探索XENSIV?傳感器屏蔽罩：開啟創(chuàng)新傳感應(yīng)用之旅

在物聯(lián)網(wǎng)和傳感技術(shù)飛速發(fā)展的今天，傳感器的應(yīng)用變得越來越廣泛。而作為硬件開發(fā)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(xiàng)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(kuò)展板.pdf

一、產(chǎn)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(shè)計(jì)的硬件擴(kuò)展板。它集成了多種傳感器和支持硬件，為我們提供了一個(gè)全面的傳感解決方案，可用于安全可靠的傳感應(yīng)用。這款屏蔽罩適用于熟悉物聯(lián)網(wǎng)和傳感技術(shù)的技術(shù)專家，通常在實(shí)驗(yàn)室條件下使用。

二、使用前的重要注意事項(xiàng)

在使用這款傳感器屏蔽罩之前，有幾個(gè)重要的注意事項(xiàng)需要我們了解：

評(píng)估板和參考板的性質(zhì)

Infineon提供的評(píng)估板和參考板僅用于演示和評(píng)估目的，并非商業(yè)化產(chǎn)品。它們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)考慮了環(huán)境條件，但僅按文檔描述進(jìn)行了測(cè)試，在安全要求、全工作溫度范圍或使用壽命內(nèi)的制造和操作方面未進(jìn)行全面驗(yàn)證。而且，它們的功能測(cè)試僅在典型負(fù)載條件下進(jìn)行，在退貨材料分析（RMA）、工藝變更通知（PCN）和產(chǎn)品停產(chǎn)（PD）等方面與常規(guī)產(chǎn)品的處理流程不同。這些評(píng)估板和參考板可能不符合CE或類似標(biāo)準(zhǔn)，使用時(shí)用戶需確保其操作符合所在國家的相關(guān)要求和標(biāo)準(zhǔn)。

靜電放電防護(hù)

評(píng)估或參考板包含對(duì)靜電放電（ESD）敏感的部件和組件，在安裝、測(cè)試、維修或修理組件時(shí)，需要采取靜電控制預(yù)防措施，否則可能導(dǎo)致組件損壞。如果對(duì)靜電控制程序不熟悉，應(yīng)參考適用的ESD保護(hù)手冊(cè)和指南。

三、快速上手

套件內(nèi)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(nèi)容，如果發(fā)現(xiàn)缺少零件，應(yīng)聯(lián)系最近的Infineon銷售辦公室尋求幫助。

連接與開發(fā)平臺(tái)

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

連接到CY8CKIT - 062S2 - 43012

• 創(chuàng)建開箱即用（OOB）應(yīng)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(dǎo)入“XENSIV? Sensor Shield: OOB demo”代碼示例到新工作區(qū)。接著，選擇項(xiàng)目并在Quick Panel中點(diǎn)擊相應(yīng)的配置進(jìn)行構(gòu)建和編程。完成后，打開終端程序，選擇KitProg3 COM端口，設(shè)置串口參數(shù)。編程完成后，應(yīng)用程序?qū)⒆詣?dòng)啟動(dòng)，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(shù)據(jù)。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(dá)自主存在檢測(cè)示例、CO2傳感器示例等多個(gè)代碼示例，方便我們進(jìn)行開發(fā)和測(cè)試。
• 額外配置：如果需要通過UART從串口終端接收數(shù)據(jù)，需要禁用CY8CKIT - 062S2 - 43012上的UART流控制。當(dāng)僅通過MCU USB連接器（J7）為CY8CKIT - 062S2 - 43012供電時(shí)，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(dá)傳感器、雷達(dá)屏蔽接口、磁力計(jì)傳感器和PDM麥克風(fēng)提供額外電壓源。

  連接到CYW920829M2EVK - 02

• 創(chuàng)建開箱即用（OOB）應(yīng)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(guān)SW6設(shè)置為SWD。在ModusToolbox? IDE中，導(dǎo)入“XENSIV? Sensor Hub”代碼示例到新工作區(qū)。選擇項(xiàng)目并進(jìn)行構(gòu)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(shè)置串口參數(shù)。應(yīng)用程序啟動(dòng)后，會(huì)在串口終端顯示提示信息，我們可以輸入數(shù)字啟用相應(yīng)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(gè)代碼示例。

