nRF51 Development Kit (далее для краткости DK) в комбинации с nRF5 SDK дает полное решение для разработки программного обеспечения и аппаратуры на основе чипов SoC серии nRF51. nRF51 DK это плата разработчика, на которой установлен чип nRF51422 вместе с отладчиком J-Link. Чип nRF51422 представляет собой систему на кристалле (System on Chip, SoC), идеально подходящую для построения приложений ANT™/ANT+, Bluetooth® low energy (BLE), и проприетарных приложений беспроводной связи на 2.4 ГГц с ультранизким потреблением энергии. Если Вы не используете протокол ANT, то можете использовать более дешевый чип nRF51822 и разрабатывать для него код на чипе nRF51422 платы nRF51 DK без каких-либо изменений в своем коде (комментарии по совместимости чипов nRF51822 и nRF51422 см. во врезке "Миграция с nRF51822 на nRF51422" статьи [2]).

Примечание: расшифровку новых терминов и аббревиатур см. в Словарике [9].

Плата nRF51 DK обладает следующими ключевыми возможностями:

• Работает на чипе nRF51422, поддерживающем разработку устройств для протоколов ANT/ANT+ и BLE с низким потреблением энергии.
• Проприетарный радиорежим 2.4 ГГц, совместимый с чипами серии nRF24L.
• Взаимодействие с пользователем на основе кнопок и светодиодов (LED).
• Интерфейс ввода/вывода, совместимый по размещению коннекторов и их цоколевке с шилдами Arduino.
• Лицензионный отладчик SEGGER J-Link, позволяющий программировать память nRF51422 и отлаживать его код. Кроме того, можно использовать этот отладчик для программирования и отладки внешних плат через интерфейс SWD.
• Порт microUSB, который совмещает в себе 3 функции:
   - USB-порт отладчика SEGGER J-Link.
   - Виртуальный USB COM порт, через который можно осуществить обмен данными между хостом разработки PC и UART микроконтроллера nRF51422.
   - "Флешка", USB-устройство Mass Storage Device (MSD), через которое можно программировать FLASH-память чипа nRF51422.
• Совместимость с mbed [3].

[2 Комплект поставки]

В дополнение к самой плате разработчика, nRF51 DK поставляется с исходным кодом примеров firmware, документацией, принципиальной схемой, файлами разводки. Все это можно бесплатно скачать с сайта www.nordicsemi.com (см. также [15]).

Рис. 1. Комплект поставки nRF51 DK.

[3 Быстрый старт]

Подключите свою плату nRF51 DK к компьютеру:

1. Соедините плату nRF51 DK с компьютером кабелем microUSB. Микропереключатель SW6 Power переведите в положение ON.

2. На плате загорится LD5, показывающий наличие питания.

3. Через несколько секунд компьютер распознает nRF51 DK как стандартную флешку USB.

Рис. 2. Проводник с содержимым флешки JLINK.

Установите программное обеспечение. Инструкции по установке инструментария Nordic можно получить по ссылкам [5, 6]. То что реально понадобится, зависит от Вашей операционной системы и используемой среды разработки (IDE).

[4 Начало разработки]

После того, как были установлены nRF DK, nRF51 SDK и IDE, настало время попробовать что-нибудь разработать. Обычно разработку начинают с того, что запустят на плате разработчика какой-нибудь пример кода - чаще всего мигание светодиодом (это традиционный "Hello World" для мира микроконтроллеров). Успешный запуск простейшего примера показывает, что среда разработки установлена правильно, отладчик и плата разработчика функционируют нормально. Для дополнительной информации ознакомьтесь со следующими ресурсами.

[5 Interface MCU]

Микроконтроллер интерфейса (Interface MCU) на плате nRF51 DK работает либо как интерфейс отладчика SEGGER J-Link OB, либо как интерфейс mbed OB, и он используется для программирования и отладки firmware (кода прошивки) nRF51422 SoC.

Рис. 3. Interface MCU.

