Πώς να σχεδιάσετε ένα κύκλωμα χαμηλής ενέργειας Bluetooth με τεχνολογία αισθητήρα

SCOoPE 11 - Utilities and horizontal energy efficiency in industries (Ιούνιος 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Πώς να σχεδιάσετε ένα κύκλωμα χαμηλής ενέργειας Bluetooth με τεχνολογία αισθητήρα


Tutorial για το σχεδιασμό ενός κύκλου Bluetooth Low Energy (γνωστός και ως Bluetooth Smart) με δυνατότητα μέτρησης της κίνησης, της υγρασίας και της θερμοκρασίας σε 9 άξονες.

Σε αυτό το άρθρο, πρόκειται να καλύψω το σχέδιο κυκλώματος για ένα προϊόν χαμηλής ενέργειας Bluetooth (BLE) που διαθέτει επιταχυνσιόμετρο, μαγνητόμετρο και γυροσκόπιο, καθώς και αισθητήρες για τη μέτρηση της υγρασίας και της θερμοκρασίας.

Μία από τις πολλές πιθανές εφαρμογές για αυτό το σχέδιο θα ήταν μια μικρή συσκευή για την παρακολούθηση των συνθηκών αποστολής των κρίσιμων αντικειμένων κατά τη μεταφορά. Μετά την αποστολή, τα δεδομένα από το ταξίδι μπορούν να μεταφορτωθούν μέσω του συνδέσμου BLE που θα αναλυθεί. Μήπως οι υπάλληλοι χειραγωγούν το στοιχείο "// en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth_low_energy" target = "_ blank"> Το Bluetooth Low Energy είναι ένα πολύ δημοφιλές ανοιχτό ασύρματο πρότυπο για επικοινωνία μικρής εμβέλειας. Η περιοχή είναι συνήθως περίπου 50 πόδια, αν και αυτό μπορεί να αυξηθεί σημαντικά με τη χρήση ενός κυκλώματος επέκτασης εύρους που είτε αυξάνει την ευαισθησία του δέκτη, αυξάνει την ισχύ μετάδοσης ή και τα δύο.

Όπως υποδηλώνει το όνομα, το Bluetooth LE είναι μια χαμηλής ενέργειας έκδοση του "κλασικού" Bluetooth και επομένως είναι πιο κατάλληλο για εξαιρετικά μικρές συσκευές που τροφοδοτούνται από μία μπαταρία ρολογιού. Το BLE είναι η κύρια ασύρματη τεχνολογία για προϊόντα Internet of Things (IoT).

Παράδειγμα μονάδας Bluetooth LE. Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά του Digi-Key.

Το BLE έχει σχεδιαστεί για συσκευές που απαιτούν μόνο διακεκομμένη μετάδοση σχετικά μικρών πακέτων δεδομένων, παρά για παράδειγμα, ροή ήχου. Τα περισσότερα μοντέρνα smartphones και tablet υποστηρίζουν Bluetooth Low Energy. Υποστηρίζεται από τις εκδόσεις Android 4.3+ και από τις εκδόσεις Apple iOS 4s +.

Οι έξυπνες συσκευές Bluetooth επικοινωνούν με ραδιοσυχνότητες στη βιομηχανική, επιστημονική και ιατρική (ISM) ζώνη 2, 4 GHz. Οι συσκευές με δυνατότητα BLE μπορούν να υποστηρίξουν μια μεγάλη γκάμα εφαρμογών και προϊόντων, από τηλεχειριστήρια και έξυπνα παιχνίδια έως παρακολούθηση μικρής εμβέλειας με ασύρματο αισθητήρα. Οι συσκευές BLE καλύπτονται από την έκδοση 4.0+ της προδιαγραφής Bluetooth.

Η ενσωμάτωση του BLE σε ένα σύστημα μπορεί να επιτευχθεί επιλέγοντας έναν μικροελεγκτή που προσφέρει λειτουργικότητα BLE ή χρησιμοποιώντας μια μονάδα BLE. Η χρήση μιας μονάδας θα απλοποιήσει τον σχεδιασμό και θα μειώσει δραστικά το κόστος πιστοποίησης - αλλά θα αυξήσει επίσης το κόστος παραγωγής. Ωστόσο, στις περισσότερες περιπτώσεις, μια λύση BLE μη-ενότητας έχει οικονομική σημασία μόνο όταν οι όγκοι παραγωγής υπερβαίνουν τις 500k μονάδες.

