1.0 Архитектура модуля и основные характеристики

1.1 Обзор функциональной блок-схемы и модификации моделей (2 Вт vs. 5 Вт)

DMR818S — это высокоинтегрированный радиочастотный приемопередающий модуль, в который встроены микроконтроллер (MCU), основной чип цифровой рации и радиочастотный усилитель мощности (PA). Он поддерживает как цифровой режим связи DMR, так и традиционный аналоговый. Серия в основном состоит из двух основных моделей: стандартной версии DMR818S (номинальная мощность 2 Вт) и версии высокой мощности DMR818S-5W (номинальная мощность 5 Вт). Обе модели совместимы по распиновке и физическим размерам корпуса. Эта особенность позволяет поддерживать варианты продуктов с разным уровнем мощности за счет унифицированной конструкции печатной платы, что упрощает разработку и управление производством аппаратных платформ.

Совместимость выводов между двумя моделями является ключевой особенностью конструкции. Это позволяет инженерам разрабатывать единую печатную плату и, выборочно устанавливая разные модули, создавать линейки продуктов с различными уровнями производительности и ценовыми категориями (например, версию стандартной дальности и версию с увеличенной дальностью) без необходимости полной переработки аппаратного обеспечения. Однако это также означает, что конструкция печатной платы с самого начала должна отвечать более строгим требованиям к подаче питания и управлению температурным режимом для версии высокой мощности 5 Вт, даже если первоначально планируется использовать только версию 2 Вт. Для обеспечения стабильности и производительности всей линейки продуктов унифицированная конструкция печатной платы должна быть спроектирована в соответствии со спецификациями модуля 5 Вт. Это включает использование более широких дорожек питания, больших площадей заземляющей меди и необходимых тепловых переходных отверстий во избежание снижения производительности или потенциальных рисков отказа при работе модуля высокой мощности.

1.2 Проверяемые параметры производительности и радиочастотные характеристики

В следующей таблице сведены ключевые показатели производительности для моделей G-NiceRF DMR818S и DMR818S-5W, данные взяты из их соответствующих спецификаций. Эти параметры включают диапазон рабочего напряжения, потребление тока в различных режимах работы (сон, прием, передача на высокой/низкой мощности), уровни мощности передачи, чувствительность приема, стабильность частоты и производительность по коэффициенту битовых ошибок (BER).

Таблица 1: Сравнение технических характеристик DMR818S и DMR818S-5W

Эта таблица предоставляет количественное, прямое сравнение, позволяющее инженерам принимать компромиссные решения между различными моделями. Ключевые аспекты принятия решений включают компромисс между энергопотреблением и мощностью передачи, адаптируемость к диапазонам напряжения питания и сложность проектирования системы охлаждения. Например, для портативных устройств с батарейным питанием инженеры могут наглядно увидеть разницу в пиковом токе (1,7 А для аналогового режима 5 Вт против 1,3 А для аналогового режима 2 Вт), что позволяет им оценить влияние на время работы от батареи и выбор микросхем управления питанием. Между тем, более широкий диапазон рабочего напряжения версии 5 Вт (3,7-8,5 В) может упростить проектирование цепи питания для некоторых химических источников тока.

Использование в модуле термокомпенсированного кварцевого генератора (TCXO) с точностью 0,5 ppm является примечательной технической характеристикой. В узкополосных системах связи (ширина полосы 6,25 кГц в цифровом режиме) высокая стабильность частоты является необходимым условием, а не опцией, для обеспечения качества канала связи. Это эффективно предотвращает уход частоты канала из-за изменений температуры, гарантируя надежность канала связи, особенно в условиях наружного или промышленного применения с большими колебаниями температуры.

1.3 Электрический интерфейс и определения выводов

В таблице ниже подробно описаны все выводы модуля, их функции, направление ввода-вывода и электрические характеристики. Она включает некоторые важные замечания по использованию, например, запрет на удержание вывода PTT на низком уровне во время инициализации при включении питания.

