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來(lái)源：Digi-Key 作者：Steven Keeping 利用無(wú)線(xiàn)連接，設計人員能夠將非智能產(chǎn)品變成物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的智能集成設備，可將數據發(fā)送到云端進(jìn)行基于人工智能 (AI) 的分析，同時(shí)允許設備接收空中下載 (OTA) 指令、固件更新和安全增強功能。 但為產(chǎn)品增加無(wú)線(xiàn)鏈路并非易事。在設計階段開(kāi)始之前，設計人員必須選擇一種無(wú)線(xiàn)協(xié)議，這可能是一項棘手的任務(wù)。例如，一些無(wú)線(xiàn)標準運行于流行的免許可 2.4 GHz 頻譜。所有這些標準都代表了在傳輸范圍、吞吐量和功耗方面的權衡。要為某個(gè)特定應用選擇最合適的協(xié)議，必須根據協(xié)議的特點(diǎn)仔細評估應用的要求。 因而，即便使用高度集成的新型收發(fā)器，設計射頻 (RF) 電路對于很多設計團隊來(lái)說(shuō)也是一項挑戰，導致成本超支和進(jìn)度滯后。此外，射頻產(chǎn)品將需要進(jìn)行操作認證，這本身可能是一個(gè)復雜而又耗時(shí)的過(guò)程。 一種解決方案是基于使用多協(xié)議片上系統 (SoC) 的認證模塊進(jìn)行設計。這樣可消除使用分立元器件進(jìn)行射頻設計的復雜性，并允許靈活選擇無(wú)線(xiàn)協(xié)議。這種模塊化方法為設計人員提供了一種隨取隨用的無(wú)線(xiàn)解決方案，讓他們能夠更容易將無(wú)線(xiàn)連接集成到產(chǎn)品中并通過(guò)認證。 本文闡述了無(wú)線(xiàn)連接的好處、探討了一些主要 2.4 GHz 無(wú)線(xiàn)協(xié)議的優(yōu)勢、簡(jiǎn)要分析了硬件設計問(wèn)題，并介紹了來(lái)自 Würth Elektronik 的一種合適的射頻模塊。文中還討論了滿(mǎn)足全球法規所需的認證過(guò)程，探討了應用軟件開(kāi)發(fā)，并介紹了一種軟件開(kāi)發(fā)工具包 (SDK)，以幫助設計人員開(kāi)始使用該模塊。 多協(xié)議收發(fā)器的優(yōu)勢 沒(méi)有任何一種短程無(wú)線(xiàn)技術(shù)占據絕對支配地位，因為每種技術(shù)都要做出權衡，以滿(mǎn)足其目標應用的需求。例如，要提供更遠的傳輸距離和/或更大的吞吐量，就要以增加功耗為代價(jià)。另外還要考慮到其他一些重要因素，包括抗干擾性、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )功能、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 互操作性。 在各種成熟的短程無(wú)線(xiàn)技術(shù)中，有三種處于明顯領(lǐng)先地位：低功耗藍牙 (Bluetooth LE)、Zigbee 和 Thread。由于這三種協(xié)議都繼承了 IEEE 802.15.4 規范的基因，因而彼此之間有一些相似之處。該規范描述了低數據速率無(wú)線(xiàn)個(gè)人局域網(wǎng) (WPAN) 的物理層 (PHY) 和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層 (MAC)。盡管 Zigbee 存在一些 sub-GHz 變體，但這些技術(shù)通常都工作在 2.4 GHz。 低功耗藍牙適用于物聯(lián)網(wǎng)應用，例如只需偶爾傳輸數據且速率要求不那么高的智能家居傳感器（圖 1）。低功耗藍牙與大多數智能手機中采用的藍牙芯片具有互操作性，對于面向消費者的應用（如可穿戴設備）來(lái)說(shuō)，這也是一大優(yōu)勢。該技術(shù)的主要缺點(diǎn)在于需要昂貴且高耗電的網(wǎng)關(guān)連接到云端，還有糟糕的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )功能。 
圖 1：低功耗藍牙非常適合智能家居傳感器，如攝像頭和恒溫器。其具備與智能手機的互操作性，因而簡(jiǎn)化了兼容產(chǎn)品的配置。（圖片來(lái)源：Nordic Semiconductor） Zigbee 也是低功耗和低吞吐量應用的理想之選，包括在工業(yè)自動(dòng)化、商用和家庭領(lǐng)域。該技術(shù)的吞吐量低于低功耗藍牙，但傳輸范圍和功耗與后者相似。Zigbee 不能與智能手機互操作，也無(wú)法提供原生 IP 功能。Zigbee 的一大關(guān)鍵優(yōu)勢是它從一開(kāi)始就是針對網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )設計的。 