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1. 硬件设计书

Spresense电路板的硬件设计资料保存在Spresense HW Design Files存储库中。分别为回路图、部品表(BOM)、设计指南等。可在设计带有Sony CXD5602芯片的独立电路板和Spresense主板用Add-on电路板时提供帮助。

Please right-click on below each link to download CAD data.

2. 操作指南

2.1. 主板微型垫片的使用

如果您不与扩展板组合而单独使用Spresense主板时,在主板4角上放上微型垫片会比较方便。
微型垫片以及将其固定到基板上的螺丝,可以使用树脂材料。螺丝直径2mm、长度3mm以上。
这些用品不包括在主板的产品套件中,请自行准备。

使用金属材质的垫片及螺丝会对GNSS的接收性能产生显著的不良影响。请使用树脂材质的产品。

下面是可用的树脂材质微型垫片与螺丝例。

生产厂家 微型垫片 螺丝

广杉计器

AS-2003

PC-0203

2.2. 扩展板pin sockets的动作电压设置

Spresense 扩展板插座JP2及JP13的动作电压可通过变换JP1的插入位置来切换为5V或是3.3V。 出厂设置为5V。

HW voltage level in extension E
更改JP1的插入位置时必须在关闭Spresense的电源状态下进行。带电插拔时可能导致Spresense发生损坏。
请将电压设置为与扩展板相连接的Arduino的Shield等基板的动作电压相同的值。设置错误时,可能损坏连接的基板。

以下Pin接口的电压输出与已设置的动作电压相同

组件编号 Pin接口编号 名称

JP3

2

IOREF

JP2

3

AREF

2.3. 重置功能使用方法

在 Spresense 中,可以通过以下方法重置系统。

  • 按下主板上的SW2

  • 通过串行监视器等进行UART连接(DTR信号触发)

  • 将扩展板的JP3中PIN3的信号电平降至低电平(请参阅下面的详细信息)

如果发生系统复位,则电源管理LSI CXD5247 或每个电源LSI 电源将暂停一段时间,因此在使用连接到扩展板或附加板的外部板时要小心。

扩展板上JP3引脚3的复位可用作双向。如下:

  • 输入来自扩展板的信号以重置系统

  • 重置连接在扩展板外部的系统

虽然可以用作上述任何一种,但请将下面显示的推荐电路连接为外部电路。然而,诸如微处理器LSI的高阻抗设备被假定为要连接的用户设备。

HW reset en

此外,主板上JP2的PIN1的复位信号(XRST_PIN_1.8V)输出系统复位状态。系统复位时为低电平,否则输出高电平(1.8 V)。通过使用该信号, CXD5602 可以同时重置Add-on板等。

2.4. CXD5602的I/O电流值

CXD5602处理器的电力消耗极低,端口的I/O电流值最大为6mA左右。

2.5. I2C的使用方法

Spresense为主板和扩展板准备了一套可连接相应I2C接口的系统。

主板接口电压为1.8V、扩展板接口电压为5V或是3.3V。
通信速度最高可达400kbps。

主板与扩展板共用一套I2C系统。改变连接设备的从地址(Slave Address)即可同时使用。

分别通过4.7kΩ和1kΩ的上拉电阻,主板电压上拉为1.8V,扩展板电压上拉为5V或是3.3V。

2.6. UART的使用方法

Spresense为主板和扩展板准备了一套可连接相应UART接口的系统。

主板使用带有flow control的UART,扩展板可将其用作异步方式的UART使用。

主板接口电压为1.8V、扩展板接口电压为5V或是3.3V。 通信速度最高可达1.8432Mbps。

主板与扩展板共用一套UART系统,不能同时使用。
将主板与扩展板组合使用时,出厂设置自动将扩展板的UART设为可用状态。

组合状态下使用主板端的UART时,请在扩展板JP10编号为1-2的Pin接口处插入间距2.54mm的跳线插头。 跳线插头不包括在主板及扩展板的产品套件中,请自行准备。

如果要使用扩展板的UART,主板的UART引脚(D00, D01, D27, D28)将无法使用。

2.7. SPI的使用方法

Spresense为主板和扩展板准备了一套可连接相应SPI接口的系统。

两块电路板上的SPI都只支持master模式。

主板接口电压为1.8V、扩展板接口电压为5V或是3.3V。
通信速度主板最高可达13Mbps、扩展板最高可达48.75Mbps。

但是,这只是CXD5602的规格参数值。扩展板由于搭载了电压转换器,实际最高只有20MHz左右。根据您使用的环境,通信速度受其影响会有很大不同。

主板与扩展板拥有各自的SPI系统,因此可同时使用。

2.8. PWM的使用方法

Spresense为扩展板准备了PWM输出用的4个接口系统。

接口电压为5V或是3.3V。
频率最高为6.5MHz、采样位数为15Bit。

2.9. SDIO的使用方法

CXD5602 具有符合SDIO标准的1.8V 4位(或1位)SD模式兼容接口,Spresense使用扩展板中的电平转换器将电压转换为3.3V,以便可以使用microSD卡。

