QCA4020 CDB為使用Qualcomm QCA4020所開發製作而成的開發版，包含壓力感測器、溫溼度感測器、亮度感測器、三軸電子羅盤、六軸陀螺儀、人體紅外線感測器(PIR)、M20 Module、Reset電路、相容Arduino UNO排針母座、PIR Sensor、Keypad、外接GPIO與JTAG燒錄器，(圖1)為QCA4020 CDB元件位置圖
QCA4020為一顆BLE + Wi-Fi + ZigBee三模IC，並且使用128MHz的M4F作為應用處理器搭配一顆M0核心進行RF無線端的控制。
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| 圖1 |
- 穩壓電路分析：
QCA4020 CDB使用LDO線性穩壓IC進行降壓供電，擁有較低Noise使類比電路獲得較高的準確度，但效率會因輸出與輸入電壓差而變動，(圖2)為QCA4020 CDB 穩壓電路。
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| 圖2 |
- QCA4020 Module穩壓電路建議：
因線性穩壓特性的關係，當輸出與輸入電壓差過大時，會造成轉換效率低，也會使得穩壓IC發熱，此時就需要外加散熱機制，否則會導致線性穩壓IC燒毀；例如輸入12V輸出3.3V其效率為27.5%，多餘的72.5%會轉換為熱能由穩壓IC散出；此時建議使用DC to DC穩壓電路取代，但須注意穩壓IC所造成的Switch Noise是否在可承受範圍內，(圖3)為使用RT7270HZSP所組成之降壓電路。
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| 圖3 |
- Reset電路分析：
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| 圖4 |
- QCA4020 Module Reset電路建議：
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| 圖5 |
QCA4020 CDB壓力感測器：
- 壓力感測器電路分析：
壓力感測器採用BOSCH所生產的BMP280進行測量，並透過I2C通訊介面進行控制與資料傳輸，量測範圍為400~1100 hPa，(圖6)為壓力感測器電路圖。
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| 圖6 |
- 應用：利用壓力感測器製作高度計
利用高度越高大氣壓力越小的物理現象，進而換算出所在地點的高度，例如測量空拍機當前高度， (式1) 為壓力與高度的換算公式。
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式1 其中： Ｐ為某一高度下大氣壓力 Ｐ０為標準大氣壓力 ｈ為海拔高度 |
- 三軸電子羅盤電路分析：
三軸電子羅盤採用AKM所生產的AK09911進行測量，並透過I2C通訊介面進行資料傳輸，量測範圍為±4900 µT，(圖7)為三軸電子羅盤電路圖。
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| 圖7 |
- 應用：利用三軸電子羅盤製作導航儀
因不同地點所產生的磁力相異的物理現象，來判別所在位置的方位，可用來判別是否遵照預想的方向前進，並且可以將數值傳至自動舵，使裝置自動修正航線。
QCA4020 CDB溫溼度感測器：
- 溫溼度感測器電路分析：
溫溼度感測器採用ST所生產的HT221進行量測，並透過I2C通訊介面進行控制與資料傳輸，溫度量測範圍為15~40°C，濕度量測範圍為20%~80% rH，(圖8)為溫溼度感測器電路圖。
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| 圖8 |
- 應用：整合智能家電結合進行自動控制
可利用感測到的溫溼度數值透過QCA4020的無線通訊傳送資料至雲端，並且控制空調、除濕機與加濕器。
- QCA4020 CDB六軸陀螺儀：
- 六軸陀螺儀電路分析：
六軸陀螺儀採用ST所生產的LSM6DS3進行量測，其內部包含三軸陀螺儀與三軸加速度計，並透過I2C通訊介面進行控制與資料傳輸，與亮度感測器共用同一隻中斷輸入接腳，透過N-MOSFET進行控制中斷並且加入了蕭特基二極體防止亮度感測器的中斷訊號影響六軸陀螺儀，陀螺儀量測範圍為±2000dsp，加速度量測範圍為±16g，(圖9)為六軸陀螺儀電路圖。
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| 圖9 |
- 應用：利用六軸陀螺儀實現防盜功能
當裝置遭受破壞時，裝置內部的三軸加速度計可偵測出異常的加速度數值，以此異常數值可判斷出裝置遭受破壞或竊盜，隨即利用QCA4020的無線傳輸傳送警告訊號至雲端，再由雲端傳送訊號至手機來通知使用者。
- QCA4020 CDB亮度感測器：
- 亮度感測器電路分析：
亮度感測器採用LITE-ON所生產的LTR-303ALS-01進行量測，並透過I2C通訊介面進行控制與資料傳輸，與六軸陀螺儀共用同一隻中斷輸入接腳，並加入了蕭特基二極體防止六軸陀螺儀的中斷訊號影響亮度感測器，(圖10)為亮度感測器電路圖。
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| 圖10 |
- 應用：亮度感測器實現自動開燈功能
使用亮度感測器偵測當下環境光的強度，當亮度不足時QCA4020將亮度過低的資訊透過無線傳輸送至雲端，可與人體紅外線搭配，選擇點亮使用者所在的空間之電燈，避免點亮不需要的電燈造成浪費。
- QCA4020 CDB人體紅外線感測器(PIR)：
- 人體紅外線感測器電路分析：
人體紅外線感測器採用muRata公司所生產的IRA-S210ST01搭配ROHM所生產的PIR專用放大器BD9251FV進行訊號放大與將類比訊號轉換為數位訊號，偵測靈敏度可透過周邊電阻進行設定，(圖11)為人體紅外線感測器電路圖。
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| 圖11 |
- 應用：人體紅外線防止防盜誤判與開燈功能
