項目10智能光電電路設計實戰學習目標1、學會AltiumDesigner21版本軟件，包括下載、安裝AltiumDesigner21軟件，安裝好以后對軟件的設置、基本操作等等。2、設計智能回收桶電路。3、設計智能手環電路。項目10智能光電電路設計實戰智能光電應用開發工作過程中在完成對產品的功能和性能需求評估后，就是要對主控芯片、外圍電路進行選型，主控芯片涉及資源、存儲容量及速度、IO口分配、接口資源、外圍電路的可靠性等進行具體分析和對比。結合智能光電應用開發電路設計典型工作任務與工作過程，具體工作任務可分解為原理圖設計和PCB設計。原理圖設計：電路原理圖是指說明電路中各個元器件之間電氣連接關系的圖紙。依托需求分析選擇合適的電子元器件，參考電子元器件的手冊，將智能光電電路設計方案轉化為各部分功能的原理圖。PCB圖設計：PCB圖是用來安裝、固定各個實際電路元器件并用銅箔進行走線，實現元器件正確連接關系的圖紙。根據原理圖選用的電子元器件，參考手冊繪制元件的PCB封裝，然后進行板子外形設計、布局，并實際要求進行布線，最后完成PCB圖的繪制，然后進行PCB投板，完成PCB加工生產。項目10智能光電電路設計實戰PCB設計的可制造性分為兩類，一類是指印制電路板的加工工藝；另一類是指電路接結構上的元器件和印制電路板裝配的工藝性。一般的PCB加工廠家，受制造能力與生產能力的影響，會非常詳細的給開發設計人員提出PCB相關的要求，最大程度滿足PCB電路板的可實施生產與制造。作為一名智能光電開發工程師，應該對所設計的PCB電路板裝聯工序流程有一個正確的認識，這樣就可以避免犯一些原則性的錯誤。在選擇組裝方式時，除考慮PCB的組裝密度，布線的難易外，必須還要考慮裝配的工藝流程，同時考慮到企業本身的裝配工藝水平。10.1常用電路設計軟件智能光電應用開發電路設計軟件是智能光電產品開發設計必不可少的軟件，通常此類軟件均具有電路原理圖設計、電路優化、電路測試等強大的功能。軟件設計功能多樣，界面簡約、操作一目了然，可極大方便用戶、幫助用戶快速完成硬件電路設計。學者需要對設計類軟件有一個清晰的認知，即無論何種設計軟件都只是一個工具，關鍵是軟件的應用與設計思想。10.1.1ALTIUMDESIGNER電路設計軟件AltiumDesigner是原Protel軟件開發商Altium公司推出的一體化的電子產品開發系統。AltiumDesigner除了全面繼承包括Protel99SE、ProtelDXP在內的先前一系列版本的功能和優點外，還做了許多改進并增加了很多高端功能。該平臺拓寬了板級設計的傳統界面，全面集成了FPGA設計功能和SOPC設計實現功能，從而允許工程設計人員能將系統設計中的FPGA、PCB設計及嵌入式設計集成在一起。AltiumDesigner電路設計軟件主要運行在Windows操作系統。這套軟件通過把原理圖設計、電路仿真、PCB繪制編輯、拓撲邏輯自動布線、信號完整性分析和設計輸出等技術的完美融合，為設計者提供了全新的設計解決方案，使設計者可以輕松進行設計，熟練使用這一軟件使電路設計的質量和效率大大提高。10.1.2PADS電路設計軟件PADS軟件是MentorGraphics公司開發的電路原理圖和PCB設計工具軟件組包，它包括PADSLogic、PADSLayout和PADSRouter。PADS是國內從事電路設計的工程師和技術人員主要使用的電路設計軟件之一，以其強大的交互式布局、布線功能和易學易用等特點，在通信、半導體、消費電子、醫療電子等當前最活躍的工業領域得到了廣泛的應用。PADSLayout/Router支持完整的PCB設計流程，涵蓋了從原理圖網表導入，規則驅動下的交互式布局布線，DRC/DFT/DFM校驗與分析，直到最后的生產文件（Gerber）、裝配文件及物料清單（BOM）輸出等全方位的功能需求，確保PCB工程師高效率地完成設計任務。10.1.3KICAD電路設計軟件KiCadEDA是一款用于印刷電路板設計的開源自由軟件包，遵守GNU的GPL版權協議，最初由法國人Jean-PierreCharras于1992年推出，現由KiCad開發團隊維護。KiCad支持英語、法語、德語、意大利語、中文、日語、韓語等22種語言版本。KiCad軟件包含原理圖設計、線路板繪制、電器規則檢測、符號庫設計、封裝庫設計、3D視圖功能、Gerber查看、線路板實用計算等工具。值得注意的是，KiCad是一個跨平臺的工具，在Linux和Windows系統中都可以使用圖形操作界面，非常方便使用。此外，KiCad生成Gerber文件很簡便，PCB畫好以后可以直接生成Gerber文件，不用擔心文件格式。10.1.4ALLEGRO電路設計軟件Allegro是Cadence推出的先進PCB設計布線工具包。