Мобильный телефон своими руками. Часть 1
Недавно на хабре был пост про то, как некие умельцы из Массачусетсого Технологического создали «самодельный» мобильный телефон. Я думаю, пришла пора доказать, что наши месье тоже знают толк в из… э… в изысканных удовольствиях.
Итак, представляю вашему вниманию мобильный телефон, собранный практически «на коленке»!
Всех заинтересованных прошу под кат. Много картинок!
В связи со значительным объёмом материала статья будет в двух частях. В первой части будет приведено описание аппаратной части, а во второй части будут рассмотрены AT-команды модуля и приведены примеры их использования.
Итак, начнём.
Краткое описание
«Сердцем» телефона является GSM-модуль Quectel M10, обладающий широкими функциональными возможностями, включая как телефонную связь, так и передачу данных. Также устройство имеет источник питания, позволяющий питать устройство от источника 12В (например, свинцово-кислотного аккумулятора), интерфейс RS-232, клавиатуру, антенну, держатель SIM-карты и разъём подключения гарнитуры.
Модуль M10-TE-A
Начнём с блока питания
Блок питания
Блок питания обеспечивает питание устройства напряжениями +4,1В (ток до 2А), +5В (ток до 500 мА), +3,3В (ток до 100 мА). Напряжение 4,1В нужно для питания GSM-модуля. GSM-модули предъявляют весьма высокие требования к источнику питания. Источник питания модуля должен иметь напряжение от 3.4 В до 4.5В при токе до 2А, при этом амплитуда пульсаций при скачкообразном изменении тока нагрузки от нуля до максимума не должна превышать 400мВ. На рис. 1 показана допустимая амплитуда пульсаций питающего напряжения при работе модуля.
Рис. 1. Допустимые пульсации напряжения питания при работе GSM-модуля.
Изначально предполагалось, что устройство будет содержать микроконтроллер с напряжением питания 3.3 В и дисплей, для питания подсветки которого нужно будет напряжение 5В. На данном этапе предположим, что ток по каналу 5В не превышает 0.5А. Входное напряжение источника питания выберем равным 12В. Схема электрическая принципиальная приведена на рис. 2.
Рис. 2. Схема источника питания (pdf)
Схема не лишена недостатков, и в основном использует то, что было у меня «под рукой». Для серийной продукции такое решение, конечно, мало подходит, но для экспериментов вполне годится. Не будем подробно останавливаться здесь на работе этой схемы и на расчетах номиналов, так как они элементарны и подробно описаны в документации на соответствующие микросхемы.
Итак, собираем схему на макетной плате (рис. 3) и проводим испытания под нагрузкой, при этом контролируя температуру тепловыделяющих элементов. Испытания пройдены успешно.
Если вы собираетесь использовать только GSM-модуль, без других узлов, то источники +5В и 3,3В не нужны.
Рис.3. Плата источника питания
Плата клавиатуры
Схема платы клавиатуры практически без изменений взята из документации на модуль. Однако, уже после того, как она была собрана, оказалось, что ряд кнопок не поддерживается данной версией модуля. В принципе, можно вообще не подключать клавиатуру к модулю, все действия с модулем можно производить с помощью AT-команд через UART.
Схема клавиатуры приведена на рис. 4. Диоды служат для защиты модуля от статического напряжения.
Рис.4. Схема клавиатуры (pdf)
Рис.5. Плата клавиатуры
Плата GSM-модуля
Переходим к основной плате.
Так как устройство собрано на макетной плате, я решил использовать не модуль Quectel M10, который распаивается на плате, а его «производную», модуль с модулем M10-TE-A, имеющий разъём IDC с шагом контактов 1,27мм (двухрядная розетка). Антенна подключается к специальному маленькому разъёму (GSC) через переходник GSC-SMA. В серийном устройстве, на нормальной плате, разумеется, имеет смысл использовать обычный модуль M10. Следует иметь в виду, что M10 и M10-TE-A имеют разную нумерацию выводов, поэтому схему также придётся скорректировать.