傳感器集線器Android應(yīng)用程序

這個(gè)應(yīng)用程序可以通過藍(lán)牙連接到CYW920829M2EVK - 02上的XENSIV?傳感器屏蔽罩并獲取數(shù)據(jù)。它支持多種藍(lán)牙服務(wù)和特性，如SHT35的相對(duì)濕度和溫度、BMM350的磁場(chǎng)和溫度等。使用該應(yīng)用程序，我們需要滿足Android OS版本12或更高（API級(jí)別32），并且Android設(shè)備配備藍(lán)牙4.0或更高版本的硬件要求。安裝時(shí)，下載或復(fù)制發(fā)布的.APK文件到Android設(shè)備并進(jìn)行安裝。應(yīng)用程序的界面包括導(dǎo)航欄、集線器屏幕、傳感器屏幕和活動(dòng)屏幕，方便我們進(jìn)行設(shè)備連接、傳感器選擇和數(shù)據(jù)可視化。

四、套件操作原理

理論基礎(chǔ)

SHIELD_XENSIV_A XENSIV?傳感器屏蔽罩與Arduino兼容，能夠輕松地將多個(gè)傳感器與基板套件進(jìn)行接口連接。它包含了來自Infineon的XENSIV?系列的PDM麥克風(fēng)、雷達(dá)傳感器、氣壓傳感器和CO2傳感器，以及來自Bosch的運(yùn)動(dòng)傳感器、磁力計(jì)傳感器、來自Sensirion的數(shù)字濕度和溫度傳感器和一個(gè)0.96英寸的TFT顯示屏。

硬件組件

• XENSIV?數(shù)字氣壓傳感器：內(nèi)置溫度傳感器，通過I2C接口傳輸傳感器數(shù)據(jù)。
• 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(dá)屏蔽連接器：用于插入外部雷達(dá)屏蔽。
• XENSIV? 60 GHz雷達(dá)傳感器：內(nèi)置運(yùn)動(dòng)和方向探測(cè)器，通過LED顯示運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和方向。
• 運(yùn)動(dòng)傳感器：6軸運(yùn)動(dòng)傳感器，即慣性測(cè)量單元（IMU），通過I2C接口傳輸數(shù)據(jù)。
• USB設(shè)備連接器：當(dāng)屏蔽罩未通過5 V Arduino兼容電源引腳供電時(shí)，可為板載雷達(dá)傳感器、雷達(dá)屏蔽接口、磁力計(jì)傳感器和PDM麥克風(fēng)提供額外電壓源。
• 數(shù)字濕度和溫度傳感器：通過I2C接口傳輸數(shù)據(jù)。
• 與Arduino UNO R3兼容的電源頭：為屏蔽罩提供電源。
• 數(shù)字地磁傳感器：能夠測(cè)量地球磁場(chǎng)的三個(gè)垂直軸，通過I2C接口傳輸數(shù)據(jù)。
• 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(shù)，通過I2C接口傳輸數(shù)據(jù)。
• 0.96英寸TFT顯示屏：通過SPI接口與基板進(jìn)行接口連接。
• XENSIV?數(shù)字MEMS麥克風(fēng)：用于捕獲聲音并生成數(shù)字音頻數(shù)據(jù)，通過PDM接口傳輸。
• I2C和RESET復(fù)用開關(guān)：用于啟用或禁用I2C線和對(duì)傳感器的復(fù)位信號(hào)。
• 中斷選擇開關(guān)：用于啟用或禁用傳感器的中斷信號(hào)。
• 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(guān)：用于啟用或禁用對(duì)傳感器的I2C線。

五、硬件詳細(xì)解析

原理圖

原理圖文件可在套件網(wǎng)頁上獲取，我們可以根據(jù)這些文件深入了解硬件的電路設(shè)計(jì)。

硬件功能描述

電源供應(yīng)系統(tǒng)

• 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(shè)備的數(shù)字電源供電，5 V電源作為電壓調(diào)節(jié)器子系統(tǒng)的輸入，生成多個(gè)電源電壓。來自屏蔽罩USB連接器的5 V電源為雷達(dá)子系統(tǒng)提供額外的電源需求。需要注意的是，當(dāng)雷達(dá)傳感器配置為連續(xù)波模式且PAS CO2傳感器同時(shí)工作時(shí)，傳感器屏蔽罩的功耗會(huì)更高，可能會(huì)超過基板的供電能力，此時(shí)可考慮使用外部USB電源供應(yīng)選項(xiàng)（J11）。每個(gè)傳感器都有一個(gè)專用的接頭和跳線選項(xiàng)，可用于測(cè)量每個(gè)傳感器的電流，方便我們監(jiān)測(cè)傳感器的功耗。
• 電壓調(diào)節(jié)器：傳感器屏蔽罩的電壓調(diào)節(jié)器子系統(tǒng)能夠從5 V輸入高效地生成多個(gè)電源電壓。降壓電壓調(diào)節(jié)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(shí)，來自基板的5 V電源通過低壓差線性電壓調(diào)節(jié)器（U47、U15和U38）產(chǎn)生低噪聲3.3 V電源，為雷達(dá)子系統(tǒng)供電。

