探索XENSIV?傳感器屏蔽罩：開啟創新傳感應用之旅

在物聯網和傳感技術飛速發展的今天，傳感器的應用變得越來越廣泛。而作為硬件開發者，我們一直在尋找能夠集成多種功能的傳感器解決方案，以滿足不同項目的需求。今天，我要和大家分享一款非常有特色的傳感器屏蔽罩——Infineon的SHIELD_XENSIV_A XENSIV?傳感器屏蔽罩。

文件下載：Infineon Technologies SHIELD_XENSIV_A XENSIV?傳感器擴展板.pdf

一、產品概述

SHIELD_XENSIV_A XENSIV?傳感器屏蔽罩是一款專為與Arduino兼容的基板設計的硬件擴展板。它集成了多種傳感器和支持硬件，為我們提供了一個全面的傳感解決方案，可用于安全可靠的傳感應用。這款屏蔽罩適用于熟悉物聯網和傳感技術的技術專家，通常在實驗室條件下使用。

二、使用前的重要注意事項

在使用這款傳感器屏蔽罩之前，有幾個重要的注意事項需要我們了解：

評估板和參考板的性質

Infineon提供的評估板和參考板僅用于演示和評估目的，并非商業化產品。它們在設計時考慮了環境條件，但僅按文檔描述進行了測試，在安全要求、全工作溫度范圍或使用壽命內的制造和操作方面未進行全面驗證。而且，它們的功能測試僅在典型負載條件下進行，在退貨材料分析（RMA）、工藝變更通知（PCN）和產品停產（PD）等方面與常規產品的處理流程不同。這些評估板和參考板可能不符合CE或類似標準，使用時用戶需確保其操作符合所在國家的相關要求和標準。

靜電放電防護

評估或參考板包含對靜電放電（ESD）敏感的部件和組件，在安裝、測試、維修或修理組件時，需要采取靜電控制預防措施，否則可能導致組件損壞。如果對靜電控制程序不熟悉，應參考適用的ESD保護手冊和指南。

三、快速上手

套件內容

套件包含XENSIV?傳感器屏蔽罩和快速入門指南。收到套件后，我們要檢查套件內容，如果發現缺少零件，應聯系最近的Infineon銷售辦公室尋求幫助。

連接與開發平臺

這款傳感器屏蔽罩兼容基于Arduino UNO的Infineon開發平臺，如CY8CKIT - 062S2 - 43012或CYW920829M2EVK - 02。使用前，基板設備需要使用ModusToolbox?（版本3.1或更高版本）創建固件。

連接到CY8CKIT - 062S2 - 43012

• 創建開箱即用（OOB）應用程序：首先，將傳感器屏蔽罩連接到基板套件，然后使用USB電纜通過KitProg3 USB連接器將基板連接到PC。在ModusToolbox? IDE中，導入“XENSIV? Sensor Shield: OOB demo”代碼示例到新工作區。接著，選擇項目并在Quick Panel中點擊相應的配置進行構建和編程。完成后，打開終端程序，選擇KitProg3 COM端口，設置串口參數。編程完成后，應用程序將自動啟動，初始化所有傳感器并在TFT顯示屏和串口終端上顯示傳感器數據。我們可以通過按下基板上的用戶按鈕（SW2）在不同傳感器之間切換。
• 支持的代碼示例：包括SHT35濕度傳感器示例、雷達自主存在檢測示例、CO2傳感器示例等多個代碼示例，方便我們進行開發和測試。
• 額外配置：如果需要通過UART從串口終端接收數據，需要禁用CY8CKIT - 062S2 - 43012上的UART流控制。當僅通過MCU USB連接器（J7）為CY8CKIT - 062S2 - 43012供電時，需要使用USB Type - C電纜連接傳感器屏蔽罩的USB電源（J11），為板載雷達傳感器、雷達屏蔽接口、磁力計傳感器和PDM麥克風提供額外電壓源。

  連接到CYW920829M2EVK - 02

• 創建開箱即用（OOB）應用程序：確保傳感器屏蔽罩與基板斷開連接，使用USB微電纜將基板通過KitProg USB連接器連接到PC，并將基板上的開關SW6設置為SWD。在ModusToolbox? IDE中，導入“XENSIV? Sensor Hub”代碼示例到新工作區。選擇項目并進行構建和編程。編程完成后，移除USB電纜，重新連接傳感器屏蔽罩和USB電纜。打開終端程序，設置串口參數。應用程序啟動后，會在串口終端顯示提示信息，我們可以輸入數字啟用相應的傳感器。
• 支持的代碼示例：包含XENSIV Sensor Hub、SHT35溫度濕度傳感器、BMI270 IMU傳感器等多個代碼示例。