Итак, схема платы:
Рис.6. Схема платы GSM (pdf)
Схема содержит модуль, держатель SIM-карты, разъем для подключения гарнитуры, разъем клавиатуры и пару микросхем: интерфейс RS-232 и вспомогательную микросхему для подключения к модулю пъезоизлучателя и светодиода. Никаких особых схемотехнических изысков здесь нет, практически всё взято из документации на модуль.
Ещё пара слов про подключение клавиатуры. Так как ряды ROW3, ROW4 и столбец COL4 не используются модулем, я решил задействовать их для кнопок включения и выключения модуля.
Дисплея телефон тоже не имеет. Хотя модуль имеет выводы для прямого подключения дисплея, его всё равно нельзя подключить, так как эта функция (как и многие другие) отключена у модулей, поступающих в открытую продажу.
Для питания часов реального времени используется ионистор (конденсатор ёмкостью 1Ф, большая круглая штука на плате). Если часы не нужны, его можно не устанавливать.
Сборка
Итак, пришла пора собрать наш конструктор:
Рис. 8. Всё готово к сборке
Рис. 9. Телефон в сборе
Теперь можно вставить SIM-карту, подключить питание, подключить телефон к компьютеру через COM-порт и приступить к исследованию AT-команд.
Пара слов про бюджет.
Бюджет
Модуль Quectel M10-TE-A 665,64 р.
Антенна 120 р.
Держатель SIM-карты SCV-W2523X-06-LF 21,80р
Кабель-переходник GSC-SMA — 161,86р.
Остальные комплектующие найдены в радиусе трёх метров.
В заключение первой части
В следующей части будут рассмотрены AT-команды, поддерживаемые модулем.
Ссылки
К сожалению, на сайте производителя представлена далеко не полная информация о модуле. Большая часть pdf-файлов не выложена в открытый доступ, тем не менее, в сети можно найти некоторые из них. Я взял на себя труд собрать эти файлы и выложить для скачивания.
1. M10_ATC_V1.03.pdf — справочник по AT-командам модуля M10
2. M10_EVB_UGD_V1.01.pdf — описание отладочной платы на базе модуля M10
3. M10_GSM_Module_Specification.pdf — краткое описание модуля M10
4. M10_HD_V1.02.pdf — Hardware Design
5. M10-TE-A_HD_V1.01.pdf — описание платы на основе модуля M10
6. GPRS_Startup_UGD_V101.pdf — установка модема в Windows
7. GSM_UART_AN_V100.pdf — подключение устройств к UART
8. RF LAYOUT_AN_V1.0.pdf — подключение антенны к модулю
9. GSM_Location_ATC_V10.pdf — запрос координат и времени
Документы, описывающие работу с FTP, HTTP, MMS, SMTP и TCP/IP соответственно:
10. GSM_FTP_ATC_V100.pdf
11. GSM_HTTP_ATC_V100.pdf
12. GSM_MMS_ATC_V101.pdf
13. GSM_SMTP_ATC_V11.pdf
14. GSM_TCPIP_AN_V101.pdf
PS. Если у вас не открываются ссылки, попробуйте скачать здесь:
PDF (одним архивом)
Схемы (одним архивом)
Источник
Что получится, если собрать идеальный смартфон (пособие для начинающих)
Павел Михайлов
Тяга человека к совершенству неискоренима. Возможно, именно она заставляет людей писать под обзорами смартфонов комментарии вроде: «Эх, сюда бы еще слот для SD-карт и NFC» или «4 ГБ ОЗУ в 2020 году, вы серьезно?». Действительно, заманчивая возможность – объединить все лучшие особенности смартфонов в одном аппарате, и тогда уже можно не сомневаться в покупке. И не спешите обвинять избалованных техническим прогрессом современных пользователей, подобные стремления существовали всегда. Как пример можно привести слова невесты из пьесы Гоголя «Женитьба»: «Если бы губы Никанора Ивановича да приставить к носу Ивана Кузьмича… я бы тогда тотчас же решилась [выйти замуж]».