1.4 Физические размеры и корпус

2.0 Аппаратная интеграция и проектирование для производства

2.1 Подсистема питания: Стратегия подавления шума TDD

Режим работы с временным разделением каналов (TDD) протокола DMR создает большие переходные токи в момент передачи. Если источник питания спроектирован неправильно, эти переходные процессы могут проникать в аудиосхемы через цепь питания, создавая слышимый звук, похожий на «пулеметную очередь». Для решения этой проблемы G-NiceRF предложила комплексное и взаимозависимое решение по подавлению шума со следующими конкретными мерами:

• Силовой индуктор: Силовой индуктор должен быть подключен последовательно в основной цепи питания VCC. Рекомендуемое значение — 15 мкГн с номинальным током не менее 1,3 А. Этот индуктор используется для изоляции высокочастотных скачков тока во время передачи, действуя как фильтр нижних частот.

• Выбор LDO: Линейный регулятор с низким падением напряжения (LDO), используемый для генерации необходимых 3,3 В для модуля, имеет решающее значение для шумовых характеристик. Рекомендуется модель Torex XC6228D33 (в корпусе SOT23-5). Этот LDO показал хорошее подавление шума TDD в типичных приложениях и является предпочтительным выбором.

• Разводка печатной платы: Настоятельно рекомендуется использовать четырехслойную плату, причем третий слой должен быть выделен под плоскость питания +3,3 В. Такая разводка обеспечивает низкоимпедансную сеть питания и экранирует чувствительные сигнальные дорожки на верхнем и нижнем слоях.

Эти три меры должны быть реализованы как единое целое; упущение любой из них может привести к сбою в подавлении шума TDD. Индуктор фильтрует пики тока, генерируемые УМ, у источника; специальный LDO и четырехслойная конструкция платы оптимизируют путь распространения шума, обеспечивая стабильное, низкоимпедансное питание, менее подверженное шуму; а фильтрация цепи микрофона, обсуждаемая ниже, защищает нарушенные цепи. Поэтому инженеры должны рассматривать это как комплексное решение. В типичных условиях применения, если какая-либо часть этого решения будет опущена (например, использование двухслойной платы или стандартного LDO), эффект подавления шума TDD может значительно снизиться, что приведет к повторному появлению слышимых помех.

2.2 Аудиосхема: Взаимодействие с микрофоном и усилителем

Источник смещения для микрофона требует многокаскадной сети фильтрации. Эта сеть включает в себя несколько конденсаторов, при этом для третьего каскада фильтрации специально указаны танталовые конденсаторы для достижения лучших результатов. При разводке печатной платы схема, связанная с MIC_IN, должна быть полностью окружена земляной плоскостью для экранирования от радиочастотных помех из воздуха. Кроме того, модуль предоставляет вывод SPK_EN для управления включением внешнего усилителя мощности звука. Этот вывод переходит в высокое состояние только тогда, когда требуется вывод звука, что гарантирует отключение усилителя мощности во время простоя, эффективно снижая общее энергопотребление устройства в режиме ожидания.

2.3 РЧ и антенный интерфейс

Вывод ANT модуля (вывод 7) требует подключения к антенной системе с характеристическим сопротивлением 50 Ом. На эталонной схеме показана Пи-цепь, состоящая из C6, C23 и L3 на выходе антенны. Это стандартная практика в проектировании РЧ-схем для точного согласования импеданса антенны и фильтрации внеполосных гармоник для обеспечения оптимальной эффективности передачи и соответствия нормативным требованиям.

2.4 Управление температурным режимом при работе на высокой мощности (DMR818S-5W)

Версия 5 Вт может потреблять пиковый ток до 1,7 А в аналоговом режиме передачи при питании 8 В. Непрерывная передача на мощности 5 Вт ограничена по температуре; без дополнительного радиатора рекомендуется, чтобы одна непрерывная работа не превышала 1 минуты. G-NiceRF предоставляет данные о повышении температуры (например, в цифровом режиме температура может подняться с 30°C до 63°C в течение 3 минут) и предлагает эталонный дизайн: путем создания паза на печатной плате под модулем и заполнения его припоем, тепло отводится на основную плату, а затем передается на корпус продукта для рассеивания через такие конструкции, как медные стойки.