5.1 Кнопка IF Boot/Reset. Плата nRF51 DK оборудована кнопкой сброса интерфейса IF Boot/Reset (SW5). Эта кнопка подключена к Interface MCU, и выполняет 2 функции:

• Сбрасывает nRF51422 SoC.
• Вводит в режим загрузчика (bootloader mode) микроконтроллер Interface MCU.

В режиме нормального функционирования эта кнопка будет функционировать как кнопка сброса для nRF51422 платы nRF51 DK. Также эта кнопка используется для перевода в режим загрузчика Interface MCU. Чтобы войти в этот режим, удерживайте кнопку сброса при подаче питания на плату, при этом LED LD5 начнет мигать. Подать питание на плату можно отключением и подключением кабеля USB, либо перевести микропереключатель питания SW6 сначала в положение OFF (выключено), затем в положение ON (включено).

5.2 Виртуальный COM-порт. Interface MCU предоставляет Virtual COM port (VCP), через который можно обмениваться данными с UART микроконтроллера nRF51422. VCP обладает следующими функциями:

• Гибкая настройка скорости до 1 Mbps⁽¹⁾.
• Динамическая обработка сигналов управления потоком (Hardware Flow Control, HWFC).
• Ножки UART переводятся в третье (отключенное) состояние, когда терминал не подключен.

Примечание (1): скорость передачи 921600 через виртуальный COM-порт не поддерживается.

Обмен через UART обычно используется для передачи отладочных сообщений и/или взаимодействия с пользователем. Программное обеспечение терминала PC должно послать сигнал DTR, чтобы сконфигурировать для ножек MCU интерфейс UART. Таблица 4 показывает соединения UART между nRF51422 и Interface MCU.

Таблица 4. Сигналы интерфейса UART, назначение ножек nRF51422 по умолчанию.

Сигналы UART, подключенные к Interface MCU, переводятся в третье состояние, если к VCP не подключена программа терминала. Это дает возможность использовать ножки nRF51422 как обычные порты GPIO.

Ножки портов P0.08 (RTS) и P0.10 (CTS) могут свободно использоваться nRF51422 как GPIO, когда аппаратное управление потоком (HWFC) запрещено.

Примечание: интерфейс mbed OB не поддерживает HWFC через виртуальный COM-порт.

5.3 Interface MCU firmware. Установленный на плате Interface MCU запрограммирован на заводе mbed-совместимым загрузчиком, это дает возможность поменять его firmware между заводским SEGGER J-Link OB и nRF51 mbed-интерфейсом, см. секцию "5.1 Кнопка IF Boot/Reset" с описанием запуска загрузчика.

Чтобы поменять Interface MCU firmware, просто перетащите образ прошивки интерфейса (.bin) на смонтированный диск загрузчика, и передерните питание платы. Обе прошивки интерфейса - nRF51 mbed и J-Link OB - можно скачать с сайта www.nordicsemi.com.

[5.4 MSD]

Interface MCU поддерживает функцию флешки (mass storage device, MSD). Она появляется на хосте отладки PC, когда Вы подключаете к нему свой nRF51 DK. Эта флешка может быть использована для drag-and-drop программирования. Программируемые файлы могут быть сохранены на этот диск. Если скопировать HEX на флешку, то Interface MCU запрограммирует этот файл в память nRF51422.

Также можно запретить MSD для nRF51 DK, используя команду msddisable, введенную в J-Link Commander. Чтобы обратно восстановить функционал MSD, введите команду msdenable. Эти команды вступят в действие после передергивания питания nRF51 DK. Действие команд msddisable и msdenable сохранится до тех пор, пока не будет задано противоположное изменение.

[6 Описание аппаратуры nRF51 DK]

В этой главе приведено описание схемы и аппаратных ресурсов платы nRF51 Development Kit (PCA10028).

nRF51 DK может использоваться как платформа для разработки на основе микросхем nRF51 SoC. На борту у nFR51 имеется полноценное решение для программирования и отладки. В дополнение к коммуникациям по радиоканалу nRF51 SoC может обмениваться данными с компьютером через виртуальный COM-порт (virtual COM port, VCP), предоставляемый Interface MCU. Также доступен интерфейс передачи отладочных сообщений через RTT [14].