В свое время ответом на этот пользовательский запрос должны были стать модульные смартфоны. Наибольшую известность получила инициатива Motorola и Google под кодовым названием Project Ara, но были и другие стартапы, строящиеся на идее модульности.
Пользователям самим предлагалось собирать смартфон из специальных модулей, которые вставлялись в соответствующие слоты. Таким образом, выбирая требуемые комплектующие, можно было собрать устройство под свое видение прекрасного. К сожалению, идея не взлетела и громких анонсов в этой сфере не случилось.
Тем не менее, давайте попробуем представить, как бы мог выглядеть идеальный смартфон. Есть надежда, что кто-то из производителей обратит внимание на интерес к данной теме и, возможно, со временем мы получим серийное устройство, в котором не к чему будет придраться. Заодно поможем новичкам разобраться в основных принципах комплектации современных смартфонов.
Дисплей и общие габариты
Перефразируя известное выражение, можно сказать, что смартфон начинается с дисплея. Именно от его размера и качества будет зависеть восприятие целого устройства. И тут предстоит сделать самый сложный выбор среди всех комплектующих. С одной стороны, большой дисплей дает множество преимуществ: удобно просматривать контент в интернете, набирать сообщения на экранной клавиатуре, смотреть фильмы и сериалы. На крупном дисплее банально помещается больше информации одновременно, что становится все более актуальным в эпоху многозадачности и поддержки современными мобильными ОС отображения нескольких окон. Недостатки такого решения очевидны: большие габариты и вес. К тому же, судя по тем же комментариям, существует достаточно большое количество людей, которые мечтают о компактном современном смартфоне.
Как бы там ни было, реалии таковы, что индустрия движется в сторону увеличения диагонали дисплея.
Так, еще недавно большими считались смартфоны с 6-дюймовыми экранами, теперь флагманские модели популярных производителей приближаются к отметке 7 дюймов. Например, Samsung Galaxy S20 Ultra получил 6,9-дюймовый экран, а iPhone 12 Pro Max – 6,7-дюймовый. Даже смартфоны среднего сегмента прибавляют в размерах, достаточно взглянуть хотя бы на Motorola G9 Plus и ZTE Blade V2020 Smart, экраны которых имеют диагональ 6,81 и 6,82 дюйма соответственно.
Итак, с размерами дисплея в смартфоне мечты мы определились, она должна быть не менее 6,7 дюйма (разрешение 1440 x 3200 Quad HD+). При этом общие габариты хотелось бы на уровне 158×77,8×8,1 мм и вес около 220 г (да-да, как у Apple iPhone 12 Pro Max).
Перейдем к качеству. Для начала сразу оговоримся, что на рынке существуют две принципиально разные технологии построения экранных матриц – OLED и IPS. Вдаваться в подробности их конструкций не будем, сосредоточимся на плюсах и минусах данных технологий. OLED экраны обладают повышенной контрастностью, быстрым откликом, лучшей энергоэффективностью, позволяют устанавливать подэкранные селфи-камеры и датчики отпечатков пальцев. Также на основе OLED панелей можно создавать гибкие и полностью безрамочные дисплеи, так как здесь не требуется наличия сторонней подсветки пикселей. Именно такие экраны используются во всех современных флагманах.
Минусов здесь тоже хватает. Некоторые пользователи жалуются на усталость от невидимого мерцания OLED дисплеев (так называемая ШИМ-модуляция, используемая для регулировки яркости), некоторым не нравятся перенасыщенные, по их мнению, цвета, кто-то боится выгорания экрана. Выгоранием называют потерю работоспособности некоторых пикселей после длительного свечения, вследствие чего небольшие области на экране уже не могут изменять свой цвет. Справедливости ради надо сказать, что со всеми этими недостатками производители научились бороться. Мерцание устраняется включением функции DC Dimming, она есть практически на всех смартфонах китайских производителей, но отсутствует у Samsung, так как при ее активации страдает цветопередача. Насыщенность цвета можно менять в настройках гаммы, а выгорание предотвращают программные и аппаратные уловки разработчиков.
