注：這是我提交的Ribbit Power Hop挑戰(zhàn)賽的第2部分，其中包含了我的設(shè)計(jì)的布局筆記和提示。閱讀之前的項(xiàng)目以了解更多關(guān)于設(shè)計(jì)過(guò)程的信息。

對(duì)初次提交文件的修訂

在收到評(píng)審小組的深刻反饋后，我對(duì)我最初的Hackster項(xiàng)目中的初始設(shè)計(jì)進(jìn)行了一些修改。

以下是更新后的系統(tǒng)圖：

這是最終示意圖的頂層圖：

添加/刪除[+/ -]和修改[~]：

[+] nRF52833配套SoC +藍(lán)牙天線，通過(guò)USB作為nRF91的串行接口，并通過(guò)藍(lán)牙提供設(shè)備配置功能

[-] FTDI接口——依靠nRF52提供串行接口

[~]電池座的尺寸從14430改為18650，以增加電池容量

[+] JST PH電池連接器允許替代18650電池連接

電池保護(hù)電路，提供過(guò)流，過(guò)壓和欠壓保護(hù)

[+]電源軌上的測(cè)試點(diǎn)和跳線，用于監(jiān)測(cè)各分系統(tǒng)的電壓和電流

PCB布局

在這里下載布局。這些主要的設(shè)計(jì)考慮決定了子系統(tǒng)在PCB上的位置：

?盡量減少對(duì)敏感走線(RF + USB)的干擾。這導(dǎo)致兩個(gè)無(wú)線子系統(tǒng)(nRF52藍(lán)牙+ nRF91蜂窩)被放置在頂層，相對(duì)于底層的噪聲開(kāi)關(guān)電源電路。USB差分對(duì)走線在內(nèi)層布線，由接地面屏蔽頂層和底層。注意確保即使是低速數(shù)字信號(hào)(I2C和SPI)也被路由到遠(yuǎn)離和/或正交的RF走線。在底層，電源電路被放置在離藍(lán)牙跟蹤天線盡可能遠(yuǎn)的地方。

?連接器輸入(太陽(yáng)能+ USB-C)并置，以簡(jiǎn)化外殼設(shè)計(jì)。

?其他人為操作的接口(電池座、調(diào)試連接器、跳線和測(cè)試點(diǎn))被放置在同一側(cè)，以便簡(jiǎn)化啟動(dòng)和調(diào)試過(guò)程。

?在頂層和底層有大的接地面，在電路板周邊有拼接過(guò)孔和過(guò)孔，以盡量減少電路板發(fā)出的電磁干擾。

?平衡最小的外形因素，同時(shí)保持信號(hào)暴露，以防需要硬件修改。

考慮到所有這些因素，我們創(chuàng)建了以下布局：

其他注意事項(xiàng):

?選擇電路板堆疊是為了確保高速走線的特性阻抗(RF走線為50歐姆，USB走線為90歐姆)，并試圖使設(shè)計(jì)盡可能地與參考布局相對(duì)應(yīng)。

?根據(jù)nRF9151設(shè)計(jì)指南的建議，功率走線阻抗盡可能最小化，以減少大電流蜂窩工作時(shí)的電壓下降。

?因?yàn)檫@塊板上沒(méi)有太多的空間來(lái)放置測(cè)試點(diǎn)，所以許多過(guò)孔至少在一側(cè)沒(méi)有帳篷，作為偽測(cè)試點(diǎn)。

層疊:

請(qǐng)注意，在組裝過(guò)程中，PCBWay的團(tuán)隊(duì)通知我，2引腳的SMD頭有一個(gè)不正確的足跡。這意味著他們不能焊接我指定的零件，我需要購(gòu)買(mǎi)正確的零件，并在他們到達(dá)后自己焊接。

板尺寸

最終的電路板尺寸為84mm x 50mm，大約是一張信用卡的大小。

板子啟動(dòng)

啟動(dòng)是測(cè)試新組裝的PCB的過(guò)程。新項(xiàng)目的板子開(kāi)發(fā)總是令人興奮的，因?yàn)榘遄又皼](méi)有經(jīng)過(guò)測(cè)試，所以“這里有龍”。

第一步是目視檢查pcb的裝配缺陷，如組件放置方向錯(cuò)誤或引腳之間的短路。沒(méi)有問(wèn)題，PCBWay在組裝這些電路板方面做得很好!

