開(kāi)發(fā)板（或開(kāi)發(fā)套件）已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)好幾年了。它們?cè)试S開(kāi)發(fā)人員和技術(shù)人員在更短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)他們的項(xiàng)目，因?yàn)橛布_(kāi)發(fā)被減少到最低限度。如果開(kāi)發(fā)人員試圖為新產(chǎn)品制作原型，選擇開(kāi)發(fā)套件是第一步。它將作為項(xiàng)目的智能單元，并與所有其他連接的電子元件進(jìn)行通信。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，已經(jīng)創(chuàng)建了一系列工具來(lái)縮短上市時(shí)間，并提供指導(dǎo)以幫助設(shè)計(jì)參數(shù)，從而提高設(shè)備的效率。開(kāi)發(fā)工具還可以與各種相關(guān)元素相結(jié)合，以創(chuàng)建通用系統(tǒng)。使用 USB 作為接口的硬件工具將多項(xiàng)功能帶到了最前沿。USB可以提供電源和靈活的接口，通常與JTAG等高級(jí)調(diào)試工具一起使用。此外，閃存允許對(duì)用戶(hù)編程的應(yīng)用程序進(jìn)行簡(jiǎn)單的編程和獨(dú)立操作。

哪些參數(shù)對(duì)您的項(xiàng)目最重要？您是否需要大量?jī)?nèi)存，或者是否需要高運(yùn)行速度來(lái)提高應(yīng)用程序執(zhí)行？開(kāi)發(fā)人員需要在基于微控制器的電路板、片上系統(tǒng) （SoC） 電路板、單板計(jì)算機(jī) （SBC） 之間進(jìn)行選擇。有時(shí)，根據(jù)您的需求選擇模型可能非常具有挑戰(zhàn)性。

在本文中，我們將向您介紹具有板載調(diào)試功能的新開(kāi)發(fā)套件。我們的想法是擁有一塊電路板，允許從一開(kāi)始就使用工業(yè)市場(chǎng)所需的所有主要傳感器。當(dāng)然，該板有一個(gè)GPIO，允許使用其他專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的外部屏蔽。用戶(hù)可以自由地重新設(shè)計(jì)電路板，消除不應(yīng)使用的傳感器。您將在此處找到硬件部分的描述。

大多數(shù)開(kāi)發(fā)板都是為IoT（物聯(lián)網(wǎng)）準(zhǔn)備的。因此，該板包括專(zhuān)用于與網(wǎng)絡(luò)的WiFi連接的硬件和一系列環(huán)境傳感器。該板提供了由太陽(yáng)能電池供電的可能性，使其成為偏遠(yuǎn)地區(qū)工業(yè)應(yīng)用的真正獨(dú)立板。在這些情況下，借助北歐 SoC，它甚至可以使用移動(dòng)通信（和 GPS）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

許多有用的設(shè)備

Gravity 板由數(shù)量驚人的傳感器和設(shè)備組成。開(kāi)發(fā)人員無(wú)需進(jìn)一步尋找不同的解決方案來(lái)構(gòu)建和集成他們的項(xiàng)目。如圖 1 所示，它們都在板載上。簡(jiǎn)而言之，以下是這款出色主板上的組件和設(shè)備列表：

• MCU nRF52840：它是控制所有電路板操作的主微控制器;* SOC nRF9160：此 SOC 用于 GPS 和 GSM 的管理;* ESP12：是一款用于集成 Wi-Fi 的 MCU;* SiP MPU-9250：用于陀螺儀、加速度計(jì)和指南針功能;* BME680傳感器：是一種用于測(cè)量壓力、濕度、溫度和氣體存在的精密傳感器;* BH1749NUC傳感器：這是一種數(shù)字顏色傳感器，用于準(zhǔn)確檢測(cè)環(huán)境光的照度和色溫;* AST7525MATRQ蜂鳴器：用于再現(xiàn)音頻聲音;* RCWL-0516傳感器：是用于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的微波雷達(dá)傳感器;* NTCS0805E3103FLT熱敏電阻：是用于測(cè)溫的NTC熱敏電阻;* ILI9341屏：這是一個(gè)TFT LCD顯示屏，用于查看數(shù)據(jù)和信息;* VL53L0X激光：用于測(cè)量距離的激光模塊;* SW-420傳感器：用于振動(dòng)檢測(cè);* OPT3004DNPR傳感器：數(shù)字環(huán)境光傳感器，用于測(cè)量可見(jiàn)光的強(qiáng)度;* CMM-3722AT-42117-TR麥克風(fēng)：用于周?chē)h(huán)境中聲音檢測(cè)的MEMS麥克風(fēng);AJU55-BS2111-L 連接器：這是用于從 nRF52 到外部設(shè)備的 USB 連接的微型 USB B 連接器; 5141-05RZDNWR01天線連接器：這是天線的NFC連接器;* CM1402-03CP SF72S006VBAR2500插槽：這是 SIM 卡的連接器，允許其插入以與 GSM 模塊一起使用;* ADP536x電源：這是用于電源管理的集成電路。

