定制 WisBlock IO 电路板

尽管RAKwireless提供了广泛的WisBlock IO模块选择，但可能还是未找到所需的那一款。在这个简小的教程中，将介绍如何制作自己的WisBlock IO扩展模块。

#请先阅读

• WisBlock产品中使用的板对板连接器可以从RAKwireless商店中购买。连接器有两个供应商：松下(Panasonic)和特思嘉(TXGA)。Base板（RAK5005-O）上是母/插座型，模块上是公/插头型。
  • Panasonic 连接器数据手册
  • TXGA 连接器母型数据手册
  • TXGA 连接器公型数据手册

 

• 零件库中提供了除Eagle以外的用于其他PCB设计工具的原理图和PCB零件库。
• 仔细阅读RAK5005-O WisBlock Base的数据手册，了解连接到4个传感器插槽的信号。
• 仔细阅读其中一个现有的WisBlock IO模块的数据手册，了解信号的应用。如RAK1920 IO 扩展。

#模板方案

为了简化任务，我们为Autodesk Eagle™准备了一个完整的示例项目，可在此处下载。该项目具备启动定制WisBlock IO模块所需要的一切。包含用在WisBlock IO模块上的板对板连接器和预定义的PCB模型，将原始WisBlock IO模块与孔匹配，以便将模块固定到WisBlock Base。

 

#模板原理图

模板原理图非常简单。仅包含连接器和引脚分配的解释。连接器的所有38个引脚都分配给信号。2个引脚未使用。

Figure 1: 示例原理图

 

#关于引脚分配的重要信息

以下事项需要了解：

• VDD是MCU GPIO电压，对于RAK4631此值为3.3V。只要WisBlock是通过电池或者USB供电，就可使用。
• 3V3是一个3.3V电源，只要WisBlock是通过电池或者USB供电，就可使用。
• 3V3_S是一个3.3V电源，可由WisBlock Core模块控制。
• VBUS是来自USB连接器的5 V电压。此电源仅当WisBlock通过USB供电时才可用。
• USB+和USB-是来自WisBlock Core模块的USB连接器。这些信号可能不适用于所有WisBlock Core模块。
• I2C2_SDA和I2C2_SCL并非在所有WisBlock Core模块上都可用。
• TXD1和RXD1并非在所有WisBlock Core模块上都可用。

 

如果IO模块仅消耗少量uA的电流，可以选择VDD或3V3为IO模块的电子器件供电。但是，如果模块消耗较高的电流，强烈建议使用3V3_S作为电源。这样，可通过软件优化WisBlock应用的功耗。

引脚序号	引脚名称	描述
1	VBAT	电池电源
2	VBAT	电池电源
3	GND	接地
4	GND	接地
5	3V3	3.3V 电源
6	3V3_S	3.3V 电源，由CPU模块控制
7	USB+	USB D+
8	USB-	USB D-
9	VBUS	用于USB的5V输入
10	SW1	开关连接器
11	TX0	MCU UART0 TX 信号
12	RXD0	MCU UART0 RX 信号
13	RESET	复位开关，用于MCU复位
14	LED1	电池充电指示LED
15	LED2	用于定制的LED
16	LED3	用于定制的LED
17	VDD	GPIO电压和MCU模块
18	VDD	GPIO电压和MCU模块
19	I2C1_SDA	#1 I2C 数据信号
20	I2C1_SCL	#2 I2C 时钟信号
21	AIN0	用于ADC的模拟输入
22	AIN1	用于ADC的模拟输入
23	NC	无连接
24	NC	无连接
25	SPI_CS	SPI 片选信号
26	SPI_CLK	SPI 时钟
27	SPI_MISO	SPI MISO 信号
28	SPI_MOSI	SPI MOSI 信号
29	IO1	通用 IO
30	IO2	用于3V3_S启用
31	IO3	通用 IO
32	IO4	通用 IO
33	TXD1	MCU UART1 TX 信号
34	RXD1	MCU UART1 RX 信号
35	I2C2_SDA	#2 I2C 数字信号
36	I2C2_SCL	#2 I2C 时钟信号
37	IO5	通用 IO
38	IO6	通用 IO

#模板 PCB

模板PCB与标准WisBlock传感器模块的尺寸相匹配。请勿移动连接器（底部组件）或者WisBlock Base上固定模块的安装孔。

Figure 2: 模板 PCB

 

正如您所看到的，Autodesk Eagle™在较大安装整体周边会上报很多DRC尺寸错误。安装孔及其铜印（连接到GND信号）必须机械地位于PCB边缘。Autodesk Eagle™ 仅允许一条与PCB边缘距离有关的设计规则，因此存在DRC检查错误。

 

如果定制的IO模块不需要整个宽度（35 mm），可以减少宽度并跳过右侧两个较大的固定孔。但是需要确保宽度至少覆盖左侧的3个较小固定孔。

 

#关于PCB设计的重要信息

• 如上所说，请勿将连接器和安装孔移动到其他位置。如果移动它们，自制的WisBlock IO将无法插入到WisBlock Base模块。
• 由于板对板连接器的位置靠近PCB边缘，可能必须更改设计规格，使用4mil连接，铜印与0.2mm通孔直径之间的距离4mil。这将取决于您的设计是否适用于默认的Autodesk Eagle™设计规则，但大多数情况下，连接到连接器焊盘的电线将无法布线。
• 建议在顶层和底层安装GND平面。
• 不要将组件放置在底层，因为传感器模块和Base板之间的空间仅为1~2 mm。

 

#IO 扩展示例

本示例选择的是非常常见的芯片， PCF8574 GPIO 扩展芯片。此芯片通过I2C控制，可将GPIO总数扩展为8个双向GPIO。

#IO 扩展示例原理

以下为IO 扩展原理图。

Figure 3: IO 原理图

 

首先要检查的是，我们删除了板对板连接器上的大多数连接。

Figure 4: 调整连接网

 

仅留下所需的连接网。

对于IO扩展芯片，我们仅需要电源网络、I2C网络和1条IRQ线。有关IO扩展的设计可从PCF8574 GPIO 扩展数据手册中获取。

 

#IO 扩展示例 PCB

可以在一块两层电路板上完成整个设计。连接很简单，可使用 Autodesk Eagle™自动布线功能完成。

正如看到的那样，建议将GND平面安装在顶部和底部。此外，安装孔周围的开放铜区域是可见，此铜区域连接到GND信号。

 

#IO 扩展顶层

Figure 5: RTC示例顶层

 

#IO 扩展底层

Figure 6: RTC示例底层

 

IO扩展示例PCB的Eagle文件可在此处下载。

#结论

正如所看到的那样，设计一款定制的WisBlock IO模块并不困难。只需要遵循PCB设计的几个设计规则：

• 请勿移动模板PCB所给定的板对板连接器位置。
• 请勿移动模板PCB所给定的安装孔位置。
• 为传感器选择正确的电源：
  • 如果电流消耗非常低，选择VDD或3V3
  • 如果需要控制WisBlock传感器模块的电源，选择3V3_S
• 不要将组件放置在底层。传感器模块和Base板之间的空间仅1~2 mm

 

希望此教程能够对您有所帮助。如果您已成功设计出自己的WisBlock IO模块，欢迎在我们的论坛 WisBlock部分分享细节。感谢您阅读本教程并通过使用我们的WisBlock产品支持RAKwireless。

 

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