基于Nordic nRF52832的徽章構建

描述

介紹

在這個項目中，我將展示Scan Me! 的構建！徽章，低功耗有線/非接觸式徽章，具有藍牙低功耗 5.0和NFC功能。

該徽章基于Nordic nRF52832 ，這是一款低功耗射頻 SoC ，具有BLE 5.0連接、NFC標簽仿真和強大的Arm Cortex-M4處理器。

徽章的主要特點是：

• BLE連接
• NFC 標簽模擬
• ARM Cortex-M4 @ 64Mhz
• OLED屏幕
• 3 x RGB LED-s
• 2 個用戶按鈕
• 低功耗 - 使用 CR2032 電池可使用 2 年以上
• 通過 BLE 進行 OTA 更新

該項目還用于教育目的。制作這樣的徽章，我認為這是了解更多有關 BLE、NFC 或低功耗設計等知識的好方法。

電氣設計

為了進行電氣和PCB 設計，我使用了KiCad EDA開源電子設計自動化套件。

（對不起 Eagle 團隊，KiCad 更適合業余愛好和開源項目：D）

基本原理圖基于53.3 原理圖 QFAA QFN48，帶有來自Nordic nRF52832 數據表的 DC/DC 穩壓器和 NFC 設置參考。

組件：

• Nordic nRF52832 SoC （U1）——主SoC，徽章的“大腦”
• 32 MHz 晶體振蕩器(Y1) - 用于生成主 64 MHz 系統時鐘
• 32.768 kHz 晶體振蕩器(Y2) - 用于計時（delay()功能等）
• DC/DC 轉換器外部組件 - 2 個電感器（L2、L3）+ 一個電容器（C7）- 這些是必需的，因為為了降低功耗，我們將使用內置的 DC/DC 轉換器（而不是 LDO 穩壓器）
• BLE 2.4Ghz 無線電 - 2.4 GHz 天線(Antenna2) + 幾個用于阻抗匹配和校準的組件（L1、C3、R1、C15）
• NFC天線（Antenna1）+天線調諧電容（C9、C10、C16、C17）
• 電源-CR2032電池、電容（C4 C5、C6、C7、C8、C13、C14）

除了主要組件，我還添加了一些外圍設備：

• 1 x OLED 屏幕 - 4 針連接器(J2)：GND、VCC、SCL、SDA - 我們將使用這樣的 I2C OLED 模塊

• 3 x RGB LED （D1、D2、D3）- 4 針，共陽極配置
• 2 x Push Button (SW1, SW2) - 低電平有效 - 必須激活相應 GPIO 引腳的上拉

還添加了一些連接器：

• #BadgeLife Shitty 附加組件連接器(X1) - 與Shitty 附加組件一起使用
• 編程端口(J1) - 用于對板進行編程的 SWD 接口

確切的組件和封裝是在“即時”的基礎上選擇的：

• 對于 2.4GHz 天線，我最終使用了Texas Instruments SWRA117D PCB 天線（我選擇它主要是因為它體積小，而且它已經存在于 KiCad 的內置庫中）
• NFC天線只是手繪的PCB走線
• 對于電阻器、電容器和電感器，我剛剛分配了 SMD 0805，然后查找了組件
• 我首先從 LCSC 目錄中選擇 RGB LED、開關、晶體，然后分配適當的封裝
• 我已經擁有的 OLED 屏幕

有關組件的完整列表，請參閱附件中的 BOM 文件。

“藝術品”

我在筆記本上畫的徽章的第一張草圖。之后，我用 Inkscape 做了一些繪圖：

最后是這樣的：

為了能夠在 KiCad 中使用這些繪圖，我使用mtl中的svg2mod腳本將 SVG 文件導出到 KiCad PCB 足跡模塊文件(.mod)。

要獲得可用的結果，首先必須將對象和筆劃轉換為路徑。此外，繪圖必須由與 KiCad PCB 層關聯的層構成：Cu、SilkS 等（有關更多信息，請參見 svg2mod 的自述文件）。

