QN902x：超低功耗藍(lán)牙 LE 系統(tǒng)級(jí)芯片解決方案深度剖析

在當(dāng)今的電子設(shè)備領(lǐng)域，藍(lán)牙技術(shù)以其便捷性和廣泛的應(yīng)用場景，成為了眾多產(chǎn)品不可或缺的一部分。NXP 半導(dǎo)體推出的 QN902x 系列超低功耗藍(lán)牙 LE 系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC），為藍(lán)牙智能應(yīng)用帶來了全新的解決方案。今天，我們就來深入了解一下這款芯片的特點(diǎn)、功能以及應(yīng)用場景。

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一、QN902x 簡介

QN902x 是一款專為藍(lán)牙智能應(yīng)用設(shè)計(jì)的超低功耗無線系統(tǒng)級(jí)芯片，支持主從模式。它將高性能的 2.4 GHz RF 收發(fā)器與 32 位 ARM Cortex - M0 MCU、閃存以及模擬和數(shù)字外設(shè)集成在一起。通過集成符合藍(lán)牙 LE v4.2 的無線電、鏈路控制器和主機(jī)堆棧，QN902x 為藍(lán)牙智能應(yīng)用提供了單芯片解決方案。

二、主要特性與優(yōu)勢

1. 真正的單芯片藍(lán)牙 LE SoC 解決方案

集成了藍(lán)牙 LE 無線電、完整的藍(lán)牙 LE 協(xié)議棧和應(yīng)用配置文件，支持主從模式和安全連接，在主模式下最多可同時(shí)支持八個(gè)鏈接。

2. 出色的 RF 性能

工作頻率范圍為 2400 MHz 至 2483.5 MHz，采用 GFSK 調(diào)制格式，空中數(shù)據(jù)速率為 1 Mbit/s，偏差為 250 kHz。在非 DC - to - DC 模式下，RX 靈敏度可達(dá) - 95 dBm；在 DC - to - DC 模式下，RX 靈敏度為 - 93 dBm，TX 輸出功率范圍為 - 20 dBm 至 + 4 dBm。

3. 超低功耗

QN9020/1 的單電源供電范圍為 2.4 V 至 3.6 V，QN9022 的單電源供電范圍為 1.8 V 至 3.6 V。具有極低的功耗，深度睡眠模式下僅為 2 μA，睡眠模式（32 kHz RC 振蕩器開啟）為 3 μA。

4. 強(qiáng)大的微控制器

集成 32 位 ARM Cortex - M0 MCU，擁有 64 kB 系統(tǒng)內(nèi)存、96 kB ROM 和 128 kB 片上閃存（QN9020 和 QN9021），支持用戶可控的代碼保護(hù)。

5. 高度集成

具備 4 通道、10 位通用 ADC、兩個(gè)通用模擬比較器、多個(gè) GPIO 引腳、四個(gè)通用定時(shí)器、32 kHz 睡眠定時(shí)器、看門狗定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、2 通道可編程 PWM、兩個(gè) SPI/UART 接口、I2C - 總線主/從接口、欠壓檢測器、電池監(jiān)視器和 AES - 128 安全協(xié)處理器等。

三、功能模塊詳解

1. MCU 子系統(tǒng)

• MCU：32 位 ARM Cortex - M0 MCU，具有簡單易用的編程模型、高效的超低功耗運(yùn)行、出色的代碼密度和確定性的高性能中斷處理能力。
• 內(nèi)存組織：64 kB 系統(tǒng)內(nèi)存，采用用戶可配置的保護(hù)模式，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問。
• 復(fù)位生成：有四種復(fù)位源，包括強(qiáng)制 RSTN 引腳為低電平、上電、欠壓和看門狗超時(shí)。
• 嵌套向量中斷控制器（NVIC）：支持 24 個(gè)外部中斷輸入，可通過軟件設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)。
• 時(shí)鐘和電源管理：提供靈活的時(shí)鐘方案，支持 16 MHz 和 32 MHz 外部晶體，具有 SLEEP 和 DEEP SLEEP 兩種睡眠模式，可降低功耗。
• 串行線調(diào)試（SWD）接口：支持最多四個(gè)硬件斷點(diǎn)和兩個(gè)觀察點(diǎn)。

2. 閃存

QN9020/1 擁有 128 kB 閃存，通過內(nèi)部 SPI 接口與 MCU 通信，可用于存儲(chǔ)代碼或數(shù)據(jù)，具有 32 個(gè) 4 kB 的扇區(qū)，可單獨(dú)擦除，最少 100000 次擦除/編程周期。QN9022 則具備連接外部閃存的接口。

3. 數(shù)字外設(shè)

