基于Nordic nRF52832的徽章构建

描述

介绍

在这个项目中，我将展示Scan Me! 的构建！徽章，低功耗有线/非接触式徽章，具有蓝牙低功耗 5.0和NFC功能。

该徽章基于Nordic nRF52832 ，这是一款低功耗射频 SoC ，具有BLE 5.0连接、NFC标签仿真和强大的Arm Cortex-M4处理器。

徽章的主要特点是：

• BLE连接
• NFC 标签模拟
• ARM Cortex-M4 @ 64Mhz
• OLED屏幕
• 3 x RGB LED-s
• 2 个用户按钮
• 低功耗 - 使用 CR2032 电池可使用 2 年以上
• 通过 BLE 进行 OTA 更新

该项目还用于教育目的。制作这样的徽章，我认为这是了解更多有关 BLE、NFC 或低功耗设计等知识的好方法。

电气设计

为了进行电气和PCB 设计，我使用了KiCad EDA开源电子设计自动化套件。

（对不起 Eagle 团队，KiCad 更适合业余爱好和开源项目：D）

基本原理图基于53.3 原理图 QFAA QFN48，带有来自Nordic nRF52832 数据表的 DC/DC 稳压器和 NFC 设置参考。

组件：

• Nordic nRF52832 SoC （U1）——主SoC，徽章的“大脑”
• 32 MHz 晶体振荡器(Y1) - 用于生成主 64 MHz 系统时钟
• 32.768 kHz 晶体振荡器(Y2) - 用于计时（delay()功能等）
• DC/DC 转换器外部组件 - 2 个电感器（L2、L3）+ 一个电容器（C7）- 这些是必需的，因为为了降低功耗，我们将使用内置的 DC/DC 转换器（而不是 LDO 稳压器）
• BLE 2.4Ghz 无线电 - 2.4 GHz 天线(Antenna2) + 几个用于阻抗匹配和校准的组件（L1、C3、R1、C15）
• NFC天线（Antenna1）+天线调谐电容（C9、C10、C16、C17）
• 电源-CR2032电池、电容（C4 C5、C6、C7、C8、C13、C14）

除了主要组件，我还添加了一些外围设备：

• 1 x OLED 屏幕 - 4 针连接器(J2)：GND、VCC、SCL、SDA - 我们将使用这样的 I2C OLED 模块

• 3 x RGB LED （D1、D2、D3）- 4 针，共阳极配置
• 2 x Push Button (SW1, SW2) - 低电平有效 - 必须激活相应 GPIO 引脚的上拉

还添加了一些连接器：

• #BadgeLife Shitty 附加组件连接器(X1) - 与Shitty 附加组件一起使用
• 编程端口(J1) - 用于对板进行编程的 SWD 接口

确切的组件和封装是在“即时”的基础上选择的：

• 对于 2.4GHz 天线，我最终使用了Texas Instruments SWRA117D PCB 天线（我选择它主要是因为它体积小，而且它已经存在于 KiCad 的内置库中）
• NFC天线只是手绘的PCB走线
• 对于电阻器、电容器和电感器，我刚刚分配了 SMD 0805，然后查找了组件
• 我首先从 LCSC 目录中选择 RGB LED、开关、晶体，然后分配适当的封装
• 我已经拥有的 OLED 屏幕

有关组件的完整列表，请参阅附件中的 BOM 文件。

“艺术品”

我在笔记本上画的徽章的第一张草图。之后，我用 Inkscape 做了一些绘图：

最后是这样的：

为了能够在 KiCad 中使用这些绘图，我使用mtl中的svg2mod脚本将 SVG 文件导出到 KiCad PCB 足迹模块文件(.mod)。

要获得可用的结果，首先必须将对象和笔划转换为路径。此外，绘图必须由与 KiCad PCB 层关联的层构成：Cu、SilkS 等（有关更多信息，请参见 svg2mod 的自述文件）。

电路板设计

PBC 设计是在KiCad Pcbnew中完成的：

第一步是导入作为 KiCad 模块导出的 Inkscape 绘图。

在此之后，我只是放置了组件，从最大的组件（电池座、SoC）开始，然后是靠近需要连接的引脚的最小组件。

最终布局如下所示：

NFC 天线只是用长手绘 PCB 构建的“线圈” ：

2.4 GHz 天线(BLE) 部分使用Texas Instruments SWRA117D PCB 天线。布局，我认为，它可以做得更好（并没有真正遵循数据表的参考设计），但它有效（信号强度可能更好）：

以下是 KiCad 的 3D 查看器的一些渲染图：

 

PCB 制造、组件和组装

我考虑了多种选择（OSH Park、JLCPCB、PCBWay）来制造 PCB。最后，我选择了 JLCPCB，因为它还以优惠的价格提供组件 (LCSC) 和快速运输 (DHL)。

获得 PCB 和组件大约需要 10 天（3 天制造 + 7 天运输） 。

我订购了 2 种颜色的 PCB-s：蓝色和绿色。他们结果很好，我认为：

 

 

我还从LCSC订购了大部分组件（OLED 屏幕和一些 SMD 电阻器和电容器除外）。PCB （15 美元）和组件（15.84美元）的总成本为30.84 美元，包括 DHL 运费。

组件的焊接不是很容易，但我认为这是可行的。它是用标准焊料和热风枪完成的。焊接后，我用显微镜（一个便宜的 USB 显微镜）检查了接头。

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，我从模块中移除了排针。然后，我用焊料填充孔并使用烙铁将模块焊接到徽章的焊盘上。

这是组装的徽章的样子：

 

 