Ένας τέτοιος μικροελεγκτής BLE είναι μέλος της οικογένειας Cypress CYBL10X6X που βασίζεται σε επεξεργαστή ARM Cortex-M0. Ένα καλό πράγμα για τη γραμμή Cypress των μικροελεγκτών BLE είναι ότι προσφέρουν επίσης μονάδες BLE με βάση αυτούς τους μικροελεγκτές. Αυτό μπορεί να κάνει τη μετάβαση από μια λύση μονάδας σε μια πιο προσαρμοσμένη λύση μια πιο ομαλή διαδικασία.

Σχηματικός

Το σχήμα του έργου. Κάντε κλικ για μεγέθυνση.

BOM

ΠοσότητααξίαΌνομα και δελτίο δεδομένωνRefDesΠεριγραφή
1CYBL10161-56LQXIU1Cypress BLE μικροελεγκτή
1MPU-9250U2Αισθητήρας κίνησης InvenSense 9 αξόνων
1HDC1080U3Texas Instruments αισθητήρας υγρασίας / θερμοκρασίας
124MHzNX2520SA-24.000000MHZΧ1Κρύσταλλο μικροελεγκτή
132.768kHzABS06-32.768KHZ-9-ΤX2Κρύσταλλο μικροελεγκτή
1W3008ΜΥΡΜΗΓΚΙΚεραία τσιπ Bluetooth
101μFGRM188R61C105KA93DC1-C10Κεραμικό πυκνωτή
110, 1 μFCC0603KRX7R7BB104C11-C21Κεραμικό πυκνωτή
136pFGRM1555C1H360JA01DC22Κεραμικό πυκνωτή
118pFCBR04C180F5GACC23Κεραμικό πυκνωτή
1100pFGRM1555C1H101JA01DC24Κεραμικό πυκνωτή
110nFCC0603KRX7R9BB103C25Κεραμικό πυκνωτή
11.2pFGRM1555C1H1R2CA01DCpi1Κεραμικό πυκνωτή
11, 5 ρΡGJM1555C1H1R5BB01DCpi2Κεραμικό πυκνωτή
1AO7401MP1P-κανάλι MOSFET
3BLM18AG102SN1DFB1, FB2, FB3Φερριτη ΧΑΝΤΡΑ
16.8nHL-07C6N8JV6TLpi3Επαγωγέας
310kRC0603JR-0710KLR1, R2, R3Αντίσταση
122232051J1Υποδοχή προγραμματισμού

Εξαρτήματα Συζήτηση

Τα κύρια στοιχεία είναι ο μικροελεγκτής χαμηλής ενέργειας Bluetooth (U1, CYBL10161), ο αισθητήρας κίνησης (U2, MPU9250) και ο αισθητήρας υγρασίας (U3, HDC1080). Το σύστημα τροφοδοτείται με μπαταρία πολυμερούς λιθίου 3.7 V.

Υπάρχουν δύο κρυσταλλικοί ταλαντωτές που χρησιμοποιούνται από το Cypress CYBL10X6X: ο εξωτερικός ταλαντωτής κρυστάλλου 24MHz (ECO) και ο ταλαντωτής κρυστάλλου ρολογιών 32.768kHz (WCO). Ο μικροελεγκτής Cypress περιλαμβάνει εσωτερικούς, ρυθμιζόμενους πυκνωτές φορτίου για τον κρύσταλλο 24MHz. Έτσι, σε αντίθεση με τα κυκλώματα κρυσταλλικού ταλαντωτή για τους περισσότερους μικροελεγκτές, ο κρύσταλλος 24MHz σε αυτό το σχέδιο δεν απαιτεί εξωτερικούς πυκνωτές φορτίου.

Ο μικροελεγκτής Cypress προγραμματίζεται μέσω διεπαφής Serial Wire Debug (SWD) στον συνδετήρα J1.

