Nordic nRF51/nRF52硬件开发流程说明

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Nordic nRF51/nRF52硬件开发流程说明相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

Nordic nRF52系列包括nRF52832/nRF52840/nRF52810/nRF52811等芯片，nRF51系列包括nRF51822/nRF51422/nRF51802等芯片，开发者可以按照如下流程去评估和开发nRF52/51应用解决方案

如果你英文比较好的话，建议直接阅读Nordic官方的“nRF5 Getting Started”：https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fug_getting_started%2FUG%2Fgs%2Fproduct_development.html&cp=1_0，介绍得非常详细，我下面的文章也是在该文基础上加工整理而得。

1.    第1步：芯片选型评估，选择适合你的芯片型号。

1.1 粗略选型

首先大家可以快速浏览如下网页内容：https://www.nordicsemi.com/Products/Low-power-short-range-wireless/Bluetooth-low-energy，以对Nordic每个芯片的最主要特性有个大致了解，下面为页面部分截图： 

上面是Nordic低功耗蓝牙产品横向对比页面，如果你需要看Nordic其他解决方案，比如Zigbee或者蜂窝网IoT，请参考如下页面：

  

1.2仔细查看芯片具体参数

这个主要通过查阅nRF51/52 spec来实现的。nRF52系列芯片都只有一份spec，spec包含了芯片外设模块功能概述，电气特性参数，应用参考电路，封装和订购信息等内容，请注意电气特性放在每一个外设模块章节的最后面。nRF51系列芯片共用同一份参考手册，同时不同的型号还有各自的一份独立数据spec。参考手册主要描述各外设模块的功能及原理，spec则具体罗列本型号的电气特性参数，应用参考电路，封装和订购信息等。Nordic有一个Infocenter，你需要的任何文档都可以在这里找到，Infocenter链接为：https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp，界面如下所示。nRF52/51芯片spec就可以在infocenter下载。

  

2.     第2步：选择SDK版本号以及相应的协议栈类型和版本。

推荐使用最新版的SDK以及SDK自带的协议栈，nRF52系列产品开发推荐使用nRF5 SDK 15.3.0，nRF51系列产品开发推荐使用nRF5 SDK 12.3.0。SDK官网下载地址为：https://www.nordicsemi.com/Software-and-Tools/Software/nRF5-SDK/Download#infotabs。至于协议栈，一般推荐SDK安装目录里面自带的协议栈，这个兼容性好，开发最简单。不过有时在Nordic官网下载SDK的时候，比如SDK15.2.0，官网会自动绑定一个比SDK安装目录里面自带的协议栈版本更高版本的协议栈，那么这个时候推荐使用该绑定的高版本协议栈，原因如下：

再完美的协议栈难免也会有bug，此时Nordic会把bug修复的协议栈单独发布出来，比如nRF5 SDK 15.2.0自带的S140协议栈版本为6.1.0，一般来说，直接用这个版本的协议栈就可以了，但是这个版本的协议栈的主机模式有一个小bug，为此Nordic单独发布了6.1.1版S140协议栈，此时用户就需要去官网单独下载这个最新版的协议栈了。记住，大家只需要下载版本号数字最后一位有变化的即可，比如6.1.1相比6.1.0，最后一个数字有升级，那么推荐大家直接下载下来，然后覆盖原来老的协议栈即可。如果版本号第1个数字就有变化，意味着两个版本的协议栈是不兼容的，此时一般SDK也会跟着升级的，比如7.0.0相比6.1.0，这个就属于大升级了，此时建议直接使用与之配套的最新版本SDK来进行开发，而不是把协议栈进行简单覆盖。（当然，你也可以自己把7.0.0的协议栈移植到老SDK中，这个稍微麻烦一些，不过Nordic也有相关移植文档供大家参考）。如下列出了常用协议栈的发布页面：

大部分用户使用Nordic产品的时候都会使用Nordic协议栈，而协议栈是会占用一定的Flash，RAM以及某些外设模块的，大家评估的时候一定要把协议栈占用的资源扣除，然后再评估剩下的资源够不够用。而且开发Nordic产品的时候，经常需要跟协议栈打交道，因此强烈建议大家读一下协议栈spec，以大致了解Nordic协议栈的原理以及一些关键性能参数，如下为Nordic nRF52系列使用到的各种协议栈spec下载页面：

