构建一个“远程青蛙板”，连接任何传感器测量数据

时间：2025-05-22 16:05:49

关键字：传感器 PCB nPM1300

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[导读]本文是基于设计挑战提案的更新版本。在第一部分中，提出了远程青蛙的设想设计。在第二节中，讨论了功率预算考虑因素。第三部分给出了系统的设计，给出了系统的PCB原理图。在本节中，将突出显示提案设计的更新，并留下提案示意图供参考，以了解系统是如何开发的。

本文是基于设计挑战提案的更新版本。在第一部分中，提出了远程青蛙的设想设计。在第二节中，讨论了功率预算考虑因素。第三部分给出了系统的设计，给出了系统的PCB原理图。在本节中，将突出显示提案设计的更新，并留下提案示意图供参考，以了解系统是如何开发的。

规划

我通过列出挑战所需的基本组件开始项目，并开始设计Remote Frog：

•nRF9151: LTE-M和GPS

•nPM1300：蓄电池充电和系统供电

•太阳能电池板

?带最大功率点跟踪的太阳能转换器

•USB: c型，充电，编程，配置和日志下载

•电池

•传感器：盛思锐SCD30二氧化碳，英飞凌DPS310压力

•原始青蛙传感器套件的外壳

系统看起来如下图所示。

我想重新使用青蛙的外壳，在那里太阳能电池板可以安装在它的头上。倾斜的设计是伟大的，因为它可以让雨水洗掉面板上的污垢，甚至可以根据地理区域和收集尽可能多的太阳能的最佳位置进行优化。太阳能电池板应该是外用的，并且足够小。有来自Adaruit和Seed studio的选择。这些面板可以提供1w的最大功率。在外壳中，新设计的Remote Frog将取代现有的ESP32 WiFi模块。所以它的尺寸应该在10cmx5cm的范围内。在这里，我决定使用LTE和GPS的外部天线，它们将安装在大礼帽下方，并通过同轴电缆连接到电路板上。这将提高无线性能。传感器将保持在原来的位置。我还决定使用18650尺寸的锂离子电池，因为它们很容易在当地采购，并且有将电池直接连接到PCB的安装。

下面是一个粗糙的切片槽示意图如何新的组装将适合在修改的青蛙外壳。

对于太阳能调节器，我决定使用LTC3130，因为它具有宽范围的输入电压，这意味着可以使用不同尺寸的面板，特别是在测试期间。有很多不同的选项已经集成了电池充电器，但我决定按照最初的要求使用内置充电器的nPM1300，并有很多系统电源管理选项。其他选择可能稍微便宜一点，但nPM1300和LTC3130的组合提供了很多选择。为了集成USB充电，我选择了一个电源开关TPS2116，在连接设备进行测试和开发时，从太阳能调节器或USB向nPM1300供电。

由于nRF9151没有USB连接，我正在查看串行UART到USB芯片，但最后决定只使用北欧nRF52820的USB最小选项IC。这个选项并不贵多少，而且还允许添加低功耗蓝牙(BLE)通信。在审查过程中，建议使用nRF52833来获得更大的功能，并且具有兼容的占用空间，因此以后它仍然可以用nRF52820替换。

我也开始考虑是否可以选择扩展测量的类型。在这里，我开始关注颗粒物(PM)测量，因为这将很好地补充二氧化碳环境监测。为此，我认为盛思锐SEN55巫婆需要5v电源。与CO2传感器相比，PM测量需要更大的功率，但正如下一节所示，仔细的电源管理也可以进行PM测量。

功率预算

对于电力预算，我收集了主要选择组件的信息，并确定了平均功耗。下面是所考虑的值的概述。

从计算中可以看出，CO2测量对功耗的贡献最大。

我们希望使用一种电池，当太阳能电池板无法为系统供电时，它可以在没有阳光的情况下长时间运行。如果我们在18650外壳中选择现成的大容量3500毫安锂离子电池，我们得到了流动的计算：

从计算中可以看出，该系统仅靠电池就可以运行27天左右。

我们还必须确定太阳能电池板给电池充电需要多长时间。经过一番考虑，我选择了Adaruit 5V 1.2W太阳能电池板。面板开路电压7.09 V，短路电流0.22 A。峰值电压为6.07 V，峰值电流为0.2 A。最大功率为1.22瓦。收费的计算如下。

从计算中我们可以看出，在系统只使用电池供电而不使用太阳能供电的时间内，电池可以很好地充电。值得注意的是，即使在最好的条件下，由于夜间时间，太阳能电池板也不会连续充电12小时。即使一些电荷可以从其他光源收集。