Όλες οι ακίδες ρεύματος σε κάθε ψηφιακό κύκλωμα έχουν πυκνωτές παράκαμψης και χρησιμοποιούν τις συνιστώμενες τιμές που δίδονται στα δελτία δεδομένων. Τα σφαιρίδια φερρίτη FB1, FB2 και FB3 παρέχουν κάποια απομόνωση θορύβου μεταξύ των ψηφιακών, αναλογικών και RF τμημάτων του U1.

Τα περισσότερα εξαρτήματα σε ένα σχέδιο χρειάζονται μια καθαρή, σταθερή τάση. Οι πυκνωτές παροχής ηλεκτρικού ρεύματος θα πρέπει να τοποθετούνται κοντά στους ακροδέκτες τροφοδοσίας σε κάθε ψηφιακό κύκλωμα, ώστε να σταθεροποιούν και να φιλτράρουν την ισχύ. Αυτοί οι πυκνωτές αποσύνδεσης παρέχουν μια τοπική δεξαμενή αποθήκευσης και μειώνουν την αποτελεσματική σύνθετη αντίσταση στα ίχνη τροφοδοσίας όπως φαίνεται από τις ακίδες ισχύος IC.

Συνήθως, οι σχεδιαστές θα τοποθετήσουν έναν πυκνωτή 1.0μF (ή μεγαλύτερο) παράλληλα με έναν πυκνωτή 0.1μF ή 0.01μF προκειμένου να επιτευχθεί χαμηλή αντίσταση σε μια ευρεία ζώνη συχνοτήτων. Οι πυκνωτές του διηλεκτρικού X7R επαρκούν για χρήση ως πυκνωτές παράκαμψης τροφοδοσίας ισχύος.

Για τα εξαιρετικά ευαίσθητα εξαρτήματα, όπως αυτός ο μικροελεγκτής RF, πρέπει επίσης να συμπεριληφθεί ένα σφαιρίδιο φερρίτη. Αυτό δημιουργεί ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης που καταστέλλει θόρυβο υψηλής τάσης τροφοδοσίας που παράγεται από άλλα μέρη του συστήματος. Αυτός ο σχεδιασμός χρησιμοποιεί τρεις χάντρες φερρίτη (FB1, FB2 και FB3), μία για κάθε τροφοδοσία VDD (ψηφιακή, αναλογική και ραδιοφωνική) που απαιτείται από τον μικροελεγκτή.

Αισθητήρας υγρασίας / θερμοκρασίας

Το U3 είναι ένας ψηφιακός αισθητήρας υγρασίας (ο HDC1080 της Texas Instruments) και συνδέεται στον ελεγκτή μέσω μιας σειριακής διασύνδεσης I 2 C. Η συσκευή μπορεί να μετρήσει τη σχετική υγρασία με ανάλυση έως 14 bit με ακρίβεια καλύτερη από ± 4% σε μια περιοχή θερμοκρασιών από -20 ° C έως 70 ° C.

Η εικόνα προσφέρθηκε από το ClosedCube.

Το HDC1080 μπορεί επίσης να μετρήσει τη θερμοκρασία στην περιοχή από -40 ° C έως + 125 ° C με ακρίβεια καλύτερη από 0.6 ° C. Εκτός από τη μέτρηση της θερμοκρασίας και της υγρασίας, το HDC1080 περιλαμβάνει κύκλωμα παρακολούθησης μπαταρίας, το οποίο θα θέσει ένα bit κατάστασης εάν η μπαταρία είναι κάτω από 2, 8 V. Το εύρος τάσης τροφοδοσίας είναι 2, 7 έως 5, 5 V.

Ο I 2 C είναι ένας διευθυνσιοδοτημένος σειριακός δίαυλος, οπότε κάθε συσκευή I 2 C slave στο σύστημα πρέπει να έχει μια μοναδική διεύθυνση. Για το HDC1080, η διεύθυνση 7-bit είναι προκαθορισμένη στο b1000000. Ο αισθητήρας κίνησης MPU-9250 σάς επιτρέπει να επιλέξετε μεταξύ δύο διευθύνσεων: b1101000 ή b1101001. Το λιγότερο σημαντικό bit ρυθμίζεται στο ένα ή στο μηδέν συνδέοντας τον ακροδέκτη AD0 υψηλό ή χαμηλό. Σημειώστε ότι οι αντιστάσεις έλξης (R1 και R2) απαιτούνται για κάθε μία από τις δύο γραμμές I 2 C.