當我們利用加速計進行防盜偵測時，可能會因地震發生或其他震動造成誤判，可以在觸發加速計時，加上人體紅外線感測，來確保不會因未知震動而造成誤判；另外也可以使用人體紅外線加上亮度感測器進行感測，讓使用者經過時自動開啟電燈，離開時自動關閉。
- QCA4020 CDB Keyboard：
- Keyboard電路分析：
Keyboard採用矩陣式鍵盤架構，透過逐行掃描的方式讀取所按下的按鍵，(圖12)為Keyboard電路圖。
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| 圖12 |
- QCA4020 Module Keyboard使用建議：
當所使用Keyboard數量不多，可以考慮使用ADC輸入的方式進行偵測，即可將GPIO節省至單一ADC接腳，多餘GPIO可以使用在其他地方，(圖13)為ADC Keyboard參考電路，(表1)為QCA4020轉換出的ADC數值表。
Ex：當按下S3時，ADC數值計算方式：
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| 圖13 |
Switch |
Value |
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None |
4095 |
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S1 |
2716 |
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S2 |
2020 |
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S3 |
1909 |
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S4 |
1784 |
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S5 |
2556 |
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S6 |
1628 |
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S7 |
1468 |
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S8 |
1288 |
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S9 |
2348 |
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S10 |
1052 |
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S11 |
808 |
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S12 |
520 |
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S13 |
2232 |
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S14 |
680 |
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S15 |
372 |
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S16 |
0 |
| 表1 |
- JTAG(Joint Test Action Group)：
開發板上提供了JTAG能進行Debug與即時進行IC狀態監控，並提供額外一組虛擬COM Port 可讓UART訊號透過USB傳輸至電腦，也可利用JTAG進行程式燒錄，(圖15)為JTAG實體照片。
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| 圖15 |
- JTAG使用建議：
QCA4020可支援USB EDL Mode燒錄與JTAG燒錄方式，由於JTAG燒錄時間過長，建議以USB Port進行燒錄，JTAG則進行純粹的Debug分析使用；另外量產會啟用Secure Boot來關閉JTAG，在製作PCB時可不必將其接腳拉出。
QCA4020 CDB Micro USB Port：
- Micro USB Port與周邊電路分析：
圖1左上方的USB Port，包含LDO穩壓電路、電源開關與電源切換Jump， (圖16)為Micro USB Port實體照片。
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| 圖16 |
- QCA4020 CDB Micro USB Port使用建議：
QCA4020 CDB上Micro USB Port的硬體設計未安裝任何保護電路，使用時建議安裝RClamp0524P (TVS)進行防護，避免突波進入造成QCA4020毀損；另外USB程式燒錄速度比起JTAG更加快速，並且也可進行OTP暫存器寫入與Bluetooth、Wi-Fi、ZigBee 的MAC Address的寫入，建議燒錄程式時使用USB為主。
QCA4020 CDB M20 Module：
- M20 Module硬體分析：
使用QCA4020為主架構所製成的模組，內部包含穩壓電路、石英震盪器、外接 8M Flash Memory、RF 功率放大器、PCB RF天線並預留IPX接頭供外接天線使用，(圖14)為QCA4020 Module模組實體照片。
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| 圖14 |
- M20 Module使用建議：
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| 圖15 |
QCA4020 CDB為使用QCA4020為主架構所製成的開發板，擁有BLE + ZigBee + Wi-Fi三模無線通訊，包含穩壓電路、感測器、GPIO與JTAG介面…等豐富的外接介面可供開發者使用，並在產品開發中可透過JTAG進行故障排除以利於縮短產品開發時間。
評論
tzeng015
2020年12月3日