В сочетании с данными испытаний на повышение температуры (например, повышение с 30°C до 63°C за 3 минуты в цифровом режиме) можно сделать вывод, что номинальная мощность 5 Вт не предназначена для непрерывной работы, если не предусмотрено мощное решение для охлаждения. Это накладывает прямые требования на механическую и промышленную конструкцию конечного продукта. Корпус продукта не может быть простым пластиковым корпусом, а должен быть частью пути отвода тепла. Вероятно, потребуется металлический корпус или внутренний теплоотвод, находящийся в тесном контакте с земляной плоскостью модуля через медные стойки, предложенные в эталонном дизайне. Это требование должно быть доведено командой инженеров-электриков до команды инженеров-механиков на ранней стадии проектирования для обеспечения долгосрочной надежности продукта.

3.0 Спецификация реализации протокола последовательной связи и подробности команд

3.1 Структура протокола: Структура кадра и реализация контрольной суммы

Вся последовательная связь с модулем следует фиксированному формату кадра, начиная со стартового символа 0x68 и заканчивая конечным символом 0x10. Кадр данных включает поля, такие как Команда (CMD), Чтение/Запись (R/W), Статус/Ответ (S/R), Контрольная сумма (CHKSUM), Длина данных (LEN) и Полезная нагрузка (DATA). Параметры физического уровня для последовательного порта фиксированы: 57600 бит/с, 8 бит данных, без четности и 1 стоп-бит (8-N-1).

В руководстве по протоколу приведен пример кода на C для вычисления контрольной суммы. Алгоритм использует 16-битное накопление с последующей побитовой операцией НЕ. Примечательной особенностью является то, что если поле контрольной суммы в команде установлено в 0x0000, модуль пропустит процесс проверки контрольной суммы, что обеспечивает удобство для быстрой отладки на начальном этапе разработки.

Контрольная сумма рассчитывается следующим образом:

uint16 PcCheckSum(uint8  buf, int16 len) {
    uint32 sum = 0;
    while (len > 1) {
        sum += 0xFFFF & (buf << 8 | (buf + 1));
        buf += 2;
        len -= 2;
    }
    if (len) {
        sum += (0xFF & buf) << 8;
    }
    while (sum >> 16) {
        sum = (sum & 0xFFFF) + (sum >> 16);
    }
    return ((uint16) sum ^ 0xFFFF);
}

3.2 Набор команд для основной конфигурации и мониторинга состояния

Основные команды для базовой работы модуля:

• 0x01: Переключить канал

• 0x02: Установить громкость

• 0x0D: Установить частоту приема/передачи (данные используют порядок байтов little-endian)

• 0x17: Установить мощность передачи (Высокая/Низкая)

• 0x04: Запросить состояние передачи/приема

• 0x05: Запросить уровень сигнала (RSSI)

• 0x25: Запросить номер версии программного обеспечения

При реализации команды установки частоты (0x0D) особое внимание следует уделить тому, что ее 4-байтовые данные о частоте используют порядок байтов little-endian. Это частый источник ошибок при реализации. Например, чтобы установить частоту 415,75 МГц, сначала преобразуйте ее в целое число в герцах, 415750000, что в шестнадцатеричном виде равно 0x18C7D770. В соответствии с порядком байтов little-endian отправляемые данные должны быть 70 D7 C7 18. Явное указание этого в документации помогает предотвратить потенциальные ошибки при разработке прошивки.

3.3 Реализация цифровых функций DMR на основе протокола

Охватывает специальные команды для цифрового режима DMR:

• Вызов (0x06, 0x18): Инициировать вызов, установив тип вызова (индивидуальный, групповой, общий) и идентификатор цели.

• SMS (0x07): Формат команды для отправки SMS, включая тип сообщения (индивидуальное/групповое) и идентификатор получателя.

• Тревога (0x09): Отправить тревожное сообщение.

• Шифрование (0x19): Команда для включения функции шифрования, которая требует 8-байтовый ключ.