RESET接口

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

I2C和SPI接口

I2C和SPI接口從基板上的主機(jī)MCU傳輸?shù)絺鞲衅髌帘握謺r(shí)會(huì)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，并在設(shè)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(zhuǎn)換器（U34）將信號(hào)轉(zhuǎn)換為3.3 V電平。同時(shí)，提供一個(gè)撥碼開關(guān)（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(jìn)行選擇性啟用和故障排除。SPI接口在顯示屏和雷達(dá)子系統(tǒng)之間共享，與TFT顯示屏共享的SPI接口會(huì)轉(zhuǎn)換為3.3 V電平以支持顯示屏的I/O電平，雷達(dá)子系統(tǒng)的SPI則根據(jù)雷達(dá)選擇進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

傳感器子系統(tǒng)

• XENSIV?傳感器
  • 數(shù)字氣壓傳感器：采用Infineon的DPS368XTSA1，內(nèi)置溫度傳感器，通過I2C協(xié)議與主機(jī)MCU通信。傳感器的I2C設(shè)備地址由SDO引腳的配置決定，默認(rèn)地址為0x76，可通過配置更改。傳感器通過I2C接口與主機(jī)MCU通信，并伴有中斷信號(hào)。使用I2C電平轉(zhuǎn)換器（U34）和中斷信號(hào)的I/O電平轉(zhuǎn)換器（U23）確保與主機(jī)MCU的邏輯電平兼容，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過OR邏輯門（U20、U25和U31）連接到與Arduino兼容的接頭，實(shí)現(xiàn)與基板的無縫接口。
  • PAS CO2傳感器：Infineon的PASCO2V15，通過I2C協(xié)議與主機(jī)MCU通信，I2C設(shè)備地址為0x28。同樣通過I2C接口通信并伴有中斷信號(hào)，傳感器有單獨(dú)的I/O電源引腳（VDD3.3）和主電源引腳（VDD5）。在主機(jī)MCU的應(yīng)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(zhuǎn)換器（U34）和中斷信號(hào)的I/O電平轉(zhuǎn)換器（U11）確保與主機(jī)MCU的邏輯電平兼容，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過OR邏輯門連接到與Arduino兼容的接頭。
• 6軸IMU（加速度計(jì) + 陀螺儀）：采用6軸運(yùn)動(dòng)傳感器（U14），即慣性測(cè)量單元（IMU），通過I2C接口與主機(jī)MCU通信，伴有兩個(gè)中斷信號(hào)。默認(rèn)I2C地址為0x69，可通過配置更改。使用I2C電平轉(zhuǎn)換器（U34）和中斷信號(hào)的I/O電平轉(zhuǎn)換器（U12）確保與主機(jī)MCU的邏輯電平兼容，中斷信號(hào)默認(rèn)配置為高電平有效并下拉，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過OR邏輯門連接到與Arduino兼容的接頭。
• 3軸磁力計(jì)：傳感器（U13）通過I2C接口與主機(jī)MCU通信，伴有中斷信號(hào)，默認(rèn)I2C地址為0x14。使用I2C電平轉(zhuǎn)換器（U34）和中斷信號(hào)的I/O電平轉(zhuǎn)換器（U11）確保與主機(jī)MCU的邏輯電平兼容，中斷信號(hào)默認(rèn)下拉，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過OR邏輯門連接到與Arduino兼容的接頭。
• 數(shù)字濕度傳感器：SHT35（U17）內(nèi)置溫度傳感器，通過I2C協(xié)議與主機(jī)MCU通信。I2C設(shè)備地址由ADDR引腳的配置決定，默認(rèn)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(hào)，電源引腳連接到3.3 V電源。使用I2C電平轉(zhuǎn)換器（U34）和中斷信號(hào)的I/O電平轉(zhuǎn)換器（U23）確保與主機(jī)MCU的邏輯電平兼容，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過OR邏輯門連接到與Arduino兼容的接頭。

音頻子系統(tǒng)

