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[原创] 【NXP Rapid IoT评测】+手机同步器之一

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一粒金砂(中级)

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发表于 2018-12-26 13:57:34 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 北方 于 2018-12-26 13:57 编辑

1、承前启后的Rapid IoT         通常意义上的物联网开发工具都是开发板的样子,但NXP Rapid IoT完全的不一样。因为NXP Rapid IoT几乎就是一个原型设计,而且,可以直接作为产品应用。虽然,从外形和气质上都不一样,我们还是可以很容易地从产品定位和尺寸规格上,迅速发现,NXP Rapid IoT就是从NXP Hexiwear发展来的。
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1.1 Hexiwear
        Hexiwear的目标就是将高端消费电子设备的时尚和易用性与精密工程开发平台的功能性和可扩展性相结合,配备基于ARM Cortex-M4内核的Kinetis® K6x微控制器,Kinetis KW40Z多模式无线电SoC,支持BLE。具备6个板载传感器,包括光学心率监测仪、加速度传感器、磁力计、陀螺仪、温度、湿度、光和压力传感器,带有彩色OLED显示屏和可充电电池。
        从官网上,可以下载Android和iOS应用直接测试出厂的firmware,直接取得运动,环境等众多参数。不过Hexiwear的开发和其他开发板一样,都是公版的IDE,如Kinetis Design Studio IDE,KEIL MDK或者IAR。


1.2  而Rapid IoT就发生了变化,不仅是更新的器件整合到了Rapid IoT,更重要的一个变化就是Rapid IoT Studio online IDE的引入,一个基于web网页的完全免费,图形化,零门槛的开发平台。开发就不是攻城狮们的专利,而是直接定位到了大众平台,以提供一种综合全面、安全且具有优化功率的解决方案,实现物联网终端节点的快速原型设计和开发。其中集成了 11 款恩智浦器件(微控制器、低功率连接器件、传感器、NFC、安全元件、电源管理、接口),并与经过验证的软件支持设备(驱动器、RTOS、中间件、云连接)和 web IDE(具有基于 GUI 的编程功能) 结合。


1.3 首先对比一下搭载器件的组成有什么变化。
HEXIWEAR

  • K64_120: Kinetis® K64-120 MHz, 256KB SRAM微控制器(MCU) ,基于Arm Cortex®-M4 内核
  • KW40Z: Kinetis® KW40Z-2.4 GHz双模式:BLE和802.15.4无线连接微控制器(MCU),基于Arm® Cortex®-M0+内核
  • FXAS21002C: 3轴数字陀螺仪
  • FXOS8700CQ: 数字运动传感器 – 3D加速度传感器(±2g/±4g/±8g) + 3D磁力计
  • MC34671: 600 mA单芯锂离子/锂聚合物电池充电器
  • MPL3115A2: 20 to 110kPa, Absolute Digital Pressure Sensor

Rapid IoT

  • K64_120: Kinetis® K64-120 MHz, 256KB SRAM微控制器(MCU) ,基于Arm Cortex®-M4 内核
  • KW41Z: Kinetis® KW41Z-2.4 GHz双模式:BLE和802.15.4无线连接微控制器(MCU),基于Arm® Cortex®-M0+内核
  • NT3H2111_2211: NTAG I2C+, NFC Forum Type 2标签,带有I2C接口,适合入门级NFC应用
  • FXAS21002C: 3轴数字陀螺仪
  • FXOS8700CQ: 数字运动传感器 – 3D加速度传感器(±2g/±4g/±8g) + 3D磁力计
  • MPL3115A2: 20 to 110kPa, Absolute Digital Pressure Sensor
  • NX3L2267: 低电阻双单刀双掷模拟开关
  • NX3P191UK: 逻辑控制型高端电源开关
  • PCF2123: SPI实时时钟/日历
  • MC34671: 600 mA单芯锂离子/锂聚合物电池充电器
  • A1006: 安全认证器IC:嵌入式安全平台

          对比可知,核心的Kinetis® K64-120 MHz,没有变化,主要三颗传感器芯片,FXAS21002C: 3轴数字陀螺仪,FXOS8700CQ: 数字运动传感器 – 3D加速度传感器(±2g/±4g/±8g) + 3D磁力计,MPL3115A2: 气压传感器都没有变化。射频芯片从Kinetis® KW40Z 升级到Kinetis® KW41Z。唯一新增的是NT3H2111_2211这颗NFC芯片,扩展了和外界连通的手段。这样看来,就是一个加强版的Hexiwear,不过从开发来讲,原来支持的MBED OS开发方式彻底消失了,连接Rapid IoT不再有一个CMSIS-DAP的外挂盘符了,不过从开发来讲,这个是一个直观简化的开发程序下载方式,其实并没有重大的优势,取消掉其实也是一种不错的选择,基于mbed的开发最大的掣肘就是对于简单开发板没问题,但是对于复杂的多功能开发板,很多硬件和功能的访问是不能用户订制的,这样反而制了开发的灵活性和开发效率。