 

欲进一步了解SDK和softdevice请参考：Nordic nRF5 SDK和softdevice介绍

3.    第3步：申请Nordic nRF52/51官方开发板（Development Kit，DK）

Nordic绝大多数例子都是在nRF51/52官方开发板上开发和测试的，手上有nRF51/52开发板将大大方便软件工程师的开发。nRF51/52开发板也可以作为参考板来排查用户板问题。在生产测试的时候，nRF51/52开发板还可以作为gold sample去测试用户板的射频性能是否合格。最后，nRF51/52开发板还带一块正版Jlink芯片，也就是说nRF51/52开发板本身就是一个Jlink烧写器，不仅可以用来烧写板子上的nRF51/52芯片，还可以用来烧写其他用户板上的Jlink芯片。一个正版Jlink烧写器在淘宝上售价为1000人民币左右，而Nordic nRF51/52开发板官方售价才39美金，正可谓“价格厚道，感动人心”。（PS：如果你拿到Nordic nRF51/52官方DK的话，你会发现Nordic DK做工是业界最好的，没有之一！）

 

4.    第4步：电路设计

推荐直接按照nRF51/52 spec中的参考电路原理图和layout来设计自己的电路和布板，同时Nordic提供了实际的电路图和Gerber file，大家可以直接查看BOM清单，以及沿用里面的nRF5器件封装。

如果大家想深入理解蓝牙应用电路设计和布板的一些知识，可以参考Nordic提供的这个教程：https://devzone.nordicsemi.com/tutorials/25/。

第5步：蓝牙射频性能调试

蓝牙射频性能最关键的三个影响因子：匹配电路调试，天线设计调试以及晶振选择，Nordic都有相应的指导文件。

5.1 匹配电路调试

请参考Nordic white paper 013：https://infocenter.nordicsemi.com/pdf/nwp_013.pdf?cp=12_14  

5.2 天线设计

请参考Nordic white paper 017：https://infocenter.nordicsemi.com/pdf/nwp_017.pdf?cp=12_11

5.3 晶振选择

请参考Nordic white paper 015：https://infocenter.nordicsemi.com/pdf/nwp_015.pdf?cp=12_12

所有white paper和application note都放在Infocenter如下地方：https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fstruct_appnotes%2Fstruct%2Fappnotes.html&cp=11以及https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fstruct_whitepapers%2Fstruct%2Fwhitepapers.html&cp=12 

第6步：电路图和layout review

Nordic或其代理商免费提供原理图和layout review服务，我们可以将原理图和layout提交给Nordic代理商或者Nordic Devzone进行审核。Devzone一般1到2个工作日就会给予你答复。电路图提交流程请参考文章：Nordic官方网络资源介绍（官网/devzone/GitHub）（第2节：Nordic Devzone（开发者论坛））。Devzone提交电路图review的界面是长下面这个样子的：

 

7.    第7步：打板

如何贴片，Nordic也有相应的指导文件，目前Nordic芯片只有QFN，WLCSP和aQFN三种封装，相关贴片指导说明都放在application note中：https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fstruct_appnotes%2Fstruct%2Fappnotes.html&cp=11  

8.    第8步：射频性能测试

如果自己有专门的BLE测试设备，那么你可以自己来测试板子RF性能。如果你没有BLE测试设备，也没有关系，Nordic或其代理商免费提供BLE测试服务。只要把板子寄给Nordic代理商实验室，或者Nordic实验室，或者第三方实验室，比如R&S实验室，他们就能帮你完成BLE性能和符合性测试。你可以根据实验测试结果对板子进行二次整改。一般而言，专业的蓝牙测试设备都遵守DTM（Direct Test Mode）规范，所以设备端（nRF5端）只需下载DTM固件就可以与之通信并完成相关测试。Nordic每一版SDK都包含每颗芯片的DTM固件，建议大家使用SDK15.3.0里面的DTM程序，测试说明请参考：https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fcom.nordic.infocenter.sdk5.v15.3.0%2Fble_sdk_app_dtm_serial.html&cp=5_1_4_5。

