探索XENSIV™传感器屏蔽罩：开启创新传感应用之旅

在物联网和传感技术飞速发展的今天，传感器的应用变得越来越广泛。而作为硬件开发者，我们一直在寻找能够集成多种功能的传感器解决方案，以满足不同项目的需求。今天，我要和大家分享一款非常有特色的传感器屏蔽罩——Infineon的SHIELD_XENSIV_A XENSIV™传感器屏蔽罩。

文件下载：Infineon Technologies SHIELD_XENSIV_A XENSIV™传感器扩展板.pdf

一、产品概述

SHIELD_XENSIV_A XENSIV™传感器屏蔽罩是一款专为与Arduino兼容的基板设计的硬件扩展板。它集成了多种传感器和支持硬件，为我们提供了一个全面的传感解决方案，可用于安全可靠的传感应用。这款屏蔽罩适用于熟悉物联网和传感技术的技术专家，通常在实验室条件下使用。

二、使用前的重要注意事项

在使用这款传感器屏蔽罩之前，有几个重要的注意事项需要我们了解：

评估板和参考板的性质

Infineon提供的评估板和参考板仅用于演示和评估目的，并非商业化产品。它们在设计时考虑了环境条件，但仅按文档描述进行了测试，在安全要求、全工作温度范围或使用寿命内的制造和操作方面未进行全面验证。而且，它们的功能测试仅在典型负载条件下进行，在退货材料分析（RMA）、工艺变更通知（PCN）和产品停产（PD）等方面与常规产品的处理流程不同。这些评估板和参考板可能不符合CE或类似标准，使用时用户需确保其操作符合所在国家的相关要求和标准。

静电放电防护

评估或参考板包含对静电放电（ESD）敏感的部件和组件，在安装、测试、维修或修理组件时，需要采取静电控制预防措施，否则可能导致组件损坏。如果对静电控制程序不熟悉，应参考适用的ESD保护手册和指南。

三、快速上手

套件内容

套件包含XENSIV™传感器屏蔽罩和快速入门指南。收到套件后，我们要检查套件内容，如果发现缺少零件，应联系最近的Infineon销售办公室寻求帮助。

连接与开发平台

这款传感器屏蔽罩兼容基于Arduino UNO的Infineon开发平台，如CY8CKIT - 062S2 - 43012或CYW920829M2EVK - 02。使用前，基板设备需要使用ModusToolbox™（版本3.1或更高版本）创建固件。

连接到CY8CKIT - 062S2 - 43012

• 创建开箱即用（OOB）应用程序：首先，将传感器屏蔽罩连接到基板套件，然后使用USB电缆通过KitProg3 USB连接器将基板连接到PC。在ModusToolbox™ IDE中，导入“XENSIV™ Sensor Shield: OOB demo”代码示例到新工作区。接着，选择项目并在Quick Panel中点击相应的配置进行构建和编程。完成后，打开终端程序，选择KitProg3 COM端口，设置串口参数。编程完成后，应用程序将自动启动，初始化所有传感器并在TFT显示屏和串口终端上显示传感器数据。我们可以通过按下基板上的用户按钮（SW2）在不同传感器之间切换。
• 支持的代码示例：包括SHT35湿度传感器示例、雷达自主存在检测示例、CO2传感器示例等多个代码示例，方便我们进行开发和测试。
• 额外配置：如果需要通过UART从串口终端接收数据，需要禁用CY8CKIT - 062S2 - 43012上的UART流控制。当仅通过MCU USB连接器（J7）为CY8CKIT - 062S2 - 43012供电时，需要使用USB Type - C电缆连接传感器屏蔽罩的USB电源（J11），为板载雷达传感器、雷达屏蔽接口、磁力计传感器和PDM麦克风提供额外电压源。

  连接到CYW920829M2EVK - 02

• 创建开箱即用（OOB）应用程序：确保传感器屏蔽罩与基板断开连接，使用USB微电缆将基板通过KitProg USB连接器连接到PC，并将基板上的开关SW6设置为SWD。在ModusToolbox™ IDE中，导入“XENSIV™ Sensor Hub”代码示例到新工作区。选择项目并进行构建和编程。编程完成后，移除USB电缆，重新连接传感器屏蔽罩和USB电缆。打开终端程序，设置串口参数。应用程序启动后，会在串口终端显示提示信息，我们可以输入数字启用相应的传感器。
• 支持的代码示例：包含XENSIV Sensor Hub、SHT35温度湿度传感器、BMI270 IMU传感器等多个代码示例。