Allegro提供了良好且交互性強的工作接口和強大完善的功能，它和前端產品Cadence、OrCAD、Capture的結合，為當前高速、高密度、多層的復雜PCB設計布線提供了完美的解決方案。Allegro擁有完善的Constraint設定，用戶只須按要求設定好布線規則，在布線時不違反DRC就可以達到布線的設計要求，從而節約了煩瑣的人工檢查時間，提高了工作效率。它還能夠定義最小線寬或線長等參數以符合當今高速電路板布線的種種需求。Allegro軟件中的ConstraintManger提供了簡潔明了的接口，方便使用者設定和查看Constraint聲明。它與Capture的結合讓E.E.電子工程師在繪制線路圖時就能設定好規則數據，并能一起帶到Allegro工作環境中，自動在擺零件及布線時依照規則處理及檢查，而這些規則數據的經驗值均可重復使用在相同性質的電路板設計上。10.1.4ALLEGRO電路設計軟件Allegro除了上述的功能外，其強大的自動推擠push和貼線hug走線以及完善的自動修線功能更是給用戶提供了極大的方便；同時具備強大的貼圖功能，可以支持多用戶同時處理一塊復雜板子，從而大大地提高了工作效率。它還支持利用選購的切圖功能將電路版切分成各個區塊，讓每個區塊各有專職的人同時進行設計，達到同份圖多人同時設計從而縮短時程的目的。10.1.5ORCAD電路設計軟件ORCADCapture(以下簡稱Capture)是一款電路設計工具軟件，它是當今世界最流行的原理圖繪制工具之一，具有簡單直觀的用戶設計界面。Capture軟件繪制的電路原理圖可以與PADS同步，在日常開發工作中，許多工程師都是使用Capture繪制原理圖，然后使用PADS-Layout繪制PCB。10.2小米智能回收桶電路設計一個成熟硬件電路的形成過程是設計者進行原理設計、電路仿真、原理圖確定、實物制作、環境測試、參數性能指標極限測試等,當出現問題時,再迭代、再測試，直到系統穩定運行。智能光電電路設計具體工作任務分以下幾個方面：設計元件原理圖封裝、設計原理圖、設計元件PCB封裝、設計PCB圖、PCB投板。針對以上具體工作任務流程，學者既可以進行單項實訓，又可以進行綜合實訓，以掌握具體工作任務中設計到的知識點與知識面。本節列舉一個案例，進行智能光電電路設計單項實現，詳細的敘述智能光電應用開發電路設計具體工作任務工作流程。10.2.1需求分析及功能設計隨之時代和科技的發展，人們生活水平逐漸提高，智能回收桶已經走進千家萬戶。在實際應用中，多數智能回收桶都具備智能感應功能，當有人離開或者在紅外感應范圍之外，桶蓋會自動打開或關閉。智能回收桶使得人無需接觸回收桶，解決了衛生感染的隱患，能夠防止交叉污染。智能回收桶具有耗電量低、智能、使用壽命長、密封性好等優點，在國內市場得到青睞。隨著社會的發展，人工智能技術得到普遍應用，我國智能家居產業得到快速發展，智能回收桶作為智能家居的細分市場，市場規模也隨之增長。10.2.1需求分析及功能設計分析市場產品并結合智能光電發展，智能回收桶需具備以下功能：一鍵打包、觸摸感應、自動換袋、震動檢測、紅外感應、超載打包、常開模式、超長待機、無線組網、溫度測量、異常報警、電壓測量等。需求分析完成后，將需求轉換為電路功能，使用成熟電路設計方案，設計智能光電產品電路功能。分析并對比市場智能回收桶產品需求，擬在原小米智能回收桶基礎上進行教學改造，故設計了以STM32口袋機為主控單元的智能回收桶系統，如圖9-1所示：10.2.1需求分析及功能設計10.2.1需求分析及功能設計直流電機電路電路實現一鍵打包、自動換袋、常開模式等功能；稱重檢測電路完成超載打包；電源管理電路實現超長待機；氣體測量電路實現異常報警。其他功能電路的作用不一一列舉。主蓋電機的功能：打開或關閉主蓋，當垃圾已滿的時候，通過主蓋電機動作，打開主蓋，取出已經裝好的垃圾袋；小蓋電機的功能：打開或關閉小蓋。當需要投放垃圾時，通過小蓋電機動作，打開小蓋，投放垃圾；投放結束后，小蓋電機延時關閉，關閉小蓋。打包電機：垃圾裝滿后，自動將垃圾袋封口。風機：提供負壓，使得新裝入的垃圾袋自動展開。10.2.2新建工程首先新建一個工程，點擊File->New->Project，彈出創建工程的對話框，其中ProjectName為工程名稱，這里使用默認名稱PCB_Project。Folder為文件存儲路徑，選擇好路徑后點擊Create創建工程。工程創建完成后，開始為工程添加文件：執行File->New->Schematic添加原理圖文件；執行File->New->PCB添加PCB圖文件；執行File->New->SchematicLibrary添加原理圖封裝庫文件；執行File->New->PCBLibrary添加PCB封裝庫文件。添加完成后點擊保存。