另外，在这里推荐一种简单RF测试方法，即跟Nordic官方 DK进行通信距离比对测试。可以把SDK中的HRS（Heart Rate application）程序分别下载到Nordic DK和你的用户板中，然后分别连上手机，看看手机跟DK的通信距离有多远？再看看你的用户板跟手机通信距离有多远？如果两者差不多，说明你的用户板RF性能不错。HRS程序放在SDK目录：<InstallFolder>\\examples\\ble_peripheral\\ble_app_hrs，测试说明见：https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fcom.nordic.infocenter.sdk5.v15.3.0%2Fble_sdk_app_hrs.html&cp=5_1_4_2_2_13。

第9步：功耗测试

低功耗蓝牙应用一般都是用电池供电的，所以对功耗要求非常高。如何有效快速的测试nRF5的功耗，尤其是BLE各种应用场景下的功耗，就显得尤为重要。Nordic提供了一个在线的理论功耗计算工具：https://devzone.nordicsemi.com/power/，你只需输入你的蓝牙应用场景，该在线工具就可以自动算出这种场景下nRF5芯片的功耗大概为多少，网页截图如下所示：

  

该工具的使用说明请参考：https://devzone.nordicsemi.com/b/blog/posts/nrf52-online-power-profiler。

除了这个在线的理论功耗计算工具，Nordic还提供了一块电流测试板：PPK（Power Profiler Kit），PPK可以用来实时测试用户板的VDD功耗，就像专业的电源测试工具或者示波器一样，PPK购买链接为：https://www.nordicsemi.com/About-us/BuyOnline?search_token=nRF6707， 使用说明请参考：https://www.nordicsemi.com/Software-and-Tools/Development-Kits/Power-Profiler-Kit/Download#infotabs。

如果对BLE功耗测试原理感兴趣的话，可以参考如下两篇贴子：https://devzone.nordicsemi.com/tutorials/b/hardware-and-layout/posts/current-measurement-guide-introduction和https://devzone.nordicsemi.com/tutorials/b/hardware-and-layout/posts/nrf51-current-consumption-guide

一般来说，测试BLE功耗时，nRF5可以下载HRS程序（关掉UART日志功能）或者power profiling程序，这2个程序都可以准确反应nRF5芯片的蓝牙功耗情况。Power profiling程序放在SDK目录：<InstallFolder>\\examples\\ble_peripheral\\ble_app_pwr_profiling，测试说明见：https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fcom.nordic.infocenter.sdk5.v15.3.0%2Fble_sdk_app_pwr_mgmt.html&cp=5_1_4_2_2_20。HRS程序放在SDK目录：<InstallFolder>\\examples\\ble_peripheral\\ble_app_hrs，测试说明见：https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fcom.nordic.infocenter.sdk5.v15.3.0%2Fble_sdk_app_hrs.html&cp=5_1_4_2_2_13。

10.  第10步：勘误表自查

勘误表（Errata或者PAN）内容一般都是关于软件开发注意事项的，软件出问题的时候或者正式量产之前，建议自查一下勘误表，以防踩到“坑”。请注意，虽然勘误表里面的条目很多，但真正跟你有关系的其实很少，原因有二：一勘误表里面的workaround已经集成到SDK里面，二错误出现的条件非常极端，你的应用不会有这种情况，所以不要被勘误表长长的列表给吓倒了。如果你使用的是最新版本的SDK和最新版本的芯片，一般而言，勘误表跟你无关，但如果你使用的是老版本SDK或者老版本芯片，那么就一定要自查勘误表了。

11. 第11步（可选）：认证

根据产品需要，你可以去做BQB认证，SRRC认证，FCC认证，ETSI认证，环保测试等。Nordic产品本身已经通过了上述所有测试和认证，对用户来说，这些认证工作，更多的是一些文档工作。一般来说，推荐用户去选择一家专业的实验室或者第三方机构去做这些认证，这样可以保证通过而且不耽误项目进度。