傳感器屏蔽罩配備兩個(gè)Infineon的數(shù)字PDM MEMS麥克風(fēng)（U5和U4），共享一個(gè)公共的PDM總線。每個(gè)麥克風(fēng)的SELECT引腳決定PDM數(shù)據(jù)在PDM時(shí)鐘的哪個(gè)邊沿可用。左麥克風(fēng)（U5）的SELECT引腳接地，PDM數(shù)據(jù)在PDM_CLK_IN的下降沿可用；右麥克風(fēng)（U4）的SELECT引腳連接到VDD_MIC，PDM數(shù)據(jù)在PDM_CLK_IN的上升沿可用。麥克風(fēng)可以通過接頭（J10）和跳線從3.3 V或1.8 V供電，提供設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的靈活性。PDM接口信號(hào)通過電平轉(zhuǎn)換器（U44和U45）轉(zhuǎn)換為基板I/O電平，并連接到與Arduino兼容的接頭。

雷達(dá)子系統(tǒng)

• 60 GHz雷達(dá)傳感器：采用Infineon的XENSIV? 60 GHz雷達(dá)傳感器（U1）BGT60LTR11AIP，集成了發(fā)射和接收天線，采用天線封裝（AIP）概念，無需用戶進(jìn)行復(fù)雜的天線設(shè)計(jì)，可使用標(biāo)準(zhǔn)FR4材料進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。傳感器通過TDET和PDET引腳連接到LED（D1和D2）以指示運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和方向。雷達(dá)傳感器使用外部采樣和保持電容器處理模擬IF信號(hào)，配備外部低通濾波器過濾IF信號(hào)，還提供一個(gè)電流測(cè)量接頭（J7）用于測(cè)量雷達(dá)傳感器的電流。板載晶體（Y1）為雷達(dá)傳感器提供38.4 MHz時(shí)鐘輸入，雷達(dá)傳感器的參數(shù)可以通過傳感器屏蔽罩上的電阻配置進(jìn)行設(shè)置，默認(rèn)配置為自主模式，可通過不同的電阻設(shè)置啟用其他模式。
• 外部雷達(dá)傳感器屏蔽接口連接器：傳感器屏蔽罩配備兩個(gè)Hirose DF40HC(3.5) - 20DS - 0.4 V連接器（J15和J5），為外部雷達(dá)傳感器提供高密度、高可靠性的接口。連接時(shí)需要一個(gè)帶有匹配對(duì)接連接器（DF40C - 20DP - 0.4 V）的外部雷達(dá)接口板。這些連接器提供了全面的信號(hào)，包括電源供應(yīng)線、數(shù)字接口、控制GPIO、模擬IF信號(hào)和可編程GPIO線，方便與外部雷達(dá)傳感器進(jìn)行連接和通信。
• 板載和外部RADAR接口的復(fù)用：傳感器屏蔽罩通過RADAR_SEL_LS信號(hào)在板載RADAR和外部接口連接器之間復(fù)用RADAR接口信號(hào)。該信號(hào)為數(shù)字控制信號(hào)，用于選擇板載RADAR接口（RADAR_SEL_LS = 0）或外部接口（RADAR_SEL_LS = 1）。復(fù)用通過模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)，對(duì)RADAR復(fù)位信號(hào)、模擬IF信號(hào)、SPI接口和GPIO信號(hào)進(jìn)行選擇。復(fù)用后的信號(hào)會(huì)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，以匹配RADAR傳感器的I/O電平。

安全子系統(tǒng)

傳感器屏蔽罩配備OPTIGA? Trust M設(shè)備（U6），這是一款高度安全的嵌入式安全設(shè)備，為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供先進(jìn)的安全功能。該設(shè)備通過I2C接口與基板進(jìn)行安全通信和數(shù)據(jù)交換。OPTIGA? Trust M設(shè)備由3.3 V電源供電，使用I2C電平轉(zhuǎn)換器（U34）確保與主機(jī)MCU信號(hào)電平兼容，轉(zhuǎn)換后的I2C接口連接到與Arduino兼容的接頭。同時(shí)，基板的復(fù)位信號(hào)通過I/O電平轉(zhuǎn)換器（U43）轉(zhuǎn)換為3.3 V，確保向OPTIGA? Trust M設(shè)備提供干凈穩(wěn)定的信號(hào)。

TFT顯示屏

傳感器屏蔽罩配備一個(gè)0.96英寸的TFT IPS顯示屏，分辨率為80 x 160，由ST7735S控制器驅(qū)動(dòng)。顯示屏采用IPS（平面內(nèi)轉(zhuǎn)換）面板，提供寬視角并支持4K/65K/262K顏色。主機(jī)MCU通過4線SPI協(xié)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(fēng)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(jī)MCU的SPI接口和其他控制信號(hào)通過與Arduino兼容的接頭傳輸，并通過I/O電平轉(zhuǎn)換器（U24、U30和U19）進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。顯示屏的復(fù)位信號(hào)來自撥碼開關(guān)（SW1），經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后連接到顯示屏。

I2C接口連接器

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