Рис. 4. Схематическое изображение вида на верхнюю сторону платы nRF51 DK.

Рис. 5. Схематическое изображение вида на верхнюю сторону платы nRF51 DK.

Рис. 6. Блок-схема аппаратуры nRF51 DK.

Примечание: расширитель ввода/вывода (I/O expander), перемычки (switch) и фильтр подавления дребезга (debouncing filter) имеется только на платах DK версии v1.2.0 и более свежих. Версия вместе с серийным номером может быть прочитана на белой наклейке микроконтроллера Interface MCU.

6.3 Питание. Плата nRF51 DK может получать питание из нескольких источников:

Рис. 7. Варианты питания nRF51 DK.

Напряжение 5V DC, поступающее от USB, понижается до 3.3V с помощью находящегося на плате регулятора напряжения. Напряжение, поступающее от коннектора внешнего питания (коннектор P21 External supply) и от батареи, не регулируется. Ток от источников питания передается через набор диодов (D1A, D1B и D1C, см. рис. 8), чтобы защитить DK от переполюсовки, при этом схема DK будет получать питание от того источника, у которого будет самое высокое напряжение.

Примечание: когда на USB не подается питание, микроконтроллер Interface MCU находится в неактивном состоянии, и будет потреблять дополнительный ток около ~20 мкА, чтобы обеспечить функциональность кнопки сброса (IF BOOT/RESET). Этот ток вносит свой вклад в общее потребление тока платой, однако он не влияет на результат изменений потребления тока для процесса, описанного в секции "6.7 Измерение потребляемого тока".

Рис. 8. Схема организации питания nRF51 DK.

На диодах защиты от переполюсовки (D1A, D1B и D1C) падает напряжение, за счет этого уровень напряжения питания для отлаживаемого микроконтроллера окажется меньше, чем предоставляет источник питания. Чтобы избежать падения напряжения на диодах, можно поместить мостики припоя на перемычках SB10, SB11 или SB12 (в зависимости от того, какой источник питания используется).

Таблица 5. Перемычки SB10, SB11 или SB12, устраняющие падение напряжения на защитных диодах.

Рис. 9. Перемычки SB10, SB11 или SB12.

Примечание: имейте в виду, что после замыкания защитных диодов функция защиты от переполюсовки перестает действовать, и следует быть внимательным при подаче питания сразу от нескольких источников (их выходы могут замыкать друг на друга).

6.4 Подключение к ножкам nRF51422. Выводы nRF51422 портов GPIO доступны на коннекторах P2, P3, P4, P5 и P6. Дополнительно на коннектор P1 выведена шина земли GND, напряжения питания 3.3V и 5V, а также сигнал сброса.

Рис. 10. Коннекторы nRF51 DK.

Те же сигналы доступны и с обратной стороны платы через (не распаянные) SMD-коннекторы P7, P8, P9, P10, P11 и P12. С помощью этих коннекторов плата nRF51 DK может использоваться как шилд для материнских плат Arduino, или может соединятся с другими шилдами, соответствующими стандарту Arduino.

Для упрощения доступа к GPIO, питанию и шине GND те же самые сигналы выведены на дополнительные отверстия для установки коннекторов P13 .. P17.

Когда плата nRF51 DK используется как шилд вместе со стандартной материнской платой Arduino, сигналы Arduino выведены, как показано на рис. 11.

Рис. 11. Сигналы Arduino на плате nRF51 DK.

6.5 Кнопки и светодиоды. На плате nRF51 DK установлены 4 кнопки и 4 светодиода, подключенные в выделенным ножкам GPIO чипа nRF51422 SoC. Эти соединения показаны в таблице 6.

Таблица 6. Соединения для кнопок (button) и светодиодов (LED).

Если GPIO P0.21 .. P0.24 нужны для других целей, то соответствующие LED могут быть отключены разрезанием перемычек SB5 .. SB8, см. рис. 12.

Рис. 12. Перемычки для отключения LED.