如果我们把PM测量值也加入到计算中。我们首先得到的结果并不乐观，但如果我们减少PM测量的时间，我们可以大大延长运行时间。计算结果如下。

从计算中我们可以得出结论，如果我们不断地进行PM测量，传感器在没有太阳能的情况下只能运行1.5天，并且会不断地耗尽电池电量。但如果我们减少测量的次数，我们可以把这个时间延长到一个多星期的可控时间。这将是我想在硬件上的实际实验中研究的事情之一。

图表

我在KiCad开源工具(9.0版)中设计了Remote Frog PCB原理图。我用了一个很棒的北欧图书馆。在本节中，我将介绍原理图，并对一些设计选择进行评论，并提供如何使用电路板的说明，同时突出显示拟议设计的更改。

下面是系统概览示意图。我把系统分成更小的部分。这些部分是USB，太阳能调节器，电源管理，传感器连接，nRF9151和nR52833(而不是nRF52820)。

我设计的系统是可配置的，易于调试。根据我的经验，当你将一块新板带入生活时，测试点和跳线总是太少了。与建议相比，我增加了能够用nRF52833调试nRF9151的线路，除了为USB桥提供UART之外，这将大大简化开发。由于有四条线连接两个soc，一对可用于终端，另一对用于调制解调器走线。与建议和安装孔占位符相比，还有一些额外的测试点。该设计允许仅使用nR52833的电路板，这可能对其他项目有用。

对于第一部分，我们可以看看基于LTC3130的太阳能电池板调节器。

在原理图的左上方有太阳能电池板连接器，在中间是buck-boost太阳能电源调节器。在这种情况下，主要的两个重要细节是MPP跟踪和输出电压电阻分配器。其他部分基于数据表。该调节器的MPP跟踪是MPPC(最大功率点控制)。在其他产品中，它不如真正的MPPT好，因为它在输入端的分压器确定的预设电压值上工作。设计值适用于所选的峰值电压为6.07 V的太阳能电池板。另一个是输出电压，我将其设置为4.4 V，以便下一节讨论的电源开关将优先考虑USB 5 V电源。

与提案中的太阳能调节器原理图相比，没有太大变化。一些跳线电阻被替换为焊料跳线，一些电容器被重新排序，这些电容器不需要减少占地面积，同时如果在输入端需要额外的电容，则添加一些占位符。最大的变化是从下面所示的nPM1300的一个开关为EXTVCC引脚供电的额外选项，这降低了输入端启动稳压器的最小电压。

下面是nPM1300和TPS2116的电源管理原理图。

从左上角开始有太阳能和USB电源两种输入电源选择。如果可用，TPS2116设置为优先使用USB电源。TPS2116的输出为nPM1300供电。我用了两个buck调节器。它们通常会被设置为3v运行。这里是对初始设计的一些更改。VOUT1用于为nRF9151 IO、nRF52833和nPM1300 IO供电，而VOUT2用于为外部传感器供电，因此可以关闭以节省电力。之所以进行更改，是因为大多数情况下需要同时为两个soc供电，如果不需要一个soc，则可以简单地不填充它。从VOUT1，我还通过两个nPM1300交换机布线。一个将用于为GPS外部有源天线供电，另一个用于连接太阳能调节器的EXTVCC引脚的传感器供电。

USB检测使用TPS2116并连接到nPM1300引脚，可用于检测变化并向主SoC发送信号。同样，这是对太阳能调节器的良好信号进行的。nMP1300引脚上的输入信号也用于切换GPS电源开关和中断主SoC的输出。我预测这两个按钮将用于发货功能，但可能不会在最终应用程序中使用，led将在调试步骤中使用，以后可能不会填充。

在左下角有电池部分，有一个选项连接电池通过一个2针，3针连接器或使用18650在PCB上的支架，我添加了保护电路。我在那里设置了跳线，如果会造成问题，就绕过保护。这是必须首先在实践中进行测试的一部分。

右下角是一个额外的5 V升压稳压器，用于为SEN55 PM传感器供电。如果不使用，它可以通过使能引脚关闭电源或根本不填充。

USB原理图仅包含USB C连接的保护和滤波器。数据线接nRF52833， CC接nPM1300。与nRF9151的通信将通过nRF52833使用UART进行。这将用于调试、升级设备固件和调制解调器跟踪，以及查看日志或下载本地保存的备份数据。nPM1300将通过CC线配置更高功率的USB充电器，可用于部署系统之前的初始电池充电。与提案相比，唯一的变化是更新了保护标志。