傳感器集線器Android應用程序

這個應用程序可以通過藍牙連接到CYW920829M2EVK - 02上的XENSIV?傳感器屏蔽罩并獲取數據。它支持多種藍牙服務和特性，如SHT35的相對濕度和溫度、BMM350的磁場和溫度等。使用該應用程序，我們需要滿足Android OS版本12或更高（API級別32），并且Android設備配備藍牙4.0或更高版本的硬件要求。安裝時，下載或復制發布的.APK文件到Android設備并進行安裝。應用程序的界面包括導航欄、集線器屏幕、傳感器屏幕和活動屏幕，方便我們進行設備連接、傳感器選擇和數據可視化。

四、套件操作原理

理論基礎

SHIELD_XENSIV_A XENSIV?傳感器屏蔽罩與Arduino兼容，能夠輕松地將多個傳感器與基板套件進行接口連接。它包含了來自Infineon的XENSIV?系列的PDM麥克風、雷達傳感器、氣壓傳感器和CO2傳感器，以及來自Bosch的運動傳感器、磁力計傳感器、來自Sensirion的數字濕度和溫度傳感器和一個0.96英寸的TFT顯示屏。

硬件組件

• XENSIV?數字氣壓傳感器：內置溫度傳感器，通過I2C接口傳輸傳感器數據。
• I2C連接器：用于通過QWIIC接口連接各種傳感器和其他組件，無需焊接或布線。
• 雷達屏蔽連接器：用于插入外部雷達屏蔽。
• XENSIV? 60 GHz雷達傳感器：內置運動和方向探測器，通過LED顯示運動檢測和方向。
• 運動傳感器：6軸運動傳感器，即慣性測量單元（IMU），通過I2C接口傳輸數據。
• USB設備連接器：當屏蔽罩未通過5 V Arduino兼容電源引腳供電時，可為板載雷達傳感器、雷達屏蔽接口、磁力計傳感器和PDM麥克風提供額外電壓源。
• 數字濕度和溫度傳感器：通過I2C接口傳輸數據。
• 與Arduino UNO R3兼容的電源頭：為屏蔽罩提供電源。
• 數字地磁傳感器：能夠測量地球磁場的三個垂直軸，通過I2C接口傳輸數據。
• 與Arduino UNO R3兼容的I/O頭：為基板和屏蔽罩提供I/O接口。
• XENSIV? PAS CO2傳感器：基于光聲光譜（PAS）技術，通過I2C接口傳輸數據。
• 0.96英寸TFT顯示屏：通過SPI接口與基板進行接口連接。
• XENSIV?數字MEMS麥克風：用于捕獲聲音并生成數字音頻數據，通過PDM接口傳輸。
• I2C和RESET復用開關：用于啟用或禁用I2C線和對傳感器的復位信號。
• 中斷選擇開關：用于啟用或禁用傳感器的中斷信號。
• OPTIGA? Trust M控制器：提供高安全性解決方案，使用I2C接口。
• I2C選擇開關：用于啟用或禁用對傳感器的I2C線。

五、硬件詳細解析

原理圖

原理圖文件可在套件網頁上獲取，我們可以根據這些文件深入了解硬件的電路設計。

硬件功能描述

電源供應系統

• 電源輸入：傳感器屏蔽罩通過與Arduino兼容的接頭（J1、J2、J3和J4）和板載USB連接器（J11）獲取電源。來自基板的3.3 V電源用于為所有3.3 V操作設備的數字電源供電，5 V電源作為電壓調節器子系統的輸入，生成多個電源電壓。來自屏蔽罩USB連接器的5 V電源為雷達子系統提供額外的電源需求。需要注意的是，當雷達傳感器配置為連續波模式且PAS CO2傳感器同時工作時，傳感器屏蔽罩的功耗會更高，可能會超過基板的供電能力，此時可考慮使用外部USB電源供應選項（J11）。每個傳感器都有一個專用的接頭和跳線選項，可用于測量每個傳感器的電流，方便我們監測傳感器的功耗。
• 電壓調節器：傳感器屏蔽罩的電壓調節器子系統能夠從5 V輸入高效地生成多個電源電壓。降壓電壓調節器（U48）從5 V輸入生成2.5 V電源，該2.5 V電源為低噪聲1.8 V和5 V電源的生成提供輸入。同時，來自基板的5 V電源通過低壓差線性電壓調節器（U47、U15和U38）產生低噪聲3.3 V電源，為雷達子系統供電。