Сигналы от кнопок имеют активный уровень лог. 0, т. е. на входе nRF51422 появится низкий уровень, когда кнопка нажата. Для кнопок не предусмотрены внешние подтягивающие верхние резисторы (pull-up), поэтому для использования кнопок на выводах P0.17 .. P0.20 должны быть программно сконфигурированы как входы с активными внутренними pull-up резисторами.

Светодиоды LED имеют низкий активный уровень, т. е. чтобы светодиод засветился, на соответствующий сконфигурированный выход GPIO должен быть выведен уровень лог. 0.

Рис. 13. Схема подключения кнопок и светодиодов.

6.5.1 I/O expander для дополнительных кнопок и светодиодов. На платах nRF51 DK (v1.2.0 и более новых версий) имеется коннектор P5 I/O expander, предназначенный для разрешения конфликтов портов GPIO с платами, которые следуют стандарту Arduino. На него выведены те же самые порты P0.25, P0.28 и P0.29, которые выведены на коннектор P4, который совместим с портами Arduino. I/O expander освободит эти выводы GPIO для обычного использования, когда nRF51 DK используется вместе со стандартными платами Arduino. I/O expander можно постоянно разрешить, если замкнуть мостиком припоя перемычку SB18, или можно постоянно запретить, если разрезать замыкающую дорожку перемычки SB19. Также необходимо замкнуть SB18, когда разрезается SB19 для полной совместимости со стандартом Arduino.

I/O expander можно временно разрешить замыканием сигнала SHIELD DETECT (контакт 6 коннектора P4) на GND.

Рис. 14. Разрешение или запрет GPIO для соответствие стандарту Arduino.

В дополнение к кнопкам и светодиодам, для I/O expander используются следующие ножки портов GPIO:

Таблица 7. Подключение I/O expander.

Рис. 15. Схема I/O expander.

Примечание: при использовании I/O expander не нужно использовать программное подавление дребезга контактов кнопок. Каждая кнопка платы nRF51 DK снабжена фильтром для подавления дребезга.

6.6 Кварц 32.768 кГц. nRF51422 может опционально использовать кварц 32.768 кГц (X2) для повышенной точности и снижения потребляемой мощности. На плате nRF51 DK ножки портов P0.26 и P0.27 по умолчанию используются для кварца 32.768 кГц, и поэтому они недоступны как GPIO на коннекторах.

Примечание: при использовании протоколов ANT/ANT+ кварц 32.768 кГц (X2) необходим для корректного функционирования.

Если ножки портов P0.26 и P0.27 нужны в качестве обычных портов ввода/вывода (GPIO), то кварц 32.768 кГц можно отключить, и подсоединить P0.26 и P0.27 на коннекторы. Для этого перережьте перемычки SB1 и SB2, и установите мостики припоя на перемычках SB3 и SB4, см. рис. 16.

Рис. 16. Отключение кварца 32.768 кГц и подключение P0.26 и P0.27 к коннекторам.

Рис. 17. Схема соединений кварца 32.768 kHz и перемычек SB1 .. SB4.

6.7 Измерение потребляемого тока. На плате nRF51 DK есть возможность мониторить ток, который потребляет nRF51422. Существует несколько типов оборудования, которое может использоваться для измерения тока, и у каждого типа есть свои достоинства и недостатки:

• Power analyzer
• Осциллограф
• Миллиамперметр (мультиметр)
• Power Profiler Kit [7, 8]

Измерения с помощью Power analyzer и Power Profiler Kit здесь не рассматриваются (см. документацию Power Profiler Kit [7, 8]).

При измерении тока нужно иметь в виду следующее:

• Не используйте коннектор USB для подачи питания на плату nRF51 DK. Вместо этого для питания используйте батарейку-таблетку 3V CR2032, или внешний источник питания, подключенный к коннектору P21 External Supply.
• Измерения тока будут ненадежными, когда через виртуальный COM-порт подключена программа терминала.
• После программирования nRF51422 SoC кабель USB должен быть отключен, и должно быть передернуто питание у nRF51 DK, чтобы перед измерением тока был сброшен чип отладчика.