• Параметры DMR (0x31, 0x33): Установить цветовой код и временной слот.

Проектирование протокола, связанное с вызовами, раскрывает важную операционную концепцию: различие между временными и постоянными контактами. Команда 0x18 используется для установки временного контакта для передачи. Эта настройка действительна только для следующего нажатия PTT, не сохраняется после выключения питания и не будет возвращена командой 0x22 (запрос контакта). Эта функциональность предоставляет большую гибкость для хост-MCU для динамического и мгновенного указания цели вызова без изменения предварительно сохраненных параметров канала, что позволяет реализовать более сложную логику приложений.

3.4 Реализация аналоговых функций на основе протокола

Охватывает специальные команды для аналогового режима:

• Шумоподавитель (0x12): Установить уровень шумоподавителя в диапазоне от 1 до 9.

• Субтон (0x13, 0x14): Установка субтона требует двухэтапной операции. Сначала используйте команду 0x13 для установки типа субтона (Нет, CTCSS, CDCSS, Обратный CDCSS), а затем используйте команду 0x14 для установки конкретного значения частоты/кода субтона.

• Ширина полосы (0x32): Установить ширину полосы аналогового канала на 12,5 кГц или 25 кГц.

4.0 Анализ рабочего состояния и управление питанием

4.1 Аппаратное управление состояниями передачи, приема и сна (PTT, CS)

Вывод PTT предоставляет аппаратный метод с низкой задержкой для перевода модуля в режим передачи (активный низкий уровень). Вывод CS используется для управления состоянием сна модуля (активный низкий уровень). Важно отметить, что после перевода вывода CS в низкое состояние модулю требуется задержка в 3 секунды, прежде чем он фактически перейдет в режим сна.

Вывод T/R служит аппаратным индикатором состояния, предоставляя прямой способ узнать, находится ли модуль в данный момент в режиме передачи (высокий уровень) или приема (низкий уровень).

4.2 Реализация режима низкого энергопотребления с рабочим циклом и последовательность пробуждения по UART

Режим энергосбережения модуля можно включить, отправив команду 0x0C. В этом режиме внутренний MCU модуля переходит в состояние сна для снижения среднего энергопотребления. В этом состоянии модуль не будет отвечать на обычные команды UART.

Процедура пробуждения: Для связи с модулем в режиме энергосбережения хост-MCU должен сначала отправить пакет пробуждения, который состоит как минимум из 20 байт 0x55. Получив этот пакет пробуждения, модуль немедленно ответит определенным кадром подтверждения: 68 55 00 00 87 AA 00 00 10. Хост-MCU должен успешно получить этот полный кадр подтверждения, чтобы подтвердить, что модуль успешно разбужен, и только после этого он может отправлять любые обычные операционные команды. Если модуль не обнаружит никакой активности UART в течение 3 секунд, он автоматически снова перейдет в режим энергосбережения.

Этот механизм пробуждения оказывает значительное влияние на архитектуру прошивки хост-MCU. Драйвер UART не может быть простой блокирующей функцией отправки/приема, а должен быть состоянием. Перед отправкой любой команды прошивка должна проверить, находится ли модуль в режиме энергосбережения. Если да, то сначала должна быть выполнена последовательность пробуждения, со строгим ожиданием и проверкой вышеупомянутого кадра подтверждения пробуждения, прежде чем можно будет отправить фактическую команду. Это требует, чтобы логика драйвера была более сложной, чем простая система «команда-ответ», и нуждалась в возможностях неблокирующей работы, управления состоянием и обработки тайм-аутов.

5.0 Сравнительный анализ: DMR818S против предшественника DMR818

Это обеспечивает четкое сравнение различий в протоколах и руководство по миграции для инженеров, знакомых со старым модулем DMR818, эффективно предотвращая проблемы совместимости во время обновления прошивки.