同样，关于传感器的连接器的原理图也没有太多可说的。上部4针连接器是STEMMA QT/Qwiic连接器，默认电源为3v，但如果需要，也有跳线选择5v电源。下面是SEN55的连接器。如果不使用，它可以是空的。Bot连接器使用I2C电压电平转换，允许关闭传感器的电源。我添加了跳线来桥接电平转换，因为在某些情况下不需要，可以保留一些功耗。还为6针连接器增加了电源选择。

最后，我们可以看看MUC的原理图。我们从主SiP nRF9151开始。

SiP由nPM1300的VSYS和VOUT1的VDD供电，VOUT1为3v。右边是两个天线的连接器。GPS连接器为外部有源天线提供电源。天线为apkd1507g2 - 01000s， LTE天线为BTPA0061204G0C4A04。它们与初始设计相似，并且可以根据可用性与其他设计互换。

在右下角有与nRF开发板使用的相同头的SWD调试器连接器。SWD信号也连接到nRF52833。在右边有FLASH和Nano SIM卡持有人的标志。SIM卡座连接槽保护。在这种情况下，可以观察到一些信号的重新路由是为了更容易地布线PCB。此外，信号被传输到一个槽孔连接器，以备将来的项目使用。

从MCU到其他部分的信号为I2C，从nPM1300中断，UART连接到nRF52833，启用GPS和启用5V。

nRF52833具有来自nRF9151的大部分数据信号，但如前所述，默认情况下不使用某些数据信号。与初始设计信号相比，增加了用于SWD调试nRF9151的信号。当使用VDD供电，USB连接和使用内部调节器时，我根据数据表建议选择了组件。我增加了PCB天线，因为这种PCB的生产成本保持不变，可以在未来使用。与最初的设计相比，SoC更改为nRF52833，并重新路由信号，以便更容易地进行PCB路由。此外，还增加了NFC功能。天线设计针对特定的芯片天线进行了更新。

PCB设计

由于有很多信号要路由，我决定设计一个4层板。我准备了KiCad板设置，在这里我定义了PCB层堆栈，这是PCBWay为1.6 mm厚板的正常4层生产选项之一定义的。我还添加了PCBWay为他们的标准工艺提供的设计规则，以便能够制造PCB并且不会使生产成本更高。

上层用于信令和一些电力线。顶层下面的内层是专门用于地面的，这对射频信号特别有帮助。内层用于分配功率。底层用于信令和一些功率分配。

我使用6密尔线作为信号路由和更宽的线作为电源路由，我还添加了填充区域，以具有更宽的电源梯田。对于过孔，我主要使用0.2毫米孔，直径0.5毫米。对于线间距，我使用了6密耳。

第一步，我根据组件的子系统原理图对组件进行了大致的定位，并对相关组件进行了分组。我想把所有的东西都放在一个小的整体空间里，所以我决定把电池座、按钮和led放在底层。电池座是一个槽孔组件，所以它是在任何情况下焊接最后，因此不会使生产更昂贵。按钮和led在大多数情况下不会被填充，因此电路板可以仅从顶部组装其余组件。除了太阳能电池板和电池的连接器外，大部分组件都是SMD组件。这些是JST-PH系列2针和3针连接器。

首先，它是很好的定位连接器。我将连接器定位到板的边缘，以便于连接，它们是直角的。在左侧有用于电池和太阳能电池板的JST-PH连接器。在顶部边缘到左边是传感器连接器(STEMMA QT/Qwiic) JST-SH。上边缘的中间是nano SIM卡支架，右上方是用于外部LTE和GNSS天线的ufl (IPEX MHF I)连接器。这些连接器应远离其他连接器，以减少干扰。底部边缘是USB-C连接器。

根据连接器的定位，其他组件很快就位。

nRF9151是关键组件之一，放置在LTE和GNSS天线连接器附近。与其他由参考布局放置的组件。FLASH芯片和nano SIM卡支架在这个位置不会有很长的线路。

另一个关键组件是nRF52833，其芯片天线也必须位于电路板的边缘。我把BLE天线放在右下角。nRF52833放置在靠近天线的地方，不要有很长的连接线，其他走线的布线尽量远离芯片匹配网络、50欧姆的连接走线以及天线本身与其匹配网络。在这种布局中，USB差分数据线对USB- c连接器没有那么长。其他组件由参考布局放置。

