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Nordic nRF51/nRF52开发流程说明 2023-07-01

开发者可以按照本文流程去评估和开发nRF52/51应用解决方案

Nordic nRF52系列包括nRF52832/nRF52840/nRF52810/nRF52811/nRF52833/nRF52820等芯片,nRF51系列包括nRF51822/nRF51422/nRF51802等芯片,开发者可以按照如下流程去评估和开发nRF52/51应用解决方案。

如果你英文比较好的话,建议直接阅读Nordic官方的“nRF5 Getting Started”:https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fug_getting_started%2FUG%2Fgs%2Fproduct_development.html&cp=1_0,介绍得非常详细,我下面的文章也是在该文基础上加工整理而得。

第1步:芯片选型评估,选择适合你的芯片型号。

1.1 粗略选型

首先大家可以快速浏览如下网页内容:低功耗蓝牙 - Nordic Semiconductor中文官网,以对Nordic每个芯片的最主要特性有个大致了解,下面为页面部分截图:

nrf52开发流程

上面是Nordic低功耗蓝牙产品横向对比页面,如果你需要看Nordic其他解决方案,比如Zigbee或者蜂窝网IoT,请参考如下页面:

nrf52开发流程

1.2仔细查看芯片具体参数

这个主要通过查阅nRF51/52 spec来实现的。nRF52系列芯片都只有一份spec,spec包含了芯片外设模块功能概述,电气特性参数,应用参考电路,封装和订购信息等内容,请注意电气特性放在每一个外设模块章节的最后面。nRF51系列芯片共用同一份参考手册,同时不同的型号还有各自的一份独立数据spec。参考手册主要描述各外设模块的功能及原理,spec则具体罗列本型号的电气特性参数,应用参考电路,封装和订购信息等。Nordic有一个TechDocs,你需要的任何文档都可以在这里找到,链接为:Technical Documentation (nordicsemi.com),界面如下所示。nRF52/51芯片spec就可以在此下载:nRF52840 (nordicsemi.com)

nRF52开发流程

第2步:选择SDK版本号以及相应的协议栈类型和版本。

对于nRF51/nRF52开发,Nordic提供两套SDK:nRF5 SDK和nRF Connect SDK,一般来说,推荐使用nRF5 SDK。当然如果你要使用蓝牙,Thread,Matter,ZigBee,Homekit最新特性,那么就必须要使用nRF Connect SDK(nRF Connect SDK说明请参考:开发你的第一个nRF Connect SDK(NCS)/Zephyr应用程序)。但对于大部分用户来说,这些新特性都是不需要的,下面还是以nRF5 SDK为例来讲解SDK选型。

推荐使用最新版的nRF5 SDK以及SDK自带的协议栈,nRF52系列产品开发推荐使用nRF5 SDK 17.1.0,nRF51系列产品开发推荐使用nRF5 SDK 12.3.0。nRF5 SDK开发环境搭建请参考:Nordic nRF5 SDK开发环境搭建(nRF51/nRF52芯片平台)。SDK官网下载地址为:https://www.nordicsemi.com/Software-and-Tools/Software/nRF5-SDK/Download#infotabs。至于协议栈,一般推荐SDK安装目录里面自带的协议栈,这个兼容性好,开发最简单。

大部分用户使用Nordic产品的时候都会使用Nordic协议栈,而协议栈是会占用一定的Flash,RAM以及某些外设模块的,大家评估的时候一定要把协议栈占用的资源扣除,然后再评估剩下的资源够不够用。而且开发Nordic产品的时候,经常需要跟协议栈打交道,因此强烈建议大家读一下协议栈spec,以大致了解Nordic协议栈的原理以及一些关键性能参数,如下为Nordic nRF52系列使用到的各种协议栈spec下载页面:

nRF52 开发流程

第3步:申请Nordic nRF52/51官方开发板(Development Kit,DK)

