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硬件電路設計廠家

time : 2020-01-17 09:39       作者:凡億pcb

一、嵌入式硬件電路設計概述
隨著物聯網、人工智能技術的發展,我們的生活越來越智能化,信息化。智能手機,智能手環,智能鎖,智能冰箱,自動駕駛,機器人等智能產品層出不窮,人類即將進入智能時代。我們的產品,設備要實現智能化,其中用到的最核心技術及嵌入式技術。
嵌入式技術是軟件、硬件相結合一門學科,包括嵌入式軟件和嵌入式硬件,嵌入式軟件和硬件構成智能產品最核心的部分,嵌入式硬件相當于產品的軀殼,它依靠嵌入式軟件而工作,在嵌入式軟件的控制下完成產品相應的功能,是嵌入式軟件的載體;嵌入式軟件相當于產品的大腦,是產品的靈魂,沒有了嵌入式軟件,硬件就是一堆廢銅爛鐵,無法工作;同樣,沒有了嵌入式硬件,嵌入式軟件將無所依附。所以說嵌入式硬件和軟件同等重要,兩者相輔相成,缺一不可。
隨著集成電路的發展,嵌入式硬件的功能設計相對來說比較簡單,大多數情況下只需要根據芯片廠家提供的參考電路設計即可,嵌入式硬件設計的核心越來越偏向可靠性設計,電磁輻射,電磁兼容設計。接下來,我將以設計藍牙模塊開發板的電路圖為例來講解嵌入式硬件電路設計中的注意事項。
二、藍牙技術及藍牙芯片CC2640
“藍牙”技術屬于一種短距離、低成本、低功耗的無線連接技術,是一種能夠實現語音和數據無線傳輸的開放性方案,采用2.4GHz的ISM (即工業、科學、醫學)頻段,其傳輸速率最高為每秒1Mb/s,以時分方式進行全雙工通信,藍牙收發器的一般有效通信范圍為10米,配置功率放大器可以使通信距離達到100米左右。正如愛立信藍牙組負責人所說,設計藍牙的最初想法是“結束線纜噩夢”。
CC2640 器件是一款無線微控制器 (MCU),主要適用于 Bluetooth?低功耗 應用。此器件屬于 SimpleLink? CC26xx 系列中的經濟高效型超低功耗 2.4GHz RF 器件。它具有極低的有源 RF 和 MCU 電流以及低功耗模式流耗,可確保卓越的電池使用壽命,適合小型紐扣電池供電以及在能源采集型應用中使用.
CC2640 包含一個Cortex-M3內核,工作主頻48MHZ,128K Flash,28K SRAM ,4個定時器,15個GPIO,串口,I2C,12位ADC等常用外設一應俱全,硬件資源非常豐富,完全滿足日常無線應用。
三、藍牙芯片CC2640硬件電路設計注意事項
設計以MCU為核心的嵌入式系統硬件電路需要根據需求分析進行綜合考慮,需要考慮的問題較多,這里給出幾個特別要注意的問題。
1。  MCU選擇
選擇 MCU 時要考慮 MCU 所能夠完成的功能、MCU 的價格、功耗、供電電壓、I/O 口電平、管腳數目以及 MCU 的封裝等因素。MCU 的功耗可以從其電氣性能參數中查到。供電電壓有 5V、3.3V 以及 1.8V 超低電壓供電模式。為了能合理分配 MCU 的I/O資源,在 MCU 選型時可繪制一張引腳分配表,供以后的設計使用。我們這里選擇的使用CC2640 CPU的無線藍牙模塊。
CC2640 藍牙無線模塊電路原理圖如下:
XDS110調試接口
2。 電源電路設計
(1)考慮系統對電源的需求,例如系統需要幾種電源,如24V、12V、5V或者3.3V等,估計各需要多少功率或最大電流(mA)。在計算電源總功率時要考慮一定的余量,可按公式“電源總功率=2×器件總功率”來計算。
(2)考慮芯片與器件對電源波動性的需求。一般允許電源波動幅度在 ±5% 以內。對于A/D轉換芯片的參考電壓一般要求 ±1% 以內。
(3)考慮工作電源是使用電源模塊還是使用外接電源。
在這里我們使用低壓差,低噪聲,超快速線性穩壓器RT9013給藍牙無線模塊供電.