传感器集线器Android应用程序

这个应用程序可以通过蓝牙连接到CYW920829M2EVK - 02上的XENSIV™传感器屏蔽罩并获取数据。它支持多种蓝牙服务和特性，如SHT35的相对湿度和温度、BMM350的磁场和温度等。使用该应用程序，我们需要满足Android OS版本12或更高（API级别32），并且Android设备配备蓝牙4.0或更高版本的硬件要求。安装时，下载或复制发布的.APK文件到Android设备并进行安装。应用程序的界面包括导航栏、集线器屏幕、传感器屏幕和活动屏幕，方便我们进行设备连接、传感器选择和数据可视化。

四、套件操作原理

理论基础

SHIELD_XENSIV_A XENSIV™传感器屏蔽罩与Arduino兼容，能够轻松地将多个传感器与基板套件进行接口连接。它包含了来自Infineon的XENSIV™系列的PDM麦克风、雷达传感器、气压传感器和CO2传感器，以及来自Bosch的运动传感器、磁力计传感器、来自Sensirion的数字湿度和温度传感器和一个0.96英寸的TFT显示屏。

硬件组件

• XENSIV™数字气压传感器：内置温度传感器，通过I2C接口传输传感器数据。
• I2C连接器：用于通过QWIIC接口连接各种传感器和其他组件，无需焊接或布线。
• 雷达屏蔽连接器：用于插入外部雷达屏蔽。
• XENSIV™ 60 GHz雷达传感器：内置运动和方向探测器，通过LED显示运动检测和方向。
• 运动传感器：6轴运动传感器，即惯性测量单元（IMU），通过I2C接口传输数据。
• USB设备连接器：当屏蔽罩未通过5 V Arduino兼容电源引脚供电时，可为板载雷达传感器、雷达屏蔽接口、磁力计传感器和PDM麦克风提供额外电压源。
• 数字湿度和温度传感器：通过I2C接口传输数据。
• 与Arduino UNO R3兼容的电源头：为屏蔽罩提供电源。
• 数字地磁传感器：能够测量地球磁场的三个垂直轴，通过I2C接口传输数据。
• 与Arduino UNO R3兼容的I/O头：为基板和屏蔽罩提供I/O接口。
• XENSIV™ PAS CO2传感器：基于光声光谱（PAS）技术，通过I2C接口传输数据。
• 0.96英寸TFT显示屏：通过SPI接口与基板进行接口连接。
• XENSIV™数字MEMS麦克风：用于捕获声音并生成数字音频数据，通过PDM接口传输。
• I2C和RESET复用开关：用于启用或禁用I2C线和对传感器的复位信号。
• 中断选择开关：用于启用或禁用传感器的中断信号。
• OPTIGA™ Trust M控制器：提供高安全性解决方案，使用I2C接口。
• I2C选择开关：用于启用或禁用对传感器的I2C线。

五、硬件详细解析

原理图

原理图文件可在套件网页上获取，我们可以根据这些文件深入了解硬件的电路设计。

硬件功能描述

电源供应系统

• 电源输入：传感器屏蔽罩通过与Arduino兼容的接头（J1、J2、J3和J4）和板载USB连接器（J11）获取电源。来自基板的3.3 V电源用于为所有3.3 V操作设备的数字电源供电，5 V电源作为电压调节器子系统的输入，生成多个电源电压。来自屏蔽罩USB连接器的5 V电源为雷达子系统提供额外的电源需求。需要注意的是，当雷达传感器配置为连续波模式且PAS CO2传感器同时工作时，传感器屏蔽罩的功耗会更高，可能会超过基板的供电能力，此时可考虑使用外部USB电源供应选项（J11）。每个传感器都有一个专用的接头和跳线选项，可用于测量每个传感器的电流，方便我们监测传感器的功耗。
• 电压调节器：传感器屏蔽罩的电压调节器子系统能够从5 V输入高效地生成多个电源电压。降压电压调节器（U48）从5 V输入生成2.5 V电源，该2.5 V电源为低噪声1.8 V和5 V电源的生成提供输入。同时，来自基板的5 V电源通过低压差线性电压调节器（U47、U15和U38）产生低噪声3.3 V电源，为雷达子系统供电。

