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如何利用传感器技术设计蓝牙低功耗电路

       设计蓝牙低功耗(又称蓝牙智能)电路的教程,能够测量9轴运动,湿度和温度。

       在本文中,我将介绍蓝牙低功耗(BLE)产品的电路设计,该产品具有加速度计,磁力计和陀螺仪,以及用于测量湿度和温度的传感器。

       该设计的许多可能应用之一将是用于在运输期间监控关键物品的运输条件的小型设备。发货后,可以通过BLE链接下载旅程中的数据进行分析。员工是否错误处理了该项目?也许和它一起踢足球?这个设备可以告诉你。

       此外,请记住,此设计具有高度可扩展性 - 并入其他类型的传感器并不困难。

       注意:在本文中,我将交替使用以下术语:蓝牙低功耗,蓝牙LE,BLE和蓝牙智能。他们都意味着同样的事情。

       蓝牙低功耗/蓝牙智能

       设计新的蓝牙产品或任何无线产品对于缺乏经验的人来说可能有些挑战。这主要是由于RF(射频)部分的PCB布局的复杂性。幸运的是,在BLE微芯片中,大多数RF电路都是内置的,因此您不必担心天线的布局。

       蓝牙低功耗是一种非常流行的开放式无线标准,适用于短距离通信。该范围通常约为50英尺,但是通过使用增加接收器灵敏度,增加传输功率或两者的范围扩展器电路,这可以显着增加。

       顾名思义,蓝牙LE是“经典”蓝牙的低能耗版本,因此更适合由单个手表电池供电的超小型设备。BLE是物联网(IoT)产品的主要无线技术。

 

蓝牙LE模块的示例。图片由Digi-Key提供。

 

       BLE设计用于仅需要间歇传输相对较小的数据包的设备,而不是例如流式传输音频。大多数现代智能手机和平板电脑都支持Bluetooth Low Energy。它受Android版本4.3+和Apple iOS版本4s +的支持。

       蓝牙智能设备使用2.4 GHz工业,科学和医疗(ISM)频段中的无线电频率进行通信。支持BLE的设备可支持各种应用和产品,从遥控器和智能玩具到使用无线传感器的短程监控。BLE设备受蓝牙规范4.0+版本的保护。

       通过选择提供BLE功能的微控制器或使用BLE模块,可以将BLE集成到系统中。使用模块将简化设计并大幅降低认证成本 - 但也会增加生产成本。然而,在大多数情况下,非模块BLE解决方案只有在制造量超过约50万单位时才具有经济意义。

       其中一款BLE微控制器是基于ARM Cortex-M0处理器的赛普拉斯CYBL10X6X系列的成员。赛普拉斯BLE微控制器系列的一个优点是它们还提供基于这些微控制器的BLE模块。这可以使从模块解决方案到更加个性化的解决方案的过渡更加顺畅。 

       概要

该项目的原理图。

 

       BOM

 

       组件讨论

       主要组件是蓝牙低功耗微控制器(U1,CYBL10161),运动传感器(U2,MPU9250)和湿度传感器(U3,HDC1080)。该系统由3.7 V锂聚合物电池供电。

       赛普拉斯CYBL10X6X使用两个晶体振荡器:24MHz外部晶体振荡器(ECO)和32.768kHz手表晶体振荡器(WCO)。赛普拉斯微控制器包括用于24MHz晶振的内部可调谐负载电容。因此,与大多数微控制器的晶体振荡器电路相比,本设计中的24MHz晶体不需要外部负载电容。

       赛普拉斯微控制器通过连接器J1上的串行线调试(SWD)接口进行编程。

       每个IC上的所有电源引脚都有旁路电容,并使用数据表中给出的建议值。铁氧体磁珠FB1,FB2和FB3在U1的数字,模拟和RF部分之间提供一些噪声隔离。

       设计中的大多数元件都需要干净,稳定的电压。电源电容应放置在每个IC的电源引脚附近,以稳定和过滤电源。这些去耦电容提供了一个本地存储容器,并降低了电源走线上的有效阻抗,如IC电源引脚所示。

       通常,设计人员会将一个1.0μF(或更大)的电容与0.1μF或0.01μF电容并联,以实现宽频带的低阻抗。X7R电介质的电容器足以用作电源旁路电容器。

       对于高灵敏度组件,例如此RF微控制器,还应包括铁氧体磁珠。这样就形成了一个低通滤波器,可以抑制系统其他部分产生的高频电源噪声。该设计使用三个铁氧体磁珠(FB1,FB2和FB3),微控制器所需的每个VDD电源(数字,模拟和无线电)都有一个。

       湿度/温度传感器

       U3是数字湿度传感器(德州仪器公司的HDC1080),通过I 2 C串行接口连接到控制器。该器件可在高达14位分辨率下测量相对湿度,在-20°C至70°C的温度范围内,精度优于±4%。 

 

图片由ClosedCube提供。

 

       HDC1080还可以在-40°C至+ 125°C的温度范围内测量温度,精度优于0.6°C。除了测量温度和湿度外,HDC1080还包括一个电池监控电路,如果电池电压低于2.8 V,它将设置状态位。电源电压范围为2.7至5.5 V.

