如何DIY超长使用寿命及可扩展闪存智能锁

由于越来越多的楼宇和住宅业主希望改造他们的楼宇住宅的智能锁或电子锁，这使得由电池供电的无线智能锁在当今市场中越来越受欢迎。

在智能锁应用中，高电流电机和无线电通常耗电较快，因此会影响电池寿命。更换多节电池可能十分费时且成本高昂，因此降低平均电流消耗通常是一项关键的设计注意事项。

本设计由TI的轻负载高效直流/直流转换器、SimpleLink™超低功耗无线MCU平台、集成电机驱动器和RGB LED驱动器提供支持，本设计涵盖甚广，有助于系统设计人员在电子锁、门禁键盘和读取器、无线自动百叶窗以及HVAC风门和执行器的低功耗门锁设计中占得先机。

1.系统原理

该设计使用具有集成低功耗蓝牙(BLE)无线电器件的CC2640R2F MCU来无线锁定和解锁门，同时还可通过监控电池电压指示寿命殆尽状态、限制流过电机的电流（有助于延长电机寿命）以及利用LED照明和图形将相关事件传达给用户。

该设计通过选择电源拓扑（在本例中为高效降压转换器TPS62745）和延长低功耗蓝牙连接事件的占空比实现了极长的电池寿命。

各种智能锁系统中通常包含四个主要器件：MCU、低功耗蓝牙无线电、电机驱动器和电源管理。

计算出每个器件的平均功耗后，便可以计算出电池的寿命（以毫瓦时为单位）。要计算电池寿命，需要研究两种不同的电流方案：

①　蓝牙开启并且每500ms（或者用户选择的任何其他值）发送一次连接事件。

②　锁定或解锁事件向电机驱动器发送信号，指示驱动器通过直流电机提供大约1A的电流。

我们将忽略蓝牙配对的时间，因为这通常意味着有事件将要发生，并且通过电机提供的电流几乎比流入蓝牙器件的电流高两个数量级。

本设计提及的事件是指锁定或解锁情形。例如，如果用户解锁门，然后再将其锁定，这被视为两个事件（一个是锁定事件，一个是解锁事件）。

本设计在选择电池时考虑了两个主要因素：容量和电池平台的普及度。AA电池的容量大于AAA电池。

此外，当今市场上更多类似于智能风门的应用都选择使用AA电池。

2.系统框图

3.核心器件

DRV8833：具有电机电流控制功能和360mΩ低RDSon的双H桥电机驱动器。

CC2640R2F：具有超低功耗无线MCU（32位Arm Cortex-M3处理器）的2.4GHz低功耗蓝牙。

TPS62745：具有16种可选输出电压（1.8V至3.3V）和90%效率（负载电流≥15μA时）的超低IQ降压转换器。

LP55231：用于为移动设备制造灯光效果的九通道LED驱动器。

CSD25310Q2：具有±8V栅极-源极电压和19mΩ低RDSon的低成本功率PFET。

TPD1E10B06：采用0402封装且具有10pF电容和6V击穿电压的单通道ESD。

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下图为BOM物料清单。

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4.系统电路图

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5.硬件概述

下图为本设计的硬件。PCB为3.5英寸×4.0英寸的矩形。不过，在开发过程中未采取任何措施来缩小其外形尺寸。PCB位于1英寸尼龙支柱上，可以在执行实验室测量时轻松使用。

该板具有两根跳线。利用板左上角的J1，用户可以断开电池与该参考设计其余部分的连接。

利用J1，还可以通过6V电源轨对电流测量结果进行收集。J5位于板中心附近，将3V电源轨连接到LED驱动器。当测试期间无需运行LED时，J5的作用尤其突出。

板的左下角包含电机连接终端块和测试点以及DRV8833电机控制器。I2C测试点和LED控制器中断测试点位于板的右下角，靠近JTAG编程接头。

CC2640R2F和PCB天线位于板的下部中间位置。六个RGB LED以环形排列在CC2640R2F的左侧，两个LP55231 LED控制器位于LED上方。

该设计还包含一些按钮。三个用户按钮位于右上角，而复位按钮位于板的中心。

建议在拆下J1的情况下安装电池，然后再安装该跳线为电路供电。加电后，全部六个LED立即呈粉色闪烁，以通知用户器件已正确加电。

粉色启动LED

未使用蓝牙连接器件时，用户按钮（S2、S3和S4）可激活设计的不同功能。按下S2后，将开始一系列灯光变化，六个RGB LED循环亮起多种不同的颜色。S3驱动电机前进。电机将在再次按下S3或10秒后停止。S4驱动电机后退。电机将在再次按下S4或10秒后停止。

为了使用蓝牙进行通信，使用名为LightBlue™的iOS应用进行测试。可以在各种平台上使用其他通用蓝牙应用。已测试了Samsung®GalaxyS®6上B-BLE应用的功能。

6.  PCB布局

下图为智能锁设计的PCB布局。为了确保高性能，本设计采用了4层PCB布局。第二层为固态接地层，第三层用于电源轨布线（无接地填充）。

顶层和底层用于一般信号布线，未使用的区域还具有接地填充。我们将板载蓝牙天线放置在尽可能远离其他噪声源的位置，这些噪声源包括降压转换器或其他可充当天线的部件（例如测试点或大迹线）。