關(guān)于nRF5182嵌入式系統(tǒng)智能手環(huán)的設(shè)計方案

時間：2020-07-17 13:51:02

關(guān)鍵字： bluetooth SoC 智能手環(huán) nrf51822

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[導讀] nrf51822 是功能強大、高靈活性的多協(xié)議SoC，非常適用于 Bluetooth® 低功耗和 2.4GHz 超低功耗無線應(yīng)用。 nRF51822 根據(jù)配備 256kB flash +

nrf51822 是功能強大、高靈活性的多協(xié)議SoC，非常適用于 Bluetooth® 低功耗和 2.4GHz 超低功耗無線應(yīng)用。 nRF51822 根據(jù)配備 256kB flash + 16kB RAM 的 32 位 ARM® Cortex™ M0 CPU 而建構(gòu)。嵌入式 2.4GHz 收發(fā)器支持藍牙低功耗及 2.4GHz 運作，其中 2.4GHz 模式與 Nordic Semiconductor 的 nRF24L 系列產(chǎn)品無線兼容。

nRF51822 還具備豐富的模擬和數(shù)字周邊產(chǎn)品，可以在無需 CPU 參與的情況下透過可程序化周邊接口（PPI）系統(tǒng)進行互動。靈活的 31 針腳 GPIO 映像方案可使 I/O（例如串行接口、PWM 和正弦解調(diào)器）根據(jù) PCB 需求指示映射到任何設(shè)備針腳。這可在關(guān)于針腳位置與功能方面，達成完全的設(shè)計靈活性。

nRF51822 支持 S110 藍牙低功耗協(xié)議堆棧及 2.4GHz 協(xié)議堆棧（包括Gazell），這兩種協(xié)議堆棧在 nRF518 軟件開發(fā)工具包中均免費提供。nRF51822 需要單獨供電，如果供電范圍在 1.8-3.6V 之間，用戶可選擇使用芯片上的線性整流器，如果供電范圍在 2.1-3.6V 之間，可以選擇直流 1.8V 模式和芯片上的 DCDC 變壓器。DC-DC 變壓器的使用可在工作期間動態(tài)控制，并使 nRF51822 運行期間的射頻峰值電流低于 10 mA @ 3V 供電（TX @ 0 dBm& RX）。

nRF51822 具有 6x6mm 48 針腳 QFN 封裝和 3.5x3.8mm 64 球形直接芯片構(gòu)裝之晶圓級封裝（WLCSP）。

nRF51822主要特性：

單芯片，高靈活性， 2.4GHz 多協(xié)議設(shè)備

32 位 ARM Cortex M0 CPU 核心

256KB flash 16KB RAM

支持 S110 藍牙低功耗協(xié)議堆棧

S110 需要 80 kB 內(nèi)存空間

線程安全性和運行時間保護

事件驅(qū)動 API

與 nRF24L 系列無線兼容

3 種數(shù)據(jù)率（2Mbps/1Mbps/250kbps）

+4dBm 輸出功率

-92.5dBm 敏感度、藍牙低功耗

針對最大化電源效率應(yīng)用和程序代碼簡化需求的 PPI 系統(tǒng)

具備對每個周邊產(chǎn)品進行電源自動管理功能的靈活電源管理系統(tǒng)

用于模擬和數(shù)字 I/O 的可設(shè)定 I/O 映射

nRF51822應(yīng)用：

移動電話配件

PC 周邊產(chǎn)品

消費電子（CE）遙控器

近接感應(yīng)/警報傳感器

運動、健身和醫(yī)療保健傳感器

智能 RF 標記

玩具和電子游戲

智慧家用設(shè)備

工業(yè)和商用傳感器

圖1 nRF51822框圖

智能手環(huán)是一種穿戴式智能設(shè)備。通過這款手環(huán)，用戶可以記錄日常生活中的鍛煉、睡眠、部分還有飲食等實時數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)與手機、平板、ipod touch同步，起到通過數(shù)據(jù)指導健康生活的作用。

智能手環(huán)內(nèi)置低功耗藍牙4.0模塊，可以與手機、平板、PC客戶端進行連接，可以隨時隨地設(shè)置身高、體重、步幅等信息和上傳運動數(shù)據(jù)。另外，智能手環(huán)還具備社交網(wǎng)絡(luò)分享功能，比如用戶可以將睡眠質(zhì)量、飲食情況和鍛煉情況以及心情記錄等通過綁定微博等社交網(wǎng)絡(luò)端進行分享。

nRF51822是一款為超低功耗無線應(yīng)用設(shè)計的多協(xié)議單芯片解決方案。芯片支持BLE4.0和2.4GHZ協(xié)議棧，整合了射頻發(fā)射電路，一個ARM Cortex M0核以及256KB的flash + 16KB的RAM。

手環(huán)硬件電路設(shè)計部分，包括一顆集成BLE功能的MCU（nrf51822），和由MCU控制的各種外設(shè)：

藍牙射頻電路；

使用SPI接口的G-sensor；

使用I2C接口的線性馬達驅(qū)動電路；

使用I2C接口的LED點陣驅(qū)動，與線性馬達共享總線；

使用GPIO的按鍵輸入；

使用GPIO的LED燈；

使用GPIO的普通馬達驅(qū)動電路；

外部復位電路。

圖2 智能手環(huán)框圖

智能手環(huán)主要部件描述：智能手環(huán)

1．MCU

nRF51822是一款為超低功耗無線應(yīng)用設(shè)計的的多協(xié)議單芯片解決方案。芯片支持BLE4.0和2.4GHZ協(xié)議棧，整合了射頻發(fā)射電路，一個ARM Cortex M0核以及256KB的flash + 16KB的RAM。