Nordic绝大多数例子都是在nRF51/52官方开发板上开发和测试的,手上有nRF51/52开发板将大大方便软件工程师的开发。nRF51/52开发板也可以作为参考板来排查用户板问题。在生产测试的时候,nRF51/52开发板还可以作为gold sample去测试用户板的射频性能是否合格。最后,nRF51/52开发板还带一块正版Jlink芯片,也就是说nRF51/52开发板本身就是一个Jlink烧写器,不仅可以用来烧写板子上的nRF51/52芯片,还可以用来烧写其他用户板上的Jlink芯片。一个正版Jlink烧写器在淘宝上售价为1000人民币左右,而Nordic nRF51/52开发板官方售价才39美金,正可谓“价格厚道,感动人心”。(PS:如果你拿到Nordic nRF51/52官方DK的话,你会发现Nordic DK做工是业界最好的,没有之一!)

第4步:电路设计

推荐直接按照nRF51/52 spec中的参考电路原理图和layout来设计自己的电路和布板,同时Nordic提供了实际的电路图和Gerber file,大家可以直接查看BOM清单,以及沿用里面的nRF5器件封装。

如果大家想深入理解蓝牙应用电路设计和布板的一些知识,可以参考Nordic提供的这个教程:https://devzone.nordicsemi.com/tutorials/25/

第5步:蓝牙射频性能调试

蓝牙射频性能最关键的三个影响因子:匹配电路调试,天线设计调试以及晶振选择,Nordic都有相应的指导文件。

5.1 匹配电路调试

请参考Nordic white paper 013:https://infocenter.nordicsemi.com/pdf/nwp_013.pdf?cp=12_14

5.2 天线设计

请参考Nordic white paper 017:https://infocenter.nordicsemi.com/pdf/nwp_017.pdf?cp=12_11

5.3 晶振选择

请参考Nordic white paper 015:https://infocenter.nordicsemi.com/pdf/nwp_015.pdf?cp=12_12

所有white paper和application note都放在Infocenter如下地方:https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fstruct_appnotes%2Fstruct%2Fappnotes.html&cp=11以及https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fstruct_whitepapers%2Fstruct%2Fwhitepapers.html&cp=12

第6步:电路图和layout review

Nordic或其代理商免费提供原理图和layout review服务,我们可以将原理图和layout提交给Nordic代理商或者Nordic Devzone进行审核。Devzone一般1到2个工作日就会给予你答复。Devzone提交电路图review的界面是长下面这个样子的:

nrf52流程开发

第7步:打板

如何贴片,Nordic也有相应的指导文件,目前Nordic芯片只有QFN,WLCSP和aQFN三种封装,相关贴片指导说明都放在application note中:https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fstruct_appnotes%2Fstruct%2Fappnotes.html&cp=11

第8步:射频性能测试

如果自己有专门的BLE测试设备,那么你可以自己来测试板子RF性能。如果你没有BLE测试设备,也没有关系,Nordic或其代理商免费提供BLE测试服务。只要把板子寄给Nordic代理商实验室,或者Nordic实验室,或者第三方实验室,比如R&S实验室,他们就能帮你完成BLE性能和符合性测试。你可以根据实验测试结果对板子进行二次整改。一般而言,专业的蓝牙测试设备都遵守DTM(Direct Test Mode)规范,所以设备端(nRF5端)只需下载DTM固件就可以与之通信并完成相关测试。Nordic每一版SDK都包含每颗芯片的DTM固件,建议大家使用SDK15.3.0里面的DTM程序,测试说明请参考:https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fcom.nordic.infocenter.sdk5.v15.3.0%2Fble_sdk_app_dtm_serial.html&cp=5_1_4_5

另外,在这里推荐一种简单RF测试方法,即跟Nordic官方 DK进行通信距离比对测试。可以把SDK中的HRS(Heart Rate application)程序分别下载到Nordic DK和你的用户板中,然后分别连上手机,看看手机跟DK的通信距离有多远?再看看你的用户板跟手机通信距离有多远?如果两者差不多,说明你的用户板RF性能不错。HRS程序放在SDK目录:<InstallFolder>\examples\ble_peripheral\ble_app_hrs,测试说明见:https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fcom.nordic.infocenter.sdk5.v15.3.0%2Fble_sdk_app_hrs.html&cp=5_1_4_2_2_13