圖9-2是新建的完成后的工程截圖，其中每個文件作用為：PCB1，PCB圖在此文件內繪制和保存；PcbLib1，PCB封裝庫在此文件內繪制和保存件；Sheet1，原理圖在此文件內繪制和保存；SchLib1：原理圖封裝庫在此文件內繪制和保存件。10.2.2新建工程10.2.3原理圖設計（1）直流電機電路：LV8548芯片是2通道低飽和電壓正向/反向電動機驅動器IC，內置剎車功能，最大IGBT集電極電流1A，適合12V系統產品中的電動機驅動器，可以驅動兩個直流電動機或一個并聯使用的直流電動機，或者可以完全驅動步進電動機。智能回收桶殼體已經安裝好三個電機，分別為主蓋子電機，小蓋電機，打包電機，參考LV8548芯片手冊，將三個電機的驅動電路利用AD21軟件設計出來，如圖9-3、9-4所示，其中F1、F2、F3為自恢復保險，防止電機堵轉引起的電路過大而燒毀電機。R21、R25、R26、R27、R28、R29為下拉電阻，默認LV8548輸出關閉，P8、P10、P12端子接電機。10.2.3原理圖設計10.2.3原理圖設計風機電機電流較大，所以這里選擇大電流NMOS管驅動，其中R13為柵極限流電阻，R14為下拉電阻，默認Q4關閉。驅動電路如圖9-5所示。各端口網絡標號，單片機IO端口對應如表9-1所示。10.2.3原理圖設計10.2.3原理圖設計10.2.3原理圖設計(2)觸摸檢測與紅外檢測電路設計：智能回收桶外殼以及集成好觸摸檢測與紅外檢測電路，所以外圍驅動板只需要設計一個端口，通過接插件端口連接到STM32口袋機IO口。電路原理圖設計如圖9-6所示，各端口網絡標號，單片機IO端口對應如表9-2所示。10.2.3原理圖設計(3)震動測量與電壓測量電路設計：震動傳感器電路、電壓檢測電路見圖9-7，震動檢測傳感器型號SW-1801，R20為上拉電阻，默認輸出低電平，當檢測到震動時傳感器輸出一個低電平信號。電壓檢測電路R30與R31為分壓電路，降低輸入單片機端口電壓，將電壓限制在單片機參考電壓范圍內，C23為濾波電容，D4為鉗位二極管，將電壓鉗制在3V以內，保護MCU外設ADC電路。震動檢測信號從STM32F407的PD7進入，電壓信號ADC-BATT從STM32F407的PA4進入。10.2.3原理圖設計(4)氣體測量與溫度測量電路設計：氣體測量傳感器型號為MQ5，R15為分壓電阻，C21為濾波電容，將傳感器輸出電壓送入單片機ADC模擬輸入端口，測量傳感器信號值。(5)溫度測量傳感器型號為DS18B20，采用單總線進行數據交互，R16為上拉電阻，C22為退耦電容。將DQ與單片機引腳相連，進行溫度數據讀取。電路原理圖設計如圖9-8所示。10.2.3原理圖設計使用STM32口袋機下方右側簡易牛角端子與驅動電路進行連接，所以驅動電路部分也需要繪制一個相對應的簡易牛角，根據需求在新建的原理圖中完成此部分電路繪制。MQ-5輸出的模擬信號從STM32F407的PB1進入，經ADC轉換得到氣體濃度；DS1820輸出的數字信號從STM32F407的PF11進入。10.2.3原理圖設計(6)無線數傳電路設計：無線數傳電路P1、P2為雙列直插的端子，可接入杰創科技MINI433Mhz無線數傳模組，也可接入其他通信模組，P20為端子可接入Lora無線模組，數據通信方式通過2路四選一模擬開關74HC4052芯片門電路進行控制。電路原理圖設計如圖9-9所示。10.2.3原理圖設計各端口網絡標號，單片機IO端口對應如表9-3所示。10.2.3原理圖設計(7)稱重檢測電路設計：稱重檢測芯片型號為CS1237，P17端子接稱重傳感器，U6為2.5V參考電壓芯片，FB1與C18、C19組成Π型濾波電路，凈化稱重芯片電源。電路原理圖設計如圖9-10所示：10.2.3原理圖設計各端口網絡標號，單片機IO端口對應關系如下：WE_DIO接PB0，為傳感器的數據輸出，給出稱重數據信號WE_CLK接PF2，為時鐘輸入，即ARM的時鐘送給傳感器，支撐傳感器正常工作(8)電源管理電路：電源管理電路用以配置各部分電壓，并對各部分供電電路提供電源保護，電路如圖9-11所示。10.2.3原理圖設計電源管理電路中各部分功能如表9-4所示。10.2.3原理圖設計圖9-12電路中TPS54332D為開關型DCDC直流穩壓芯片，電路設計參考芯片手冊，輸出電壓計算公示VO=0.8x(1+R1/R2),理想輸出電壓5.2V，電壓誤差±0.2V即為正常。U5選用AMS1117-3.3低壓差線性穩壓芯片，將前級5V電壓轉換為3.3V?！ぞC上所示，電源管理電路共輸出3個不同的電壓值，分別為12V、5V、3.3V。為系統中各部分功能電路供電。10.2.3原理圖設計(9)主蓋檢測開關電路設計：用以檢測，主蓋開關狀態，R33為上拉電阻，默認主蓋關閉時為高電平輸出狀態，主蓋開啟輸出低電平，電路如圖9-13。主蓋檢測開關電路檢測端口對應STM32F407的PD15。