调试连接器被放置在板的边缘方便的地方，以便他们可以连接到nRF开发板编程。

由于nPM1300分配电源并具有额外的信号连接，它被放置在电路板的中间。其所需组件的其余部分基于参考布局放置，而重点放在BUCK组件的放置上。

太阳能调节器靠近公猪左侧的太阳能电池板的连接器，5v调节器靠近顶部的6针传感器连接器。电源开关在左下方，连接USB和太阳能稳压电源到nPM1300。这里的电池保护电路也被放置。

电平移位器位于传感器连接器附近。

电池座放置在底部，考虑到需要的孔，以便顶部的信号线不受干扰。从支架端子的线路被加宽，以能够承载更多的电流，而不是过热太多。在底部也有一个地方的热敏电阻，将监测18650电池的温度，因为电池大多没有保护。

在背面，我也定位了大部分的焊料跳线和一些调试测试点。

安装孔位于板的上角和中间。PCB的其他部分由电池座占用。

我将电路板边缘磨圆，并在USB-C连接器和nano SIM卡支架放置的地方添加了向内切割，因此电路板的任何部分都不会从PCB中伸出来。单板外型尺寸为86x55mm。18650电池安装时，由于连接器的关系，前组件高度为8mm，后组件高度为20mm。安装孔为M2.5螺钉设计。

该PCB的关键设计之一是连接BLE， GNSS和LTE天线的50欧姆线路的设计。基于KiCad阻抗计算器对带地平面和PCB层叠的共面波导进行了阻抗计算，确定了50欧姆线宽度为0.31 mm。

在制作之前，我将设计提交给Nordic DevZone审核，由Ketil Aas-Johansen和竞赛评委Helmut Lord审核。这个过程非常迅速，并感谢双方的快速和详细审查。没有严重的担忧。其中一个建议是将BLE匹配组件放置在更靠近nRF52833的位置，另一个建议是提供在太阳能调节器上使用EXTVCC引脚的选项。

设计文件可在GitHub RemoteFrog-PCB存储库中获得。

PCB制造与组装

在我完成PCB设计并更新了审稿人的建议后，我在PCBWay上下了订单。我命令pcb进行阻抗匹配，以便为天线连接提供更好的RF特性。

制造部的工程师建议做一些额外的改变。首先是去除nRF52833焊盘周围的阻焊膜，因为空间太小，只有0.15 mm。第二是去除焊盘内热通孔上的阻焊膜，以免在焊接过程中引起阻焊膜斑点。

另一个问题是电池热敏电阻，我设计的孔，热隔离它从系统的其余部分。孔被放置在板边缘切割gerber层，必须删除，因为边缘路由不够精确。孔将不得不放在非镀槽孔钻层。

最后，还有nRF9151与其小内焊盘的焊接问题。对于这种情况，至少建议使用浸金(ENIG)，这使得制造成本更高。为了减少焊接nRF9151的复杂性，北欧的文档中有一个注释，建议屏蔽这些小引脚的焊接模板。另一个选择是完全去除PCB上的焊盘，以减少焊接桥接的机会。

最后两个问题并不重要，但可以在下次修订中加以解决。

由于组装板的制造前置时间大约是一个月，我下了10块PCB板的订单，其中5块将被组装，另外还有一个焊接模板。

没有人的板子和模板在付款后一周内制造出来。5块板子和模板寄给我，我试着组装一块板子并开始调试。

当我收到未填充的pcb时，我能够自己焊接大多数组件，除了nRF9151，你必须有更多的练习。但即使是其他组件，你也必须有相当多的经验，至少有热风焊接站。对于焊接nRF9151加热板或烤箱将是更好的选择。在任何情况下，我都能够开始测试这个板，事实证明它对开发也很有用。

其余的电路板在一个月内组装好并运出。

在制造过程中，PCBWay提供了验证PCB堆栈和组装过程的选项，重点是组件方向。两者都没有问题。

5个未填充的pcb， 5个与组件和焊接模板组装的最终价格为622.66美元(不含税和交货)。一个组装板的价格是108.24美元。

物料清单

在本节中，我将介绍BOM来组装远程青蛙板和Ribbit网络操作的完整设备。许多组件将从原来的Frog套件中重新使用，以组装完整的设备，因此在这里我将重点讨论它们的区别。

主要部件将是遥控蛙PCB组件。基于4层10cmx5cm PCB的PCBWay在线工具，最初的在线报价是5块板25.97美元，每块板5.2美元。这比最终版本低一点，特别是因为最初没有考虑阻抗匹配和ENIG。

