nRF5182嵌入式系統(tǒng)智能手環(huán)設(shè)計(jì)

nRF51822 是功能強(qiáng)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(lán)牙低功耗及 2.4GHz 運(yùn)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(jìn)行互動(dòng)。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(dá)成完全的設(shè)計(jì)靈活性。

nRF51822 支持 S110 藍(lán)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(fèi)提供。nRF51822 需要單獨(dú)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(dòng)態(tài)控制，并使 nRF51822 運(yùn)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(jí)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(lán)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(yùn)行時(shí)間保護(hù)

事件驅(qū)動(dòng) 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(lán)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(gè)周邊產(chǎn)品進(jìn)行電源自動(dòng)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(dòng)電話配件

PC 周邊產(chǎn)品

消費(fèi)電子 (CE) 遙控器

近接感應(yīng)/警報(bào)傳感器

運(yùn)動(dòng)、健身和醫(yī)療保健傳感器

智能 RF 標(biāo)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)與手機(jī)、平板、ipod touch同步，起到通過數(shù)據(jù)指導(dǎo)健康生活的作用。

智能手環(huán)內(nèi)置低功耗藍(lán)牙4.0模塊，可以與手機(jī)、平板、PC客戶端進(jìn)行連接，可以隨時(shí)隨地設(shè)置身高、體重、步幅等信息和上傳運(yùn)動(dòng)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(jìn)行分享。

nRF51822是一款為超低功耗無線應(yīng)用設(shè)計(jì)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(gè)ARM Cortex M0核以及256KB的flash + 16KB的RAM。

手環(huán)硬件電路設(shè)計(jì)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(lán)牙射頻電路;

使用SPI接口的G-sensor;

使用I2C接口的線性馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路;

使用I2C接口的LED點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)，與線性馬達(dá)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(dá)驅(qū)動(dòng)電路;

外部復(fù)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(jì)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(gè)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(dāng)物體在加速過程中作用在物體上的力，比如晃動(dòng)、跌落、上升、下降等各種移動(dòng)變化都能被G-sensor轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后通過微處理器的計(jì)算分析后，就能夠完成程序設(shè)計(jì)好的功能，比如 MP3能根據(jù)使用者的甩動(dòng)方向，前后更換歌曲，放進(jìn)衣袋的時(shí)候也能夠計(jì)算出使用者的前進(jìn)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(jìn)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(jì)方案：

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

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

圖6 LED燈控制電路

圖7 LED點(diǎn)陣列控制模塊電路

5.普通馬達(dá)模塊

因?yàn)轳R達(dá)的導(dǎo)通電流可能高達(dá)100mA，不能通過GPIO直接供電控制(驅(qū)動(dòng)電流不夠)，所以使用一個(gè)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(dá)震動(dòng)強(qiáng)度，減少功耗。在0歐姆時(shí)，馬達(dá)的啟動(dòng)電流為100mA左右，目前配置的實(shí)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(dá)保持靜止，因?yàn)樾酒想姾笠_為高電平，MOS處于導(dǎo)通狀態(tài)，從而使馬達(dá)存在短暫的震動(dòng)。

圖8 普通馬達(dá)模塊控制電路

6.線性馬達(dá)控制模塊

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

給驅(qū)動(dòng)芯片的供電電壓，設(shè)計(jì)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(dòng)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(dá)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(huì)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(fù)位模塊

圖11 外部復(fù)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(hào)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(yù)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(yù)充電電流為快速充電電流的40%設(shè)計(jì)。

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(jì)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?yàn)閚RF51822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(dá)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(shí)，效率能夠達(dá)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(dāng)于1nH電感;更長的線會(huì)增加對地電容)

不要用過孔(過孔相當(dāng)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(gè)“黑洞”

建議板厚不超過1.6mm，否則射頻性能會(huì)下降

大功率和噪聲源信號(hào)走線要與射頻線垂直

LED相比射頻是大功率信號(hào)，如果不是外觀設(shè)計(jì)要求，強(qiáng)烈建議不要像該P(yáng)CB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)

圖15 PCB正確走線和等效電路

圖16 智能手環(huán)PCB外形圖

圖四智能手環(huán)結(jié)構(gòu)圖

智能手環(huán)功能實(shí)現(xiàn)流程圖

圖八主程序結(jié)構(gòu)流圖