Nordic提供了两套射频测试固件，一套是DTM测试代码，符合蓝牙DTM标准，位于目录：SDK安装目录\\examples\\dtm\\direct_test_mode，具体说明请参考：https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fcom.nordic.infocenter.sdk5.v15.3.0%2Fble_sdk_app_dtm_serial.html&cp=5_1_4_5；一套是Radio test测试代码，用于直接测试各个射频通道物理性能，比如频偏等，位于目录：SDK安装目录\\examples\\peripheral\\radio_test，具体说明请参考：https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fcom.nordic.infocenter.sdk5.v15.3.0%2Fnrf_radio_test_example.html&cp=5_1_4_6_29。BQB认证或者SRRC认证，一般推荐使用DTM代码。另外如果你需要测试2.4G丢包率，也推荐使用DTM代码，这个在量产测试的时候非常有用。当然，SRRC认证也可以使用radio test代码，radio test代码除了可以测试蓝牙和2.4G，还可以用来测试802.15.4的物理层，比较适合用来进行定频测试以及频偏测试等。

BQB认证分终端产品和底层component两种认证，做终端产品认证需要用到component认证证书，即QDID，大家可以到如下的蓝牙联盟官网查询Nordic所有认证产品的 QDID：https://launchstudio.bluetooth.com/Listings/Search，在搜索框输入“Nordic Semiconductor ASA”，即可搜出Nordic所有QDID。

  

除了上述认证，Nordic还提供如下报告：

 

12. 第12步：搭建量产烧写环境

Nordic不提供量产烧写器，不过有很多第三方机构，比如希尔特，以及Nordic代理商都有相关量产用的烧写工具。其实，支持SWD接口的Jlink烧写器都可以用来烧写Nordic产品（淘宝上有很多）。虽然Nordic不提供量产烧写器，但是Nordic提供了一个量产烧写软件nrfjprog，而且nrfjprog有可执行文件，DLL库，Python接口等多种存在形式，同时支持Windows，Linux和Mac系统。nrfjprog的可执行文件和动态库在安装nRF5x Command Line Tools时就会自动安装好，可执行文件nrfjprog放置在如下目录：

然后在Windows环境变量中添加上述目录，如下：

 

你就可以在Windows命令行中执行nrfjprog命令，如下：

  

nrfjprog支持的命令非常多，比如擦除，烧写代码，读寄存器，复位等，具体使用说明请参考：https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fug_nrf5x_cltools%2FUG%2Fcltools%2Fnrf5x_nrfjprogexe.html&cp=6_1_3。

如果你想基于nrfjprog DLL来开发自己的量产烧写工具，请参考：https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fug_nrf5x_cltools%2FUG%2Fcltools%2Fnrf5x_nrfjprogdll.html&cp=6_1_4。

现在Python非常流行，如果你想开发Python版的量产烧写工具，nrfjprog也提供了相关库：pynrfjprog，相关使用说明请参考：https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fug_pynrfjprog%2FUG%2Fpynrfjprog%2Fpynrfjprog_lpage.html&cp=6_2。

如果你不想使用nrfjprog，而想使用标准的SWD指令去直接操作nRF5芯片，那么请参考white page 027：https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fnwp_027%2FWP%2Fnwp_027%2Fintro.html&cp=12_4。

方法多种多样，选择适合你的就好。

13. 第13步：搭建生产测试环境

一般来说，有2种生产测试方法：一是使用昂贵的专业设备来进行生产测试，比如Litepoint，Anritsu等，二是使用Nordic的nRF51/52 DK作为gold sample去测试DUT，成本低廉效果也不错。具体请参考Nordic application note 034：https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fstruct_appnotes%2Fstruct%2Fappnotes_nan34.html&cp=11_3  

14.  第14步：小批量试生产

重点观察产品一致性，良率和产能。

15.  第15步：大批量生产

产品上市！

 

上面更多的是站在一个硬件工程师角度去评估，选型和开发一个产品，除此之外，软件选型也是非常重要的。软件开发的便捷性将直接影响产品的上市时间，SDK的稳定性和可维护性将直接影响后期人力资源的再投入，对很多公司来说，“软”投入已经大大超过“硬”投入了，所以软件选型也变得越来越重要了。很多人都觉得Nordic产品的功耗做得非常低，很了不起，不过个人感觉，Nordic真正的杀手锏优势不是低功耗，而是其提供的SDK开发起来非常方便，运行也非常稳定，开发者不需要把自己的精力花在帮Nordic找bug和解bug上，而只需专注在自己的业务逻辑开发上。关于Nordic SDK开发环境搭建，请参考：

Nordic nRF51/nRF52开发环境搭建

以上是关于Nordic nRF51/nRF52硬件开发流程说明的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

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