如何利用传感器技术设计低耗电蓝牙电路

2022-4-13 21:55:42 6951 传感器蓝牙

0 关于设计一个可以测量9轴运动、湿度和温度的低耗电蓝牙电路的教程。在这篇文章中，我将介绍一个低耗电蓝牙产品的电路设计，该产品具有加速度计、磁强计和陀螺仪，以及测量湿度和温度的传感器。这种设计的许多可能的应用之一是一个小装置，用于监测运输过程中关键物品的运输条件。装运后，可以通过 BLE 链接下载来自旅程的数据进行分析。员工是否处理不当？也许用它来踢足球？这个装置可以告诉你。此外，请记住，这种设计具有高度可扩展性ーー将其他类型的传感器组合在一起并不困难。注意: 在整篇文章中，我将交替使用以下术语: 蓝牙低耗电蓝牙、蓝牙 LE、 BLE 和蓝牙智能。它们都是同一个意思。低耗电蓝牙/蓝牙智能设计一个新的蓝牙产品，或任何无线产品，可以有点挑战的经验。这主要是由于复杂的 PCB 布局为射频(射频)部分。幸运的是，在 BLE 微芯片中，大部分的射频电路是内部的，所以你不需要担心比天线布局更多的东西。低耗电蓝牙是一个非常流行的短距离通信开放无线标准。范围通常是大约50英尺，虽然这可以显着增加与使用范围扩展电路，要么增加接收机的灵敏度，增加传输功率，或两者。顾名思义，蓝牙 LE 是“经典”蓝牙的低能耗版本，因此更适用于由单节手表电池供电的超小型设备。BLE 是物联网产品的主要无线技术。蓝牙 LE 模块示例。 BLE 是为那些只需要间歇传输相对较小的数据包的设备设计的，而不是，例如，流式音频。大多数现代智能手机和平板电脑都支持低耗电蓝牙。它支持安卓4.3 + 版本和苹果 iOS 4 s + 版本。蓝牙智能设备在2.4 GHz 工业、科学和医疗(ISM)波段使用无线电频率进行通信。支持 ble- 的设备可以支持广泛的应用程序和产品，从遥控器和智能玩具到短程监控与无线传感器。BLE 设备包含在蓝牙规范的4.0 + 版本中。将 BLE 集成到系统中可以通过选择提供 BLE 功能的微控制器或者使用 BLE 模块来实现。模块的使用将简化设计，大幅降低认证成本ーー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50万台时才具有经济意义。其中一个 BLE 微控制器是基于 ARM cortex-m0处理器的 Cypress CYBL10X6X 系列的成员。BLE 微控制器的 Cypress 系列的一个优点是，他们也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自定义的解决方案的转换过程更加顺畅。示意图该项目的示意图。组成部分的讨论主要部件是低耗电蓝牙微控制器(u 1，CYBL10161) ，运动传感器(u 2，MPU9250)和湿度传感器(u 3，HDC1080)。该系统由3.7 v 的锂离子聚合物电池驱动。 Cypress CYBL10X6X 使用了两个晶体振荡器: 24mhz 外部晶体振荡器(ECO)和32.768 kHz 手表晶体振荡器(WCO)。柏树微控制器包括内部，可调谐的24mhz 晶体负载电容器。因此，与大多数微控制器的晶体振荡器电路相比，这种设计中的24mhz 晶体不需要外部负载电容器。 Cypress 微控制器通过连接器 j1上的串行线调试(SWD)接口编程。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推荐值。铁氧体磁珠 FB1、 fb2和 fb3在 u1的数字、模拟和射频部分之间提供一些隔离噪声。设计中的大多数元件都需要一个干净、稳定的电压。电源电容器应放置在每个集成电路的电源引脚附近，以稳定和过滤电源。这些去耦电容器提供了一个局部存储器，并降低了电源线路上的有效阻抗，如 IC 电源引脚所见。通常，设计人员会放置一个1.0 μF (或更大)的电容器与一个0.1 μF 或0.01 μF 的电容器并联，以便在宽频带内实现低阻抗。X7R 介质的电容器足以作为电源旁路电容器使用。对于高灵敏度元件，如射频微控制器，还应该包括一个铁氧体磁珠。这将创建一个低通滤波器，抑制系统其他部分产生的高频电源噪声。本设计使用三个铁氧体磁珠(FB1，fb2和 FB3) ，一个用于单片机所需的每个 VDD 电源(数字，模拟和无线电)。湿度/温度感应器 U3是一个数字式湿度传感器(来自德州仪器的 HDC1080) ，通过 I2C 串行接口连接到控制器。该装置可以测量高达14位分辨率的相对湿度，在 -20 ° c 到70 ° c 的温度范围内，精度优于 ± 4% 。 Hdc1080还可以测量 -40 ° c 至 + 125 ° c 范围内的温度，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，如果电池低于2.8 v，该电路将设置一个状态位。