6.7.1 Подготовка платы nRF51 DK. Для измерения тока необходимо подготовить плату, чтобы можно было выполнить все описанные далее шаги. Рекомендуемые конфигурации приводят к разделению доменов питания nRF51422 SoC и остальной части платы. Также замыкаются защитные диоды, чтобы они не оказывали влияния на уровень напряжения питания nRF51422.

Рис. 18. Подготовка платы nRF51 DK и измерениям тока потребления nRF51422.

1. Перережьте дорожку меди, которая замыкает перемычку SB9, чтобы коннектор P22 был подключен последовательно с потребляющей нагрузкой.
2. Замкните каплей припоя перемычку SB11 (если для питания используется дисковая батарейка CR2032 на 3V) или SB12 (если используется внешний источник питания). Этими перемычками отключается защитный диод, чем исключается падение напряжение на нем.

Важное замечание: когда замкнута перемычка SB11 или SB12, плата nRF51 DK не должна получать внешнее питание от внешнего источника (от батарейки или от P21), когда плата получает питание от USB. Иначе два источника питания будут соединены параллельно, что может привести к неприятным последствиям, потому что перемычки SB11 или SB12 отключают защитный диод, предотвращающий встречные токи от выходов двух параллельно соединенных источников питания.

После окончания измерений тока для восстановления нормального состояния nRF51 DK нужно провести обратные действия:

• Запаять перемычку SB9, или установить перемычку на P22.
• Снять каплю припоя с перемычки SB11 или SB12, чтобы вернуть действие защитного диода.

Чтобы перепрограммировать чип nRF51422, когда плата nRF51 DK подготовлена к измерению тока, необходимо отключить внешнее питание и после этого подключить плату к компьютеру кабелем USB.

6.7.2 Использование осциллографа для измерения профиля тока. Для этого выполните последовательно следующие шаги. Предварительно должны быть выполнены действия по подготовке платы, описанные выше в п. 6.7.1.

1. Смонтируйте резистор номиналом 10 Ом в посадочное место R6 на плате.
2. Подключите осциллограф в дифференциальном режиме с помощью двух щупов к коннектору P22, как показано ниже на рис. 19.
3. Рассчитайте или постройте график тока по падению напряжения на резисторе 10 Ом (напряжение должно быть получено по разности напряжений, измеренных двумя щупами осциллографа). Падение напряжения будет пропорционально потребляемому току. Резистор 10 Ом приведет к падению напряжения 10 mV для каждого 1 mA, потребляемого измеряемой схемой.
4. Полученный график падения напряжения может использоваться для вычисления тока в определенный момент времени, или проинтегрирован для получения среднего тока за определенный период времени.

Рис. 19. Измерение тока с помощью осциллографа.

Несколько советов для уменьшения шума:

• Используйте щупы в режиме ослабления 1x.
• Разрешите в осциллографе режим усреднения или ФНЧ, чтобы снизить влияние на измерения случайного шума.
• Разрешите функцию высокого разрешения, если это доступно.

Используйте частоту развертки как минимум 200 kSa/s (килосемплов в секунду, одна выборка каждые 5 мкс), чтобы можно было получить корректные измерения тока.

6.7.3 Использование миллиамперметра для измерения тока. Предварительно должны быть выполнены действия по подготовке платы, описанные выше в п. 6.7.1. Подключите мультиметр в режиме измерения тока к коннектору P22, как показано ниже на рис. 20.

Рис. 19. Измерение тока с помощью миллиамперметра.

Миллиамперметр будет показывать средний потребляемый ток nRF51422, если:

• nRF51422 находится в состоянии, когда он потребляет все время одинаковый ток, или когда активность устройства, влияющая на изменение тока (наподобие событий подключения BLE) постоянно повторяется с короткими интервалами времени (менее 100 мс), чтобы миллиамперметр смог измерить средний ток полного цикла изменения тока, а не его какую-то часть.
• Динамический диапазон миллиамперметра достаточно широк, чтобы измерять ток в диапазоне от 1 мкА до 15 мА.
• Рекомендуется использовать true RMS миллиамперметр.