Ο κατασκευαστής της συσκευής παρέχει συστάσεις σχετικά με την τοποθέτηση του αισθητήρα στο PCB. Για παράδειγμα, το HDC1080 δεν πρέπει να τοποθετείται κοντά σε οποιαδήποτε στοιχεία που παράγουν θερμότητα.

Τα δίκτυα ισχύος και γείωσης στο PCB δεν θα πρέπει να λειτουργούν κάτω από τη συσκευή, επειδή θα μπορούσαν να παρέχουν μια ανεπιθύμητη θερμική διαδρομή στον αισθητήρα. Στην πραγματικότητα, οι υποδοχές πρέπει γενικά να τοποθετούνται γύρω από τη συσκευή για να το διαχωρίσουν όσο το δυνατόν περισσότερο από το υπόλοιπο του σκάφους.

Αισθητήρας κίνησης 9 αξόνων

Το U2 είναι αισθητήρας κίνησης (MPU-9250 από την InvenSense) που περιλαμβάνει επιταχυνσιόμετρο 3 αξόνων, γυροσκόπιο 3 αξόνων και μαγνητόμετρο 3 αξόνων (πυξίδα).

Χορηγία εικόνας από την InvenSense.

Αυτός ο τύπος αισθητήρα ανιχνεύει την κίνηση της ίδιας της συσκευής και δεν πρέπει να συγχέεται με υπερηχητικούς ή υπέρυθρους αισθητήρες που ανιχνεύουν την κίνηση ενός κοντινού αντικειμένου (όπως εκείνοι που χρησιμοποιούνται σε φώτα που κινούνται με κίνηση).

Το MPU-9250 περιλαμβάνει εννέα μετατροπείς αναλογικού-ψηφιακού σήματος, το καθένα από τους οποίους έχει ανάλυση 16 bit. Η διασύνδεση MPU-9250 με τον μικροελεγκτή μέσω του διαύλου I 2 C.

Η κεραία

Όταν δεν χρησιμοποιείτε μια προ-πιστοποιημένη μονάδα BLE με μια ενσωματωμένη κεραία, μία από τις πιο κρίσιμες πτυχές του σχεδιασμού θα είναι η κεραία και η γραμμή μετάδοσης μεταξύ της κεραίας και του πομποδέκτη.

Υπάρχουν δύο επιλογές για την κεραία BLE: μία κεραία τσιπ ή μια κεραία ίχνους PCB. Μια κεραία τσιπ έχει τα πλεονεκτήματα μικρότερου μεγέθους και απλούστερου συντονισμού. Μια κεραία ιχνών σχεδιάζεται στο ίδιο το PCB. Το κύριο πλεονέκτημα μιας κεραίας ιχνών είναι το μειωμένο κόστος μονάδας. Στην πραγματικότητα, επειδή η κεραία είναι απλά ένα ίχνος στο PCB, η κεραία είναι ουσιαστικά ελεύθερη.

Ωστόσο, οι κεραίες chip είναι μάλλον φτηνές, οπότε στις περισσότερες περιπτώσεις μια κεραία τσιπ είναι μια καλύτερη επιλογή - τουλάχιστον αρχικά.

Αυτός ο σχεδιασμός χρησιμοποιεί μια κεραία τσιπ από την Pulse Electronics. Μόλις το προϊόν σας επιτύχει μεγάλους όγκους παραγωγής, ίσως θελήσετε να αντικαταστήσετε την κεραία τσιπ με μια κεραία ανίχνευσης PCB, προκειμένου να μειώσετε το κόστος μονάδας και να βελτιώσετε το περιθώριο κέρδους.

Οι κεραίες ίχνους PCB τείνουν να είναι πιο προβληματικές για να συντονιστούν, ωστόσο, και πολλές φορές χρειάζονται αρκετές αναθεωρήσεις PCB, προκειμένου να βελτιστοποιηθεί ο συντονισμός. Οι τροποποιήσεις στην πλακέτα PCB θα έχουν επίσης πιο έντονο αντίκτυπο στη ρύθμιση του ίχνους της κεραίας σε σχέση με εκείνη της κεραίας chip.

