Interfaz USB para modulo FONA808

Hola! Antes de nadad, Feliz Año nuevo! Espero que hayais empezado el nuevo año con buenas intenciones. La mia es escribir mas frecuentemente aqui. La familia y los proyectos no me dejan mucho tiempo libre pero lo intentaré!

Desde hace varios meses estoy trabajando con el módulo FONA808 de Adafruit para hacer un sistema de localización basado en un sitio web. Estos módulos a su vez estan basados en el módulo SIM808 del fabricante SIMCOM e integra en un encapsulado de 24x24mk un transceiver GSM y GPS. La tarjeta de Adafruit incluyes este modulo y electrónica adicional para adaptar niveles, conector de bateria y cargador. Como necesito probar y testear varios de estos modulos, he decidido realizar una PCB para conectarlos y poder depurar desde un PC, que siempre es mas fácil y rápido que desde un microcontrolador. Para ello he utilizado un conversor serie-USB MCP2221 y he añadido algo más de electrónica para dar a la tarjeta mayor funcionaldad. Asi, esta nueva tarjeta tiene un conector para una bateria de 3,7V, cargador de batería, botón manual para encender / apagar el módulo y varios leds para indicar el estado de los diferentes elementos y conexiones. Asi que, vamos a ello!

HARDWARE

Como siempre, lo primero es el esquema de la tarjeta, se puede descargar desde aqui: FONA808 PC Interface_V01. La tarjeta esta basada en el módulo FONA808, Aqui esta la información de este módulo, es recomendable leerla si no se conoce.

Conexión USB: He usado el mismo Conector Mini-USB de Molex que en previas tarjetas, porque es fácil de montar a mano. A través de este puerto se puede establecer comunicación con el módulo FONA808 y además cargar la batería.
Bateria Local: El módulo FONA808 tiene su propio conector de batería y circuito de carga, pero he decidido añadir un segundo conector y cargador. Básicamente porque suelo utilizar otro tipo de baterías (LP603450) y tengo varias por casa. El regulador de carga es el viejo conocido MCP73832T-2ACI/OT de Microchip. Esta configurado para cargar la batería a 212mA (R19, 4K7), y tiene dos led’s para indicar el estado de la carga (naranja en carga, verde cargado). La tensión para cargar la batería viene del puerto USB. Entre el cargador de batería y y la batería hay un interruptor S1. Este interruptor permiter cargar la batería sin alimentar al resto del circuito o al módulo (posición 1-2). Esta característica es importante porque en el módulo FONA808 la batería está siempre conectada al resto del circuito, asi que cuando se carga siempre hay pérdidas debido a los elementos conectados.
Etapa de alimentación: Como el módulo FONA808 de Adafruit tiene la posibilidad de comunicarse con niveles de 5V o 3.3V, he elegido 3.3V. Esta tensión se obtiene de la salida de la batería a rtavés de un pequeño LDO (U2, TPS76933 deTexas Instruments).
Conversor Serie – USB: He utilizado el MCP2221 de Microchip que ya había empleado previamente. Esta vez he usado resistencias de pull-up en las lineas de comunicación serie (R7, R8) para evitar ruidos. Además, y como el MCP2221 tiene 4 pines de propósito general, he decidido utilizarlos para controlar el módulo FONA808 (esto aún no lo he probado). La función de cada uno de estos pines es la siguiente:
- GP0: Led para indicar la recepción de datos del módulo FONA808.
- GP1: Salida digital para encender/apagar el módulo (via Key pin)
- GP2: Entrada analógica para leer la tensión de la batería (mediante un divisor resistivo R3+R5).
- GP3: Entrada digital para detectar una llamada entrante o un SMS (via RI pin).
Conector para módulo FONA808: Realiza la conexión para el módulo FONA808. La alimentación USB del módulo es la misma que la de la tarjeta, pero con un diodo en serie (D3) para evitar cortocircuitos si se conecta el cable USB de la tarjeta y el del módulo FONA808 a la vez. El pin BAT está conectado a la batería y el pin VIO a 3.3V. El resto de señales quedan asi:
- KEY: Usada para encender o apagar el módulo SIM808. Se puede hacer con el pulsador KEY (SW1, R18 no está montada) o via GP1 del conversor MCP2221.
- PS: Power Status, va al diodo D4. Se enciende (verde) cuando el módulo esta alimentado. Es el mismo diodo azul del módulo FONA808.
- NS: Network Status. Apagado cuando el módulo no está conectado a la red GSM. Parpadea de acuerdo a las siguientes especificaciones::
  - 64ms on / 800ms off: Módulo alimentado y arrancado pero no está registrado en ninguna red GSM.
  - 64ms on/ 3000ms off: El módulo esta registrado en la red GSM y puede recibir / enviar llamadas y SMS.
  - 64ms on/ 300ms off: Conexión GPRS activa.
- RI: Ring Indicator. Activo (nivel bajo) cuando se recibe una llamada o SMS. Está conectado directamente a un led verde (D6) y además al pin GP3 del conversor MCP2221.

La tarjeta está diseñada con componentes solo por la cara superior, para facilitar el montaje. Los ficheros gerber se pueden descargar desde aqui: GBR_FONA808_PC_V01.zip. La información de la tarjeta (medidas, identificación de componentes, ….) se puede descargar desde aqui: PCBINFO_FONA808_PC_V01. Y aqui hay un par de imagenes previas en 3D de la tarjeta, sacadas con Altium:

He pedido las tarjetas a DirtyPCB y como siempre, la calidad es excelente para el precio que tienen. Texto negro sobre fondo blanco hace que la serigrafía se lea perfectamente. El inconveniente es que intentar seguir las pistas es prácticamente imposible!

La tarjeta montada queda así:

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Para tener un montaje completo, se necesita:

Antena GSM conectada al módulo FONA808
Antena GPS conectada al módulo FONA808
Batería Li-Ion conectada al conector P1

Y añadiendo el cable al conector mini-USB se puede establecer comunicación con el módulo y además cargar la batería:

SOFTWARE

La comunicación con el módulo FONA808 se realiza por medio de comandos AT. en la página del módulo SIM808 se pueden encontrar todos los recursos SW necesarios para comenzar a trabajar con el módulo. Además, en la página web del módulo FONA808 de Adafruit, se puede descargar la Guia de comandos AT (actualmente version 1.9).

El primer paso para la comunicación USB con el módulo FONA808 es instalar el driver MCP2221 para tener acceso al puerto serie virtual. Una vez instalado el driver, al conectar la tarjeta la PC se le asignará un puerto COM. El siguiente paso es encender el módulo SIM808 presionando el botón KEY al menos durante 2 segundos. Cuando se alimenta, el led de Power Status se encenderá y el led de Network parpadeará conforme al estado de la conexión GSM. Con una herramienta tipo TeraTerm (u otro programa monitor serie), se pueden enviar comandos AT al módulo y chequear el estado, versión de software, etc.

Una vez que esto está funcionando, ya se tiene total acceso al módulo FONA808 via comandos AT. Quiero hacer mención a la pagina m2msupport y a la aplicación AT Command Tester. Es una utilidad java para trabajar con módulos GSM y hace este trabajo muy sencillo. En su pagina web hay un montón de información. Yo la he probado y funciona realmente bien: