的错误信号。），所以并不需要在模块的 TX 端连接上拉了（TX 端的电压稳不稳定交给单片机 TX 端的设计 ）。
如果用户使用 5V 的电平，可以参考如下电路进行电平匹配，这里只列出 TX 和 RX 上的匹配电路，其他引脚可以参考这两个电路。
电平转换：
电平匹配：
3.2.4.4 SIM卡座接口
此时教育完成了闭环。
下面两图是 SIM 卡推荐接口电路。为了保护 SIM 卡，建议使用 ST(www.st.com) 公司的ESDA6V1-5W6 器件来做静电保护。下图中，串在接口中的 51Ω 电阻用于匹配模块和 SIM 卡之间的阻抗，数据信号线 SIM_DATA 在模块内部没有上拉。SIM 卡的外围电路的器件应该靠近 SIM 卡座。
使用 8 引脚的 SIM 卡座,推荐电路如下图：
注意:插拔 SIM 卡涉及到网络注册或注销，因此每次插拔动作的时间间隔建议大于 2s。否则可能无法正确检测。如果不需要 SIM 卡的在位检测功能，SIM DET 引脚可以悬空，使用 6 引脚的 SIM 卡座，推荐电路如下图所示：
SIM 卡电路比较容易受到干扰，引起不识卡或掉卡等情况，所以在设计时请遵循以下原则:
3.2.3.5网络状态指示灯
NETLIGHT 信号用来驱动指示网络状态的 LED 灯，该引脚的工作状态如下表：
| 网络灯状态 | 工作状况 |
| 熄灭 | 关机 |
| 64ms 亮/800ms 熄灭 | 没有找到网络 |
| 64ms 亮/3000ms 熄灭 | 注册到网络 |
| 64ms 亮/300ms 熄灭 | GPRS 通讯 |
参考电路如下图：
3.2.3.6状态指示灯
模块提供一个引脚，当模块开机处于正常工作状态后，该引脚会输出高电平，用户可以通过该引脚的 电平来判断模块是否处于开机工作状态。
| 引脚名称 | 引脚序号 | 描述 |
| STATUS | 42 | 运行状态指示灯 |
3.2.3.7 GSM 天线接口
模块提供了 GSM 天线接口引脚 GSM_ANT(Pin32) ，用户主板上的天线应该使用特性阻抗 50Ω 的微带线或者带状线与模块的天线引脚连接。 为了方便天线调试和认证测试, 应该增加一个射频连接器和天线匹配网络，推荐电路图如下：
图中，R101，C101，C102 是天线匹配电路,具体元件值在天线厂调试好天线后方可确定。其中，R101 默认贴 0Ω ，D101 参考表 24，C101 和 C102 默认不贴。
若天线和模块输出端之间能够放置的元件较少的情况下，或者在设计中不需要射频测试头时，天线匹配电路可以简略如下图所示:
上图中 R101 默认贴 0Ω，D101 参考表 24，C101 和 C102默 认不贴。
| 封装 | 类型 | 厂商 |
| 0201 | LXES03AAA1-098 | Murata |
| 0201 | LXES03AAA1-154 | Murata |
| 0402 | LXES15AAA1-153 | Murata |
| 0402 | LXES15AAA1-100 | Murata |
| 0402 | LXES15AAA1-017 | Murata |
在元件摆放以及射频走线时需注意:
3.3电路图v1.0
（1）电源处理
参见 3.2.4.1 供电。针对不同解释如下：
| 100uF 钽电容 | 100uF 铝电解电容 | |
| 优点 |
|
|
| 缺点 |
|
|
| 100uF 铝电解电容高 ESR 和大体积不构成问题，可以胜任，其低廉的价格让用户选择。 | ||
| 齐纳二极管 | TVS管 | |
| 优点 |
|
|
| 缺点 |
|
|
| 个人觉得可能是数据手册比较老，现在大多数都用TVS管，只要根据使用场景选择合适的型号。 | ||
电容参数：铝电解电容 100uF\6.3V
TVS 管参数： LM3Z7V5T1G 稳压标称值 7.5V。
（2）供电
单独采用 LDO 4V 为 GPRS 供电。
（3）2.8V 电压输出
这部分看了老师的设计，就简单经过 1uF 电容滤波后引出电压输出。
此处埋下一个伏笔：你将 2.8V 电压引出后，你在这个模块中有什么地方用到了吗？
（4）串口
参见 3.2.4.3串口。
只使用了串口一的收、发和数据载波检测，其中数据载波检测用于检测远端设备是否处于连接状态。
由于 STM32 使用的是 3.3V ，所以按照数据手册中相应的电路设计。
（5）网络状态指示灯
参见 3.2.3.5 网络状态指示灯，注意使用的电源是 4V 的 VBAT。
（6）状态指示灯
直接 1K 电阻引出接到 STM32 即可。
（7）SIM卡座接口
直接参考 3.2.4.4 中 6 引脚SIM卡座接口的设计，其中导线中的电阻、电容已经在 SIM 卡座模块设计了。
伏笔：SIM 卡座模块中 VCC引脚你连接了电源 3.3v ，然而老师却并没有。
（8）开机关机
参见 3.2.4.2开机关机，STM32→三极管通断→PWRKEY接不接地→开关机。
（9）GSM 天线接口
参见 3.2.3.7 GSM 天线接口中简化电路设计，两个电容留下位置不贴，一个 0 欧姆电阻用于后续天线调试，50Ω 设计用于阻抗匹配。后续按照数据手册的建议更新了 TVS 管，虽然老师没有，但是我觉得还是应该有。
3.3电路图v2.0
看了老师的原理图，改进如下（其实就一处，其他的就是改改 STM32 对我引脚名称）：
| VBAT 供电 | VDD_EXT 供电 |
|
|
|
| 电压稳定性：使用模块自带的2.8V电源（VDD_EXT）可以保证电压的稳定性，而外部的4V（VBAT）电源可能会受到其他负载影响。 故选择。 |
|
四、无线部分总结
在硬件设计中，无线部分通常是指设备实现无线通信所需的各种模块和组件。本项目无线部分包含WIFI 模块、SIM 卡座和 GPRS 模块，它们各自有不同的功能和作用，组合起来可以实现多种无线通信功能。以下是这些组件的详细说明：
4.1WIFI模块（ESP-12S）
4.2 SIM卡座（MICRO SIM 6P H1.35）
4.3 GPRS模块（SIM800C 24Mbit）
4.4其他相关组件
4.5这些组件的协同工作
作者：BXXJSZJ