10.2.3原理圖設計(10)紅外發射管驅動電路：桶內LED驅動電路和加熱絲驅動電路，NMOS管工作在開關狀態，當NMOS管柵極為高電平時，源極和漏極導通，負載得電工作。紅外接收與發射管電路用以檢測桶內是否有將垃圾袋展開，其中紅外接受傳感器選用紅外一體化接收頭，型號為VS1838。紅外發射管采用940nm波長紅外發射管，頭通過P14端子與紅外發射管連接，電路如圖9-14左側兩個，電路如圖9-14右側。加熱絲電路用于將垃圾袋進行電熱熱化垃圾袋，進行垃圾袋封口操作，屬于一鍵打包邏輯功能的一個環節。各端口網絡標號，單片機IO端口對應如表9-5所示。10.2.3原理圖設計10.2.3原理圖設計LED與蜂鳴器驅動電路：LED可謂桶內提供照明，同時蜂鳴器可以提供報警與操作提示功能，電路如圖9-15。LED由PA6控制，蜂鳴器由PF13控制。10.2.4PCB圖設計①繪制電路板外形結構根據智能回收桶電路板區域外形結構，選擇Keep->OutLayer層繪制電路板外形，并放置電路板定位孔。選中板框外形，然后執行快捷鍵D->S->D定義板子外形。如圖9-16所示。10.2.4PCB圖設計②更新原理圖并生成PCB文件原理圖設計完成后，點擊Design->UpdataPCBDocumentPCB_Trash，生成網絡表，更新PCB，如圖9-17。10.2.4PCB圖設計③元件PCB布局在PCB板設計重，PCB布局尤為重要，應分析電路板的單元，并根據功能進行布局設計。那么PCB板設計布局原則有哪些?這里列出一些需要在進行布局時注意常用的原則。PCB布局的幾點原則：·同一個功能的電路，進行模塊化布局，模塊中各元件采用就近集中原則；·注意退耦電容應該靠近芯片，數字電路和模擬電路分開；·定位孔、標準孔等注意元件位置，避免元件阻礙螺絲的安裝；10.2.4PCB圖設計·元件預留好元件間距，特殊情況需要進行手動調整；·發熱元件不能緊鄰導線和熱敏元件；高熱器件要均衡分布；·插座要盡量布置在印制板的四周，放置的位置需要放別引線拔插。·盡量在電路板的一個焊接面進行布局，同時在布局時要考慮接地的完整性。AD21軟件中的PCB圖默認為雙面板設計圖紙，以上部分原則可以在Design->Rules中進行設置，如圖9-18所示。10.2.4PCB圖設計10.2.4PCB圖設計針對元件間距、定位孔間距等可以在Rules->Electrical->Cleaeance中進行設計，即根據實際要求修改紅色框內的規則。完成規則設置。其余部分規則，退耦電容位置、布局版面等等，需要工程師根據實際情況手工進行設計調整。規則設計完成后，元件進行布局，布局完成后如圖9-19所示：10.2.4PCB圖設計④PCB布線首先需要說明的是PCB布線一般為手工布線，至今為止沒有一個自動布線的功能可以完全取代PCBLayout工程師的技能、經驗和靈活性。PCB布線既是一門科學，也是一門藝術，建議盡可能手動布線，以確保準確性和可靠性。以下為幾點PCB布線的常用原則：·根據電路板外形、特殊元器件的要求，合理的設置禁止布線區域?！ぷ呔€應避免銳角、直角，采用鈍角方式走線，關鍵高速信號線采用蛇形走線方式?！て骷芏葍炏龋簭腜CB電路中連接關系最復雜的器件著手布線。或從連線最密集的區域開始布線。10.2.4PCB圖設計關鍵元器優先：如DDR、射頻器件、高頻器件等核心部分應優先布線，做到高頻器件走線等長和路徑最短，特殊部分需要進行蛇形走線?！りP鍵走線優先：電源、模擬小信號、高速信號、時鐘信號和同步信號等關鍵信號優先布線。·數字地、模擬地要分開，對低頻電路盡量采用單點接地；高頻電路宜采用多點串聯接地。對于數字電路，地線應閉合成環路從而提高抗噪聲能力?！ね笋铍娙葑呔€應該布置得當，需先經過電容，再進入芯片。·走線的寬度應該根據電流或頻率進行計算，信號線的線寬保持一直，電源線的線寬通過電流進行計算?？赏ㄟ^Rules->Routing->Width進行線寬設置，如圖9-20所示，布線完成后如圖9-21所示。10.2.4PCB圖設計10.2.4PCB圖設計10.2.4PCB圖設計④PCB敷銅敷銅的主要作用是降低接地線阻抗,多數的干擾或噪聲是由于接地阻抗太大造成的，同時PCB電路板中的數字電路存在大量的脈沖信號干擾，因此非常有必要降低接地阻抗。對于信號完整性要求，鋪地給高頻數字信號一個完整的回流路徑，同時減少接地網絡的布線。當然還有散熱，特殊器件安裝要求鋪銅等原因。10.2.4PCB圖設計PCB敷銅的常用原則：·不同的地之間，如模擬地、數字地可以通過0歐電阻或者磁珠或電感連接；·晶振等高頻器件，可以環繞晶振敷銅，同時將晶振的外殼接地；·穩壓器通常提供電流較大，一定要保持良好接地；·敏感型元器件下方禁止走線，如天線、觸摸傳感器等；·考慮靜電擊穿或外界信號干擾等情況，鋪地應與PCB板邊緣具有一定的距離。