第9步:功耗测试

低功耗蓝牙应用一般都是用电池供电的,所以对功耗要求非常高。如何有效快速的测试nRF5的功耗,尤其是BLE各种应用场景下的功耗,就显得尤为重要。Nordic提供了一个在线的理论功耗计算工具:https://devzone.nordicsemi.com/power/,你只需输入你的蓝牙应用场景,该在线工具就可以自动算出这种场景下nRF5芯片的功耗大概为多少,网页截图如下所示:

nrf52流程

该工具的使用说明请参考:https://devzone.nordicsemi.com/b/blog/posts/nrf52-online-power-profiler

除了这个在线的理论功耗计算工具,Nordic还提供了一块电流测试板:PPK(Power Profiler Kit),PPK可以用来实时测试用户板的VDD功耗,就像专业的电源测试工具或者示波器一样,PPK购买链接为:https://www.nordicsemi.com/About-us/BuyOnline?search_token=nRF6707, 使用说明请参考:https://www.nordicsemi.com/Software-and-Tools/Development-Kits/Power-Profiler-Kit/Download#infotabs

如果对BLE功耗测试原理感兴趣的话,可以参考如下两篇贴子:https://devzone.nordicsemi.com/tutorials/b/hardware-and-layout/posts/current-measurement-guide-introductionhttps://devzone.nordicsemi.com/tutorials/b/hardware-and-layout/posts/nrf51-current-consumption-guide

一般来说,测试BLE功耗时,nRF5可以下载HRS程序(关掉UART日志功能)或者power profiling程序,这2个程序都可以准确反应nRF5芯片的蓝牙功耗情况。Power profiling程序放在SDK目录:<InstallFolder>\examples\ble_peripheral\ble_app_pwr_profiling,测试说明见:https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fcom.nordic.infocenter.sdk5.v15.3.0%2Fble_sdk_app_pwr_mgmt.html&cp=5_1_4_2_2_20。HRS程序放在SDK目录:<InstallFolder>\examples\ble_peripheral\ble_app_hrs,测试说明见:https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fcom.nordic.infocenter.sdk5.v15.3.0%2Fble_sdk_app_hrs.html&cp=5_1_4_2_2_13

第10步:勘误表自查

勘误表(Errata或者PAN)内容一般都是关于软件开发注意事项的,软件出问题的时候或者正式量产之前,建议自查一下勘误表,以防踩到“坑”。请注意,虽然勘误表里面的条目很多,但真正跟你有关系的其实很少,原因有二:一勘误表里面的workaround已经集成到SDK里面,二错误出现的条件非常极端,你的应用不会有这种情况,所以不要被勘误表长长的列表给吓倒了。如果你使用的是最新版本的SDK和最新版本的芯片,一般而言,勘误表跟你无关,但如果你使用的是老版本SDK或者老版本芯片,那么就一定要自查勘误表了。

第11步(可选):认证

根据产品需要,你可以去做BQB认证,SRRC认证,FCC认证,ETSI认证,环保测试等。Nordic产品本身已经通过了上述所有测试和认证,对用户来说,这些认证工作,更多的是一些文档工作。一般来说,推荐用户去选择一家专业的实验室或者第三方机构去做这些认证,这样可以保证通过而且不耽误项目进度。

Nordic提供了两套射频测试固件,一套是DTM测试代码,符合蓝牙DTM标准,位于目录:SDK安装目录\examples\dtm\direct_test_mode,具体说明请参考:https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fcom.nordic.infocenter.sdk5.v15.3.0%2Fble_sdk_app_dtm_serial.html&cp=5_1_4_5;一套是Radio test测试代码,用于直接测试各个射频通道物理性能,比如频偏等,位于目录:SDK安装目录\examples\peripheral\radio_test,具体说明请参考:https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fcom.nordic.infocenter.sdk5.v15.3.0%2Fnrf_radio_test_example.html&cp=5_1_4_6_29。BQB认证或者SRRC认证,一般推荐使用DTM代码。另外如果你需要测试2.4G丢包率,也推荐使用DTM代码,这个在量产测试的时候非常有用。当然,SRRC认证也可以使用radio test代码,radio test代码除了可以测试蓝牙和2.4G,还可以用来测试802.15.4的物理层,比较适合用来进行定频测试以及频偏测试等。