圖3 智能手環(huán)MCU電路

2．G-sensor

G-sensor是重力傳感器的意思（英文全稱是Gravity-sensor），它能夠感知到加速力的變化，加速力就是當物體在加速過程中作用在物體上的力，比如晃動、跌落、上升、下降等各種移動變化都能被G-sensor轉(zhuǎn)化為電信號，然后通過微處理器的計算分析后，就能夠完成程序設(shè)計好的功能，比如MP3能根據(jù)使用者的甩動方向，前后更換歌曲，放進衣袋的時候也能夠計算出使用者的前進步伐。

圖4 G-sensor電路

3．按鍵輸入模塊

圖5 按鍵輸入模塊電路

4．LED顯示

LED顯示是手環(huán)與用戶之間進行數(shù)據(jù)交互的模塊，主要用于數(shù)據(jù)顯示以及用戶交互。

根據(jù)廠家的不同需求，提供了兩種設(shè)計方案：

1、LED燈控制顯示：以多個LED指示燈的組合形式進行簡單的信息呈現(xiàn)。

2、LED點陣列顯示：以LED點陣列的形式顯示手環(huán)的數(shù)據(jù)信息：時間、步數(shù)、卡路里消耗等。

圖6 LED燈控制電路

圖7 LED點陣列控制模塊電路

5．普通馬達模塊

因為馬達的導通電流可能高達100mA，不能通過GPIO直接供電控制（驅(qū)動電流不夠），所以使用一個MOS管作為功率放大電路。串聯(lián)的24歐姆電阻用來調(diào)節(jié)馬達震動強度，減少功耗。在0歐姆時，馬達的啟動電流為100mA左右，目前配置的實測電流為36mA。

MOS管輸入端的下拉電阻是保證在重啟瞬間馬達保持靜止，因為芯片上電后引腳為高電平，MOS處于導通狀態(tài)，從而使馬達存在短暫的震動。

圖8 普通馬達模塊控制電路

6．線性馬達控制模塊

線性馬達控制復雜，需要用專用的芯片完成（設(shè)計中采用了DRV2605驅(qū)動芯片）。芯片與MCU通過I2C總線通信。線性馬達的功能由驅(qū)動芯片控制，驅(qū)動芯片本身的輸入電壓范圍是2.5V-5.5V。

給驅(qū)動芯片的供電電壓，設(shè)計中使用的是電池供電，而不是DCDC輸出的系統(tǒng)電壓。

理由是：驅(qū)動芯片的工作電壓是使用內(nèi)部的DCDC完成電壓轉(zhuǎn)換。假設(shè)DCDC轉(zhuǎn)換效率均為90%，那么使用電池供電，能量效率為90%；使用系統(tǒng)電壓供電，效率為90%*90%=81%。

圖9 線性馬達控制電路

7．電量檢測模塊

電池的電量和電壓有對應(yīng)關(guān)系，系統(tǒng)只要檢測到電池電壓，即可映像成電池剩余電量。

電池電壓在0-4.2V之間變化，經(jīng)過四分之一的分壓電路，輸出電壓會在0-1.05V之間變化。充分利用了nRF51822的ADC量程0-1.2V，并聯(lián)的電阻用于穩(wěn)定電壓值。

電路如下：

圖10 電量檢測模塊電路

8．外部復位模塊

圖11 外部復位模塊電路

9．充電電路模塊

充電芯片采用了TI的BQ24040，選取該款型號的目的是，能夠向MCU提供是否正在充電（CHG_STATE）和是否插入充電器（PG_STATE）的信息（大多數(shù)充電IC不提供后者信息）。充電電流可控，預充電與快速電流比例可控。

目前的參考方案按照18mAh的電池，預充電電流為快速充電電流的40%設(shè)計。

圖12 充電電路模塊電路

10．系統(tǒng)電源模塊

為了保證足夠的電源效率，設(shè)計使用了高效率，帶輕載優(yōu)化的DCDC芯片TPS62260，而不是傳統(tǒng)的LDO。因為nRF51822內(nèi)部有LDO，為了提高效率，系統(tǒng)電壓應(yīng)該越低越好，而馬達的正常工作電壓是3V，白色LED最低工作電壓是2.8V，其他IC的最低系統(tǒng)電壓是1.8V。因此最終確定的系統(tǒng)電壓是2.8V。

電源芯片的選擇：

l 傳統(tǒng)LDO的靜態(tài)功耗有優(yōu)勢，但是輸入-輸出壓差越大，效率越低。電池電壓如果是3.9V，輸出電壓為2.8V，效率為2.8/3.9=71%；

l DCDC靜態(tài)電流大，但是輸入電流在1mA以上時，效率能夠達到90%以上；

圖13 系統(tǒng)電源模塊電路 11．調(diào)試接口

圖14 調(diào)試接口電路 12．射頻電路

器件之間盡量近，減短走線（1mm走線相當于1nH電感；更長的線會增加對地電容）

不要用過孔（過孔相當于電感）

匹配電路周圍要被GND包裹以減小對地電容

匹配網(wǎng)絡(luò)的下方不要走線或者放置器件，造成匹配網(wǎng)絡(luò)和參考地之間的一個“黑洞”

建議板厚不超過1.6mm，否則射頻性能會下降

大功率和噪聲源信號走線要與射頻線垂直

LED相比射頻是大功率信號，如果不是外觀設(shè)計要求，強烈建議不要像該PCB方案把LED放置在天線附近（雖然PCB中LED走線已經(jīng)盡量垂直于天線）