2、Rapid IoT主要器件详解
2.1 K64_120: Kinetis® K64-Arm® Cortex®-M4内核+ DSP,120 MHz, 256KB SRAM微控制器(MCU) ,1 MB闪存,256 KB SRAM,单周期MAC,单指令多数据(SIMD)扩展,单精度浮点运算单元,外设和存储器用的多达16通道的DMA。
这是一款历史悠久的MCU,而且采用这个芯片的明星产品多得数不过来,这也是“头牌”的特权。具有以下特性,
[color=rgb(37, 37, 38) !important][size=1em]超低功耗: 灵活的低功耗模式,提供电源和时钟门控,可以实现最佳的外设活动和恢复时间。停止电流<340 nA,运行电流<250 μA/MHz,停止模式唤醒时间为4.5 μs,工作电压降至1.71 V时,仍可实现完整的存储器和模拟操作,延长了电池使用时间,低漏电唤醒单元,带有多达7个内置模块和16个引脚,可作为低漏电停止(LLS)模式/超低漏电停止(VLLS)模式的唤醒源, 低功耗定时器支持系统在低功耗状态下持续运行。
          两个分辨率可配置的高速16位模数转换器(ADC),两个12位数模转换器(DAC),3个高速比较器。多达4个FlexTimer,总计20个通道。带硬件时间戳功能的IEEE 1588以太网MAC,USB 2.0 OTG (全速),带USB收发器。带嵌入式48 MHz振荡器的智能式设计,可采用USB无晶振系统设计,多达6个支持IrDA的UART,其中一个UART有ISO7816智能卡支持,IC间音频传输(I2S)串行接口,CAN模块,3个DSPI,3个I2C。
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2.2 KW41Z是一款超低功耗、高集成度的单芯片器件,具备Bluetooth® Low Energy (BLE) v4.2和IEEE® 802.15.4射频连接。KW41Z无线MCU集成了一个2.4 GHz收发器,支持FSK/GFSK和O-QPSK调制,一个ARM® Cortex®-M0+ CPU,高达512KB闪存和128 KB SRAM,802.15.4分组处理器,硬件安全和外围设备,可满足目标应用的需求,在Bluetooth Low Energy网络和Thread等基于802.15.4的网络上进行并行通信。
KW41Z本身就是一个明星产品,尤其是主打低功耗视频集成的性能,由于出色的内存和性能,可以独立一锅烩完成可穿戴产品的设计,和
Kinetis® K64搭配的时候,只能做配角出现。对于需要快速验证的项目,其实这个开放平台,可以视作2个开发板的二合一产品。
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2.3 NTAG I2C相对其他芯片就不那么出名,但是作为可组合的无源NFC接口和接触式I2C接口,是最快速、最经济的方式为电子设备添加轻触即付连接的方式。无接触卡的手机支付的标配。NXP继承了Philip在NFC领域的所有知识产权,是绝对的NFC老大,在欧盟审议高通合并案时候,NFC还专门作为反垄断的一个重要部分单独谈判的。
虽然看着很复杂,但是由于开发只需要I2C接口部分的通信部分,更便于使用了。
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2.4 三种传感器
FXAS21002C 3轴陀螺仪是完整的3轴陀螺仪,采用紧凑型QFN封装,2.7 mA工作电流(2.8 μA待机电流),角速率分辨率为0.0625 dps/LSB,动态可选的全量程范围(±250/±500/±1000/±2000°/s),32采样FIFO,输出数据频率(ODR)范围:12.5 Hz至800 Hz。
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FXOS8700CQ 6轴传感器将14位加速度传感器和16位磁力计与高性能ASIC结合在一起构建电子罗盘解决方案,典型的方向分辨率为0.1°,罗盘方位精度误差小于5°,宽动态范围±1200 μT,内嵌矢量大小检测,内嵌自动硬铁校准。

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MPL3115绝对气压传感器,工作范围20kPa到110 kPa, 接口I2C,对环境气压进行敏感的监测。
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2.5 MC34671是一款高性价比的全集成充电器,适用于锂离子或锂聚合物电池,包括涓流、恒流(CC)和恒压(CV)这三种充电模式。它能承受 28V的输入电压,通过外部电阻,恒流(CC)可设置为600 mA。恒压固定为4.2V。无需外部MOSFET、反向阻断二极管和电流感应电阻,确保最大600 mA的可编程充电电流,在-20 °C至70 °C温度范围内,电压精确度为±0.7,在-40 °C至85 °C温度范围内,电流精确度为±5%,最小输入工作电压为2.6 V。
这颗芯片在Hexiwear中一直延续到Rapid IoT中,原理图如下。
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2.6 其他有趣的芯片,下面的这些芯片其实都有传统的替代产品,但是,在这里应用,展示了优越的特性。
2.6.1 PCF2123是一款CMOS实时时钟(RTC)和日历,最适合低功率应用。通过串行外设接口(SPI-bus)以6.25 Mbit/s的最大数据速率串行传送数据。还提供警报和定时器功能,可在中断引脚上生成唤醒信号。偏移寄存器允许对时钟进行精细调整。
实时时钟基于32.768 kHz石英晶体提供年、月、日、周、时、分和秒,运行时的低备用电流:VDD = 2.0 V和Tamb = 25 ℃时典型为100 nA,具备中断能力的自由可编程定时器和警报,时钟工作电压:1.1 V至5.5 V,带分离式可组合数据输入和输出的3线路SPI总线。