RESET接口

传感器屏蔽罩的默认复位源是来自基板上主机MCU的MAIN_RST信号，通过与Arduino兼容的接头（J1、J2、J3和J4）传输。为了防止信号加载，复位源通过逻辑缓冲器（U59）连接，确保复位信号能够有效地驱动多个设备的复位功能。此外，传感器屏蔽罩提供了灵活的复位机制，用户可以通过3针接头（J12）和跳线选项选择复位源，还可以使用拨码开关（SW1）连接或断开所选的复位源信号到所需的设备。

I²C和SPI接口

I2C和SPI接口从基板上的主机MCU传输到传感器屏蔽罩时会进行电平转换，并在设备之间共享。I2C接口的传感器配置为在3.3 V下工作，因此使用I2C电平转换器（U34）将信号转换为3.3 V电平。同时，提供一个拨码开关（SW3）用于连接或断开I2C接口与不同传感器的连接，方便用户进行选择性启用和故障排除。SPI接口在显示屏和雷达子系统之间共享，与TFT显示屏共享的SPI接口会转换为3.3 V电平以支持显示屏的I/O电平，雷达子系统的SPI则根据雷达选择进行电平转换。

传感器子系统

• XENSIV™传感器
  • 数字气压传感器：采用Infineon的DPS368XTSA1，内置温度传感器，通过I²C协议与主机MCU通信。传感器的I²C设备地址由SDO引脚的配置决定，默认地址为0x76，可通过配置更改。传感器通过I²C接口与主机MCU通信，并伴有中断信号。使用I²C电平转换器（U34）和中断信号的I/O电平转换器（U23）确保与主机MCU的逻辑电平兼容，转换后的信号通过OR逻辑门（U20、U25和U31）连接到与Arduino兼容的接头，实现与基板的无缝接口。
  • PAS CO2传感器：Infineon的PASCO2V15，通过I²C协议与主机MCU通信，I²C设备地址为0x28。同样通过I²C接口通信并伴有中断信号，传感器有单独的I/O电源引脚（VDD3.3）和主电源引脚（VDD5）。在主机MCU的应用固件中初始化PAS CO2传感器之前，需确保5 V电源已启用。使用I²C电平转换器（U34）和中断信号的I/O电平转换器（U11）确保与主机MCU的逻辑电平兼容，转换后的信号通过OR逻辑门连接到与Arduino兼容的接头。
• 6轴IMU（加速度计 + 陀螺仪）：采用6轴运动传感器（U14），即惯性测量单元（IMU），通过I²C接口与主机MCU通信，伴有两个中断信号。默认I²C地址为0x69，可通过配置更改。使用I²C电平转换器（U34）和中断信号的I/O电平转换器（U12）确保与主机MCU的逻辑电平兼容，中断信号默认配置为高电平有效并下拉，转换后的信号通过OR逻辑门连接到与Arduino兼容的接头。
• 3轴磁力计：传感器（U13）通过I²C接口与主机MCU通信，伴有中断信号，默认I²C地址为0x14。使用I²C电平转换器（U34）和中断信号的I/O电平转换器（U11）确保与主机MCU的逻辑电平兼容，中断信号默认下拉，转换后的信号通过OR逻辑门连接到与Arduino兼容的接头。
• 数字湿度传感器：SHT35（U17）内置温度传感器，通过I²C协议与主机MCU通信。I²C设备地址由ADDR引脚的配置决定，默认地址为0x44，可通过配置更改。传感器通过I²C接口通信并伴有中断信号，电源引脚连接到3.3 V电源。使用I²C电平转换器（U34）和中断信号的I/O电平转换器（U23）确保与主机MCU的逻辑电平兼容，转换后的信号通过OR逻辑门连接到与Arduino兼容的接头。

