NB-IoT定位器PCB设计
学习制作一个NB-IoT定位器。
使用的学习资料为：物联网NBIoT定位器[1]
上面的视频讲解还是挺详细的，跟着一步一步来，基本没啥问题，下面来记录一下我的体会和思考。
为什么要制作一个NB-IoT定位器呢？制作这个定位器不是我的目的，我只是想学习一下PCB设计，自己做一些IoT设备，只是发现这个视频讲的比较详细，就以这个视频为切入点来进行整个流程的学习。所以本篇文章的目的是学完后能对PCB设计整体流程有一定程度的了解，后续自己能简单的设计一些IoT设备。
准备工作
PCB设计软件：嘉立创EDA[2]，国产软件，有网页版本，使用方便，并且设计完成后能一键PCB下单，能一键购买贴片元器件。
挑选核心芯片，想要制作的是一款NB-IoT定位器，所以首先需要找一款NB-IoT的芯片。选择的是：[3]
芯片选择完以后，需要获取该芯片的硬件设计手册技术[4]，这个硬件手册是非常重要的文件，如果我们选择的芯片无法获取到硬件设计手册，那么基本没办法展开后续的工作。
PCB设计
在后续的内容中，需要有优秀的高中物理基础，计算机使用基础。嘉立创EDA的使用不会专门拿出讲解，会穿插在整个设计的过程中。
原理图绘制
在创建了一个嘉立创EDA账号后，就能在网页上使用EDA标准版和专业版，经过笔者的测试，对于初学者来说，还是标准版更好使用。
在创建好一个新项目后，会自动弹出原理图绘制的页面：
- 首先把BC20芯片放上去
在页面的左边栏，点击元件库，搜索BC20，因为这个芯片也不是啥偏门的芯片，之前很多人也都用过，所以肯定是可以直接搜到的如下图所示：
点击，放置到原理图上：
通过硬件设计手册，我们可以知道芯片引脚的分配情况：
一共有68个引脚，其中外部54个引脚，内里14个保留引脚。
如果EDA的元件库里没有我们需要的芯片，我们也能自己进行跟进芯片引脚和封装来进行自己设计，我们也能在元件库中，查看其他用户贡献的元件，比如下图：
把芯片分为两部分似乎更好看，所以后续我们就使用分为两部分的BC20芯片图。
在进入下一步之前，我们可以自己思考思考，按照正常逻辑来思考一下，你觉得这个芯片都需要设计哪些模块？
首先，不管是做啥的芯片都需要电吧，所以我们需要有一个供电模块。
其次，既然是定位器，肯定要收发无线电的，所以还需要要射频模块。
还有，我们肯定需要和定位器进行交互的，那么怎么和芯片进行通信呢？通过上面芯片引脚图，猜测可能可以使用UART串口通信。
带着这些思考，我们来进入下一步。
- 电源供电
在硬件设计手册的3.4章节有介绍：
有两个正极引脚VBAT，9个接地引脚，供电电压3.3V。此外，还提供了供电的参考电路：
接下来我们就可以根据上面这个电路图来绘制原理图了，具体细节（也就是为啥要有这几个电容，可以如何增删改）因为一个人精力毕竟有限，所以我这里没打算了解到这么细。只要知道想要达到我的目的，我需要如何做就行了。
接下来就是根据上面的电路图，我们要在原理图依葫芦画瓢画出来，见下图：
- 控制部分
继续看硬件设计手册，发现还有我们之前没考虑到的，BC20芯片还有三个控制引脚，可参考硬件设计手册的3.5-3.6章节。
- PWRKEY 开机引脚
- RESET 复位引脚
- PSM_EINT 从PSM唤醒引脚
三个控制引脚的电路图如下所示：
根据上面的电路，画出相应的原理图，上面的两个电阻和三极管的电路图可以直接使用DTC三极管替换，两者等价(不用DTC，直接跟手册中的电路一样也行)，所以画出的原理图如下：
- 串口部分
继续看硬件手册，下一部分就是串口部分了。
经过对这部分手册的研究，我们能知道，这个芯片有4种串口，但是目前我们需要使用主串口，最简单的主串口只需要RXD和TXD，因为串口的电压域为1.8V，而芯片的电压域为3.3V，所以我们需要有一个电平转换电路，电路图如下：
所以我们可以通过上面的参考电路画出下面的原理图：
- USIM接口
跟着手册走，接下来就是USIM接口模块了，也就是说这个芯片是可以插手机卡或者物联网卡的，芯片是怎么获取手机卡数据的，就是该模块要做的事。
首先我们得选择一个卡槽，但是在元件库中搜索SIM或者USIM，会有太多结果，对于新手来说，会不知道选择哪个，这种时候我觉得应该根据硬件来选择，我们先挑硬件样式。可以右击元件，查看规格书，就会跳转到立创商城，能查看到实物图。
简单点的话，我们直接使用视频中一样的元件：
接下里就是继续查看手册中的参考电路图：
根据参考电路画出原理图：
天线接口
根据手册所说，BC20芯片有两个天线接口：NB-IoT和GNSS天线接口。
NB-IoT天线是SIM卡的天线，用来进行接入移动数据网。GNSS全称为卫星导航系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)，所以这个也就是GPS/北斗的天线。