CC2640的發送工作電流為10 mA左右,RT9013輸出電流可以達到 500mA, 完全滿足CC2640對工作電源的要求。 電源電路設計如下:
3. 普通IO口電路設計
(1)上拉、下拉電阻:考慮用內部或者外部上/下拉電阻,內部上/下拉阻值一般在 700ω 左右,低功耗模式不宜使用。外部上/下拉電阻根據需要可選 10Kω~1Mω 之間。
(2)開關量輸入:一定要保證高低電壓分明。理想情況下高電平就是電源電壓,低電平就是地的電平。如果外部電路無法正確區分高低電平,但高低仍有較大壓差,可考慮用 A/D 采集的方式設計處理。對分壓方式中的采樣點,要考慮分壓電阻的選擇,使該點通過采樣端口的電流不小于采樣最小輸入電流,否則無法進行采樣。
(3)開關量輸出:基本原則是保證輸出高電平接近電源電壓,低電平接近地電平。I/O 口的吸納電流一般大于放出電流。對小功率元器件控制最好是采用低電平控制的方式。一般情況下,若負載要求小于10mA,則可用芯片引腳直接控制;電流在 10~100mA 時可用三極管控制,在 100mA~1A 時用 IC 控制;更大的電流則適合用繼電器控制,同時建議使用光電隔離芯片。
這里我們將開發板的的I/O口全部引出來,方便用戶進行二次開發和測試驗證。如下圖所示:
4. A/D電路與D/A電路
(1)A/D電路:要清楚前端采樣基本原理,對電阻型、電流型和電壓型傳感器采用不同的采集電路。如果采集的信號微弱,還要考慮如何進行信號放大。
(2)D/A電路:考慮 MCU 的引腳通過何種輸出電路控制實際對象。
硬件電路設計
5.控制電路
對外控制電路要注意設計的冗余與反測,要有合適的信號隔離措施等。在評估設計的布板時,一定要在構件的輸入輸出端引出檢測孔,以方便排查錯誤時測量。
6.考慮低功耗
低功耗設計并不僅僅是為了省電,更多的好處在于降低了電源模塊及散熱系統的成本。由于電流的減小也減少了電磁輻射和熱噪聲的干擾。隨著設備溫度的降低,器件壽命則相應延長,要做到低功耗一般需要注意以下幾點:
(1)并不是所有的總線信號都要上拉。上下拉電阻也有功耗問題需要考慮。上下拉電阻拉一個單純的輸入信號,電流也就幾十微安以下。但拉一個被驅動了的信號,其電流將達毫安級。所以需要考慮上下拉電阻對系統總功耗的影響。
(2)不用的I/O口不要懸空,如果懸空的話,受外界的一點點干擾就可能成為反復振蕩的輸入信號,而MOS器件的功耗基本取決于門電路的翻轉次數。
(3)對一些外圍小芯片的功耗也需要考慮。對于內部不太復雜的芯片功耗是很難確定的,它主要由引腳上的電流確定。例如有的芯片引腳在沒有負載時,耗電大概不到1毫安,但負載增大以后,可能功耗很大。
7。考慮低成本
(1)正確選擇電阻值與電容值。比如一個上拉電阻,可以使用4.5K-5.3K的電阻,你覺得就選個整數5K,事實上市場上不存在5K的阻值,最接近的是4.99K(精度1%),其次是5.1K(精度5%),其成本分別比精度為20%的4.7K高4倍和2倍。20%精度的電阻阻值只有1、1.5、2.2、3.3、4.7、6.8幾個類別(含10的整數倍);類似地,20%精度的電容也只有以上幾種值,如果選了其它的值就必須使用更高的精度,成本就翻了幾倍,卻不能帶來任何好處。
(2)不要什么都選最好的。在一個高速系統中并不是每一部分都工作在高速狀態,而器件速度每提高一個等級,價格差不多要翻倍,另外還給信號完整性問題帶來極大的負面影響.
作為嵌入式工程師,既要懂的嵌入式軟件設計,也要懂的硬件設計,至少能看懂硬件原理圖,能夠理解硬件的工作原理,這樣我們才能更好的編寫高效的嵌入式軟件,再調試產品,解決設備故障時,就能夠從軟,硬件的角度來分析問題和解決問題。 以上就是我這次要和大家分享的關于嵌入式硬件設計的注意事項,希望對同學們有所幫助。