下一步是測(cè)試所有電源軌，首先檢查接地短路，然后用限流電源為輸入供電。

USB電源和太陽(yáng)能板輸入都沒(méi)有問(wèn)題。不幸的是，有一個(gè)神秘的短在電池的輸入，似乎是一個(gè)二極管，由于其非線性的電流消耗行為，因?yàn)殡娏飨拗剖切逼隆?

問(wèn)題原來(lái)是Q5，這是一個(gè)反向極性保護(hù)。該部分的足跡是不正確創(chuàng)建的，導(dǎo)致身體二極管被放置在電池輸入和地。哦。這是一個(gè)容易的任務(wù)，以消除和短路這(不需要)的組件與一塊電線焊接在正確的墊代替。

在此之后，所有的電源軌道看起來(lái)很好，我準(zhǔn)備繼續(xù)編程的SoC。對(duì)nRF52和nRF91進(jìn)行編程的最佳方法是使用基于Zephyr RTOS的Nordic nRF Connect SDK。如果您習(xí)慣于使用簡(jiǎn)單的HAL進(jìn)行裸機(jī)編程，那么這肯定會(huì)增加復(fù)雜性。但是，在克服了學(xué)習(xí)曲線之后，有許多預(yù)先編寫(xiě)的示例和資源使測(cè)試過(guò)程更加方便。

每個(gè)SoC的一個(gè)重要步驟是創(chuàng)建一個(gè)Device Tree“board”定義，它定義了Zephyr代碼可以訪問(wèn)的硬件以及如何訪問(wèn)它。我花了很長(zhǎng)時(shí)間才弄明白的一件事是，這塊電路板上的nRF52缺少一個(gè)外部晶體。BLE的功能依賴于它，所以一開(kāi)始藍(lán)牙的東西都不起作用。下面的KConfig將nRF52配置為使用內(nèi)部RC時(shí)鐘源：

一旦定義了電路板，我就可以加載一個(gè)簡(jiǎn)單的“Blinky”示例來(lái)切換GPIO(連接到nRF91上的LED和nRF52上的一個(gè)容易訪問(wèn)的引腳)來(lái)證明編程是成功的!然后是藍(lán)牙和蜂窩樣本來(lái)測(cè)試每個(gè)天線的功能。

nRF52的藍(lán)牙示例相當(dāng)簡(jiǎn)單。我展示了一個(gè)測(cè)試信標(biāo)示例，并使用我的手機(jī)作為藍(lán)牙監(jiān)聽(tīng)設(shè)備。我注意到的一件事是，當(dāng)我在家里走動(dòng)時(shí)，我的藍(lán)牙數(shù)據(jù)包的RSSI與其他一些設(shè)備相比似乎有點(diǎn)低，這表明天線匹配可能需要做一些工作。然而，這是一個(gè)全新的設(shè)計(jì)，它在近距離工作得很好。

對(duì)于nRF91，我發(fā)現(xiàn)nRF Connect SDK - Modem shell示例對(duì)于測(cè)試蜂窩調(diào)制解調(diào)器非常有用。有了這個(gè)外殼，我可以向調(diào)制解調(diào)器編寫(xiě)低級(jí)AT命令，以確保它被正確配置，我還可以控制內(nèi)部GNSS模塊，而不必自己編寫(xiě)任何固件。當(dāng)我還在學(xué)習(xí)調(diào)制解調(diào)器接口庫(kù)，只想證明子系統(tǒng)按預(yù)期工作時(shí)很有用。

測(cè)試GNSS是在室外進(jìn)行的，有清晰的天空視野，以便快速定位許多衛(wèi)星。這次GPS測(cè)試是在冷啟動(dòng)的情況下進(jìn)行的，這意味著目前沒(méi)有關(guān)于當(dāng)前GPS衛(wèi)星位置的可用信息，這意味著通常需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能獲得定位。在這次測(cè)試中，我沒(méi)有使用Nordic提供的輔助GPS功能。連接時(shí)間大約是51秒，對(duì)我來(lái)說(shuō)還可以。