IPS является противоположностью OLED: не мерцает (у хороших производителей), не выгорает, но потребляет больше энергии, требует подсветки (а значит, всеми ненавидимых рамок) и в среднем демонстрирует более низкие показатели контрастности. Данные типы экранов постепенно уступают место конкуренту, но все еще встречаются во всех сегментах. Например, IPS матрицей комплектуются популярные модели Xiaomi Redmi Note 8 и 9, Apple iPhone 11 и iPhone SE (2020) (но топовая версия iPhone 11 Pro Max комплектуется уже OLED дисплеем), а также прошлогодний флагманский смартфон ASUS ZenFone 6.
Сделать выбор в пользу какой-либо технологии невероятно трудно (может быть, потому, что автор данного материала сам страдает чувствительностью к ШИМ), поэтому примем, что у идеального смартфона может быть сразу две версии: с OLED и IPS дисплеями.
Осталось добавить, что в последнее время получили популярность экраны с повышенной частотой обновления изображения. Стандартные дисплеи могут обновляться с частотой 60 Гц (то есть 60 раз в секунду), продвинутые варианты – с частотой 90, 120 и 144 Гц. Компания Sharp даже анонсировала смартфон Aquos Zero 2, дисплей которого поддерживает 240 Гц.
Чем выше данный показатель, тем более плавно происходит смена изображения на экране, особенно это может быть заметно при быстром скроллинге или в динамичных играх (правда, тогда и «железо» смартфона должно справляться с отрисовкой повышенной частоты кадров). Мы мелочиться не будем, думаю, 240 Гц – это то, что нужно для смартфона мечты.
Чипсет и производительность
Не менее важной составляющей смартфона является его процессор, обеспечивающий вычислительную производительность. При недостаточной мощности ЦП и графического ускорителя можно забыть о плавной работе устройства, многозадачности и играх. При выборе процессора для идеального смартфона будем ориентироваться на существующие на рынке флагманские решения.
Общие тенденции таковы, что на рынке чипсетов для флагманских смартфонов доминирует американская компания Qualcomm. Топовые устройства большинства производителей работают на базе мобильной платформы Snapdragon 8-й серии, в частности, Snapdragon 865.
Из этого правила есть три исключения: Samsung, Apple и Huawei. Samsung можно причислить к этому списку с натяжкой, так как компания использует чипсеты Snapdragon наравне с собственным решением Exynos в зависимости от региона продаж. Сам же Exynos постоянно подвергается нападкам критиков из-за недостаточной, по их мнению, производительности и низкой энергоэффективности. Huawei продвигает свою линейку процессоров под общим названием Hisilicon Kirin с флагманом Kirin 9000, а топовым решением от Apple на сегодня является чип Apple A14 Bionic.
Все три чипа достаточно мощные, Kirin 9000 и A14 производятся по 5 нм техпроцессу, Snapdragon 865 – по 7 нм. При этом Kirin 9000 и Snapdragon 865 имеют восемь ядер с максимальной тактовой частотой 3.13 и 2,84 ГГц соответственно, а A14 – шесть ядер и 2,99 ГГц на пике. Графические ускорители чипсетов – Adreno 650 из состава Snapdragon 865, Mali-G78 MP24 у Kirin 9000 и Apple GPU у A14 – находятся примерно на одном уровне производительности, и он достаточно высок для любых задач.