5.1 Ключевые функциональные и эксплуатационные различия

По сравнению с DMR818, в DMR818S удалены некоторые функции, такие как сканирование частот (ранее команда 0x03). В то же время он был усовершенствован в нескольких аспектах: детализация RSSI была увеличена с 5 до 127 уровней, что обеспечивает более точную индикацию уровня сигнала; функция тревоги больше не включает встроенный звуковой сигнал и сообщает о событиях только через последовательный порт; функция SMS была оптимизирована для улучшения совместимости с основными брендами раций и для упрощения процесса приема. Содержимое полученного SMS теперь сообщается непосредственно с уведомлением, что устраняет необходимость отправлять дополнительную команду запроса.

5.2 Эволюция протокола и соображения по миграции прошивки

Следующая таблица предоставляет прямое и практическое руководство для инженеров по прошивке, обновляющих продукты с DMR818 до DMR818S. В ней четко перечислены измененные, новые и удаленные команды, что помогает избежать проблем совместимости во время разработки.

Таблица 2: Сравнение команд протокола DMR818 и DMR818S

Конкретные изменения протокола включают:

• SMS (0x07): DMR818S упрощает процесс получения SMS.

• Тревога (0x09): В DMR818S изменена функция тревоги.

• Шифрование (0x19): Команда шифрования в DMR818S требует 8-байтовый ключ, в то время как в версии DMR818 это был просто переключатель вкл/выкл. В документации отмечается определенная степень обратной совместимости: отправка команды шифрования старого формата на DMR818S приведет к тому, что модуль включит шифрование с ключом по умолчанию. Это может создать угрозу безопасности без ведома пользователя, и на это необходимо обратить внимание при миграции.

• Режим энергосбережения (0x0C): Фундаментальное изменение от постоянной активности MCU к спящему режиму MCU требует, чтобы прошивка реализовывала новую последовательность пробуждения по UART, описанную в разделе 4.2.

• Новые команды: DMR818S добавляет ряд практичных новых команд, таких как 0x33 (Установить временной слот), 0x1D (Запросить конфигурацию канала), 0xF0 (Восстановить заводские настройки) и 0xF2 (Программный сброс), которые облегчают реализацию расширенных функций и обслуживание устройства.

6.0 Краткое изложение ключевых соображений по интеграции

6.1 Контрольный список для проектирования аппаратного обеспечения

• Подавление шума TDD: Полностью реализуйте схему подавления шума TDD, включая силовой индуктор 15 мкГн, указанную модель LDO и многокаскадную фильтрацию питания микрофона.

• Разводка печатной платы: Используйте четырехслойную разводку платы и выделите отдельную плоскость питания для +3,3 В.

• Управление температурным режимом (модель 5 Вт): Для модели 5 Вт спроектируйте эффективный тепловой путь от модуля к корпусу продукта для обеспечения надежности при длительной работе на максимальной мощности.

6.2 Контрольный список для разработки прошивки

• Контрольная сумма: Правильно реализуйте 16-битный алгоритм контрольной суммы с суммированием и инвертированием.

• Порядок байтов: При обработке многобайтовых полей данных (например, частоты) обращайте внимание на формат порядка байтов little-endian.

• Режим энергосбережения: Если планируется использовать режим энергосбережения, должен быть реализован состояний драйвер UART, включающий последовательность пробуждения 0x55.

• Миграция версий: При миграции с DMR818 проверяйте изменения команд в Таблице 2 одно за другим и соответствующим образом обновляйте логику прошивки, уделяя особое внимание реализации режимов шифрования и энергосбережения.

7.0 Информационные ресурсы

1. G-NiceRF®. Страница с информацией о продукте DMR818S-5W. Получено с https://www.nicerf.com/walkie-talkie-module/dmr818S-5w.html

2. G-NiceRF®. Центр загрузки ресурсов DMR818S. Получено с https://www.nicerf.com/download/?keywords=dmr818S

3. G-NiceRF®. Официальный веб-сайт. Получено с https://www.nicerf.com/

4. G-NiceRF® Официальный магазин. Страница покупки продукта на AliExpress NiceRF | 2 шт. DMR818S-5W цифровой рации модуль 7 км дальнего действия с 0,5 ppm TCXO кристалл двойные слоты времени