• 定時(shí)器：定時(shí)器 0 和 1 為 32 位通用定時(shí)器，定時(shí)器 2 和 3 為 16 位通用定時(shí)器，具有輸入捕獲、比較和 PWM 輸出功能。
• 實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）：由 32 kHz 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，可提供帶校準(zhǔn)的實(shí)時(shí)時(shí)間，支持時(shí)間和日期配置、每秒中斷生成和輸入捕獲功能。
• 看門狗定時(shí)器（WDT）：16 位定時(shí)器，由 32 kHz 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，可用于系統(tǒng)恢復(fù)或作為通用間隔定時(shí)器。
• 睡眠定時(shí)器：32 位定時(shí)器，運(yùn)行在 32 kHz 時(shí)鐘速率下，用于設(shè)置系統(tǒng)退出睡眠模式的間隔。
• PWM：提供兩通道 PWM 波形，具有可編程的周期和占空比。
• DMA：用于減輕 MCU 處理數(shù)據(jù)傳輸操作的負(fù)擔(dān)，支持固定和不定長度的傳輸。
• 隨機(jī)數(shù)生成器：用于安全目的。
• AES 協(xié)處理器：支持 128 位密鑰和 DMA 傳輸觸發(fā)功能，可實(shí)現(xiàn)加密/解密操作，減少 CPU 使用率。

4. 通信接口

• UART 0/1：支持 8 位和 9 位有效負(fù)載模式，可配置奇偶校驗(yàn)、起始位和停止位電平、數(shù)據(jù)傳輸順序等，支持硬件流控制和靈活的波特率。
• SPI 0/1：可配置主/從模式、4 線或 3 線模式，時(shí)鐘速度可配置，支持不同的時(shí)鐘極性和相位以及數(shù)據(jù)傳輸順序。
• I2C - 總線：符合 (I^{2}C) - 總線規(guī)范 v2.1，支持 7 位設(shè)備尋址模式、標(biāo)準(zhǔn)模式（最高 100 kbit/s）和快速模式（最高 400 kbit/s），支持主仲裁和從模式下的線路拉伸。

5. 無線電和模擬外設(shè)

• RF 收發(fā)器：符合藍(lán)牙 LE 物理層規(guī)范，需要 32 MHz 或 16 MHz 晶體提供參考頻率，以及匹配網(wǎng)絡(luò)來匹配天線。
• 片上振蕩器：包括低功耗高頻晶體振蕩器（HFXO）、超低功耗 32.768 kHz 晶體振蕩器（LFXO）和超低功耗 32 kHz RC 振蕩器（LFRCO）。
• DC - to - DC 轉(zhuǎn)換器：可將單個(gè)外部電源電壓轉(zhuǎn)換為所有內(nèi)部電源電壓，可選的集成 DC - to - DC 降壓轉(zhuǎn)換器可降低 30% 的電流消耗。
• 通用 ADC：集成 8 位或 10 位 SAR ADC，采樣率高達(dá) 50 千樣本/秒，具有四個(gè)外部獨(dú)立輸入通道，支持信號(hào)轉(zhuǎn)換、連續(xù)轉(zhuǎn)換和掃描模式。
• 模擬比較器：用于比較兩個(gè)模擬輸入的電壓，輸出數(shù)字信號(hào)，可作為中斷源喚醒系統(tǒng)。
• 電池監(jiān)視器：通過將電源電壓（(V_{DD}/4)）連接到 ADC 輸入來實(shí)現(xiàn)，使用內(nèi)部調(diào)節(jié)參考進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

四、應(yīng)用場景

QN902x 適用于多種藍(lán)牙智能應(yīng)用場景，包括但不限于：

• 運(yùn)動(dòng)與健身：可用于運(yùn)動(dòng)手環(huán)、智能手表等設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。
• 醫(yī)療保健：如血壓計(jì)、血糖儀、心率監(jiān)測儀等醫(yī)療設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。
• 遠(yuǎn)程控制：用于智能家居設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，如智能燈具、智能門鎖等。
• 智能手機(jī)配件：如無線耳機(jī)、藍(lán)牙音箱等。
• PC 外設(shè)：鼠標(biāo)、鍵盤等無線外設(shè)。
• 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的無線傳輸和監(jiān)測。

五、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1. 電源設(shè)計(jì)

根據(jù)不同的型號(hào)（QN9020/1 或 QN9022）選擇合適的電源電壓范圍，合理使用 DC - to - DC 轉(zhuǎn)換器以降低功耗。

2. 時(shí)鐘設(shè)計(jì)

確保晶體振蕩器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的時(shí)鐘頻率和振蕩器類型。

3. 射頻匹配

設(shè)計(jì)合適的 RF 匹配網(wǎng)絡(luò)，以確保天線與 RF 收發(fā)器的良好匹配，提高 RF 性能。

4. 焊接工藝

在焊接 SMD 封裝時(shí)，可根據(jù)具體情況選擇波峰焊或回流焊。波峰焊適用于通孔元件和部分 SMD 元件，但對(duì)于細(xì)間距 SMD 元件不太適用；回流焊則更適合小型化和高密度的元件。同時(shí)，要注意焊接過程中的溫度曲線、濕度敏感性等問題。

六、總結(jié)

QN902x 作為一款超低功耗藍(lán)牙 LE 系統(tǒng)級(jí)芯片，憑借其豐富的功能、出色的性能和低功耗特性，為藍(lán)牙智能應(yīng)用提供了一個(gè)強(qiáng)大而靈活的解決方案。無論是在消費(fèi)電子、醫(yī)療保健還是工業(yè)控制等領(lǐng)域，QN902x 都有著廣泛的應(yīng)用前景。作為電子工程師，我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中需要充分考慮芯片的各項(xiàng)特性和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能。你在使用 QN902x 或其他藍(lán)牙芯片時(shí)有遇到過什么問題嗎？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。