關於nRF5182嵌入式系統智能手環的設計方案

2020-12-20 電子發燒友

關於nRF5182嵌入式系統智能手環的設計方案

工程師4 發表於 2018-05-13 09:46:00

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

nRF51822 還具備豐富的模擬和數字周邊產品，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 和正弦解調器）根據 PCB 需求指示映射到任何設備針腳。這可在關於針腳位置與功能方面，達成完全的設計靈活性。

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

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

nRF51822主要特性：

單晶片， 高靈活性， 2.4GHz 多協議設備

32 位 ARM Cortex M0 CPU 核心

256KB flash 16KB RAM

支持 S110 藍牙低功耗協議堆棧

S110 需要 80 kB 內存空間

線程安全性和運行時間保護

事件驅動 API

與 nRF24L 系列無線兼容

3 種數據率 （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用和程序代碼簡化需求的 PPI 系統

具備對每個周邊產品進行電源自動管理功能的靈活電源管理系統

用於模擬和數字 I/O 的可設定 I/O 映射

nRF51822應用：

行動電話配件

PC 周邊產品

消費電子 （CE） 遙控器

近接感應/警報傳感器

運動、健身和醫療保健傳感器

智能 RF 標記

玩具和電子遊戲

智慧家用設備

工業和商用傳感器


圖1 nRF51822框圖

智能手環是一種穿戴式智能設備。通過這款手環，用戶可以記錄日常生活中的鍛鍊、睡眠、部分還有飲食等實時數據，並將這些數據與手機、平板、ipod touch同步，起到通過數據指導健康生活的作用。

智能手環內置低功耗藍牙4.0模塊，可以與手機、平板、PC客戶端進行連接，可以隨時隨地設置身高、體重、步幅等信息和上傳運動數據。另外，智能手環還具備社交網絡分享功能，比如用戶可以將睡眠質量、飲食情況和鍛鍊情況以及心情記錄等通過綁定微博等社交網絡端進行分享。

nRF51822是一款為超低功耗無線應用設計的多協議單晶片解決方案。晶片支持BLE4.0和2.4GHZ協議棧，整合了射頻發射電路，一個ARM Cortex M0核以及256KB的flash + 16KB的RAM。

手環硬體電路設計部分，包括一顆集成BLE功能的MCU（nrf51822），和由MCU控制的各種外設：

藍牙射頻電路；

使用SPI接口的G-sensor；

使用I2C接口的線性馬達驅動電路；

使用I2C接口的LED點陣驅動，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的普通馬達驅動電路；

外部復位電路。


圖2 智能手環框圖

智能手環主要部件描述：智能手環

1．MCU

nRF51822是一款為超低功耗無線應用設計的的多協議單晶片解決方案。晶片支持BLE4.0和2.4GHZ協議棧，整合了射頻發射電路，一個ARM Cortex M0核以及256KB的flash + 16KB的RAM。


圖3 智能手環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轉化為電信號，然後通過微處理器的計算分析後，就能夠完成程序設計好的功能，比如MP3能根據使用者的甩動方向，前後更換歌曲，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顯示是手環與用戶之間進行數據交互的模塊，主要用於數據顯示以及用戶交互。

根據廠家的不同需求，提供了兩種設計方案：

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。

2、LED點陣列顯示： 以LED點陣列的形式顯示手環的數據信息：時間、步數、卡路裡消耗等。


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（驅動電流不夠），所以使用一個MOS管作為功率放大電路。串聯的24歐姆電阻用來調節馬達震動強度，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，因為晶片上電後引腳為高電平，MOS處於導通狀態，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

線性馬達控制複雜，需要用專用的晶片完成（設計中採用了DRV2605驅動晶片）。晶片與MCU通過I2C總線通信。線性馬達的功能由驅動晶片控制，驅動晶片本身的輸入電壓範圍是2.5V-5.5V。

給驅動晶片的供電電壓，設計中使用的是電池供電，而不是DCDC輸出的系統電壓。

理由是：驅動晶片的工作電壓是使用內部的DCDC完成電壓轉換。假設DCDC轉換效率均為90%，那麼使用電池供電，能量效率為90%；使用系統電壓供電，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關係，系統只要檢測到電池電壓，即可映像成電池剩餘電量。

電池電壓在0-4.2V之間變化，經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，並聯的電阻用於穩定電壓值。

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

充電晶片採用了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（大多數充電IC不提供後者信息）。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%設計。

圖12 充電電路模塊電路

10．系統電源模塊

為了保證足夠的電源效率，設計使用了高效率，帶輕載優化的DCDC晶片TPS62260，而不是傳統的LDO。因為nRF51822內部有LDO，為了提高效率，系統電壓應該越低越好，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的最低系統電壓是1.8V。因此最終確定的系統電壓是2.8V。

電源晶片的選擇：

l 傳統LDO的靜態功耗有優勢，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 系統電源模塊電路

11．調試接口

圖14 調試接口電路

12．射頻電路

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

不要用過孔（過孔相當於電感）

匹配電路周圍要被GND包裹以減小對地電容

匹配網絡的下方不要走線或者放置器件，造成匹配網絡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走線已經儘量垂直於天線）


圖15 PCB正確走線和等效電路

                                                                                                                                                                   圖16 智能手環PCB外形圖

 


智能手環結構圖


智能手環功能實現流程圖


主程序結構流圖

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