Spresense 中SDIO的最大数据传输速率为21MB/s。

2.10. 扩展基板使用数字信号(UART/SPI/PWM/GPIO)时的注意事项

Spresense扩展板的数字Pin接口输入/输出中,通过使用以下结构的转换器来自动切换方向与变换电压。

该转换器在插座一端通过1kΩ电阻始终将其上拉为5V或3.3V。

HW LVS1 en

所以,当与Pin插座连接的回路阻抗较低时,用于检测CPU的临界值发生变化将无法正确检测出逻辑。

如下图所示,在这种情况下,对于输入/输出方向无变化的信号来说,在与插座相连接的回路之间插入单向的缓冲器是个不错的办法。

HW LVS2 en

2.11. 主板连接外接电源的方法

Spresense 主板上消耗的最大电流值为500mA,即使主板和扩展板上的微型USB端口提供比500mA更多的电流,主板只能供应500mA。此500mA包括向电源电流的Add-on板。

如果用于设计Add-on板的设备消耗大量电流值,请将日本压接端子制造的PH 连接器(S2B-PH-K-S)安装到主板的CN1上,以便在这里提供足够的电压3.6V至4.4V(=工作推荐电压)。 通过连接最大绝对额定电压为7V的稳定电源,可以增加主板EXT_VDD(JP2引脚3)的电源电流值。 在这种情况下,EXT_VDD端子的电压输出的电压几乎等于电压。

以上需要焊接到主板上。这里的工作涉及焊接和修改了电路板的小型零件。请注意,只有具有适当技能和设备的人才能这样做。

在任何情况下,如果执行此处描述的焊料工作,则产品保修将不符合条件。请自行承担风险。
HW power supply en

在这种情况下,即使没有从microUSB端口供电,也会打开 Spresense 系统的电源。在500mA和扩展板上消耗,最大电流值在主板上消耗也可以提供总电流。

即使从主板上的PH连接器(CN1)供电,也可以从主板和扩展板上的microUSB连接器供电。但是,EXT_VDD端子的电压输出下限约为4V。

2.12. Mic的使用方法

Spresense扩展板上搭载的2.54mm的Pin插头中,为模拟Mic准备了最多4通道、数字Mic最多8通道的连接。

出厂设置下使用模拟Mic。要使用数字Mic需要在扩展板上进行焊接作业。这里的作业包括小型组件的焊接和基板的改造。请注意需要由有相当经验并持有相应器材的用户实施作业。 当实施此处所说的作业时,无论任何情况均不在本产品保证范围之列。实施后果自负。

当实施此处所说的作业时,无论任何情况均不在本产品保证范围之列。实施后果自负。

2.12.1. Mic通道的配置

扩展板上Mic通道的配置如下图所示。

A,B,C,D表示模拟Mic的通道,同色的D01,D23,D45,D67表示所对应的数字Mic的通道。 更改软件设置后,可单独设置各通道的模拟与数字Mic模式。

HW Mic placement E

2.12.2. 模拟与数字的切换方法

在模拟Mic与数字Mic之间切换时需要执行以下2个步骤。。

  • 取下R50,在R49上挂载0Ω电阻(或是通过跳线等使其短路)。

  • 将JP14上下的焊盘通过跳线等方式使其短路

基于以下理由,切换时使用1.27mm的短跳线也是一个方便的办法。

  • JP14上可挂载1.27mm的8针表面贴装型Pin插头。

  • 可按Mic通道单位选择使用模拟或数字。

以下为可用1.27mm的Pin插头与短跳线的示例。

生产厂家 插头 短跳线

广杉计器

PSM-720153-04

JS-7

Samtec

FTS-104-01-L-DV-TR

HARWIN

M50-1900005

日本コネクト工業

IKHSM28-D08G-H1.5

HSH-JB-G

HW Mic mode Switch

2.12.3. 模拟Mic的连接方法

2.12.3.1. 动圈式Mic

JP10的Mic插头上有4个模拟Mic输入(MICA、MIICB、MICC、MICD)接口。 这些接口由电容器进行了AC耦合处理。使用模拟Mic时,为了最大限度地控制噪音,Mic的GND请使用JP10的GND。