Οι κεραίες πρέπει πάντα να συντονίζονται για κορυφαία απόδοση. Ο συντονισμός είναι μια σύνθετη διαδικασία που απαιτεί έναν ειδικό τύπο θαλάμου δοκιμών που προστατεύει και απορροφά όλους τους τύπους ραδιοκυμάτων. Επομένως, ο συντονισμός κεραίας είναι συνήθως καλύτερο outsourced σε πωλητές που ειδικεύονται στον συντονισμό. Σε πολλές περιπτώσεις, ωστόσο, ο κατασκευαστής κεραίας (Johanson Technology, Pulse Electronics και Taoglas, για παράδειγμα) θα προσφέρει υπηρεσίες συντονισμού για νέα σχέδια που ενσωματώνουν μία από τις κεραίες τους.

Μια κεραία κανονικά θα απαιτεί τη χρήση ενός δικτύου pi για τον συντονισμό της κεραίας (δηλαδή, μεταβάλλοντας την αντίσταση της κεραίας έτσι ώστε να ταιριάζει περισσότερο με την αντίσταση του πομποδέκτη). Οι τιμές πυκνωτή και επαγωγέα που χρησιμοποιούνται στο π-δίκτυο ρυθμίζονται έτσι ώστε να μεγιστοποιείται η μεταφορά ισχύος μεταξύ της κεραίας και του πομποδέκτη RF.

Εάν η βελτιστοποίηση του εύρους λειτουργίας δεν είναι εξαιρετικά κρίσιμη για το προϊόν σας, τότε η κεραία τσιπ δεν χρειάζεται απαραίτητα να ρυθμιστεί για BLE, τουλάχιστον για πρόωρες δοκιμές.

Πρέπει να τηρηθούν οι κρίσιμες πτυχές της διάταξης της κεραίας, ώστε η κεραία να λειτουργεί σωστά. Ο σχεδιαστής πρέπει να δώσει ιδιαίτερη προσοχή στις συστάσεις στα δελτία δεδομένων και στις σημειώσεις εφαρμογής.

Μπορείτε να προσδιορίσετε τις διαστάσεις της γραμμής μεταφοράς PCB για να επιτύχετε την κατάλληλη αντιστοίχιση εμπέδησης χρησιμοποιώντας μια ειδική αριθμομηχανή όπως το δωρεάν εργαλείο AppCad από την Avago.

Πιστοποιήσεις

Κάθε χώρα έχει τους δικούς της κανονισμούς σχετικά με τις εκπομπές ραδιοσυχνοτήτων και κάθε σύστημα BLE πρέπει να συμμορφώνεται. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, η FCC ρυθμίζει τις εκπομπές στη ζώνη ISM 2, 4 GHz και εάν το προϊόν πωλείται εμπορικά, απαιτείται πιστοποίηση FCC.

Η πιστοποίηση της FCC κοστίζει συνήθως τουλάχιστον 10.000 δολάρια για μια λύση τσιπ (που δεν είναι ενότητα) (που ταξινομείται ως "σκόπιμο ψυγείο"), έναντι μόνο $ 1.000 για μια λύση που χρησιμοποιεί μια μονάδα BLE (ταξινομημένη ως " μη εκούσιο καλοριφέρ ").

Τόσο το "κλασσικό" Bluetooth όσο και το Bluetooth Low Energy απαιτούν από εσάς να καταβάλετε μια αμοιβή αδειών χρήσης ύψους 8.000 $. Αυτό ισχύει είτε χρησιμοποιείτε μια προ-πιστοποιημένη ενότητα είτε μια λύση τσιπ.

Ο σχεδιαστής ενός συστήματος BLE πρέπει να γνωρίζει ότι τα σημαντικά έξοδα δοκιμών, το κόστος πιστοποίησης και η προσπάθεια σχεδιασμού μπορούν να αποφευχθούν χρησιμοποιώντας μια προ-πιστοποιημένη ενότητα BLE.

Εάν θέλετε να μάθετε περισσότερα σχετικά με την ανάπτυξη ενός νέου ηλεκτρονικού προϊόντος, ανατρέξτε στον τελικό οδηγό μου - Πώς να αναπτύξετε ένα νέο ηλεκτρονικό προϊόν.