根据参考电路绘画出原理图：
其中有一个ANT-IPEX元件，这个元件的实物图如下所示，一个很常见的天线接口：
- 外置电源
一般情况下，能做电源就两种，一种是直接连电源线，比如有USB，可以直接作为电源，另一种就是使用电池。但不管哪种，输出电压都不是3.3V。所以，我们需要加入一个电平转换电路。
7.1 3.3V电压输出
有两种方案，第一个就是设计一个电平转换电路，另一个就是直接使用使用一个低压差线性稳压器。
这里采用第二个方案，可以到淘宝去搜索ME6211，在EDA的元件库同样也能搜到，因为这个元器件也是比较常见的。
挑选了一个ME6122C33[5]，可以直接在立创商城中查看到该芯片的数据手册。
该芯片的作用就是输入不大于6V的电压，总能输出3.3V电压。数据手册中还提供了参考电路：
根据参考电路我们能绘制出以下原理图：
上面的原理图中比参考电路多了一个C19(坦电容)，这里是根据视频中建议而加上的，说是可以增加电源的稳定性。
解决完了电压转换电路，接下来我们可以考虑电源了。
首先，如果考虑使用电池，那么使用锂电池是成本最低的方案了，可以充电，不需要更换电池。
锂电池一般使用ZH125连接器：
其次，我们还需要考虑锂电池的充电电路
7.2 锂电池充电
锂电池的充电电路这里考虑使用TP4065[6]芯片来进行控制：
TP4065 是一款完整的单节锂电池充电器，世界首创带电池正负极反接保护、 输入电源正负极反接保护的单芯片，兼容大小 3mA-600mA 充电电流。采用涓流、 恒流、恒压控制，SOT23-5 封装与较少的外部元件数目使得 TP4065 成为便携式 应用的理想选择。TP4065 可以适合 USB 电源和适配器电源工作。
立创商城中同样提供了该芯片的技术手册，我们设计充电电路需要参考该手册：
根据该参考电路，我们可以画出如下原理图：
会发现我的电路图中，R10和R11和参考电路中不一样，因为在数据手册中，有关于这部分的说明：
选择好电池后，根据上面的公式，能计算出电阻，另外，为了减少采购成本，之前的电路中使用了4.7k的电阻，所以这里也使用，我们的目标是保证电流不会超过规定的值，并不一定要刚刚好，所以这里使用4.7k的电阻也是可以的。
锂电池参考如下：
其中VUSB表示供电电源，这里设计使用USB充电，所以标作VUSB。VBAT表示锂电池电源，这里为啥还多一个VBAT输出，这就是接下来要说的。
7.3 电源切换电路
USB只能充电吗？上面也说了usb也能作为电源。在现在大部分含有锂电池的设备中都有这样的设计：插入电源线（USB）的时候，给电池充电的同时，也作为电路的电源，电池不输出。只有当电源线拔掉的时候，电池才作为电源输入。
所以我们需要设计一个这样的电路，这种电路还是挺常见的，所以Google搜一下还是挺容易搜到的，比如[7]：
在这个参考电路中，VOUT也就是电源的总输出，之后会进入电平转换电路转换为3.3V的电压，所以这里我们需要修改成VCC。
既然总电源位于这里，那么我们还需要在VCC这里加入一个开关机电路，通过硬件或者软件来控制VCC是否有输出。
最后的原理图如下所示：
其中K1是按键开关，SHUT_DOWN/PWR_EN输出软件引脚，至于这两个引脚接到哪，之后再说。
当SHUT_DOWN有电压的时候，Q2PMOS不导通，VCC没输出，所以关机成功。在关机的状态下，按下K1，D3导通，导致Q2也能导通，VCC产生输出设备开机，但是K1不能一直按着，所以设计了PWE_EN，开机后，该引脚高电平输出，Q3导通，所以即使K1放开，VCC仍然能输出。
- 单片机
到这里，只要再加上个USB口，BC20芯片基本就能使用了，但是这个时候的使用需要通电后，串口连到电脑上，电脑通过串口来操作BC20，我们没办法对BC20进行编程。所以这个时候该加入单片机。
那么单片机到底是啥呢？按我的理解就是集成微型计算机。我们普通的计算机硬件组成是啥样的？需要有计算的大脑：CPU，需要有临时存储数据的内存，需要有储存代码的存储芯片。随便拆一个路由器，我们都能找到这三个部件。
一个定位器我们想要的功能是啥？没过一段时间，获取当前位置，发送到指定目标。而且对于定位器来说，小是优点，大是确定，我们总不能让定位器的体积像路由器的PCB板一样。所以这个时候单片机就有用了，比如一个STM32单片机的大小如下图所示，该芯片里面集成了CPU，ROM，RAM。
就这么一个小小芯片能做到啥呢？能储存一定大小的由我们自由编写的代码，代码能控制其指定几个引脚的输出，那么我们就可以让这几个我们能控制的引脚和BC20的串口进行连接通信，那么就能通过单片机中的代码来控制BC20芯片。
我们选择的单片机型号为：STM32L031[8]