Ориентируясь на вышесказанное, примем, что идеальный смартфон должен иметь 5 нм восьмиядерный процессор с максимальной тактовой частотой около 3 ГГц и графический ускоритель, способный тянуть любые приложения, в том числе игровые, с высокой частотой кадров (в идеале 240 кадров в секунду). При этом он должен быть достаточно энергоэффективным, чтобы не допускать быстрого разряда аккумулятора, и холодным, чтобы избегать нагрева и связанного с этим падения производительности из-за троттлинга.
Кроме производительности, чипсет отвечает еще за множество сопутствующих функций и связь. Поэтому обязательным требованием к нему будет поддержка высокого разрешения экрана и его частоты обновления, запись 8K видео и работа со всевозможными навигационными системами и кодеками. С точки зрения связи чипсет должен поддерживать 5G и 4G всех стандартов и бэндов, LTE, скоростной Wi-Fi 6 и Bluetooth 5.2.
Камера
Первые мобильные телефоны обходились вообще без камеры, но со временем, еще при доминировании кнопочных устройств, разработчики стали устанавливать в них фотообъективы. Качество снимков с этих камер было предельно низким, тем не менее, тренд был задан, и сейчас фотовозможности – чуть ли не ключевой параметр, на который пользователи обращают внимание при покупке смартфона. По сравнению с родоначальниками мобильной фотографии современные смартфоны демонстрируют запредельное качество съемки. Сейчас доступны высокие показатели светочувствительности матриц и разрешения снимков (64 и даже 108 МП), оптический зум (вплоть до x5), электронная и оптическая (OIS) стабилизация, улучшение снимков с помощью ИИ и многое другое.
Кроме того, постепенно стали стандартом модули основной камеры на 3-4 объектива. Как правило, основную камеру дополняют широкоугольный, телефото- или макрообъектив.
Также интересно выглядит относительно новая технология определения глубины снимка с помощью лазерного сенсора LiDAR, который установлен в iPhone 12 Pro и 12 Pro Max. С его помощью улучшается работа автофокуса, повышается качество портретных снимков даже при плохом свете, кроме того, LiDAR будет незаменим при работе с дополненной реальностью, а также в специализированных приложениях. Например, воспользовавшись LiDAR, можно сделать трехмерную модель помещения, просто отсканировав его со смартфона. При выборе камеры для идеального смартфона будем ориентироваться на все вышеуказанные особенности.
Фронтальные камеры также постепенно подтягиваются к основным по качеству и возможностям. Если раньше они располагались на рамках корпуса или в вырезах в дисплеях, то теперь производители все чаще стараются их скрывать. Делают они это тремя способами: устанавливают всплывающий модуль (используется в смартфонах Xiaomi Mi 9T, OnePlus 7 Pro, Honor 9X и других), поворотный модуль с основной камерой (ASUS ZenFone 6 и 7) или подэкранную камеру (ZTE Axon 20 5G). Несмотря на то, что технология подэкранной камеры еще сыровата, именно ее доработанный вариант хотелось бы включить в финальную спецификацию (для смартфона с OLED дисплеем). Для версии устройства с IPS матрицей будет предпочтительна всплывающая камера.
Память
На первый взгляд, с памятью ситуация простая – чем больше, тем лучше. В топовых версиях современных флагманов, например, в Samsung Galaxy S20 Ultra, устанавливается 16 ГБ оперативной памяти и файловый накопитель на 512 ГБ. Иногда производители второго эшелона хотят выделиться и могут поставить накопитель на 1 ТБ. Именно такое количество памяти установлено в смартфоне Smartisan R1. На это исключение из правил и будем ориентироваться. Стоит отметить, что в погоне за количеством производители могут пойти на ухудшение качественных характеристик. Часто экономить пытаются на скорости чтения и записи информации в ячейки памяти. К счастью, в индустрии есть стандарты для ориентира: LPDDR5 для ОЗУ и UFS 3.1 для постоянной памяти. Имея модули памяти этих стандартов, можно быть уверенным, что у нас быстрые и качественные решения.