電路板設計

PBC 設計是在KiCad Pcbnew中完成的：

第一步是導入作為 KiCad 模塊導出的 Inkscape 繪圖。

在此之后，我只是放置了組件，從最大的組件（電池座、SoC）開始，然后是靠近需要連接的引腳的最小組件。

最終布局如下所示：

NFC 天線只是用長手繪 PCB 構建的“線圈” ：

2.4 GHz 天線(BLE) 部分使用Texas Instruments SWRA117D PCB 天線。布局，我認為，它可以做得更好（并沒有真正遵循數據表的參考設計），但它有效（信號強度可能更好）：

以下是 KiCad 的 3D 查看器的一些渲染圖：

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PCB 制造、組件和組裝

我考慮了多種選擇（OSH Park、JLCPCB、PCBWay）來制造 PCB。最后，我選擇了 JLCPCB，因為它還以優惠的價格提供組件 (LCSC) 和快速運輸 (DHL)。

獲得 PCB 和組件大約需要 10 天（3 天制造 + 7 天運輸） 。

我訂購了 2 種顏色的 PCB-s：藍色和綠色。他們結果很好，我認為：

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我還從LCSC訂購了大部分組件（OLED 屏幕和一些 SMD 電阻器和電容器除外）。PCB （15 美元）和組件（15.84美元）的總成本為30.84 美元，包括 DHL 運費。

組件的焊接不是很容易，但我認為這是可行的。它是用標準焊料和熱風槍完成的。焊接后，我用顯微鏡（一個便宜的 USB 顯微鏡）檢查了接頭。

其余部分（主要是 0805 SMD）很容易焊接。

OLED屏幕也是SMD焊接的。首先，我從模塊中移除了排針。然后，我用焊料填充孔并使用烙鐵將模塊焊接到徽章的焊盤上。

這是組裝的徽章的樣子：

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BLE 和 NFC 天線調諧

（又名“我不知道我在做什么！”部分）

根據 nRF52832 的數據表，NFC 和 BLE 天線需要調諧。

NFC 天線需要調諧到 13.56 MHz 。為此使用了幾個電容器（在我的設計中為 C9、C10、C16、C17） 。

有兩種方法可以確定調諧電容(Ctune)的值：

• 測量（或估計）天線電感并使用數據表中的公式計算電容器值
• 嘗試不同的電容值，使用網絡分析儀測量系統的諧振頻率

由于沒有網絡分析儀，我很難測量天線的電感。在嘗試使用基于 Arduino 的電感表測量電感后（大多數萬用表無法測量電感），我放棄了這個想法。天線的電感預計會非常小（在 1-3uH 范圍內），測量起來并不容易。

因此，最終使用一些在線工具根據幾個參數（高度、寬度、圈數、軌道寬度、間距）來估算 PCB 天線的電感。我也嘗試了兩個，它們給出了以下值：

• 矩形 NFC 天線計算器 (medo64.com) - 1.9uH
• STMicroelectronics eDesign 天線- 2.0uH

將這兩個值應用于數據表公式后，我得出 133pF (2.0uH) -> 141pF (1.9uH)電容范圍應該用于將天線調諧到 13.56 MHz。AI 有 2 個電容器墊（每個引腳），我最終使用了 100pF + 33pF 電容。