BQB认证分终端产品和底层component两种认证,做终端产品认证需要用到component认证证书,即QDID,大家可以到如下的蓝牙联盟官网查询Nordic所有认证产品的 QDID:https://launchstudio.bluetooth.com/Listings/Search,在搜索框输入“Nordic Semiconductor ASA”,即可搜出Nordic所有QDID。

nrf52流程

除了上述认证,Nordic还提供如下报告:

nrf52开发流程

第12步:搭建量产烧写环境

Nordic不提供量产烧写器,不过有很多第三方机构,比如希尔特,以及Nordic代理商都有相关量产用的烧写工具。其实,支持SWD接口的Jlink烧写器都可以用来烧写Nordic产品(淘宝上有很多)。

虽然Nordic不提供量产烧写器,但是Nordic提供了一个量产烧写软件nrfjprog,而且nrfjprog有可执行文件,DLL库,Python接口等多种存在形式,同时支持Windows,Linux和Mac系统。nrfjprog的可执行文件和动态库在安装nRF5x Command Line Tools时就会自动安装好,可执行文件nrfjprog放置在如下目录:

nrf52开发流程

然后在Windows环境变量中添加上述目录,如下:

nrf52开发流程

你就可以在Windows命令行中执行nrfjprog命令,如下:

nrf52开发流程

nrfjprog支持的命令非常多,比如擦除,烧写代码,读寄存器,复位等,具体使用说明请参考:https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fug_nrf5x_cltools%2FUG%2Fcltools%2Fnrf5x_nrfjprogexe.html&cp=6_1_3

如果你想基于nrfjprog DLL来开发自己的量产烧写工具,请参考:https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fug_nrf5x_cltools%2FUG%2Fcltools%2Fnrf5x_nrfjprogdll.html&cp=6_1_4

现在Python非常流行,如果你想开发Python版的量产烧写工具,nrfjprog也提供了相关库:pynrfjprog,相关使用说明请参考:https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fug_pynrfjprog%2FUG%2Fpynrfjprog%2Fpynrfjprog_lpage.html&cp=6_2

如果你不想使用nrfjprog,而想使用标准的SWD指令去直接操作nRF5芯片,那么请参考white page 027:https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fnwp_027%2FWP%2Fnwp_027%2Fintro.html&cp=12_4

方法多种多样,选择适合你的就好。

第13步:搭建生产测试环境

一般来说,有2种生产测试方法:一是使用昂贵的专业设备来进行生产测试,比如Litepoint,Anritsu等,二是使用Nordic的nRF51/52 DK作为gold sample去测试DUT,成本低廉效果也不错。具体请参考Nordic application note 034:https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fstruct_appnotes%2Fstruct%2Fappnotes_nan34.html&cp=11_3

第14步:小批量试生产

重点观察产品一致性,良率和产能。

第15步:大批量生产

产品上市!

上面更多的是站在一个硬件工程师角度去评估,选型和开发一个产品,除此之外,软件选型也是非常重要的。软件开发的便捷性将直接影响产品的上市时间,SDK的稳定性和可维护性将直接影响后期人力资源的再投入,对很多公司来说,“软”投入已经大大超过“硬”投入了,所以软件选型也变得越来越重要了。

很多人都觉得Nordic产品的功耗做得非常低,很了不起,不过个人感觉,Nordic真正的杀手锏优势不是低功耗,而是其提供的SDK开发起来非常方便,运行也非常稳定,开发者不需要把自己的精力花在帮Nordic找bug和解bug上,而只需专注在自己的业务逻辑开发上。

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