2.12.3.2. 电容式Mic

在 Spresense 中,您可以连接基于电容的2线驻极体麦克风,参考电压为2.0V。在这种情况下,需要将2.0 V的偏置电压施加到JP10引脚接头的麦克风输入端子。

建议每个麦克风使用负载电阻值,请查看所用麦克风的数据表。 麦克风的输出阻抗几乎是负载电阻的值。

Mic通道 挂载的电阻

R51

R52

R47

R48

HW MICBIAS mapping

以下为可用的电容式Mic示例。下面,推荐麦克风负载电阻为2.2kΩ。

生产厂家 品名

CUI

CMC-5044PF-A

PUI

POM-3535P-3-R

Soberton

EM-6022P

2.12.3.3. 模拟MEMS Mic

连接模拟MEMS Mic时,请在Mic的电源Pin接口上连接JP10插头的Mic偏压插头。 从偏置端子向麦克风提供2.0V电源电压。

以下为可用的模拟MEMS Mic示例。

生产厂家 品名

Knowles

SPU0414HR5H-SB

Knowles

SPH1642HT5H-1

2.12.4. 数字Mic的连接方法

数字Mic连接推荐使用以下方法。 各Mic通道的3个Pin接口(DMIC, DCLK, GND)组合和1.8V电源的数字Mic中,将其左右切换信号(LR_SEL)的极性一方设为LOW、另一方设为HIGH。这样,就可以连接2个数字/MEMS Mic了。 1.8V的电源可由A通道和B通道的MIC_BIAS接口供电,请区分使用。C通道与D通道的MIC_BIAS接口不能供给1.8V电源。

HW Mic digital E

以下为可用的数字/MEMS Mic示例。

生产厂家 品名

Knowles

SPH0641LU4H-1

Knowles

SPM0423HD4H-WB

Infineon

IM69D130

2.13. 扬声器的使用方法

Spresense主板上的CXD5247中搭载了立体声D级输出放大器。利用它可以驱动2台扬声器。

只是,单单主板本身不能给CXD5247的D级放大器供给3.3V的电源,所以无法使用扬声器。

要使用扬声器,需要为主板的B2B接口CN4的1号及3号Pin接口供给低噪声的3.3V电源。请供给与您所用扬声器适配的足够的电流值。

与扩展板组合使用时,设计上已实现3.3V电源供给。

主板出厂时设置与扩展板的耳机输出相匹配。使用扬声器时,需要实施主板上的芯片组件的焊接与扩展板的焊接作业。这里的作业包括小型组件的焊接和基板的改造。请注意需要由有相当经验并持有相应器材的用户实施作业。 当实施此处所说的作业时,无论任何情况均不在本产品保证范围之列。实施后果自负。

当实施此处所说的作业时,无论任何情况均不在本产品保证范围之列。实施后果自负。

2.13.1. 主板上实施的作业

请按以下提示交换用于将CXD5602的D级输出平滑化的组件。。

  • R15, 16, 17, 18 → 15uH/220mA(2012) [下图黄色框中所示组件]
       更改为电感器。
       推荐使用太阳诱电公司的BRL2012T150M 。

  • C45, 46, 47, 48 → 0.47uF(1005) [下图绿色框中所示组件]

HW Speaker Main E
如上记所示更改完成后,请勿再使用扩展板的耳机输出。

2.13.2. 扩展板上实施的作业

在JP8、9处焊接扬声器连接用的2.54mm插头 (或是直接焊接扬声器音频线)

Spresense的电路板设计为左右扬声器均可独立操作的方式。请注意不要同时连接左右的负极。
HW Speaker Ext

2.14. JTAG调试程序的使用方法

Spresense中通过与CoreSight 10接口相连,可以使用与Cortex-M系列SWD相对应的JTAG调试程序。

使用本功能需要在扩展板上实施焊接作业。这里的作业包括小型组件的焊接和基板的改造。请注意需要由有相当经验并持有相应器材的用户实施作业。

当实施此处所说的作业时,无论任何情况均不在本产品保证范围之列。实施后果自负。

请在扩展板的CN1上焊接CoreSight 10用插头。

根据所用的CoreSight 10的数据线,KEY所在位置可能埋有插孔。 焊接前请将下图KEY所在位置的Pin接口用尖嘴钳之类的工具拔下来。

HW SWD E

以下为可用插头示例。。

生产厂家 排针插头

广杉计器

PSM-720153-05

Samtec

FTS-105-01-L-DV-TR

HARWIN

M50-3600542

日本コネクト工業(JC ELECTRONICS CORPORATION)

