2025 Make Blocks阶段1 - 基于NRF52810-QCAA-R的蓝牙5.0开发板设计

内容介绍

任务介绍

题目要求：

设计一款支持BLE5.0的开发板（芯片任选）
包含：USB接口、锂电池充电管理、PCB天线、LED和按键
支持Zephyr/Arduino开发
主要器件：需在DigiKey官网上有货且正常售卖

请注意：PCB设计工具需用KiCad（官方邮件赠送了课程），或最终提交的文件需是KiCad文件，详见大赛主页阶段1要求和项目提交内容。

模块介绍

根据任务要求本次我选用的是NRF52810-QCAA-R芯片设计了一款蓝牙5.0开发板，本电路设计基于nRF52810低功耗蓝牙SoC，结合2.4G射频天线、音频模块、USB-C供电与锂电池充电管理，适用于无线音频传输、低功耗物联网节点或蓝牙外设等应用场景。主要模块及功能如下：

1. 主控与射频部分

U1: nRF52810-QCxx
作为核心MCU，集成2.4GHz射频收发器，支持BLE协议。外围包括32MHz主晶振（Y2）和32.768kHz低速晶振（Y1），保证系统时钟和低功耗运行。
AE1: 2.4G天线
通过L3、C11、C12等匹配网络与nRF52810的ANT引脚连接，实现高效射频发射与接收。

2. 电源管理

U2: ME6211C33M5
3.3V LDO稳压器，为主控及外围电路提供稳定电源。
U3: TP4056-42-ESOP8
锂电池充电管理IC，支持USB-C（J1）输入，负责电池充电与保护。
C1、C17、C18、C19等
多颗去耦电容，保证电源稳定，滤除高频噪声。

3. 接口与扩展

J1: USB-C电源输入
仅供电功能，连接VBUS至TP4056和LDO。
J2、J3: 扩展IO排针
方便外部信号输入输出，支持GPIO、调试、复位等功能。
J4: 电池接口
连接外部锂电池。

4. 指示与控制

D1~D4: LED指示灯
通过限流电阻R1、R2、R5等，显示电源、充电、状态等信息。
SW2: 按键
连接至nRF52810的GPIO，可用于用户输入或功能切换。

5. 其他

L1、L2、L3: 高频电感
用于射频匹配、电源滤波等。
C5~C10等
用于射频、时钟、去耦等多种用途。

NRF52810-QCAA-R芯片DigiKey链接：https://www.digikey.cn/zh/products/detail/nordic-semiconductor-asa/NRF52810-QCAA-R/13572776

原理图和PCB模块介绍

一、原理图模块介绍

1. 主控与射频模块

nRF52810（U1）：核心MCU，负责蓝牙通信、主控逻辑和外设管理。
射频天线（AE1）及匹配网络（L3、C11、C12）：实现2.4GHz信号的高效收发，匹配网络保证天线与芯片间阻抗匹配，提升射频性能。
时钟电路（Y1、Y2及C7~C10）：32MHz主晶振用于射频和主系统时钟，32.768kHz晶振用于低功耗时钟。

2. 电源与充电管理

USB-C接口（J1）：为电路提供5V电源输入。
锂电池充电管理（U3: TP4056）：负责电池充电、过充/过放保护，支持USB供电。
LDO稳压（U2: ME6211C33M5）：将电池或USB输入电压稳压为3.3V，供主控和外设使用。
电源去耦与滤波（C1、C2、C13、C14、C17、C18、C19等）：保证电源稳定，抑制噪声。

3. IO与扩展接口

扩展排针（J2、J3）：引出主控多路GPIO，便于外部模块扩展、调试和下载程序。
电池接口（J4）：连接外部锂电池。

4. 指示与控制

LED指示灯（D1~D4及R1、R2、R5）：显示电源、充电、状态等信息。
按键（SW2）：用户输入，连接至主控GPIO。

原理图

二、PCB模块布局建议

1. 射频区

天线与匹配网络：应靠近板边布置，天线走线尽量短直，匹配元件紧贴芯片ANT引脚，保证射频性能。
射频地平面：天线下方和射频区应有完整地平面，减少干扰。

2. 主控与时钟区

nRF52810芯片：放置在PCB中央或靠近射频区，外围时钟、去耦电容紧贴芯片布置，减少引线电感。
时钟晶振：靠近芯片相关引脚，走线短且对称，避免干扰。

3. 电源与充电区

USB-C、TP4056、LDO：建议集中布置在一侧，便于电源流向管理，减少高电流路径长度。
电源去耦电容：靠近各自供电引脚，优先放置在芯片和LDO、TP4056附近。