音频子系统

传感器屏蔽罩配备两个Infineon的数字PDM MEMS麦克风（U5和U4），共享一个公共的PDM总线。每个麦克风的SELECT引脚决定PDM数据在PDM时钟的哪个边沿可用。左麦克风（U5）的SELECT引脚接地，PDM数据在PDM_CLK_IN的下降沿可用；右麦克风（U4）的SELECT引脚连接到VDD_MIC，PDM数据在PDM_CLK_IN的上升沿可用。麦克风可以通过接头（J10）和跳线从3.3 V或1.8 V供电，提供设计和实现的灵活性。PDM接口信号通过电平转换器（U44和U45）转换为基板I/O电平，并连接到与Arduino兼容的接头。

雷达子系统

• 60 GHz雷达传感器：采用Infineon的XENSIV™ 60 GHz雷达传感器（U1）BGT60LTR11AIP，集成了发射和接收天线，采用天线封装（AIP）概念，无需用户进行复杂的天线设计，可使用标准FR4材料进行PCB设计。传感器通过TDET和PDET引脚连接到LED（D1和D2）以指示运动检测和方向。雷达传感器使用外部采样和保持电容器处理模拟IF信号，配备外部低通滤波器过滤IF信号，还提供一个电流测量接头（J7）用于测量雷达传感器的电流。板载晶体（Y1）为雷达传感器提供38.4 MHz时钟输入，雷达传感器的参数可以通过传感器屏蔽罩上的电阻配置进行设置，默认配置为自主模式，可通过不同的电阻设置启用其他模式。
• 外部雷达传感器屏蔽接口连接器：传感器屏蔽罩配备两个Hirose DF40HC(3.5) - 20DS - 0.4 V连接器（J15和J5），为外部雷达传感器提供高密度、高可靠性的接口。连接时需要一个带有匹配对接连接器（DF40C - 20DP - 0.4 V）的外部雷达接口板。这些连接器提供了全面的信号，包括电源供应线、数字接口、控制GPIO、模拟IF信号和可编程GPIO线，方便与外部雷达传感器进行连接和通信。
• 板载和外部RADAR接口的复用：传感器屏蔽罩通过RADAR_SEL_LS信号在板载RADAR和外部接口连接器之间复用RADAR接口信号。该信号为数字控制信号，用于选择板载RADAR接口（RADAR_SEL_LS = 0）或外部接口（RADAR_SEL_LS = 1）。复用通过模拟开关实现，对RADAR复位信号、模拟IF信号、SPI接口和GPIO信号进行选择。复用后的信号会进行电平转换，以匹配RADAR传感器的I/O电平。

安全子系统

传感器屏蔽罩配备OPTIGA™ Trust M设备（U6），这是一款高度安全的嵌入式安全设备，为物联网应用提供先进的安全功能。该设备通过I²C接口与基板进行安全通信和数据交换。OPTIGA™ Trust M设备由3.3 V电源供电，使用I²C电平转换器（U34）确保与主机MCU信号电平兼容，转换后的I²C接口连接到与Arduino兼容的接头。同时，基板的复位信号通过I/O电平转换器（U43）转换为3.3 V，确保向OPTIGA™ Trust M设备提供干净稳定的信号。

TFT显示屏

传感器屏蔽罩配备一个0.96英寸的TFT IPS显示屏，分辨率为80 x 160，由ST7735S控制器驱动。显示屏采用IPS（平面内转换）面板，提供宽视角并支持4K/65K/262K颜色。主机MCU通过4线SPI协议与显示屏通信，显示屏通过8引脚FPC连接器（J17）连接，屏蔽罩上还提供了连接芯片在柔性板（COF）风格显示模块的接口。显示屏使用3.3 V电源为TFT IPS LCD和背光供电，来自主机MCU的SPI接口和其他控制信号通过与Arduino兼容的接头传输，并通过I/O电平转换器（U24、U30和U19）进行电平转换。显示屏的复位信号来自拨码开关（SW1），经过电平转换后连接到显示屏。

I²C接口连接器

传感器屏蔽罩配备一个4针连接器（J16），它扩展了来自基板的3.3 V I/O电平转换后的I²C接口，专为添加基于I²C的附加板而设计，提供了扩展功能和灵活性。该接口