BLE 2.4GHz 天線的阻抗應匹配到 50 歐姆。基本設計中的 L1 和 C3 應該這樣做，但我認為，我犯了一個錯誤，沒有遵循數據表中的 PCB 布局建議：

在原理圖中，我還添加了一個電容器(C15)用于微調，但最終沒有填充。

天線可以用，但我認為信號強度可能會更好。

似乎確實需要真正的矢量網絡分析儀才能正確執行此操作。（這個話題聽起來很有趣，所以我最終可能會得到一個：））

軟件

安裝一些板包和庫后，可以在Arduino IDE中對該板進行編程。

要添加對 nRF5x 板的支持，我們可以在Boards Manager中安裝來自sandeepmistry的arduino-nRF5包。然后我們可以使用通用 nRF52板對徽章進行編程：

arduino-nRF5 包不支持NFC功能。幸運的是，arduino-org的arduino-core-nrf52包有它，所以我將它移植到我的 arduino-nRF5 分支中。代碼上傳到bluetiger9/arduino-nRF5，分支NFC。（更改有點混亂 :D，所以我還沒有提交拉取請求）

NFC 庫提供了以下方法：

• 設置要發布的文本
• 設置要發布的 URL
• 設置要啟動的Android APP

BLE功能由arduino -BLEPeripheral庫提供，也來自sandeepmistry 。該庫添加了對實現不同類型 BLE 服務/設備的支持。我們將主要使用“串行”示例中的BLESerial服務。

為了探索 nRF52832 的節能特性，我使用了。來自mristau的Arduino_nRF5x_lowPower庫。該庫可用于：

• 從 LDO 穩壓器切換到 DC / DC 轉換器（需要外部組件）- 這減少了大約 40-50% 的功耗
• mode 低功耗模式和關機模式 - 這將功耗降低到大約幾微安 - SoC 可以配置為在不同事件上喚醒：GPIO、NFC 字段（僅實現 GPIO）

電路板的實測電流消耗如下：（+200mAhCR2032 電池的理論運行時間）

• LDO 穩壓器 - 5.35 毫安（1.5 天）
• DC/DC 轉換器 - 2.82 mA （3 天）
• 關機模式 + 在 GPIO 上喚醒 - 9.7 uA （2 年以上）

我還構建了一個簡單的演示應用程序來演示徽章的功能。該應用程序具有以下功能：

• 具有自定義測試、URL 的 NFC 標簽仿真
• OLED屏幕演示
• 簡單的 BLE 接口來設置 NFC 標簽發布的文本或 URL
• 閑置 10 秒后，徽章進入省電模式

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我使用 Android 手機（NFC 工具應用程序）和 Arduino RFID 閱讀器測試了 NFC 功能。

對于 BLE 功能，我使用了Nordic 的nRF UART應用程序：

這個應用程序可以很容易地擴展附加功能。

源代碼可以在附加的存儲庫中找到。

對電路板進行編程

可以使用串行線調試 (SWD)協議對 nRF52832 SoC 進行編程。需要 SWD 程序員，例如全球速賣通的 3 美元 ST-Link V2 克隆版，才能執行此操作。

該板具有 nRF52832 的 SWDIO、SWDCLK、SWO、RST、VCC 和 GND 引腳，路由到徽章一側的 6 個焊盤：

要對電路板進行編程，我們需要將 GND、SWDCLK、SWDIO 和 VCC 連接到 SWD 編程器的相應引腳。

有兩種方法可以做到這一點：

• 直接在焊盤上焊接一些電線——我在第一次測試時這樣做了
• 破解一個編程適配器——我使用了一塊備用徽章 PCB、一些彈簧式接觸針、M3 螺絲和一些熱膠：

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更進一步，更好的版本也可以從這種風格的程序員構建。

OTA更新

能夠對徽章進行無線編程將很有用。

經過一些研究，我發現了兩種可能的方式來實現 OTA 更新：

• 使用Arduino IDEOTA和通過 BLE 實現的 IPv6
• 使用Nordic 的安全 DFU 引導加載程序和新的 Arduino IDE 上傳工具

我認為，第一個變體應該是要走的路。它使用 Arduino IDE 的某種標準 OTA 功能，并且通過 BLE 實現 IPv6 也可用于其他項目。

玩得開心！

注意：我有幾個未使用的徽章PCB 。如果你想要一個給我留言。