       I 2 C是可寻址的串行总线,因此系统中的每个I 2 C从设备必须具有唯一的地址。对于HDC1080,7位地址预先设置为b1000000。MPU-9250运动传感器允许您在两个地址之间进行选择:b1101000或b1101001。通过将AD0引脚置为高电平或低电平,将最低有效位设置为1或0。注意,两条I 2 C线中的每条线都需要上拉电阻(R1和R2)。

       设备制造商提供有关传感器在PCB上放置的建议。例如,HDC1080不应靠近任何发热组件。

       PCB中的电源和接地层不应在器件下方运行,因为它们可能为传感器提供不需要的热路径。实际上,通常应将槽放置在设备周围,以尽可能地将其与板的其余部分分开。

       9轴运动传感器

       U2是一款运动传感器(来自InvenSense的MPU-9250),包括一个3轴加速度计,一个3轴陀螺仪和一个3轴磁力计(罗盘)。 

 

图片由InvenSense提供。

 

       这种类型的传感器检测设备本身的移动,并且不要与检测附近物体(例如运动激活灯中使用的物体)的运动的超声波或红外传感器混淆。

       MPU-9250包括9个模数转换器,每个转换器具有16位分辨率。MPU-9250通过I 2 C总线连接到微控制器。

       天线

       当不使用带有内置天线的预认证BLE模块时,设计中最重要的一个方面是天线和天线与收发器之间的传输线。

       BLE天线有两种选择:芯片天线或PCB走线天线。芯片天线具有更小尺寸和简化调谐的优点。PCB本身设计了一个跟踪天线。跟踪天线的主要优点是降低了单位成本。实际上,因为天线只是PCB上的迹线,所以天线基本上是免费的。

       然而,芯片天线相当便宜,因此在大多数情况下,芯片天线是更好的选择 - 至少在最初。

       该设计使用Pulse Electronics的芯片天线。一旦您的产品实现大批量生产,您可能需要用PCB跟踪天线替换芯片天线,以降低单位成本并提高利润率。

       然而,PCB走线天线往往更难以调谐,并且很多时候它们需要多次PCB修改才能优化调谐。对PCB的修改对跟踪天线的调谐也会对芯片天线产生更明显的影响。

       天线总是需要调整以获得最佳性能。调谐是一个复杂的过程,需要一种特殊类型的测试室来屏蔽和吸收所有类型的无线电波。因此,天线调整通常最好外包给专门调整的供应商。然而,在许多情况下,天线制造商(例如Johanson Technology,Pulse Electronics和Taoglas)将为包含其中一个天线的新设计提供调谐服务。

       天线通常需要使用π网络来调谐天线(即,改变天线的阻抗以使其更接近地匹配收发器的阻抗)。调整pi网络中使用的电容器和电感器值,以便最大化天线和RF收发器之间的功率传输。

       如果优化工作范围对您的产品并不是非常关键,那么芯片天线不一定需要针对BLE进行调整,至少对于早期测试而言。

       必须遵守天线布局的关键方面,以使天线正常工作。设计人员必须特别注意数据表和应用笔记中的建议。

       您可以使用特殊计算器(例如Avago的免费工具AppCad)确定PCB传输线尺寸,以实现正确的阻抗匹配。

       认证

       每个国家都有自己的无线电频率发射规定,每个BLE系统都必须符合规定。在美国,FCC规定了2.4 GHz ISM频段的发射,如果产品是商业销售,则需要FCC认证。

       对于定制芯片(即非模块)解决方案(被归类为“有意散热器”),FCC认证通常至少花费大约10,000美元,而使用BLE模块的解决方案仅为约1,000美元(归类为“非故意散热器“)。

       “经典”蓝牙和低功耗蓝牙都要求您支付8,000美元的许可费。无论您使用预认证模块还是芯片解决方案,都是如此。

       BLE系统的设计者应该意识到,使用预先认证的BLE模块可以避免重大的测试费用,认证成本和设计工作量。

       如果您想了解有关开发新电子产品的更多信息,请查看我的终极指南 - 如何开发新的电子产品。

 

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