IKHSM28-D10G-H1.5

2.15. GNSS用外部天线的使用方法

Spresense的主板上搭载了GNSS用芯片天线,可以直接用于定位。如果追求更高精度的定位,也可通过连接采用了uFL连接方式的外部天线进行定位。

此项需要在主板上实施焊接作业。这里的作业包括小型组件的焊接和基板的改造。请注意需要由有相当经验并持有相应器材的用户实施作业。

当实施此处所说的作业时,无论任何情况均不在本产品保证范围之列。实施后果自负。

启用外部GNSS天线时需要实施以下作业。。

  • 请在下图的CN3处挂载uFL接口。

HW gnss cn3

  以下为可用的uFL接口示例。

生产厂家 品名

日本广濑电机(HIROSE)公司

U.FL-R-SMT-1

  • 请根据所用天线种类,如下表所示更改主板上的芯片电阻。
    下表中"OPEN"表示相应位置无组件挂载,"CLOSE"表示以0Ω电阻或是电线短路。 各电阻规格为1005。

使用
天线

R29

R31

R33

R30

R32

备注

Chip
(内置)

CLOSE

OPEN

CLOSE

OPEN

CLOSE

出厂状态

passive
(外部连接)

OPEN

CLOSE

OPEN

OPEN

CLOSE

Active
(外部连接)

CLOSE

OPEN

CLOSE

CLOSE

OPEN

HW gnss setting

3. Spresense 与 Arduino Uno 的区别

Spresense 扩展板与Arduino Uno电路板在接口规格和一部分接口上存在差异。

Pin接口 Spresense 扩展板 Arduino Uno

VIN接口

无效接口。

7~12V输入

数字I/O电压

5V 或 3.3V(可切换)

5V 固定

数字输入/输出接口
(D00~D15)

通过数字I/O电压上拉。可供电流在6mA左右。注1

ATmega328 MPU可提供最大 40mA 的电流。输入支持高阻态。

模拟输入接口
(A0~A5)

5V固定range的模拟输入专用接口。不可作为数字端子使用。注2

既是模拟输入接口也可作为数字输入/输出接口使用。

AREF接口

无效接口。

可设置为A/D转换的基准电压。

VREF接口

输出数字I/O电压。

输出A/D转换的基准电压。

串行通信接口
(D00, D01)

与主板上的USB串口通信 (Serial) 不同,是专用的串行通信接口 (Serial2) 。可独立于串口监控使用。

与USB串行通信 (Serial)共用的接口。

SPI接口

只支持Master模式。

支持Master/Slave两种模式。

机器通信接口(ICSP2)

未搭载。

已搭载。

(注1) 数字输入/输出接口: CXD5602 的1.8V电压可通过扩展板上的电压转换器改为3.3V或是5V。pin sockets通过上拉电阻连接。基于连接的Shield和设备不同,有可能会引发问题。
(注2) 模拟输入接口: CXD5602 的模拟输入范围为0.7V,因此由5V降为0.7V时采用了电阻分压的方式。 这种方式可能会由于连接的不同设备而引起问题。因此,当使用扩展板上的AIN接口时,请注意连接设备的输出阻抗。

4. Spresense 硬件比較

本章中比较了Spresense的其他开放平台Arduino Uno、Raspberry Pi model 3B 并对其不同之处做了明确说明。

4.1. 处理器与操作系统

Feature

Arduino Uno

Spresense

Raspberry Pi 3B

Processor type

AVR

ARM M4F

ARM A53

Bits

8

32

64

Number of cores

1

6

4

Clock speed

16 MHz

156 MHz

1.2 GHz

Operating system

None

NuttX

Linux

Boot time

0

<1 second

~20 Seconds

Spresense拥有远超Arduino电路板极为强大的处理器。这对需要较大计算能力的sensor fusion类应用程序非常有利。但与拥有高速CPU的Raspberry Pi相比还是远远不及。

Spresense 一个很大的优势在于它的启动速度。Raspberry Pi虽然功能强大,但启动时需要20秒的时间,而Spresense 启动却只需要花费不到1秒的时间。

4.2. 内存系统

Feature

Arduino Uno

Spresense

Raspberry Pi 3B

RAM

0.002MB

1.5 MB

1000MB

FLASH

0.032MB

8 MB

None

SD Card

Shield

On-Board, optional

On-Board, essential

eMMC

None

Shield

None

EEPROM

0.001MB

Use Flash

Use microSD card

由于 Arudino 的内存很小,所以构造复杂的应用程序比较困难。相比之下, Raspberry Pi 虽然拥有远超其容量的大内存,但其系统上需要使用microSD卡。