敷銅有大面積的敷銅和網格銅，兩種方式。布線完成后可以單擊Place->Polygon進行鋪地操作。按下Tab鍵可以修改鋪地屬性，如圖9-22所示。10.2.4PCB圖設計10.2.4PCB圖設計【NET】為要鋪地的網絡，選擇GND網絡。【Layer】選擇要在那個層進行鋪地，這里選擇BottomLayer即在底層進行鋪地。選擇Soild（大面積的敷銅）方式進行鋪地，選中RemoveDeadCopper移除死銅。這里要說明的是鋪地只是敷銅的一種情況，大電流或大面積走線均可采用敷銅形式。學者在進行敷銅時應根據實際情況而定。過孔、SMD焊盤、直插焊盤的敷銅連接樣式可以在Rules->Plane->PolfgonConnect中設置。如圖9-23所示。10.2.4PCB圖設計10.2.4PCB圖設計敷銅完成后的PCB圖，如圖9-24。設置好敷銅連接樣式后，單擊Place->Polygon，按下Tab鍵設置敷銅屬性。然后繪制一個封閉外形，分別對頂層和底層進行敷銅操作。10.2.4PCB圖設計⑦布線信息報告點擊Reports->BoardInformation在彈出的對話框中選擇Routinginformation，然后點擊Report，即可彈出布線信息對話框，如圖9-25。10.2.4PCB圖設計可以看到Routinginformation中的Routingcompletion為100%,說明全部布線完成。導出BOM清單BMO清單也稱為物料清單是電路板選擇裝配、編制生產計劃和采購計劃、配套領料、跟蹤物流，追溯任務、計算成本、改變成本設計不可缺少的重要文件。物料清單表明了產品的組件、子件、零部件和原材料之間的結構關系，包括每個組裝件所需的各個下屬部件的數量。每種型號的產品都有自己唯一的物料清單，它決定了構成一個產品所需的全部零部件及其裝配關系。 點擊Reports->BillofMaterials彈出BOM清單參數配置對話框，點擊Export即可導出BOM清單，如圖9-26所示。至此所有的PCB設計工作完成。10.2.4PCB圖設計10.2.4PCB圖設計4、PCB投板伴隨著當代生產工藝的迅速發展，PCB板加工工藝改變著，不同的PCB廠家，加工PCB板的流程與工藝或多或少都有一些差異。但基本都遵循以下原則：①PCB投板前檢查·確認器件封裝及設計更改是否正確；·對所有電源相關部分的布線進行檢查（電源線寬、退耦電容布置）；·高速及關鍵信號走線位置確認；·設計完整性檢查（如是否有未完成的走線、敷銅完整性檢查）；·絲印預先調整好，根據要求做到規范化；·PCB打印檢查，核對安裝孔、新器件封裝等以上幾個方面，根據需求完成原理圖到PCB的修改后，應該借助軟件工具仔細進行檢查，準備投板前核對好修改的部分，防止出現不必要的問題。10.2.4PCB圖設計②PCB投板流程在PCB檢查完成后，需要將電路板發到PCB加工廠家進行生產，不同廠家的由于加工能力與工藝不同，投板流程也不盡相同，但基本都會遵循以下幾個方面：·提供資料給PCB加工廠家；·與PCB工廠溝通或確認生產加工工藝標準；·PCB工廠提供報價及交期；·確認交期和價格后，雙方簽署合同；·PCB工廠CAM工程師處理生產資料；·確認生產稿后開始生產；10.2.4PCB圖設計·PCB電路板生產好后以自提或快遞的方式送至客戶手中；·板子使用過程中及時向PCB廠家反饋并解決。以上為PCB投板的全部流程，不同的PCB板工藝復雜度和電路復雜度不同，同一個項目的電路板可能有多次迭代，以保證最終版本電路的穩定性。10.3不帶屏的智能藍牙手環電路設計為加深對電路設計的理解，熟練掌握AltiumDesigner軟件，特提供一個簡易的不帶屏的藍牙手環硬件電路設計，本小節以“藍牙運動手環”為例，講解各設計要點。10.3.1手環功能需求分析本次設計的藍牙心率防水運動手環主要具有以下功能：（1）藍牙收發功能。通過藍牙與手機建立長連接，進行數據雙向收發，是一款藍牙手環應具備的最基礎的功能。（2）供電與充電。穿戴類電子產品的供電一般都選用可充電鋰電池，但由于手環本身體積小巧，限制了鋰電池容量，所以手環在進行電路設計時，所選的每顆芯片的功耗都要盡可能的小。（3）顯示交互。本小節要設計并制作的手環不帶LCD屏幕，用戶交互提示可以通過三顆LED燈的亮滅或閃爍來體現。（4）運動檢測。手環一般都帶有三軸傳感器或六軸傳感器，進行運動和姿態檢測。10.3.1手環功能需求分析綜上分析，本案例設計的藍牙手環使用單節鋰電池進行供電、應具有姿態檢測功能、LED指示燈交互功能、藍牙數據收發功能。同時，需要預留下載與調試接口，以便后期進行代碼下載調試。藍牙智能手環整體硬件框圖如圖9-27所示。10.3.2手環原理圖原型設計（1）藍牙收發主控單元：本次設計選擇Dialog的DA14580作為藍牙收發器件。