請(qǐng)注意，由于設(shè)計(jì)原因，nRF91沒(méi)有直接的USB <->串行設(shè)備。nRF91必須將UART消息傳遞給nRF52，然后nRF52將它們轉(zhuǎn)發(fā)到USB接口。USB CDC ACM (virtual COM)端口在nRF52中處理。

最后的測(cè)試是測(cè)試連接外設(shè)的I2C接口。不幸的是，BQ25798和SCD30在Zephyr中沒(méi)有內(nèi)置驅(qū)動(dòng)程序，這意味著需要更多的工作來(lái)與它們交互。我能夠使用通用的I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)設(shè)備數(shù)據(jù)表簡(jiǎn)單地寫(xiě)入和讀出所需的字節(jié)序列。如果有內(nèi)置驅(qū)動(dòng)程序，我可以跳過(guò)這一步。

兩個(gè)I2C總線都是功能性的，并且通過(guò)讀取存儲(chǔ)在芯片上的一些靜態(tài)芯片ID或版本信息來(lái)測(cè)試每個(gè)設(shè)備的連接性。事后看來(lái)，我認(rèn)為我可以使用Zephyr中包含的I2C外殼來(lái)更快地測(cè)試這些設(shè)備。

跟進(jìn)總結(jié)

視覺(jué)檢查：OK電源軌道：除了VBAT，不正確的反極性FET足跡造成短到地，OK后旁路nrf91和nRF51 bringing: OKBLE: OK cellular: OKGNSS: OK充電器：OK傳感器總線：OK

更詳細(xì)的測(cè)試和結(jié)果記錄可在此電子表格中的調(diào)出摘要中獲得。

功率測(cè)試

太陽(yáng)能裝置的一個(gè)重要組成部分是有效地利用入射能量。為了測(cè)量效率，我用98 mA @ 6.6V的電源為設(shè)備供電。這導(dǎo)致130 mA @ 3.6V的電池供電。輸出功率除以輸入功率得到的效率為72%。我選擇這些電流和電壓值作為輸入，因?yàn)樗鼈兇笾聦?duì)應(yīng)于為本設(shè)計(jì)選擇的6V， 1.2W太陽(yáng)能電池板的規(guī)格。輸出功率@ 3.6V對(duì)應(yīng)手頭充滿電的LiFePO4電壓：)。

但是，BQ25798可以選擇使用更低的開(kāi)關(guān)頻率和更大的電感。盡管在初始設(shè)計(jì)期間遺漏了這一點(diǎn)，但我能夠訂購(gòu)替換部件(相同的足跡)并將R15替換為4.7kOhms(即在BQ25798 ‘PROG’引腳設(shè)置電壓的電阻，配置開(kāi)關(guān)頻率)。這給出了：98 mA @ 6.6V = 647 mW輸入，138mA @ 3.66V = 505 mW輸出?；蛘咝适?8%!

我想我本來(lái)希望效率高一點(diǎn)，但是在數(shù)據(jù)表中沒(méi)有指定我在(< 500 mA)下操作該部件的確切操作條件下的效率，因此需要測(cè)試。

完全集成測(cè)試

為了演示一個(gè)完全工作的系統(tǒng)，我基于nRF Cloud Multi Service示例創(chuàng)建了一個(gè)新的示例應(yīng)用程序。這個(gè)示例應(yīng)用程序處理設(shè)備配置和與nRF Cloud的連接。我只需要修改應(yīng)用程序的主線程來(lái)對(duì)PMIC進(jìn)行編程，使負(fù)載切換到傳感器，并開(kāi)始對(duì)SCD30進(jìn)行采樣(在前一步中已經(jīng)完成了大部分代碼)。

我使用了“溫度”傳感器數(shù)據(jù)類(lèi)型，因?yàn)橹挥袔讉€(gè)固定的類(lèi)型內(nèi)置，我不確定如何設(shè)置一個(gè)新的。一旦設(shè)備配備了nRF Utils通過(guò)

該設(shè)備連接到nRF云，并下載了一組通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膽{證。很酷。這是我注冊(cè)的設(shè)備：