Spresense 正好处于中间位置。保存程序的闪存(ROM)容量为8MB,同时还有1.5MB的RAM。另外,因为同时支持microSD卡,也可以保存音乐和图片数据。

4.3. 电力供应

Feature

Arduino Uno

Spresense

Raspberry Pi 3B

Voltage

5V or 6-20V

5V or LiPo(3.7V)

5V

Typical Operating Power

50 mW

100mW or low power modes

2400mW

Spresense的芯片组,即CXD5602与CXD5247是面向可穿戴产品设计的,因此单个LiPo电池也可驱动它。它虽然具备充电功能,但出于安全性角度上的考虑,Spresense 上还不能使用。

电力供应请通过Spresense主板上的USB接口进行。

Spresense 中应用低功耗模式可以用极少的电量来受理感应器等事件。这是 ArduinoRaspberry Pi 中所不具备的,IoT用感应处理器所独有的功能。使用Spresense SDK,可以更高效地发挥低功耗功能。

4.4. 音频

Feature

Arduino Uno

Spresense

Raspberry Pi 3B

Quality

Shield

High

Low

Microphones

Shield

up to 8 microphone

Stereo

Speakers

Shield

Stereo (BTL)

Stereo

CXD5602与CXD5247的设计中加入了高品质的便携式Audio设备功能。可播放高解析音源及实现多频道录制。

CXD5247配备了高性能的A/D转换器,可处理模拟4通道、数字8通道的Mic输入。此外,还配有全数字放大器(Full Digital Amplifier),可以将非常清晰的声音直接输出到扬声器中。扬声器输出采用BTL(Balanced Transformer Less)技术,可提供动态声音。

CXD5602还配备了专用Audio DSP,可播放/录制高解析音源。

这些功能都远超 ArudinoRaspberry Pi ,可以说是Spresense独具的极大优势。

4.5. GNSS定位功能与实时时钟

Feature

Arduino Uno

Spresense

Raspberry Pi 3B

GNSS

Shield

GPS & GLONASS

Shield

Time

Shield

RTC

Shield

Spresense拥有超低功耗的GNSS接收功能。这对需要准确位置信息的追踪类终端和无人机来说是非常重要的功能。

此外,由于经由GNSS信号可接收高精度的准确时刻来同步实时时钟,它也适用于对时间有要求的数据记录处理上。同时,在以时间触发、必须同步的应用程序(如360度影像系统)控制中也同样可以应用。

ArduinoRaspberry Pi 中此类功能必须通过shield实现,而且以低功耗和低延迟方式实现非常困难。

4.6. 数字端子

Feature

Arduino Uno

Spresense

Raspberry Pi 3B

IO Pins

14

29 + 4 LED

27

IO voltage

5V

5V/3.3V/1.8V

3.3V

UART

1

2

2

SPI

1

1 (3.3/5V) +1 (1.8V)

1

I2C

1

1 (3.3/5V) +1 (1.8V/camera)

2

PWM

6

4

1

Spresense带有UART、I2C、SPI、PWM、I2S等众多数字端子。

Spresense主板的数字端子标准电压为1.8V,Spresense扩展板的数字端子标准电压可设为3.3V或是5V。它可将主板的1.8V标准电压调整为3.3V或是5V。此外,主板还带有内置的4个LED灯。

Spresense 主板与Spresense扩展通过100针的B2B接口连接。

4.7. A/D转换器

Feature

Arduino Uno

Spresense

Raspberry Pi 3B

Channels

6

6

None

Bits

10

10

None

Fastest rate

~10 kHz

500 kSPS

None

Arduino 一样,Spresense扩展板上带有6通道的模拟输入端子。不过,与 Arduino 不同的是,模拟输入端子不可以用作数字端子。

A/D转换器的电压固定为5V。Spresense主板的A/D转换器输入端子的电压为0.7V,所以为了减少Spresense扩展板输入时的噪声,采用了电阻分圧(kΩ、kΩ)的方式来切换电压。

因此,请务必注意连接设备的输出电阻。

4.8. 可连接性

Feature

Arduino Uno

Spresense

Raspberry Pi 3B

USB

1 device

2 device

4 host

Camera

Shield

5M Pixel

8M Pixel

Video display

None

SPI up to 360x240 Pixel

HDMI, DSI

WiFi

Shield

Shield

802.11n

Bluetooth

Shield

Shield

4.1 Classic, Low Energy

Ethernet

Shield

Shield

10/100

Cellular

Shield

Shield

Shield

Raspberry Pi 一样,Spresense 主板上准备了专用的相机接口。可使用专用的相机电路板获取高清画质的静止画面。