📚 课程目录第2章 nRF91系列硬件架构与开发环境搭建

2. nRF91系列硬件架构与开发环境搭建

nRF91系列是Nordic Semiconductor面向蜂窝物联网（LTE-M/NB-IoT）推出的低功耗SiP（System-in-Package）芯片，典型型号包括nRF9160、nRF9161和nRF9151。理解其内部硬件架构，是后续进行固件开发、功耗优化和外围电路设计的基础。本节从芯片内部结构出发，逐步过渡到nRF Connect SDK开发环境的搭建，最终完成第一个固件的编译与烧录。

2.1 nRF91内部硬件架构

nRF91系列并非单一MCU，而是一个高度集成的系统级封装。其内部主要包含以下几个核心部分：

应用处理器（Application MCU）：基于Arm Cortex-M33内核，主频最高128 MHz（nRF9160为64 MHz，nRF9161/9151为128 MHz）。Cortex-M33支持TrustZone安全扩展，具备浮点运算单元（FPU）和DSP指令集，适合运行应用层逻辑、传感器数据处理和协议栈上层。
调制解调器（Modem）：独立的LTE-M/NB-IoT基带处理器，支持3GPP Release 13/14标准。调制解调器拥有自己的固件（Modem Firmware），通过IPC（Inter-Processor Communication）与应用处理器通信。调制解调器负责射频控制、小区搜索、附着、数据传输等蜂窝协议栈底层功能。
PMIC（电源管理单元）：nRF91内部集成了电源管理功能，但通常需要外接nPM1100或nPM1300等PMIC芯片来管理电池充电和系统供电。PMIC负责为应用处理器、调制解调器和射频前端提供多路稳压输出，并支持低功耗模式切换。
射频前端：包括收发器、功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）和天线接口。nRF91支持多频段LTE，射频前端需要根据目标频段进行匹配设计。
外设资源：应用处理器侧提供GPIO、UART、SPI、I2C、PWM、ADC、定时器等外设。调制解调器侧有专用的UART接口用于AT命令通信。GPIO数量因封装而异，nRF9160 SiP提供32个GPIO，nRF9161提供更多。

应用处理器与调制解调器之间的通信通过IPC机制实现。在nRF Connect SDK中，这一通信被封装为AT命令接口和套接字API。应用处理器通过发送AT命令控制调制解调器，调制解调器则通过IPC将网络事件、数据包等上报给应用处理器。

2.2 nRF Connect SDK与工具链安装

nRF Connect SDK（简称NCS）是Nordic官方提供的嵌入式开发框架，基于Zephyr RTOS构建，集成了nRF91的驱动、协议栈、示例代码和构建系统。开发环境搭建推荐使用nRF Connect for VS Code扩展，它提供了从工具链管理到调试的完整支持。

安装步骤如下：

安装nRF Connect for VS Code：在VS Code扩展市场中搜索“nRF Connect for VS Code”并安装。该扩展会自动安装nRF Command Line Tools和SEGGER J-Link驱动。
安装工具链管理器（Toolchain Manager）：在扩展中打开“Manage Toolchains”，选择NCS版本（推荐v2.6.0或更高稳定版），点击安装。工具链包含ARM GCC编译器、CMake、Ninja、West等构建工具。
安装nRF Util：nRF Util是Nordic的命令行工具，用于固件烧录、调制解调器固件更新等。可通过扩展自动安装或从官网下载。
配置环境变量：确保工具链路径已加入系统PATH，或在VS Code设置中指定工具链路径。

安装完成后，可通过以下命令验证环境：

west --version
# 输出示例：West version: v1.2.0

arm-none-eabi-gcc --version
# 输出示例：arm-none-eabi-gcc (GNU Arm Embedded Toolchain) 12.2.1

nrfutil version
# 输出示例：nrfutil 7.5.0

2.3 获取示例代码与创建工程

NCS提供了大量示例代码，位于SDK的nrf/samples和zephyr/samples目录下。对于nRF91，最基础的示例是nrf/samples/nrf9160/hello_world（或对应nRF9161的变体）。

使用West创建新工程的方法：

west init -m https://github.com/nrfconnect/sdk-nrf --mr v2.6.0 myproject
cd myproject
west update
west build -b nrf9160dk_nrf9160_ns samples/hello_world

其中-b参数指定目标板。nRF9160 DK的板级定义为nrf9160dk_nrf9160_ns，_ns表示非安全（Non-Secure）构建，即应用运行在TrustZone的非安全区域。若使用nRF9161 DK，则对应nrf9161dk_nrf9161_ns。

2.4 编译与烧录第一个固件

编译过程由CMake和Ninja驱动，West封装了构建命令。编译成功后，生成build/zephyr/zephyr.hex文件。烧录使用nRF Util或J-Link Commander：

# 使用nrfutil烧录
nrfutil device program --firmware build/zephyr/zephyr.hex --serial-number <DK序列号>

# 或使用west flash（需配置J-Link）
west flash

烧录完成后，通过串口查看输出。nRF9160 DK的调试串口通常为115200波特率。使用串口终端（如PuTTY、minicom或VS Code串口监视器）连接后，应看到类似以下输出：

*** Booting Zephyr OS build v3.5.99-ncs1 ***
Hello World! nrf9160dk_nrf9160_ns
[00:00:00.000,000] <inf> app: Application started

若看到“Hello World”输出，说明工具链、编译、烧录和串口通信均正常。此时应用处理器已正常运行，但调制解调器尚未激活。下一步可尝试nrf/samples/nrf9160/lte_ble_gateway或nrf/samples/nrf9160/at_client示例，验证调制解调器通信。

提示：nRF91的调制解调器固件需要单独更新。使用nrfutil device program --firmware mfw_nrf9160_1.3.6.zip可更新调制解调器固件。调制解调器固件版本与NCS版本存在兼容性要求，建议查阅Nordic官方文档确认对应关系。

2.5 关键配置与常见问题

在prj.conf中，需要根据应用需求启用相应配置。例如，启用调制解调器通信需添加：

CONFIG_NRF_MODEM_LIB=y
CONFIG_LTE_LINK_CONTROL=y
CONFIG_NET_SOCKETS=y

常见问题包括：J-Link驱动未安装导致烧录失败、工具链版本与NCS版本不匹配、串口被占用等。建议在VS Code中使用nRF Connect扩展的“Build”和“Flash”按钮，可自动处理大部分配置。