供电电压范围为2.7-5.5 v。 I2C 是一个可寻址的串行总线，因此系统中的每个 I2C 从设备都必须有一个唯一的地址。对于 HDC1080,7位地址被预先设置为 b1000000。在 mpu-9250运动传感器允许您选择两个地址: b1101000或 b1101001。最低有效位设置为一或零通过捆绑 ad0引脚的高或低。注意，对于两个 I2C 线路中的每一个，都需要上拉电阻(r1和 R2)。设备制造商提供关于在 PCB 上放置传感器的建议。例如，hdc1080不应靠近任何发热部件。 PCB 中的电源和地面平面不应该在设备下运行，因为它们可能会提供一个不必要的热传感器路径。事实上，插槽通常应该放置在设备周围，以便尽可能地将其与板的其余部分分离开来。 9轴运动传感器 U2是一个运动传感器(来自 InvenSense 的 MPU-9250) ，它包括一个3轴加速度计、一个3轴陀螺仪和一个3轴磁强计(指南针)。这种传感器检测设备本身的运动，不要与检测附近物体运动的超声波或红外线传感器混淆(如运动激活灯中使用的传感器)。在 mpu-9250包括九个模拟到数字转换器，每个有16位的分辨率。通过 I2C 总线将 mpu-9250接口到微控制器。天线当不使用带有内置天线的预认证 BLE 模块时，设计中最关键的一个方面将是天线和天线与收发信机之间的传输线。 BLE 天线有两种选择: 芯片天线或 pcb 跟踪天线。芯片天线具有体积小、调谐简单等优点。一个跟踪天线被设计到 PCB 本身。跟踪天线的主要优点是降低了单位成本。事实上，因为天线只是 PCB 上的一个痕迹，天线本质上是免费的。然而，芯片天线相当便宜，因此在大多数情况下，芯片天线是一个更好的选择ーー至少在初期是这样。这个设计使用了脉冲电子公司的芯片天线。一旦您的产品达到大批量生产，您可能想要更换芯片天线与 pcb 跟踪天线，以减少您的单位成本和提高利润率。 PCB 跟踪天线往往是更多的问题调优，但是，并且很多时候，他们需要几个 PCB 修订，以优化调优。对 PCB 的修改也将有一个更加明显的影响，跟踪天线的调谐相对于一个芯片天线。为了达到最佳性能，天线总是需要调整。调谐是一个复杂的过程，需要一个特殊类型的测试室，屏蔽和吸收所有类型的无线电波。因此，天线调优通常最好外包给专门从事调优的供应商。不过，在许多情况下，天线制造商(如约翰逊技术公司、脉冲电子公司和陶格拉斯公司)将为新设计的天线提供调整服务。天线通常需要使用 pi 网络来调谐天线(即改变天线的阻抗，使其与收发信机的阻抗更接近)。调整 pi 网络中使用的电容和电感值，以最大限度地实现天线和射频收发信机之间的功率传输。如果优化操作范围对于你的产品来说不是非常重要，那么芯片天线就不一定需要为 BLE 调整，至少为了早期测试。为了使天线正确工作，天线布局的关键方面必须得到遵守。设计者必须仔细关注数据表和应用注释中的推荐。你可以使用一个特殊的计算器，例如来自 Avago 的免费工具 AppCad，来确定 PCB 的传输线尺寸，以达到合适的阻抗匹配。认证每个国家都有自己关于无线电频率发射的规定，每个 BLE 系统都必须符合这些规定。在美国，FCC 管理2.4 GHz ISM 波段的排放，如果产品在市场上销售，则需要 FCC 认证。 FCC 认证通常最低成本约为10,000美元的定制芯片(即，非模块)解决方案(被归类为“有意辐射器”) ，而使用 BLE 模块(归类为“非有意辐射器”)的解决方案只需约1,000美元。无论是“经典”蓝牙还是蓝牙低耗电蓝牙都要求你支付8000美元的授权费。无论使用预认证模块还是芯片解决方案，这都是正确的。 BLE 系统的设计者应该意识到，通过使用预先认证的 BLE 模块，可以避免重大的测试费用、认证成本和设计工作。 0 a976db8f-5761-4295-b3f3-3606b30e7a81.jpg (52.36 KB, 下载次数: 0) fc8c5455-13b2-4153-a89a-62915a3c6678.png (204.18 KB, 下载次数: 0)
2022-4-13 21:55:42　　评论淘帖0 举报相关推荐 • 低耗电带有逻辑输出的微型光传感器 1619 • NI通过FPGA提供灵活高效WLAN和低耗电蓝牙技术测试解决方案 1575 • 关于36V低耗电LDO的分析介绍 4799 • ARM设计的低耗电CPU，逐步替换Intel产品 1052 • 低耗电高效能的RF Switch解决方案 33 • 关于低耗电稳压器RT9073的性能分析和应用介绍 2258 • 如何利用蓝牙技术设计指环遥控器 1212 • 白光大功率LED长寿低耗电技术 935 • 格芯以eVaderis超低耗电 MCU 参考设计强化 22FDX eMRAM平台 181 • 立錡科技推出高耐压、低耗电线性稳压器-RT9058 1428 1 个讨论