同样可以在立创商城查看该芯片的设计手册，在元件库中也可以搜索该芯片，放到原理图中如下图所示：
同样需要参考技术手册来绘制单片机的原理图，其中VDDA/VDD为电源正极，VSS为负极，所以可以绘制如下原理图：
接下来继续看技术手册，其中PA13，PA14为SWDIO，SWCLK，为JTAG的接口。我们可以把他们接入排针，如下图所示：
5引脚NRST为复位引脚：
我们再把PC15引脚定义为设备指示灯的引脚：
接下来还可以设计一个锂电池电压检测电路，因为锂电池的电压大于3.3V，而单片机的最大电压不能超过3.3V，所以需要进行电阻分压，最后单片机探测到的电压乘2就是锂电池的电压了：
但是上面电路有个问题，单片机关机了以后，该电路仍然还是接通的，就会产生过放现象，所以需要增加一个PMOS，当单片机关机以后，将会断开该电路：
最后是单片机的串口电路，其PA9, PA10引脚为单片机的TXD和RXD引脚，我们可以通过USB来连接该串口，我们可以使用CH340E[9]芯片，该芯片为USB转串口芯片。通过立创商城的技术手册，我们可以画出以下原理图：
到这为止，单片机的外部电路都绘制完成了，后面需要把BC20几个外部引脚接入单片机，最后得到以下原理图：
其中PA2，PA3接入BC20的串口，PA0, PA5, PA6为BC20的三个控制接口。
PA7, PB1为单片机的保持开机和关机接口。
最终，BC20芯片的原理图为：
到这为止，原理图都绘制完成了。
- 检查bug
嘉立创EDA可以帮助我们检查bug，左侧栏点击设计管理，可以通过其中的网络查看我们绘制的原理图是否有问题：
- 布线
检查没有bug之后，我们可以在顶部的菜单栏点击设计->原理图转PCB。
接下来就是我认为最困难的环节来，设计硬件布局，这块我感觉没啥好说的，看个人灵性吧，我第一次绘制的板子如下图所示：
搞到最后，发现右边过于密集，左边就特别空了。所以重画了一次：
这是我附铜之后的成果，并且我设计的布局不仅在顶层，还有一些元件放在底层，比如SIM卡槽。虽然也不是特别满意，但是还看的过去。
- 下单
PCB布线完毕之后，就可以下单，打印PCB板了。点击顶部的菜单栏，制造->生成PCB制版文件：
接着就可以点击一键下单了，后面的选项基本都是选默认或者价格最低的选项，嘉立创每次下单最少要5块板子，每个月都有优惠券，我是第一次下单，所以最终免费了。
- 购买物料
PCB版下单后，还需要下单购买物料，也就是电容电阻芯片这些。嘉立创同样可以一键进行，点击顶部的制造->导出PCB BOM：
如果有自己购买物料的渠道，可以导出BOM，然后发给供货商。也可以点击一键元件下单。
这里需要注意以下，一键元件下单的界面需要检查一下，一个是数量问题，一个是元件的自动识别问题。比如有三个电阻R6, R7, R8为22欧姆，但是元件下单界面可能会识别为电容或者其他，所以后续画原理图，需要有单位，也就是写22R，而不是22。
另外有一些元件立创商城买不到，比如BC20，需要到某宝上购买。但是我发现，截止2023年2月份，移远已经把BC20下架了。只能再第三方商店溢价购买，这款NB-IoT定位器成本最高的应该就是BC20芯片了。
总结
到此，PCB设计部分的内容基本已经完成，后续就需要等待PCB版和电子元件到达后进行元件焊接。
在PCB设计部分，我觉得最难的还是挑选芯片和布线两个部分。在挑选好芯片后 ，基本就是根据技术手册来进行后续的原理图绘制，有些部分可能技术手册中不会提及，这就跟经验有关了。这个时候可以考虑使用Google进行搜索一番，可能会有一定的收获。
参考链接
- https://www.bilibili.com/video/BV1eV411t7fn
- https://lceda.cn/
- https://www.quectel.com/cn/product/lpwa-bc20
- https://www.quectel.com/wp-content/uploads/2021/03/Quectel_BC20_%E7%A1%AC%E4%BB%B6%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E6%89%8B%E5%86%8C_V1.0.pdf
- https://item.szlcsc.com/84106.html
- https://item.szlcsc.com/84106.html
- https://www.eet-china.com/mp/a68981.html
- https://item.szlcsc.com/116454.html
- https://item.szlcsc.com/100866.html
NB-IoT定位器PCB设计
