硬件电路是网关的躯干部分，是网关的实体所在，硬件电路的设计好坏将影响无线信号的收发质量、数据传输的速率大小以及外壳的选择，所以，一个好的硬件电路设计会全面考虑这三方面的因素，从而设计出既符合现代审美又具备科技质感和前沿技术的 ZigBee网关。本文依然将介绍基于NXP ZigBee 芯片 JN5169 / JN5189的 ZigBee 网关设计，对网关的硬件电路需求、硬件电路摆放、网关外框等进行一一讲解，希望读者能将该网关的硬件电路设计作为一个参考，对ZigBee网关的设计有一个基本的认识，从而能在实际操作的过程中，根据个人需求设计出更加符合市场需求的网关硬件，从而达到抛砖引玉的作用。
供电部分
供电部分是 ZigBee 网关的“生命之源”，它是网关动力来源。
图1-1 USB 和三孔墙插插头
不同网关的所需要的供电部分不同，供电部分的形态基本决定了网关的形态，目前网关的常用供电方式基本有三种：
一是使用 5V USB 供电，二是墙插的三脚插头供电，外设多的还有选取 12V 的 USB 供电。
下面我们就来比较一下三种不同供电方式。
一、
5V USB 供电是最常用的供电方式，其优点是灵活、方便，USB 的数据线无论是 Micro USB 还是 Type-c 都是比较常见的，比如：手机充电线，这样就给用户带来更大的便利性，可能找不到网关的供电线时，随手拿一根线就能让网关正常使用，同样，转接头在日常生活中也很常见。另外，连接线的长度给了网关一定的灵活性，这样用户无论是在插座的占用率上（用的是转接头，所以不会出现用一个插头占两个位置的情况），还是网关的摆放位置上，都更有优势。
二、
市面上也有一部分产品是采用的墙插的三脚插头来供电，墙插供电的话最主要的还是直接接到了 220V 市电（交流电）上面，没有转接头来进行电压转换，从而需要将 220V 交流 –> 5V 直流这部分电路搬到网关的硬件设计上，这部分电路网上有很多参考设计，就不一一细说。
图 1-2 220V 转 5V 电路
对于用户来说，墙插的优点就是即插即用，不需要担心找不到连接线和转接头，这对于部分没有收纳习惯的用户来说是一个福利，但是它同样也带来一个问题，那就是转换电路一般都需要大的电感来支撑 220V 交流电的输入，这个时候就需要在板子的大小或是多块板上做选择，可以选择大块的板子来降低板子的高度，亦或是画成多块板，再将不同的板子连接起来，增加了高度。这对网关的外形设计也带来一定的困难，过大的板子容易占用更多的空间，可能会占用到其他的插座口。
图 1-3 小米多功能网关供电方式为三孔墙插
三、
最后，还有一种是 12V USB 的供电设计，这种设计跟 5V USB 设计很类似，一般来说这种供电方式所用的连接线和转接头是一体化的，但是无法适配其余常用的电子设备。优点也是比较灵活，并且输出电压高，可以适配一些需要较高电压的外设。
三种不同的供电方式大同小异，内部电路设计基本都是采用 DCDC 和 LDO 来降压，值得注意的有两个地方，一个是在选取 DCDC 和 LDO 的时候，需要先确定好外设的最大负载电流，在此基础上增加 20% 来确定 DCDC 和 LCO 的最大输出电流，从而保障所有外设能够正常工作；二是在每一个外设接到电源部分时，在靠近外设端都应该添加一个滤波电容，来保证没有杂波的电压输入给到外设中，防止杂波导致的外设工作异常。
主控部分
主控部分的原理设计自然不需要多说，根据所选取芯片厂商提供的数据手册和参考设计来基本不会有什么问题，这里放出我的主控部分的参考给大家参考，我用的主控是 NXP 的 MIMXRT1021CAG4A 。
图 2-1 RT1020 主控部分原理图[1]
这里说几个需要注意的地方，
- 主控上电时序是否有要求，RT1020 上电时序就有严格的要求，如下