在這個(gè)演示中，我修改了HTML，將“Temperature”改為“CO2”，以避免混淆。

我讓完整構(gòu)建的Ribbit設(shè)備運(yùn)行了一天，并收集了一些傳感器數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)報(bào)告給了nRF云后端。然后可以在他們的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序中查詢。以下是收集到的二氧化碳數(shù)據(jù)：

BQ25798的板載ADC允許測(cè)量充電電流：

考試那天是陰天。你可以看到太陽(yáng)能從早上開(kāi)始緩慢上升，在下午1點(diǎn)左右達(dá)到峰值(對(duì)我來(lái)說(shuō)是太陽(yáng)正午)，然后慢慢下降，直到下午5點(diǎn)左右，太陽(yáng)被一棟建筑擋住了。當(dāng)云層擋住太陽(yáng)時(shí)，面板上的電流就會(huì)下降。這是一個(gè)快速的測(cè)試，所以我確信面板的位置可以優(yōu)化，我只是在30度左右的角度。

我很遺憾沒(méi)有記錄太陽(yáng)能電池板電壓(可通過(guò)BQ25798的ADC)，這將允許測(cè)量在測(cè)試當(dāng)天收集的總能量。面板電壓約為~6V，在10小時(shí)內(nèi)大致平均功率為0.5W。還不錯(cuò)!

總的來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)有趣的測(cè)試，以證明太陽(yáng)能電池板的設(shè)計(jì)收費(fèi)，按預(yù)期操作，并與傳感器正確接口。

集成測(cè)試功耗

北歐PPKII被用來(lái)分析系統(tǒng)在完全集成測(cè)試期間的功耗：

上面的功率跟蹤顯示了設(shè)備在第一~25秒內(nèi)啟動(dòng)蜂窩連接，然后是傳感器讀數(shù)。脈沖可歸因于CO2傳感器，它以2秒的間隔(傳感器的默認(rèn)值)執(zhí)行連續(xù)測(cè)量。

上圖數(shù)據(jù)跡線的平均電流為54.9mA，對(duì)應(yīng)于181mW @ 3.3V的平均功率，理論上可以由太陽(yáng)能電池板提供的功耗，至少在上面的測(cè)試中說(shuō)明了這一點(diǎn)(盡管如果有很多陰天，就不會(huì)有太多的誤差余地)。好消息是nRF9151子系統(tǒng)的功耗可以得到優(yōu)化，而且可能非常顯著。目前，在沒(méi)有進(jìn)行優(yōu)化的情況下，nRF9151子系統(tǒng)的功耗為~ 36ma，通過(guò)測(cè)試可以確定傳感器的功耗為~19mA，而上述測(cè)量值為~55mA。根據(jù)北歐在線功率分析器，在這個(gè)項(xiàng)目的初始設(shè)計(jì)階段咨詢，nRF9151應(yīng)該能夠消耗低至平均41 uA蜂窩操作期間，利用省電模式。很大的差異可能是由于在完全集成測(cè)試中運(yùn)行在nRF9151上的許多活動(dòng)，其軟件基于北歐的nRF云多服務(wù)樣本。該軟件樣本始終與蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信以進(jìn)行定位，并且不會(huì)將自己置于睡眠模式。

已知的問(wèn)題

正如在啟動(dòng)部分所提到的，在接收和測(cè)試設(shè)計(jì)后發(fā)現(xiàn)的最關(guān)鍵問(wèn)題是：

?SMD 2引腳頭(J4-J9, J14)占用不正確(不能焊接)

?反極性保護(hù)MOSFET Q5有不正確的足跡(導(dǎo)致板上短路)

設(shè)計(jì)中的這兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題都是簡(jiǎn)單的足跡修復(fù)，不需要對(duì)電路板進(jìn)行重大重新設(shè)計(jì)。

未來(lái)設(shè)計(jì)建議

在設(shè)計(jì)這個(gè)電路板的時(shí)候，TI發(fā)布了一個(gè)應(yīng)用程序說(shuō)明，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)電路，幫助BQ25798在太陽(yáng)能條件差和電池電量低的情況下更可靠地啟動(dòng)。我認(rèn)為這可以大大提高系統(tǒng)的可靠性，只需要幾個(gè)額外的晶體管：

本文編譯自hackster.io