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Spresense - 低功耗下的边缘计算

在干电池供电的Spresense板上体验正真的边缘计算

Spresense硬件相关文档

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。

2. 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。

3. 操作指南

3.1. 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

3.2. 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

3.3. How to use reset function

Spresense can reset the system in the following way.

  • Press SW2 on the main board.

  • UART connection (DTR signal trigger) by serial monitor etc.

  • Reduce the signal level of JP3’s 3rd pin of the extension board to Low (see details below)

When a system reset is applied, from the CXD5247 of the LSI that manages the power supply and each power supply LSI Since power supply stops for a moment, caution is required when connecting an external circuit to an extension board or Add-on board.

Resetting pin No.3 of JP3 on the extension board can be used as bidirectional. That is

  • Input the signal to reset the system from the extension board.

  • Reset the system connected outside the extension board.

Although it can be used as any of the above, please connect the recommended circuit shown below as an external circuit. However, as a user device to be connected, a microprocessor LSI We assume high impedance devices such as.

HW reset en

Also, the reset signal (XRST_PIN_1.8V) on pin No.1 of JP2 on the main board outputs the system reset status. It is Low when the system reset is applied, and in other states It outputs High (1.8V). By using this signal, it is possible to reset the Add-on board etc at the same timing as the sensing processor CXD5602.

3.4. 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。

3.5. 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。

3.6. 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2.45mm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。

扩展板端的UART可用且主板上的UART设置为GPIO时,只有D27和D28可用。

3.7. 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。

3.8. 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。

3.9. 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。

3.10. 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

3.11. Powering the main board with external power

The maximum current that can be drained from the Spresense main board micro USB connector is 500mA. This is true also when both the main board and extension board are mounted and have separate USB power connected. The 500mA current that is sourced by the main board will be shared with the Add-on board too.

In case that the 500mA current from the micro USB connector is not sufficient it is possible to supply more power using the battery terminal CN1 on the main board. The CN1 battery connector’s recommended operating voltage is 3.6 to 4.4V with an absolute maximum voltage of 7V. Using the CN1 battery connector the sourced current from EXT_VDD (JP2 pin number 3) to an Add-on board can be increased.

See the table below for recommended battery connector that will fit CN1.

It is necessary to solder on the main board to mount a battery connector on CN1.

Modifying the Spresense boards will void the warranty. Please do it at your own risk.
表格 1. List of battery connector that will fit on CN1 of the main board:
Vendor Type Comment

Japan Crimp Terminal Mfg. Co., Ltd.

S2B-PH-K-S

PH male connector

PHR-2

PH female connector

HW power supply en
图表 1. Powering the main board from the battery connector CN1.

Powering the main board via the CN1 battery connector will boot the Spresense system even if the micro USB is not connected.

Even if power is supplied from PH connector (CN1) on the main board, you can supply power from the microUSB connector on the main board and extension board. The lower limit of the voltage output of the EXT_VDD pin is about 4V. :toc: left :toclevels: 3 :sectnums: 3 :SPRESENSE_CHIP: CXD5602 :ACAPULCO_CHIP: CXD5247

3.12. 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。

3.12.1. 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

3.12.2. 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

3.12.3. 模拟Mic的连接方法

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。

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

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

3.12.4. 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

3.13. 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。

3.13.1. 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。

3.13.2. 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

3.14. 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

3.15. 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