Аккумулятор
Еще несколько лет назад типовая емкость аккумуляторов в смартфонах составляла 2500 — 3500 мАч, потом (во многом благодаря китайским брендам) нормой стало значение на уровне 4000 — 4500 мАч. Сейчас даже в среднем сегменте много моделей с емкостью батареи 5000 мАч и выше: Xiaomi Redmi Note 9, Poco X3, Samsung Galaxy M30s и M31 и другие. Как всегда, оригинальнее всех поступают B-бренды. У Doogee, Oukitel, Ulefone есть множество моделей с батареей на 10 000 мАч, но толщина и вес таких устройств оставляют желать лучшего. Также «китайцы» могут хитрить с указываемой емкостью, и ее реальное значение может отличаться от «типовой номинальной» на 20% (то есть номинальные 10 000 мАч по факту являются 8000 мАч). Будем надеяться, в скором времени технологии позволят «упаковать» 10 000 мАч в относительно компактные батареи и мы сможем получить идеальный смартфон с автономностью 3-4 дня. Кроме того, 10 000 – просто красивое число, а в устройстве мечты все должно быть прекрасно.
Оснащение и особенности
Финальная спецификация почти готова, осталось пройтись по общему оснащению и дополнительным функциям. Необходимым считаю наличие тройного слота на две SIM-карты и карту памяти, модуля NFC (судя по комментариям, это первое, на что обращают внимание при выборе смартфона), разъема 3,5 мм для проводных наушников, ИК-порта для управления бытовой техникой, поддержку быстрой зарядки мощностью 100 Вт, беспроводной зарядки и FM-радио (куда же без него в 2020 году!). Также будет полезным наличие защиты от воды и пыли на уровне IP68. Хотя этот параметр может конфликтовать с установкой разъема 3,5 мм, но что стоит разработчикам идеального устройства предусмотреть какой-нибудь клапан или простую заглушку. Думаю, даже не стоит упоминать о всевозможных датчиках приближения и освещенности, гироскопе, акселерометре, функции разблокировки по лицу. Их наличие уже обязательно в любом флагмане. Для придания большей прочности устройству рамка может быть выполнена из нержавеющей стали, тыльная панель – из какой-нибудь крепкой керамики.
Итак, подведем итоги. Технические характеристики идеального смартфона могут выглядеть так:
| Дисплей | 6,7 дюйма, Dynamic AMOLED 2X или IPS, разрешение 1440 x 3200 (Quad HD+), частота обновления 240 Гц, HDR10+, цвет 10 bit, защитное стекло Corning Gorilla Glass 6 |
| Чипсет | техпроцесс 5 нм, восемь ядер, максимальная тактовая частота 3 ГГц, графический ускоритель Adreno 650, запись 8K видео, связь: 5G, 4G, LTE, Wi-Fi 6, Bluetooth 5.2 |
| Камера | — Основная: 108 МП, 0.8 μm, f/1.8, OIS — Ультраширокоугольная: 16 МП, OIS — Телефото: 48 МП, OIS, х5 оптический зум — Датчик глубины LiDAR — Фронтальная: 40 МП (f/2.2) |
| Память | 16 ГБ ОЗУ (LPDDR5), 1 ТБ накопитель (UFS 3.1), карты памяти до 1 ТБ (отдельный слот) |
| Аккумулятор | 10 000 мАч, поддержка быстрой зарядки мощностью 100 Вт и беспроводной зарядки |
| Особенности | две SIM-карты, NFC, разъем 3,5 мм, ИК-порт, FM-радио, степень защиты IP68, корпус из нержавеющей стали и керамики. |
| Размеры и вес | 158×77,8×8,1 мм, 220 г |
Свое мнение постарался изложить максимально простым языком, поэтому некоторые технические нюансы не были упомянуты намеренно. Возможно, в статье было что-то упущено, просим в комментариях добавить, что еще необходимо идеальному смартфону.
Источник