【TI首届低功耗设计大赛】+ 硬件设计方案

azhiking · 发表于2014-10-28 22:51

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本帖最后由 azhiking 于 2014-11-4 14:26 编辑

硬件的设计为EXP430FR5969的扩展板的形式，同时留出MCU接口的电源管理接口。焊上MCU，加上外部电池可以独立于评估板工作。由于系统的低功耗以及PCB面积较小的特性，所以所有元器件在选型的过程中首先考虑其低功耗特性，器件必须支持休眠，尽量小尺寸封装(好在现在很多器件都是QFN封装，面积是小了，不过手工焊接的难度增加啦)
1. 用户界面：
选用0.96寸的OLED屏，配合板子上的两个用户按键作为用户界面。选择这款OLED采用SSD1306的驱动芯片，工作电压1.65V~3.3V。由于MCU的功耗是和驱动电压成正比的，所以希望系统的工作电压尽可能低。另外这款屏支持256级亮度调节——节能，支持休眠——还是节能。屏支持SPI,I2C以及8位并行接口。系统中打算采用SPI接口，保证速度的情况下也不占用太多的IO口。

驱动芯片的手册如下：

SSD1306.pdf (1.8 MB, 下载次数: 0, 售价: 1 分芯积分)
2. 传感器的选型
a. 温湿度传感器选择瑞士SENSIRION的SHT10传感器. 这是一款超小体积，超低功耗的II2接口的温湿度传感器。可以测量相对湿度和温度，兼有露点功能。其供电电压为2.4~5.4v。

SHT10(温湿度传感器).pdf (971.68 KB, 下载次数: 0, 售价: 1 分芯积分)
b. 地磁传感器和三轴加速度传感器选用Invensense 的MPU9250。支持SPI和II2通讯方式，芯片的手册以及用户指南如下：

RM-MPU-9250A-00.pdf (508.01 KB, 下载次数: 1, 售价: 1 分芯积分)

RM-MPU-9250A-00 MPU-9250 Register Map & Descriptions v1.4.pdf (239.88 KB, 下载次数: 1, 售价: 1 分芯积分)

RM-MPU-9150A-00v4_2.pdf (788.99 KB, 下载次数: 0, 售价: 1 分芯积分)

MPU9250REV1.0.pdf (655.2 KB, 下载次数: 1, 售价: 1 分芯积分)
c. RTC 选用MAXIM的 DS3231.DS3231是低成本、高精度I2C实时时钟(RTC)，具有集成的温补晶体振荡器(TCXO) 和晶体。该器件包含电池输入端，断开主电源时仍可保持精确的计时。特性如下：             ♦0°C至+40°C范围内精度为±2ppm
      ♦-40°C至+85°C范围内精度为±3.5ppm
      ♦为连续计时提供备用电池输入
      ♦工作温度范围          商用级：0°C至+70°C
         工业级：-40°C至+85°C
      ♦低功耗
      ♦实时时钟提供秒、分、时、星期、日期、月、年信息，并提供有效期到2100年的闰年补偿
      ♦两个日历闹钟
      ♦可编程方波输出
      ♦快速(400kHz) I2C接口
      ♦3.3V工作电压（实际工作电压范围为：2.3~5.5V）
      ♦数字温度传感器输出：精度为±3°C
      ♦老化修正寄存器
      ♦RST输入/输出
      芯片手册：

DS3231.pdf (449.27 KB, 下载次数: 4, 售价: 1 分芯积分)
d. 压力传感器选用的是MS5611。这款传感器的特性如下:             性能描述
      高度分辨率组件，10cm 转换时间低于1ms
      低功率，工作电流1uA（待机状态<0.15uA） QFN封装尺寸：5.0×3.0×1.0 mm3 供电电压1.8V～3.6V
      集成数字气压传感器（24位ADC）
      测量/工作范围：10~1200mbar（毫巴=百帕），-40~+85℃ I2C和SPI接口，传输速率可达20MHz 无外接元件（内置振荡器）长期稳定性好
3. 存储器件
a. MSP430FR5969
   FR5969的FRAM可以用作数据的存储。不过还不太清楚这个怎么使用。以后慢慢的学习。
b. EEPROM
   选择EEPROM也是一种备用存储方案，因为FR5969的FRAM可以用作存储。不过考虑到历史数据的回溯，外加一个EEPROM更为保险一些。
4. 电源管理
   虽然设计为扩展板，不过当脱离评估板独立工作的时候，还是需要外置电池的。打算选择小尺寸小容量的锂离子可充电电池，所以需要配上一款充电管理IC，是系统可以直接采用Mini USB口进行充电。
   a. 电源管理芯片选用TI的BQ24072 ，这是一款USB 供能的锂离子电池充电器和电源路径管理 IC。这款IC是3mm*3mm的QFN封装，体积很小，适合便携设备的应用。另外，它的功耗很低，也是uA级别的，在系统采用电池工作的时候，不会消耗太大的电能。

而且外围电路比较简单，应用起来也很方便。

采用电池输入，输入电压在3.7~4.2V范围，输出输出电压3V.利用TI Webench进行电源芯片选型：

综合考虑PCB面积，效率等因素，决定选择LMZ10500。这款芯片的输入电压在2.7~5.5V，输出电压范围为0.6~3.6V,效率高达95%。外围元件数量很少，只需要分压电阻和三个电容就可以了。不过封装为uSip（8）,这种封装手工焊接不太方便——没有十全十美的东西

利用webench生成的参考原理图。

芯片手册：

lmz10500.pdf (1.17 MB, 下载次数: 3, 售价: 1 分芯积分)

5. 其他器件
按钮
由于评估板上仅仅提供了2个用户按钮，考虑到兼容性，扩展板上利用同样的IO口做两个按钮，如果和评估板配合使用时，使用评估板上的两个按钮，否则使用扩展板自带的两个按钮。使用两个按钮的话，OLED的菜单操作稍微复杂了些。如果在扩展板上采用不同的方案，考虑到代码的兼容性，会增加不少代码量，而且编码的工作量也多了很多。所以综合考虑采用2个按键进行OLED的菜单操作。
蜂鸣器
蜂鸣器选型需要考虑的问题是驱动电压和体积，因为扩展板尺寸有限，所以选择体积尽量小的蜂鸣器。
6. 通讯接口
OLED显示屏和MPU9250采用SPI总线进行通讯。由于MSP-EXP430FR5969留出的扩展接口有限，而且想利
用MPU9250的三轴加速度计来产生中断用来唤醒MCU，所以SPI采用硬件SPI来实现eusci_b_spi。
由于硬件的I2C和eusci_b_spi使用了相同的IO口，所以I2C只能使用普通IO进行模拟。

Modified @ 2014-11-04
考虑到电源芯片的封装，决定换一款芯片，经过筛选，选择TLV707 LDO作为电源芯片。特性如下：

应用电路：

芯片手册：

tlv707.pdf (1.58 MB, 下载次数: 6)

maylove · 发表于2014-10-29 09:25

为什么设置阅读权限呢

azhiking · 发表于2014-10-29 10:13

maylove 发表于 2014-10-29 09:25
为什么设置阅读权限呢

还没有写完，只写了一个框架，算是一个草稿，等到写完后就把权限取消了。
本来想保存为草稿的，不小心点错了就发出来了。

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