DA14580是目前市面上功耗最低的藍牙SOC，與其他同類藍牙智能解決方案芯片相比，DA14580擁有更寬的工作電壓范圍和更小的封裝尺寸，非常適合用在穿戴類電子產品上。DA14580的集成度非常高，只需要配合極少數的外部元件即可實現一個體積最小、最具特色的藍牙智能解決方案產品。DA14580內嵌一個32位ARMCortexM0核心，擁有高達42KB的內存和豐富的外設資源，無需外掛其他MCU即可實現復雜的控制、通信、計算任務。同時DA14580內部還集成了一個阻抗50Ω的RFIO接口，極大地降低了天線部分的電路設計難度。在DA14580芯片數據手冊的“Specifications”章節，可以找到這顆芯片最小系統的電路參考設計，如圖9-28所示。10.3.2手環原理圖原型設計10.3.2手環原理圖原型設計圖9-28所示電路是使用單節3V紐扣電池進行供電的DA14580外圍參考設計電路圖。使用3V鋰電池供電時，需要將電池接到VBAT3V和VBAT_RF引腳上，同時這兩個引腳都需要各添加至少1uF容值的旁路電容。在此模式下需要將VBAT1V接地。VDCDC為DA14580內部DC-DC變換器的輸出引腳，SWITCH為該DC-DC變換器的開關節點引腳，SWITCH引腳需要外接一個2.2uH的電感以保證DC-DC變換器正常工作。VDCDC_RF引腳需要接到DC-DC的輸出上，同時VDCDC_RF和VDCDC引腳需要各添加至少1uF容值的旁路電容。DA14580使用SWD接口進行代碼下載與調試，SWD接口總共使用兩根數據線，分別是SWCLK和SWDIO。10.3.2手環原理圖原型設計XTAL16Mp/XTAL16Mm和XTAL32Kp/XTAL32Km引腳是DA14580外部時鐘源的輸入引腳，分別需要接入16MHz和32.768KHz的無源晶振。當系統正常運行時，DA14580核心會選擇16MHz外部晶振作為系統的時鐘源，當系統進入睡眠模式時，DA14580核心會切換到32.768KHz的時鐘源以保持系統內部的時基。RFIOp為單端阻抗50Ω的射頻收發接口，需要接上天線。RFIOm為射頻收發參考地引腳，這里將其接到板子的供電地上。RST引腳為DA14580的硬件復位引腳，一般可以將該引腳接在上電復位電路或者復位按鍵上，若不需要使用硬件復位則應將該引腳接地。10.3.2手環原理圖原型設計（2）姿態檢測單元:市面上可見的穿戴設備幾乎都加入了姿態檢測功能。目前大多數手環設備都是利用三軸加速度傳感器或者六軸傳感器來進行姿態檢測,其中，利用三軸加速度傳感器來實現姿態檢測一般有兩種做法。一是直接采集傳感器的加速度數據，然后根據數據簡單地判斷人的運動狀態。二是事先對人的運動狀態進行建模，然后通過算法對傳感器的數據進行處理分析，對比事先建立好的模型來判斷人的運動狀態。利用六軸傳感器進行姿態檢測的一般做法是先分別測的傳感器的三軸加速度和角速度，然后對數據進行濾波、姿態融合解算。不管利用什么傳感器，想要實現精準的姿態檢測，都是需要通過復雜的算法實現的，這勢必會給MCU帶來很大的負擔。本設計選用的傳感器型號是MPU6050。MPU6050是InvenSense公司推出的全球首款整合性六軸運動處理組件。MPU6050集成了三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器，不僅極大程度地減少了獨立陀螺儀、加速度計的數據在時間上的誤差，而且減少了傳感器芯片占用的PCB板的空間。10.3.2手環原理圖原型設計MPU6050作為從機設備，支持400KHz的I2C通信接口。此外MPU6050還有一組用于連接外部傳感器的IIC接口，MPU6050可以通過該接口連接IIC接口的外部磁力計以組成9軸傳感器。最重要的是，MPU6050內部集成了一個數字運動處理器(DMP:DigitalMotionProcessor)，DMP可直接輸出六軸或者九軸(需外接磁力計)姿態解算數據，而不需要MCU來進行繁瑣的數據濾波和融合處理，極大減輕了MCU的工作負擔。在MPU6050芯片數據手冊中介紹了該器件的典型應用電路參考設計，如圖9-29所示，各關鍵信號設計要點詳見表9-6。10.3.2手環原理圖原型設計10.3.2手環原理圖原型設計10.3.2手環原理圖原型設計(3)電源及充電單元:系統中所用到的芯片的工作電壓，MPU6050為2.375V-3.46V，DA14580為0.9V-3.3V。本設計案例使用標稱電壓為3.7V的單節鋰電池給整個系統供電，鋰電池正常工作電壓范圍是2.5V-4.25V。結合上表內容，選擇用TLV70033DDCT將·電池電壓降壓到3.3V給整個系統供電。TLV70033DDCT是德州儀器公司生產的低壓差線性穩壓器。