4. IO与扩展区

排针接口：布置在PCB边缘，便于外部连接和调试。
电池接口：靠近TP4056输出端，走线宽且短，保证大电流充放电安全。

5. 指示与按键区

LED与按键：可布置在用户易于观察和操作的位置，LED限流电阻靠近LED。

PCB

3D效果图

模块主要性能指标和管脚定义

1. 主控与射频模块（nRF52810）

主要性能指标

主频：最高64 MHz
内存：192 KB Flash，24 KB RAM
射频频段：2.4 GHz ISM（支持BLE 4.2/5.0）
发射功率：-20 dBm ~ +4 dBm 可调
接收灵敏度：约-93 dBm（BLE模式）
低功耗特性：深度睡眠电流<1 μA
外设接口：GPIO、UART、SPI、I2C、PWM、ADC等

关键管脚定义

ANT（Pin 19）：射频天线输出
XC1/XC2（Pin 23/24）：32 MHz 晶振输入
P0.00/XL1, P0.01/XL2（Pin 2/3）：32.768 kHz 晶振输入
SWDIO/SWDCLK（Pin 18/17）：调试与下载接口
/RES（Pin 16）：复位输入
多路GPIO（Pin 4~15, 25~28, 32）：通用输入输出，具体分配见原理图

2. 电源与充电管理

TP4056（U3）锂电池充电管理

输入电压：4.5V~5.5V（USB供电）
充电电流：可通过R6设置，典型1A
终止电压：4.2V
保护功能：过充、过放、短路保护

关键管脚

VBUS（Pin 4/8）：USB输入
BAT（Pin 5）：电池正极
PROG（Pin 2）：充电电流设定
CHRG/STD（Pin 6/7）：充电状态输出（可接LED）

ME6211C33M5（U2）LDO稳压

输入电压：最高6V
输出电压：3.3V
最大输出电流：500 mA
静态电流：低至35 μA

关键管脚

IN（Pin 1/3）：输入电压
OUT（Pin 5）：3.3V输出
GND（Pin 2）

3. 射频天线与匹配网络

AE1：2.4G天线，直接与ANT引脚通过L3、C11、C12等匹配元件连接
L3、C11、C12：射频匹配，保证天线与芯片阻抗匹配

4. 时钟电路

Y1：32.768 kHz 晶振，低功耗RTC
Y2：32 MHz 晶振，主系统与射频时钟
C7~C10：晶振负载电容，保证振荡稳定

5. IO与扩展接口

J2/J3：多路GPIO扩展，具体分配如下（部分示例）：
- J2.1~J2.8：P25、P28、P30、P04、P05、P06、P09、P10
- J3.1~J3.9：P12、P14、P15、P16、P18、P20、/RES、SWDCLK、SWDIO
J4：锂电池接口

6. 指示与控制

D1~D4：LED指示，分别用于电源、充电、状态等
SW2：按键输入，连接至P09

eZ-PLM上新建物料和项目的截图

使用了eZ-PLM系统上传了自己的工程文件，方便保存记录各个版本，也可随时查阅，系统里查阅不到的物料也支持手动添加。

物料添加展示图

项目详情图

心得体会

本次低功耗蓝牙无线模块的原理图与PCB设计过程中，深刻体会到射频电路与电源管理在系统稳定性中的重要性。射频部分的天线匹配、地平面完整性直接影响通信性能，必须严格按照射频设计规范布线。电源与充电管理模块的合理布局和去耦处理，有效降低了噪声干扰，提升了整体可靠性。主控芯片nRF52810的多功能GPIO和低功耗特性，为后续功能扩展和产品升级提供了便利。通过本项目，进一步提升了对无线通信硬件设计、模块化布局和实际调试的综合能力，也为今后类似项目积累了宝贵经验。