为了完全组装一块电路板，最初版本的在线分销商的组件价格为72.74美元，最终版本的组件价格为75.37美元，主要是因为要换成nRF52833和一些额外的连接器。完整的BOM表附在最后。与提案版本的78美元和组装板的108.24美元相比，带有非组装PCB的电路板最终设计的总价格为89.67美元。价格在一般范围内，与组装板，你有最少的问题，但将不得不等待一段时间。

此外，您还需要GNSS和LTE天线，锂离子18650电池，太阳能电池板和可选的SEN55。要完成一切，你需要一些电线，连接器和锡膏，如果你自己组装板。这是完整的价目表。

新设计的Remote Frog比原来的贵99.54美元，对于定制板和提供许多新功能的设备来说，这是一个合理的价格。

PCB测试

对于远程青蛙的初始测试，我使用了手工组装的PCB。

首先，我检查了电源线上的短路和重要的信号痕迹。当一切正常时，我用USB为电路板供电并检查电压。VOUT1稳压器输出1.76 V，与nPM1300开发板设置为1.8 V时相同。

然后我测试了电源开关的开关，通过USB和替代太阳能电池的工作台电源为电路板供电。一切都按预期进行。当电源开关在外部电源之间切换时，nPM1300会短暂掉电。当电池存在时，可以避免这种情况，并且这样的设置可以使您拥有小型UPS系统。

我尝试用nRF9151 DK板编程nRF52833。为了与Remote Frog上不变的nPM1300 VOUT1电压兼容，我将DK板的电压设置为1.8 V。我尝试了一些简单的“hello world”样本，通过USB闪烁和终端。对于开发，我在Visual Studio Code中使用了nRF Connect SDK和Zephyr。这些例子是有效的，我也尝试了BLE的例子，但不幸的是BLE不太可能起作用，因为天线匹配必须进行调整。

当组装好的电路板到达时，我再次测试了短路，并检查了USB，电池和太阳能连接器的外部电源电压。

然后，我用UART到USB桥接程序对nRF52833进行编程，其中我结合了来自Zephyr存储库的两个示例。我还想在同一个项目中合并SWD调试器示例CMSIS-DAP，但它存在一些问题，Windows无法识别USB设备，因此我无法结合示例。

SWD调试器示例在禁用BOS时工作，因此我能够对缺少nRF9151的手组装板上的nRF52833进行编程，并将其用作PCBWay组装板上nRF9151的调试器，同时使用板载nRF52833用于UART到USB桥接。我扩展了桥接功能，使两个uart可以同时桥接。一个可用于nRF9151的终端，另一个用于调制解调器跟踪。

基于此设置，我首先在nRF9151上尝试了echo示例。这对两个uart并行工作没有问题。

对于上述情况，我在zephyr项目中使用nRF52833 DK和nRF9151 DK的板定义，并为Remote Frog上使用的引脚创建了覆盖层。

然后，我尝试根据nPM Power up应用程序的配置设置nPM1300。控制SoC是nRF9151，我为其准备了带有nPM1300配置的覆盖文件。我将VOUT电压设置为3v，使能电池充电(具有电流限制保护)，并将太阳能调节器上的EXTVCC开关设置为使能开关，并设置其他开关由nRF9151的GPS_EN引脚控制。

有了这个设置，我就可以测试电池充电和太阳能电源调节器。为了测试太阳能电源调节器，我将其连接到一个工作台电源，并慢慢增加电压，最大电流绘制达到设计的MPP 6 V。在电池开始充电的同时吸取足够的电流是可能的。我还测试了太阳能电池暴露在阳光下的设置，稳压器输出电压在设计的4.4 V附近测量，电池开始充电。

附加的测试程序用于测试gpio和测试与传感器的连接。对于这种情况，我修改了最小的示例并添加了shell功能。基于该程序，使用命令“i2c scan i2c2”，我检测到SCD30， DPS310和nPM1300的地址0x61, 0x6b和0x77。

使用的软件示例可以在GitHub RemoteFrog-SW存储库上访问。

最终申请程序

为了进一步开发软件，我尝试用at_client nRF蜂窝样本闪存nRF9151。起初我有一些问题，因为调制解调器不能正常工作。然后我意识到，由于它是一个新芯片，SiP只包含必须更新的测试固件。更新完成后，at_client示例开始使用Cellular Monitor组合。另一件需要做的事情是将跟踪监视器的UART频率设置为1m波特率。