6.8 Измерения RF. Плата nRF51 DK оборудована маленьким коаксиальным коннектором (J1), чтобы можно было подключить кабелем измерительное радиооборудование для оценки сигнала.

Этот коннектор имеет тип SWF (Murata part no. MM8130-2600) с переключателем антенны. По умолчанию, когда никакой кабель не подключен, RF-сигнал приходит на антенну, расположенную на печатной плате DK. Существует тестовый пробник (Murata part no. MXHS83QE3000) со стандартным коннектором SMA на другом конце для подключения измерительного оборудования (этот тестовый пробник не входит в комплект поставки nRF51 DK). Когда подключен тестовый пробник, внутренний переключатель коннектора SWF отключит антенну на печатной плате, и передаст радиосигнал от nRF51422 на тестовый пробник.

Рис. 21. Подключение анализатора спектра RF.

Коннектор и тестовый пробник вносят некоторые потери в RF-сигнал, которые нужно учитывать при измерениях, см. таблицу 8.

Таблица 8. Типовые потери радиосигнала из-за коннектора SWF и тест-пробника.

6.9 Вход для подключения отладчика. Коннектор P18 (Debug in) дает возможность подключить внешний отладчик и производить отладку, когда nRF51422 получает питание от батареи или внешнего источника питания.

Рис. 22. Коннектор для подключения внешнего отладчика.

6.10 Выход встроенного отладчика. Плата nRF51 DK поддерживает программирование и отладку устройств nRF51 или nRF52, смонтированных на внешних платах. Чтобы отлаживать внешнюю плату с помощью интерфейса SEGGER J-Link OB, подключите коннектор P19 (Debug out) к отлаживаемому устройство 10-контактным кабелем.

Рис. 23. Выходной коннектор встроенного отладчика nRF51 DK.

Когда на внешнюю отлаживаемую плату подано питание, Interface MCU обнаружит это напряжение и будет программировать чип на внешней плате вместо чипа nRF51422, смонтированного на плате nRF51 DK.

Примечание: поддерживаемое напряжение питания для программирования/отладки внешней платы составляет 3.0V.

Вы можете также использовать P20 в качестве выхода отладчика для программирования целевых плат, установленных как шилд. При этом P20 будет подключен к плате шилда, и Interface MCU обнаружит напряжение питания смонтированного шилда, и будет программировать целевой микроконтроллер, смонтированный на плате шилда.

Если Interface MCU определит наличие питания на обоих коннекторах P19 и P20, то по умолчанию он будет программировать целевой микроконтроллер, подключенный к P19.

Таблица 9. Цоколевка P19 Debug out для программирования/отладки внешней платы.

Таблица 10. Цоколевка P20 Debug out для программирования/отладки платы шилда.

6.11 Конфигурация мостиков припоя

Таблица 11. Перемычки, используемые во всех версиях nRF51 DK.

Таблица 12. Перемычки, используемые в версии v1.2.0 nRF51 DK и более новых версиях.

[Ссылки]

1. nRF51 Development Kit User Guide site:nordicsemi.com.
2. Обзор семейств чипов nRF51.
3. Nordic nRF51-DK site:os.mbed.com.
4. ANT (network) site:wikipedia.org.
5. Setting up your toolchain site:infocenter.nordicsemi.com.
6. Nordic tools and downloads site:infocenter.nordicsemi.com.
7. Power Profiler Kit site:infocenter.nordicsemi.com.
8. Power Profiler Kit II site:infocenter.nordicsemi.com.
9. Bluetooth: аббревиатуры и термины.
10. Running examples that use a SoftDevice site:infocenter.nordicsemi.com.
11. Running the example site:infocenter.nordicsemi.com.
12. nRF Command Line Tools.
13. Автоматизация прошивки SoftDevice.
14. Командная строка J-Link RTT Viewer.
15. 211218nRF51-DK-files.zip - прошивка Interface MCU (отладчик J-Link), nRF5 SDK v12.3.0, файлы для производства nRF51 DK (Gerber, сверловка, проект Altium Designer).