RESET接口

傳感器屏蔽罩的默認復位源是來自基板上主機MCU的MAIN_RST信號，通過與Arduino兼容的接頭（J1、J2、J3和J4）傳輸。為了防止信號加載，復位源通過邏輯緩沖器（U59）連接，確保復位信號能夠有效地驅動多個設備的復位功能。此外，傳感器屏蔽罩提供了靈活的復位機制，用戶可以通過3針接頭（J12）和跳線選項選擇復位源，還可以使用撥碼開關（SW1）連接或斷開所選的復位源信號到所需的設備。

I2C和SPI接口

I2C和SPI接口從基板上的主機MCU傳輸到傳感器屏蔽罩時會進行電平轉換，并在設備之間共享。I2C接口的傳感器配置為在3.3 V下工作，因此使用I2C電平轉換器（U34）將信號轉換為3.3 V電平。同時，提供一個撥碼開關（SW3）用于連接或斷開I2C接口與不同傳感器的連接，方便用戶進行選擇性啟用和故障排除。SPI接口在顯示屏和雷達子系統之間共享，與TFT顯示屏共享的SPI接口會轉換為3.3 V電平以支持顯示屏的I/O電平，雷達子系統的SPI則根據雷達選擇進行電平轉換。

傳感器子系統

• XENSIV?傳感器
  • 數字氣壓傳感器：采用Infineon的DPS368XTSA1，內置溫度傳感器，通過I2C協議與主機MCU通信。傳感器的I2C設備地址由SDO引腳的配置決定，默認地址為0x76，可通過配置更改。傳感器通過I2C接口與主機MCU通信，并伴有中斷信號。使用I2C電平轉換器（U34）和中斷信號的I/O電平轉換器（U23）確保與主機MCU的邏輯電平兼容，轉換后的信號通過OR邏輯門（U20、U25和U31）連接到與Arduino兼容的接頭，實現與基板的無縫接口。
  • PAS CO2傳感器：Infineon的PASCO2V15，通過I2C協議與主機MCU通信，I2C設備地址為0x28。同樣通過I2C接口通信并伴有中斷信號，傳感器有單獨的I/O電源引腳（VDD3.3）和主電源引腳（VDD5）。在主機MCU的應用固件中初始化PAS CO2傳感器之前，需確保5 V電源已啟用。使用I2C電平轉換器（U34）和中斷信號的I/O電平轉換器（U11）確保與主機MCU的邏輯電平兼容，轉換后的信號通過OR邏輯門連接到與Arduino兼容的接頭。
• 6軸IMU（加速度計 + 陀螺儀）：采用6軸運動傳感器（U14），即慣性測量單元（IMU），通過I2C接口與主機MCU通信，伴有兩個中斷信號。默認I2C地址為0x69，可通過配置更改。使用I2C電平轉換器（U34）和中斷信號的I/O電平轉換器（U12）確保與主機MCU的邏輯電平兼容，中斷信號默認配置為高電平有效并下拉，轉換后的信號通過OR邏輯門連接到與Arduino兼容的接頭。
• 3軸磁力計：傳感器（U13）通過I2C接口與主機MCU通信，伴有中斷信號，默認I2C地址為0x14。使用I2C電平轉換器（U34）和中斷信號的I/O電平轉換器（U11）確保與主機MCU的邏輯電平兼容，中斷信號默認下拉，轉換后的信號通過OR邏輯門連接到與Arduino兼容的接頭。
• 數字濕度傳感器：SHT35（U17）內置溫度傳感器，通過I2C協議與主機MCU通信。I2C設備地址由ADDR引腳的配置決定，默認地址為0x44，可通過配置更改。傳感器通過I2C接口通信并伴有中斷信號，電源引腳連接到3.3 V電源。使用I2C電平轉換器（U34）和中斷信號的I/O電平轉換器（U23）確保與主機MCU的邏輯電平兼容，轉換后的信號通過OR邏輯門連接到與Arduino兼容的接頭。