- VDD_SNVS_IN 电源必须在任何其他电源之前打开，或者通过 VDD_HIGH_IN 电源连接（短路）。
- 如果使用纽扣电池为 VDD_SNVS_IN 供电，请确保在接通任何其他电源之前将其连接。
- 使能内部DCDC时，需要外部延迟电路，以便在 DCDC_IN 稳定后 1 ms 延迟“DCDC_PSWITCH”信号。
- 在整个上电过程中，POR_B应保持低电平。
- Boot mode 的选择，网关可能有不同的储存器，配置好启动模式，对后续网关量产上有重要意义。还是以 RT1020 为例，该设备具有四种引导模式（一种保留给NXP使用）。根据内部 BOOT_MODE 寄存器中存储的二进制值选择引导模式。
通过在 POR_B 的上升沿上对 BOOT_MODE0 和 BOOT_MODE1 输入进行采样来初始化BOOT_MODE。在对这些输入进行采样之后，它们的后续状态不会影响 BOOT_MODE 内部寄存器的内容。内部 BOOT_MODE 寄存器的状态可以从 SRC 引导模式寄存器（SRC_SBMR2）的 BMOD [1：0] 字段中读取。可用的引导模式为：从保险丝引导，通过 USB 的串行引导和内部引导。请参阅下表进行设置：
表8-2. 引导模式引脚设置
外设部分
外设部分的硬件设计需要根据不同的外设来。
- 这里先说不可获缺的 ZigBee 部分。ZigBee 部分可以做成板载 SOC 的样式，也可以直接使用模块做成邮票孔的样式。两种方式区别不大，与主控 MCU 通信只需要一组 UART 即可，也可以采用 ISP 六线与主控 MCU 连接，提升 OAT 的速度，这个后续博文会展开讲；然后就是烧录引脚，建议采用顶针孔的方式，用顶针来给 ZigBee 烧录，另外建议将 ZigBee的另外一组 UART 画成测试点留在板子上，为出现问题 Debug 留下接口；天线部分可以根据需求来选择，无论是板载天线还是 IPEX 外接电线还是陶瓷天线均可，一般来说，在信号传输质量上是IPEX 外接电线 > 陶瓷天线 > 板载天线；成本上，陶瓷天线 > IPEX 外接电线 > 板载天线；
- 其次来说以太网和 WiFi，这两个外设实际上只需要其中一个就可以完成连接互联网的功能，甚至现在 WiFi 已经可以代替 MCU 做为网关的主控了，但实际上，两种外设也可以同时存在。WiFi 作为外设时，一般都是使用透传模块来使用，主要负责 MCU 和云端服务器的通信，其本身并不具有信息处理的能力；WiFi 作为主控时，一般需要在 WiFi 模块上进行二次开发，不仅需要与云端服务器进行通信，还需要进行数据转换；以太网也是负责担任与云端服务器通信的角色，只是变成了一个有线的方式，相较于 WiFi 而言，以太网的优势在于连接信号稳定，受干扰小，初次联网方便。两种联网方式共存时，就可以应对多种不同的场景，外部信号干扰较强，空中环境复杂时，使用以太网；布线复杂，安装成本高时，使用 WiFi，优势互补。原理图上以太网可以直接参考原厂的参考设计，WiFi 根据不同厂家的周围电路来设计就可以，只需要多一组 UART 连接到 MCU 即可。值得注意的地方是，以太网的通信接口需要在布线的时候走差分线，最好是控制到 ±10 mil 以内，保证通信时的速率。
图3-1 以太网原理图
- 其他外设部分，像灯、按键等就不在这里一一细说，与在其他板子上没有太大差别。
参考资料
[1]: NXP MIMXRT1020 - EVK SCH
[2]: NXP IMXRT1020CEC
[3]: NXP IMXRT1020RM
附录
详细原理图请下载附件哦！
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