2.6.2 A1006安全认证器解决方案是一个完整的嵌入式安全平台,适用于电子配件、手机、便携式设备、计算机和消费电子设备、以及需要一个强大安全基础设施的嵌入式系统。A1006证书基于NIST P-224曲线和SHA-224摘要散列,使用ECDSA (椭圆曲线数字签名算法)进行数字签名,提供客户期望的证书颁发机构授权的密钥,非易失性存储器(NVM)用于存储器件行为数据、用途数据、物流信息或其它任意的数据
防范SPA、DPA和故障攻击,OWI 100 kbps,通过外置电阻器(上拉电阻)供电的总线,400 KB I2C快速模式接口。

这款芯片是硬件加密方案,在敏感性的如身份认证,支付场景下的安全解决方案,也是一个比较新型的设计思路。在Rapid IoT这个芯片是和NTAG I2C组合使用的,对于NFC通道的数据进加一道安全锁。


2.6.3 NX3L2267是双路低电阻单刀双掷模拟开关,适用于模拟或数字2 : 1多路复用器/解复用器。每个开关都具有一个数字选择输入(nS)、两个独立的输入/输出(nY0和nY1)和一个公共输入/输出(nZ)。这个在NTAG I2C和A1006的上端,连接MCU的I2C接口,控制通道的链路传输。独特之处在于NX3L2267能够使用1.8 V数字控制器切换4.3 V信号,无需逻辑电平转换。NX3L2267允许振幅高达VCC的信号从nZ传输到nY0或nY1;或从nY0或nY1传输到nZ。其低导通电阻(0.5 Ω)和平坦度(0.13 Ω)确保最小衰减和传输信号失真。
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2.6.4 NX3P191是高端负载开关,具有支持高于500 mA持续电流的带输入浪涌电流降低的低导通电阻P沟道MOSFET以及在禁用时可使输出电容放电的集成式输出放电电阻。专为1.1 V至 3.6 V工作范围而设计的该器件在电源域隔离应用得到使用以降低功耗并延长电池寿命。在这个设计里,多处都使用到了NX3P191,集成这么多传感器,功耗管理显得非常重要,从设计看,这样的增加器件从成本上增加比较明显,但是如果能在续航上得到弥补,那么因低接地电流和超低关断电流而非常适合便携式电池供电而应用,非常值得考虑。
这个器件在Hexiwear中是没有的,从评测的角度看,这个是对hexiwear本质上的一个重大更新和改进。因为,在评测Hexiwear中最让人困惑的就是电池太不耐用了,即使是在关闭屏幕的节电状态下,都不能坚持半天,在开发的过程如此,那么在复杂的实用环境下,更是一个让人无法放心的地方。
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2.7 其他元件。显然,Rapid IoT这个开发平台提供的不止这些,JDI的OLED屏,空气污染传感器等这些都能在这么集成的尺寸中实现,都是各个细分功能中的强者。不过,不逐个分解了,见下图。
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3、应用于手机同步器的开发特征
3.1 独特的开发循环
在这个开发套件中,直接跳过了传统的多个步骤,直接就进入到了代码阶段,验证后,可以快速投产。整个设计是开源的,提供了OrCAD, Altium, Eagle格式的设计源文件,在这个基础上直接做减法,还能不能更省事啊。
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3.2 互联互通的逻辑配置
可以采用联网的方式,有3种:采用Thread网关,外接wifi或通讯模块,采用内置的蓝牙射频连接。本设计就采用内置的蓝牙模式,应该是这么短时间内最可行的评测方式。

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4、手机同步器的评测计划
4.1 目标
      通过制作一个手机同步器,来实现评测。具体功能是手机联网,采集网络信息,如当日天气,污染指数等。通过蓝牙推送到便携设备。
4.2 计划和进度
第一周,硬件原理分析和开发环境的搭建和测试。
第二周,手机应用的重要传感器的数据采集和开发测试。应用云开发模式。
第三周,手机客户端app演示开发。
第四周 联合调试,实现与手机的信息交换和互联功能。

此内容由EEWORLD论坛网友北方原创,如需转载或用于商业用途需征得作者同意并注明出处





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发表于 2018-12-26 17:53:41 | 显示全部楼层
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一粒金砂(中级)

Rank: 2

发表于 2018-12-27 13:55:08 | 显示全部楼层
“ 通过制作一个手机同步器,来实现评测。具体功能是手机联网,采集网络信息,如当日天气,污染指数等。通过蓝牙推送到便携设备。”这些功能DEMO里都有了你是要自已再写一个DEMO吗?


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