現(xiàn)在讓我們來(lái)看看開(kāi)發(fā)板的各種物理和邏輯組件。

圖 1：重力框圖

系統(tǒng)的核心：nRF52840

這是一款基于藍(lán)牙 5 的 SoC（見(jiàn)圖 2）。它支持藍(lán)牙 5、藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、Zigbee、Thread、ANT、802.15.4 和 2.4 Ghz 專(zhuān)有堆棧的協(xié)議。它是開(kāi)發(fā)板的主處理器，其強(qiáng)大的計(jì)算性能和內(nèi)存使其成為任何類(lèi)型應(yīng)用的理想選擇。這款低功耗板具有片上自適應(yīng)電源管理系統(tǒng)。上面列出的所有傳感器和外圍設(shè)備都可以由該主控制器直接或間接控制。

圖 2：主處理器 nRF52840 及其在電路板上的位置

其他模塊

此 SiP（系統(tǒng)級(jí)封裝）nRF9160用于在開(kāi)發(fā)板中添加低功耗 LTE 系統(tǒng)和 GPS 接收器功能。它通過(guò) I52C 協(xié)議與 Nrf2 主處理器通信。SiP功耗低，結(jié)構(gòu)緊湊，具有以下特點(diǎn)：

• 64兆赫;* 完全集成的SiP，用于帶GPS的多模LTE-M / NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)蜂窩調(diào)制解調(diào)器;* LTE 頻段 700-2200 Mhz;* 1 MB 閃存，256 KB RAM;* Cortex-M33 從 64 Mhz;* SIM 和 eSIM 支持。

ESP 12 WiFi 模塊包含在開(kāi)發(fā)板中，用于 Wi-Fi 集成。該模塊通過(guò) UART 與 nRF52 主處理器通信。它以非常低的功率運(yùn)行，并且體積小。這三個(gè)模塊是主控制器，為開(kāi)發(fā)板提供所有功能。以下是連接到同一開(kāi)發(fā)板的傳感器的詳細(xì)信息。

傳感器

MPU-9250 模塊是一種多芯片模塊 （MCM），包含旭化成微電子株式會(huì)社的 3 軸磁力計(jì)、3 軸加速度計(jì)和 3 軸陀螺儀。它通過(guò) I2C 總線與主 MCU 通信。其特點(diǎn)如下：

• 陀螺儀：X、Y 和 Z 軸的角速度傳感器，帶數(shù)字輸出，用戶(hù)可編程滿(mǎn)量程 +250、+500、+1000 和 + 2000°/秒和 16 位 ADC;* 加速度計(jì)：三軸，可編程滿(mǎn)量程為 + 2g、+ 4g、+ 8g、+ 16g 和 16 位 ADC;* 磁力計(jì)：帶磁集中器的三軸硅單片霍爾效應(yīng)磁傳感器

BME680 是一款能夠測(cè)量環(huán)境溫度、濕度、氣壓和空氣中揮發(fā)性有機(jī)化合物的傳感器。它通過(guò) I2C 總線與主 MCU 通信。其主要特點(diǎn)如下：

• 濕度測(cè)量精度+3%;* 氣壓測(cè)量的絕對(duì)精度 +1 hPa;* 溫度精度為+1.0°C;* 高度計(jì)精度為1米;

BH1749NUC RGB顏色傳感器將紅外光、紅光、藍(lán)光和綠光轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。它被廣泛用作手機(jī)、平板電腦、個(gè)人電腦和電視的液晶背光調(diào)節(jié)。它通過(guò) I2C 總線與主 MCU 通信。其特點(diǎn)如下：

蜂鳴器AST7525MATRQ是一種蜂鳴器，一種用于聲音信號(hào)的裝置。它通過(guò)GPIO連接到nrf9160。它在 85 cm 處的聲壓級(jí)為 10 dB/min，標(biāo)稱(chēng)電壓為 3.6 V。最大電流消耗為 100 mA，而其振蕩頻率等于 2700 Hz。