TLV70033DDCT具有低輸出噪聲、高電源抑制比、低靜態電流(31uA)等優點，同時還具有過流、過溫、反接保護的功能，這使得它成為了大多數電池供電的便捷式設備的理想選擇。藍牙智能手環的充電方案一般分為兩種，對比如下:1、手環內置充電電路，充電IC選型要求封裝足夠小、功耗低、效率高、集成度高。除此之外，考慮到安全因素，充電IC必須要有熱保護、防反接功能。該方案充電電路會占用手環PCB相當一部分的空間，但是對充電供電設備的要求不高，只需輸入電壓在合理范圍內即可，可以兼容不同種類的供電設備。10.3.2手環原理圖原型設計2、手環內部無充電相關電路，該方案不會對手環PCB造成額外的空間開銷，并且對充電IC沒有特別的要求，同時可以添加更多的保護電路。但是該方案的充電器一般需要定制，充電相關電路放在充電器內部。因此該方案一般不能檢測電池的溫度，無法根據溫度智能調節充電電流，有一定的安全隱患。此外定制的充電器便捷性不好，成本會更高?？紤]到便捷性、安全性和成本因素，本設計采用第1種設計方案。鋰電池充電IC選用一片性能優異的單節鋰電池充電器——TP4056。TP4056是專門為單節鋰離子電池或鋰聚合物電池而設計的線性充電器，芯片內集成功率晶體管，工作時不需要外接阻流二極管和電流檢測電阻。TP4056常常被應用到MP4播放器、數碼相機、移動PDA和便攜式藍牙手環等設備上。10.3.2手環原理圖原型設計TP4056的主要特性如下:1、過熱保護，當芯片溫度上升到135℃以上時，芯片內部的熱反饋環路將減小設定的充電電路以防止芯片過熱。2、電池溫度檢測，TP4056內部集成有電池溫度監測電路，電池溫度過高或者過低時將暫停充電，防止溫度過高或過低對電池造成損害。3、靜態電流低，停機模式下靜態電流僅為35uA。4、電池輸入防反接保護。5、充電電流可編程，充電電流最高可達1000mA。6、采用ESOP8封裝，芯片底部帶散熱焊盤，散熱效率高。7、強大的熱調節功能，在無過熱風險的情況下自動調節充電電流實現整體充電速率最大化。TLV70033DDCT手冊中的參考設計電路圖如圖9-30所示：10.3.2手環原理圖原型設計10.3.2手環原理圖原型設計根據手冊可知，TLV70033DDCT可以不用接輸入電容也可以保持穩定，但是一般建議在IN引腳上對地接一個0.1uF到1uF的陶瓷電容。該電容用于抵消無用輸入，改善瞬態響應，抑制噪聲和紋波。為保持輸出電壓的穩定，TLV70033DDCT的輸出引腳添加一個0.1uF或者更大的輸出電容。EN引腳為芯片的工作使能引腳，將EN引腳拉高到0.9V以上時，TLV70033DDCT將開始工作。將EN引腳拉低到0.4V以下時TLV70033DDCT將進入關閉模式，此時靜態電流將降低到1uA。如果不需要進行工作模式的切換，一般將EN引腳與IN引腳短接即可。TP4056的數據手冊中的參考設計電路圖如圖9-31所示。10.3.2手環原理圖原型設計10.3.2手環原理圖原型設計圖9-38中已經囊括了TP4056所有的設計細節，虛線框內為電池溫度檢測電路，電阻R1和R2的值要根據需要監測的電池溫度范圍和熱敏電阻NTC的阻值來確定。如需禁用電池溫度監測功能則需要將TMP引腳接地。CHRG和STDBY為兩個漏極開路輸出的狀態指示輸出引腳，這兩個引腳的輸出狀態的所有組合方式分別指示TP4056的不同充電狀態，如表9-7所示。10.3.2手環原理圖原型設計電阻Rprog用于設定TP4056的最大充電電流，其阻值與最大充電電流Imax之間的關下為:prog=1200/ImaxRprog應選用誤差精度小于10%的電阻，Rprog與Imax之間的關系可參考表9-8。10.3.3電路圖繪制（1）新建AD工程本案例使用ALTIUMDESIGNER21來進行設計。首先打開AD21，新建一個工程，為工程添加原理圖、PCB、原理圖封裝庫、PCB封裝庫，如圖9-32所示：10.3.3電路圖繪制（2）畫原理圖封裝接下來需要繪制所用到的元器件的原理圖封裝，這里以繪制DA14580的原理圖封裝為例作簡要介紹。根據DA14580的數據手冊可知，DA14580一共有三種封裝形式，分別是WLCSP32、QFN48和QFN40。本方案使用方便手工焊接并且引腳較少的QFN40封裝，如圖9-33所示:10.3.3電路圖繪制回到AD21，打開ex_da14580.SchLib，如圖9-34所示，選擇左下角的SCHLibrary，在彈出來的視圖框中點擊Add選項添加一個原理圖封裝，輸入封裝的名稱，最后點擊OK。10.3.3電路圖繪制選擇剛創建的原理圖封裝項，點擊Edit編輯封裝信息，封裝信息；點擊AD21上方Place->Line，調出繪制線條工具。注意：處于線條繪制功能時，光標是一個黑色十字星光標。在繪制線條模式下按住鍵盤TAB鍵，AD21將彈出線條屬性設置界面。在此界面設置Line線寬為Medium，線條顏色為棕紅色。