Nordic nRF52系列/nRF5340硬件设计选型及原理图设计(一)

yingmengyuan电路设计 2024-01-09 10:48:30 4046阅读 举报


Nordic 的BLE系列芯片从第一代的nRF51系列,到第二代的nRF52系列,发展到目前最新的第三代的nRF5340。目前市场中使用最多的nRF52系列一共有七款芯片,它们是:nRF52805、nRF52810、nRF52811、nRF52820、nRF52832、nRF52833、nRF52840。其硬件(主要是RAM、FLASH、PHY及支持协议)的不同,满足了不同领域的需求。本系列文章将着重介绍Nordic的nRF52系列和nRF5340从前期选型、原理图设计、Layout、天线匹配及RF频偏调试的过程。希望能对广大使用Nordic芯片的开发者有所帮助。

目录

一、芯片选型

       1、粗略选型

       2、Flash和RAM资源选择。

       3、 封装选择

二、原理图设计

       1、参考设计资料

       2、芯片 电源选择

       3、晶振选择

       4、LDO与DCDC供电模式选择

       5、GPIO的选择

       6、GPIO电平问题

       7、天线与匹配 电路

 

 

一、芯片选型

1、粗略选型

Nordic官网中有一个产品比较页: https://www.nordicsemi.com/products/bluetooth-low-energy。打开此页面,我们可以看到Nordic目前一些主流型号的芯片的配置情况。在这个页面中详细列出了芯片 CPU的主频、Flash、RAM、供电范围、支持的硬件通讯接口(UART、I2C、I2S、SPI、HSPI、QSPI、USB、ADC)等信息。根据这些信息,开发者可以粗略筛选出2-3颗符合自己需求的芯片。

2、Flash和RAM资源选择。

确定大致的选型后,可以根据实际应用的具体需求再去进一步评估所需的Flash和RAM。Nordic的SDK中有丰富的例程,基本涵盖了市面上一些常见的应用,这些例程实际上已经帮开发者搭好了框架,开发者可以在这些例程的基础上开发,去增加相应的功能即可,而不是从零开始。所以我们可以借助SDK中的例程大小大致来评估实际应用所需的flash和RAM大小。

Nordic目前有两套SDK,老的nRF5 SDK现在已经进入维护阶段,Nordic不会在其中增加新的功能。未来新的功能都是放在NRF CONNECT SDK(简称NCS)中更新。nRF52系列的芯片支持两套SDK,但nRF5340只支持NCS。

关于环境的搭建,可以参考Nordic 中国区的FAE写的博客: https://www.cnblogs.com/iini/p/9043565.htmlhttps://www.cnblogs.com/iini/p/14174427.html,这两篇文章分别介绍了nRF5 SDK和NCS的环境搭建方法。

搭建好环境后,我们可以到SDK中找到相应的例程,例如需要开发一个手环应用,我们可以打开ble_app_hrs例程,可以看到HRS下有5名为PCA100XX的文件夹,这对应这此例程支持的DK板型号,PCA10040为NRF52840DK、PCA10040e为NRF52810DK、PCA10056为NRF52840DK、PCA10056e为NRF52811DK,有些例程下还有PCA10010和PCA10010e两个文件夹,分别对应NRF52833和NRF52820。PCA10059为NRF52840 Dongle。

 

查看例程所用的Flash和RAM的使用情况,需要借助SES编译例程。编译完成后,我们可以看到HRS例程几乎用掉了NRF52810的全部Flash和RAM(SES编译计算的Flash和RAM是包括了MBR、协议栈、application三部分的),这说明nRF52810不太适合做心率手环的应用,需要另选其他芯片。

 

再次编译nRF52840的工程,可以看到NRF52840的Flash和RAM使用情况,再结合其他要增加的功能(DFU、驱屏外设等)来做判断。

 

 

3、 封装选择

nRF52系列和nRF5340芯片都有多个封装可以选择,开发者可以根据实际产品对体积的要求及成本角度出发,选择封装。每款芯片的手册中都有此芯片的不同封装信息。如下图是nRF52840不同封装信息,此内容可在该芯片的 Product Specification 中查到。

  

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

二、原理图设计

 1、参考设计资料

选定适合的芯片后,就可以开始设计原理图了,Nordic官方提供了丰富的硬件参考设计资料:

在Nordic官网上可以除了有芯片的设计参考之外,Nordic的官方DK(Development Kit)的设计资料也是全开源的,可以在官网上找到。

我们以nRF52840为例,首先进入Nordic官网: https://www.nordicsemi.com

 

点击右上角搜索芯片,在这里可以搜到芯片和对应DK的相关页面。我们搜索nRF52840,可以看到在这里搜到了nRF52840 Dongle、DK以及芯片的相关信息。

 

 

在搜索页面打开nRF52840,在nRF52840介绍页面中点击 Compatible downloads 可以看到芯片的参考设计下载链接,如果你选择的是其他封装的,可以在左侧Reference layout and BOM Resources中切换。

 

 

 

 

 芯片的参考设计是一个Zip压缩包,将其下载并解压后,可以看到一共有四个文件夹

 

  AltiumDesigner files 文件夹中是可以用 Altium打开的文件,芯片的封装可以直接从其中拷贝出来。如果你使用的是其他设计软件,如PADS,需要将此文件夹中的.PcbDoc文件导入到你使用的设计软件中,具体方法请上网搜索。如果导入不成功或者你觉得比较麻烦的话也在网上搜索其他人画好的库,或者根据芯片手册中的引脚相对位置关系直接自己画封装。

 

 

Bill of Materials 文件夹中是参考设计对应的BOM表,在BOM表中可以清楚看到Nordic推荐使用的阻容感器件及高低频晶体的类型和精度及参数。

 

 

 

 

Production files文件夹中则主要是板子的Gerber文件,方便设计者查看官方参考设计中每一层的走线。

 

Schematic and Layout pdf files文件夹中是原理图的PDF和Layout分层导出的PDF。

 

 看到这里,你可能会有一个疑问,为什么每一个文件夹中,都有很多个config,比如nRF52840的参考设计中,每个文件夹中都有7个config。实际上每个config都是一种参考设计,四个文件夹中每个config名称相同的文件是同一个参考设计,是一一对应的关系,即Altium Designer files中的nrf52840_qiaa_config1.PcbDoc对应的Altium 原理图是nrf52840_qiaa_config1.SchDoc,对应的BOM是Bill of Materials 中的nrf52840_qiaa_config1_bom,对应的Gerber文件是nrf52840_qiaa_config1为名称的一系列文件,对应的PDF原理图和Layout分层图是nrf52840_qiaa_config1_schematic.pdf和nrf52840_qiaa_config1_pcb.pdf。这些参考设计的区别在与有的使用芯片的DC/DC模式,有的直接使用USB供电。这些区别会放在第二部分 2、芯片 电源模式选择 部分详细叙述。

介绍完芯片的参考设计资料,前面我们还提到官方DK的设计资料也是开源的,进入DK的页面,滑动到下方选择Downloads,可以看到官方DK的设计资料的下载链接。

 

 

 


DK的设计资料包也是一个Zip压缩包,下载并解压后,可以看到两个文件夹,PCA10056是nRF52840 DK的设计资料,PCA641100是DK附带的NFC天线的设计资料。

 

 打开PCS10056文件夹,其子文件夹结构和芯片的参考设计类似。 

 

2、芯片电源选择

上一章节我们讲了同一个芯片有好多种参考设计,它们的区别在于不同芯片选择的主供电电源不同和是否有使用芯片的DCDC模式,我们继续以nRF52840 QIAA的参考设计包为例。

从nrf52840_qiaa_config1、nrf52840_qiaa_config2、nrf52840_qiaa_config3、nrf52840_qiaa_config6中可以看到,这四个参考设计使用了不同的电源做为芯片的主供电,nrf52840_qiaa_config1、nrf52840_qiaa_config2、nrf52840_qiaa_config3用到了芯片的USB,所以给芯片的VBUS引脚供电,其中nrf52840_qiaa_config1参考设计直接用VBUS当作芯片主电源给VDDH引脚供电。

 

nrf52840_qiaa_config2则使用了单独的VDDH做为芯片主电源给VDDH引脚供电。这两个参考设计的相同点在于,没有为VDD引脚供电,而是将VDD当作Output,即所谓的High Voltage mode,在High Voltage mode下可以把VDD当做电源输出来为其他设备例如传感器供电。

而nrf52840_qiaa_config3和nrf52840_qiaa_config6使用了VDD_nRF当作芯片主电源给VDD和VDDH引脚供电,这种方式被称作Normal Voltage mode。

 

 


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作者:yingmengyuan
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