BLE 和 NFC 天线调谐

（又名“我不知道我在做什么！”部分）

根据 nRF52832 的数据表，NFC 和 BLE 天线需要调谐。

NFC 天线需要调谐到 13.56 MHz 。为此使用了几个电容器（在我的设计中为 C9、C10、C16、C17） 。

有两种方法可以确定调谐电容(Ctune)的值：

• 测量（或估计）天线电感并使用数据表中的公式计算电容器值
• 尝试不同的电容值，使用网络分析仪测量系统的谐振频率

由于没有网络分析仪，我很难测量天线的电感。在尝试使用基于 Arduino 的电感表测量电感后（大多数万用表无法测量电感），我放弃了这个想法。天线的电感预计会非常小（在 1-3uH 范围内），测量起来并不容易。

因此，最终使用一些在线工具根据几个参数（高度、宽度、圈数、轨道宽度、间距）来估算 PCB 天线的电感。我也尝试了两个，它们给出了以下值：

• 矩形 NFC 天线计算器 (medo64.com) - 1.9uH
• STMicroelectronics eDesign 天线- 2.0uH

将这两个值应用于数据表公式后，我得出 133pF (2.0uH) -> 141pF (1.9uH)电容范围应该用于将天线调谐到 13.56 MHz。AI 有 2 个电容器垫（每个引脚），我最终使用了 100pF + 33pF 电容。

BLE 2.4GHz 天线的阻抗应匹配到 50 欧姆。基本设计中的 L1 和 C3 应该这样做，但我认为，我犯了一个错误，没有遵循数据表中的 PCB 布局建议：

在原理图中，我还添加了一个电容器(C15)用于微调，但最终没有填充。

天线可以用，但我认为信号强度可能会更好。

似乎确实需要真正的矢量网络分析仪才能正确执行此操作。（这个话题听起来很有趣，所以我最终可能会得到一个：））

软件

安装一些板包和库后，可以在Arduino IDE中对该板进行编程。

要添加对 nRF5x 板的支持，我们可以在Boards Manager中安装来自sandeepmistry的arduino-nRF5包。然后我们可以使用通用 nRF52板对徽章进行编程：

arduino-nRF5 包不支持NFC功能。幸运的是，arduino-org的arduino-core-nrf52包有它，所以我将它移植到我的 arduino-nRF5 分支中。代码上传到bluetiger9/arduino-nRF5，分支NFC。（更改有点混乱 :D，所以我还没有提交拉取请求）

NFC 库提供了以下方法：

• 设置要发布的文本
• 设置要发布的 URL
• 设置要启动的Android APP

BLE功能由arduino -BLEPeripheral库提供，也来自sandeepmistry 。该库添加了对实现不同类型 BLE 服务/设备的支持。我们将主要使用“串行”示例中的BLESerial服务。

为了探索 nRF52832 的节能特性，我使用了。来自mristau的Arduino_nRF5x_lowPower库。该库可用于：

• 从 LDO 稳压器切换到 DC / DC 转换器（需要外部组件）- 这减少了大约 40-50% 的功耗
• mode 低功耗模式和关机模式 - 这将功耗降低到大约几微安 - SoC 可以配置为在不同事件上唤醒：GPIO、NFC 字段（仅实现 GPIO）

电路板的实测电流消耗如下：（+200mAhCR2032 电池的理论运行时间）

• LDO 稳压器 - 5.35 毫安（1.5 天）
• DC/DC 转换器 - 2.82 mA （3 天）
• 关机模式 + 在 GPIO 上唤醒 - 9.7 uA （2 年以上）

我还构建了一个简单的演示应用程序来演示徽章的功能。该应用程序具有以下功能：

• 具有自定义测试、URL 的 NFC 标签仿真
• OLED屏幕演示
• 简单的 BLE 接口来设置 NFC 标签发布的文本或 URL
• 闲置 10 秒后，徽章进入省电模式

 

我使用 Android 手机（NFC 工具应用程序）和 Arduino RFID 阅读器测试了 NFC 功能。

对于 BLE 功能，我使用了Nordic 的nRF UART应用程序：

这个应用程序可以很容易地扩展附加功能。

源代码可以在附加的存储库中找到。

对电路板进行编程

可以使用串行线调试 (SWD)协议对 nRF52832 SoC 进行编程。需要 SWD 程序员，例如全球速卖通的 3 美元 ST-Link V2 克隆版，才能执行此操作。

该板具有 nRF52832 的 SWDIO、SWDCLK、SWO、RST、VCC 和 GND 引脚，路由到徽章一侧的 6 个焊盘：

要对电路板进行编程，我们需要将 GND、SWDCLK、SWDIO 和 VCC 连接到 SWD 编程器的相应引脚。

有两种方法可以做到这一点：

• 直接在焊盘上焊接一些电线——我在第一次测试时这样做了
• 破解一个编程适配器——我使用了一块备用徽章 PCB、一些弹簧式接触针、M3 螺丝和一些热胶：

 

更进一步，更好的版本也可以从这种风格的程序员构建。

OTA更新

能够对徽章进行无线编程将很有用。

经过一些研究，我发现了两种可能的方式来实现 OTA 更新：

• 使用Arduino IDEOTA和通过 BLE 实现的 IPv6
• 使用Nordic 的安全 DFU 引导加载程序和新的 Arduino IDE 上传工具

我认为，第一个变体应该是要走的路。它使用 Arduino IDE 的某种标准 OTA 功能，并且通过 BLE 实现 IPv6 也可用于其他项目。

玩得开心！

注意：我有几个未使用的徽章PCB 。如果你想要一个给我留言。