音頻子系統

傳感器屏蔽罩配備兩個Infineon的數字PDM MEMS麥克風（U5和U4），共享一個公共的PDM總線。每個麥克風的SELECT引腳決定PDM數據在PDM時鐘的哪個邊沿可用。左麥克風（U5）的SELECT引腳接地，PDM數據在PDM_CLK_IN的下降沿可用；右麥克風（U4）的SELECT引腳連接到VDD_MIC，PDM數據在PDM_CLK_IN的上升沿可用。麥克風可以通過接頭（J10）和跳線從3.3 V或1.8 V供電，提供設計和實現的靈活性。PDM接口信號通過電平轉換器（U44和U45）轉換為基板I/O電平，并連接到與Arduino兼容的接頭。

雷達子系統

• 60 GHz雷達傳感器：采用Infineon的XENSIV? 60 GHz雷達傳感器（U1）BGT60LTR11AIP，集成了發射和接收天線，采用天線封裝（AIP）概念，無需用戶進行復雜的天線設計，可使用標準FR4材料進行PCB設計。傳感器通過TDET和PDET引腳連接到LED（D1和D2）以指示運動檢測和方向。雷達傳感器使用外部采樣和保持電容器處理模擬IF信號，配備外部低通濾波器過濾IF信號，還提供一個電流測量接頭（J7）用于測量雷達傳感器的電流。板載晶體（Y1）為雷達傳感器提供38.4 MHz時鐘輸入，雷達傳感器的參數可以通過傳感器屏蔽罩上的電阻配置進行設置，默認配置為自主模式，可通過不同的電阻設置啟用其他模式。
• 外部雷達傳感器屏蔽接口連接器：傳感器屏蔽罩配備兩個Hirose DF40HC(3.5) - 20DS - 0.4 V連接器（J15和J5），為外部雷達傳感器提供高密度、高可靠性的接口。連接時需要一個帶有匹配對接連接器（DF40C - 20DP - 0.4 V）的外部雷達接口板。這些連接器提供了全面的信號，包括電源供應線、數字接口、控制GPIO、模擬IF信號和可編程GPIO線，方便與外部雷達傳感器進行連接和通信。
• 板載和外部RADAR接口的復用：傳感器屏蔽罩通過RADAR_SEL_LS信號在板載RADAR和外部接口連接器之間復用RADAR接口信號。該信號為數字控制信號，用于選擇板載RADAR接口（RADAR_SEL_LS = 0）或外部接口（RADAR_SEL_LS = 1）。復用通過模擬開關實現，對RADAR復位信號、模擬IF信號、SPI接口和GPIO信號進行選擇。復用后的信號會進行電平轉換，以匹配RADAR傳感器的I/O電平。

安全子系統

傳感器屏蔽罩配備OPTIGA? Trust M設備（U6），這是一款高度安全的嵌入式安全設備，為物聯網應用提供先進的安全功能。該設備通過I2C接口與基板進行安全通信和數據交換。OPTIGA? Trust M設備由3.3 V電源供電，使用I2C電平轉換器（U34）確保與主機MCU信號電平兼容，轉換后的I2C接口連接到與Arduino兼容的接頭。同時，基板的復位信號通過I/O電平轉換器（U43）轉換為3.3 V，確保向OPTIGA? Trust M設備提供干凈穩定的信號。

TFT顯示屏

傳感器屏蔽罩配備一個0.96英寸的TFT IPS顯示屏，分辨率為80 x 160，由ST7735S控制器驅動。顯示屏采用IPS（平面內轉換）面板，提供寬視角并支持4K/65K/262K顏色。主機MCU通過4線SPI協議與顯示屏通信，顯示屏通過8引腳FPC連接器（J17）連接，屏蔽罩上還提供了連接芯片在柔性板（COF）風格顯示模塊的接口。顯示屏使用3.3 V電源為TFT IPS LCD和背光供電，來自主機MCU的SPI接口和其他控制信號通過與Arduino兼容的接頭傳輸，并通過I/O電平轉換器（U24、U30和U19）進行電平轉換。顯示屏的復位信號來自撥碼開關（SW1），經過電平轉換后連接到顯示屏。

I2C接口連接器

傳感器屏蔽罩配備一個4針連接器（J16），它擴展了來自基板的3.3 V I/O電平轉換后的I2C接口，專為添加基于I2C的附加板而設計，提供了擴展功能和靈活性。該接口