圖 3 顯示了開(kāi)發(fā)板上四個(gè) MPU-9250（多芯片）、BME680（溫度計(jì)）、BH1749NUC（顏色傳感器）和 AST7525MATRQ（蜂鳴器）器件的布置。

圖 3：開(kāi)發(fā)板上四個(gè) MPU-9250、BME680、BH1749NUC 和 AST7525MATRQ 器件的布置

RCWL-0516 是一款用于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的微波雷達(dá)傳感器模塊。它通過(guò)GPIO連接到nrf52控制器。當(dāng)檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)時(shí)，邏輯門(mén)切換到邏輯高電平，當(dāng)未檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)時(shí)，邏輯門(mén)切換到 0V。

NTCS0805E3103FLT是一款小尺寸NTC熱敏電阻。它的精度為1%。溫度測(cè)量范圍在-40°C至+ 150°C之間。它通過(guò)GPIO連接到nRF52控制器，控制器使用ADC轉(zhuǎn)換器計(jì)算溫度。

ILI9341是基于SPI的TFT LCD顯示器，分辨率為240 x 320像素，如圖4所示。它具有 8/9/16/18 位數(shù)據(jù)總線和用于 MCU 接口的 SPI 線。該TFT LCD通過(guò)SPI線與nRF52控制器連接。它是一款262144色單芯片SoC。在此開(kāi)發(fā)板中，它可用于顯示具有 RGB 顏色和 240 x 320 點(diǎn)分辨率的任何類(lèi)型的信息。它可以很容易地用于許多應(yīng)用程序，在這些應(yīng)用程序中，硬件需要以復(fù)雜且美觀的方式向消費(fèi)者顯示大量數(shù)據(jù)。

圖 4：ILI9341 TFT LCD 顯示屏

在圖 5 中，您可以看到 RCWL-0516 雷達(dá)、NTC NTCS0805E3103FLT和機(jī)載ILI9341顯示屏。

圖 5：雷達(dá)、NTC 和開(kāi)發(fā)板上的顯示屏

VL53L0X 是一款用于飛行時(shí)間檢測(cè)的超小型激光傳感器，使用 I2C 接口與 nrf52 控制器進(jìn)行通信。它采用 940 nm VCSEL 激光器，絕對(duì)距離測(cè)量可達(dá) 2 m。

SW-420是一款高靈敏度無(wú)定向振動(dòng)傳感器。當(dāng)沒(méi)有運(yùn)動(dòng)且模塊穩(wěn)定時(shí)，傳感器輸出為邏輯高電平，而當(dāng)傳感器有振動(dòng)或運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸出為低電平。它用于汽車(chē)、自行車(chē)和摩托車(chē)的防盜應(yīng)用。它可用于娛樂(lè)、游戲和振動(dòng)檢測(cè)應(yīng)用。

OPT3004DNPR是一種環(huán)境光傳感器，用于測(cè)量可見(jiàn)光的強(qiáng)度。它是一種單芯片照度計(jì)，可準(zhǔn)確測(cè)量人眼看到的光強(qiáng)度。它的測(cè)量范圍為 0.01 lux 至 83k lux，具有精密光學(xué)濾波功能。它在等于 99° 的入射角上消除了超過(guò) 85% 的紅外線。

CMM-3722AT-42117-TR是一款MEMS（微機(jī)電）麥克風(fēng)。該麥克風(fēng)用于測(cè)量人體可聽(tīng)范圍內(nèi)的頻率幅度。在該開(kāi)發(fā)板中，它被實(shí)現(xiàn)為噪聲檢測(cè)器，可用于任何類(lèi)型的應(yīng)用。它具有以下特點(diǎn)：

• 它是全向的;* 靈敏度為 -41 dB，1 Khz，94 dB SPL（聲壓級(jí)）;* S / N（信噪比）等于57 dBA;* 300 Khz 時(shí)輸出阻抗為 1 歐姆。

所有傳感器和模塊都與主處理器通信，以執(zhí)行完整的 360° 控制。

結(jié)論

Gravity Board 是適用于任何類(lèi)型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)板。雖然它的最終成本可能比其他電路板高一點(diǎn)，但必須考慮到任何類(lèi)型的傳感器都位于板上，設(shè)計(jì)人員不需要搜索和獲取其他外部組件。有關(guān)Gerber文件和接線圖的更多信息，以及有關(guān)該板的任何其他技術(shù)和實(shí)踐方向，請(qǐng)通過(guò)評(píng)論聯(lián)系EEWeb。

設(shè)計(jì)者： M. Di Paolo Emilio， Giovanni Di Maria， Davide Di Gesualdo.

審核編輯 黃宇

*附件：V1.0.0.0[2].zip