用該線條在原理圖庫繪制區繪制一個正方形用于表示DA14580的外形，如圖9-35所示。10.3.3電路圖繪制選擇AD21上方Place->Pin，進入放置功能引腳模式，如圖9-36所示。10.3.3電路圖繪制同理在放置功能引腳模式下按住TAB鍵編輯引腳的屬性。10.3.3電路圖繪制首先設置該引腳為1號引腳，引腳名字為P0_0，將引腳放置在DA14580 左上角左側邊界。需要注意將Pin腳的電氣連接端(帶十字星標記的一端)放置在外側，電氣連接端可與其他器件的Pin連接，如圖9-37所示。重復以上操作，根據DA14580手冊Pinout信息繪制出完整的運力圖封裝如圖9-38所示(注意DA14580正中間還有一個功率地引腳，引腳號為0。到此DA14580的原理圖封裝繪制完畢。10.3.3電路圖繪制（3）畫PCB封裝接下來需要繪制所用到的元器件的PCB封裝，這里以繪制DA14580的PCB封裝為例作簡要介紹。打開ex_da14580.PcbLib，選擇AD21左下角PCBLibrary，點擊Add新建一個PCB封 裝項，雙擊新建的封裝項編輯封裝的名字，點擊OK確認。如圖9-39所示：10.3.3電路圖繪制10.3.3電路圖繪制在DA14580的數據手冊中找到PackageInformation章節，找到DA14580QFN48封裝信息如圖9-40所示：10.3.3電路圖繪制根據手冊可知，DA14580外側的48個焊盤均是bxL的長方形焊盤，其中b最大為0.25mm，L最大為0.45mm。點擊AD21上方Place->Pad進入焊盤放置模式，如圖9-41所示：10.3.3電路圖繪制在焊盤放置模式下按住TAB鍵編輯焊盤信息。10.3.3電路圖繪制如圖9-42所示，設置焊盤Designation為1，表示焊盤與原理圖中Designation同為1的引腳對應。Layer中選擇TopLayer表示該焊盤為頂層焊盤，Shape中選擇Rectangular，將焊盤形狀改成矩形，并設置焊盤長寬為0.25mm和0.9mm(寬設置成0.9mm是為了方便焊接)。用鼠標對準1號焊盤，長按左鍵選擇1號焊盤(鼠標正中間會出現一個綠色十字星)，按住鍵盤空格鍵調整焊盤方向，如圖9-43所示(1號焊盤位于DA14580左上角左側，水平放置)：10.3.3電路圖繪制10.3.3電路圖繪制同理按照一樣的操作方式放置第二個焊盤，其中焊盤1和焊盤2在水平方向上對稱，垂直方向上間隔0.3mm，如圖9-44所示:10.3.3電路圖繪制最后，結合數據手冊的尺寸信息，繪制出DA14580完整PCB封裝，如圖9-45所示：10.3.3電路圖繪制選擇Place->Line，進入線條繪制模式，按住TAB將線條設置為頂層絲印線條，如圖9-46所示：10.3.3電路圖繪制用該線條繪制出DA14580的機械外形輪廓，如圖9-47所示：到此，DA14580的PCB封裝繪制完畢。10.3.3電路圖繪制（4）原理圖封裝與PCB封裝關聯繪制完元器件的原理圖封裝和PCB封裝后，需要將元器件的原理圖封裝、PCB封裝關聯起來。打開ex_da14580.SchLib，選擇DA14580封裝項，點擊edit，找到Footprint屬性欄，點擊屬性欄下的Add為原理圖封裝關聯對應的PCB封裝，如圖9-48所示：10.3.3電路圖繪制10.3.3電路圖繪制點擊Browse選項，在Libraries選項中選擇工程的PCB封裝庫—ex_da14580.PcbLib，選擇對應的PCB封裝—DA14580，點擊OK完成關聯，如圖9-49所示：10.3.3電路圖繪制（5）原理圖繪制原理圖一般是分單元進行繪制，各單元電路的設計需要參考元器件的數據手冊。本節內容將以充電單元和電源單元為例，詳細介紹如何在AD21上繪制相關電路的原理圖，并附上其余單元的完整電路。打開ex_da14580.SchDoc文件，選擇Components，選擇本工程原理圖庫，找到TP4056，右鍵并選擇PlaceTP4056。在原理圖中合適位置放置TP4056。同理，依照參考設計，在TP4056外圍放置其余元器件，如圖9-50所示。10.3.3電路圖繪制10.3.3電路圖繪制點擊Place->PowerPort放置電源信號，如圖9-51所示。10.3.3電路圖繪制雙擊各器件和電源信號進行屬性修改，TP4056電源輸入端更改為5V輸入(USB5V)，電源輸入限流電阻設置為0.43歐姆，輸入濾波電容更改為10UF。BAT引腳更改為電池輸入電壓VBAT，電池輸入旁路電容修改為10UF，充電指示燈限流電阻更改為1K。在原理圖頁面按快捷鍵CTRL+W進入原理圖連線模式，在連線模式下將元器件的引腳、網絡標號連接起來，同時修改各元器件的位號。 接著放置電池連接座，電池電壓通過二個電阻進行分壓接到DA1458