與 Zigbee 一樣，Thread 使用 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 工作，能夠支持多達 250 部設備構成的大型網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )。Thread 與 Zigbee 的不同之處在于，它使用的是 6LoWPAN（IPv6 和低功耗 WPAN 的結合），這使得與其他設備和云端的連接變得非常簡(jiǎn)單，不過(guò)需要通過(guò)一個(gè)稱(chēng)為邊界路由器的網(wǎng)絡(luò )邊緣設備進(jìn)行連接。（請參見(jiàn)“短程無(wú)線(xiàn)技術(shù)重要考量因素簡(jiǎn)要指南”。） 雖然基于標準的協(xié)議占據主導地位，但 2.4 GHz 專(zhuān)有協(xié)議仍有一席之地。盡管這些協(xié)議限制了與配備同一制造商芯片的其他設備的連接，但它們可以進(jìn)行微調，以?xún)?yōu)化功耗、傳輸范圍、抗干擾性或其他重要工作參數。IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 完全能夠支持 2.4 GHz 專(zhuān)有無(wú)線(xiàn)技術(shù)。 由于這三種短程協(xié)議的廣泛普及，以及 2.4 GHz 專(zhuān)有技術(shù)提供的靈活性，人們很難選擇一種合適的協(xié)議來(lái)適應最廣泛的應用。以前，設計人員必須選擇一種無(wú)線(xiàn)技術(shù)，然后在需要使用不同協(xié)議的變體時(shí)重新設計產(chǎn)品。但是，由于這些協(xié)議均使用基于類(lèi)似架構的 PHY，而且都在 2.4 GHz 頻段工作，因此許多芯片供應商提供了多協(xié)議收發(fā)器。 這些芯片允許使用單一硬件設計，只需上傳新的軟件，即可針對幾種協(xié)議進(jìn)行重新配置。不僅如此，該產(chǎn)品還可以配備多個(gè)軟件堆棧，每個(gè)軟件堆棧之間的切換由微控制器單元 (MCU) 進(jìn)行監控。例如，用戶(hù)可以通過(guò)智能手機，使用低功耗藍牙來(lái)配置智能家居恒溫器，然后再讓設備切換協(xié)議，以便加入 Thread 網(wǎng)絡(luò )。 Nordic Semiconductor 的 nRF52840 SoC 支持低功耗藍牙、藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )、Thread、Zigbee、IEEE 802.15.4、ANT+ 和 2.4 GHz 專(zhuān)有堆棧。Nordic SoC 還集成了 Arm®Cortex®-M4 MCU，用于運行射頻協(xié)議和應用軟件，另外還提供 1 MB 的閃存和 256 KB 的 RAM。在低功耗藍牙模式下運行時(shí)，該 SoC 提供 2 Mbit/s 的最高原始數據吞吐量。該 SoC 采用 3 VDC 輸入電源，在 0 分貝（分貝數基準為 1 mW）輸出功率下，發(fā)射電流為 5.3 mA，在原始數據速率為 1 Mbit/s 時(shí)，接收 (RX) 電流為 6.4 mA。nRF52840 的最大發(fā)射功率為 +8 dBm，靈敏度為 -96 dBm（低功耗藍牙，1 Mbit/s）。 良好射頻設計的重要性 雖然像 Nordic 的 nRF52840 這樣的無(wú)線(xiàn) SoC 是功能非常強大的器件，但仍需要良好的設計技巧才能最大限度地提升其射頻性能。特別是，工程師必須考慮到各種因素，如電源濾波、外部晶體定時(shí)電路、天線(xiàn)設計和放置，以及至關(guān)重要的阻抗匹配。 區分優(yōu)劣射頻電路的關(guān)鍵參數是阻抗 (Z)。在高頻率下，例如在短程無(wú)線(xiàn)電使用的 2.4 GHz 頻率下，射頻跡線(xiàn)上某一點(diǎn)的阻抗與跡線(xiàn)的特性阻抗相關(guān)，而特性阻抗又取決于印刷電路板基底、跡線(xiàn)尺寸、與負載間的距離，以及負載的阻抗。 實(shí)際上，當負載阻抗（在發(fā)射系統中是天線(xiàn)，在接收系統中是收發(fā)器 SoC）等于特性阻抗時(shí)，跡線(xiàn)上距離負載任意間距處測得的阻抗均相同。這樣線(xiàn)路損耗被降到最低，實(shí)現了從發(fā)射器到天線(xiàn)的最大功率傳輸，從而提高了穩定性，擴大了傳輸范圍。因此，良好的設計實(shí)踐是構建匹配網(wǎng)絡(luò )，確保射頻器件的阻抗等于印刷電路板跡線(xiàn)的特性阻抗。（請參見(jiàn)“兼容藍牙 4.1、4.2 和 5 的低功耗藍牙 SoC 和工具可應對物聯(lián)網(wǎng)挑戰（第 2 部分）”。） 匹配網(wǎng)絡(luò )包括一個(gè)或多個(gè)分流電感和串聯(lián)電容。設計人員的挑戰是如何選擇最佳的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構和元器件值。制造商通常提供模擬軟件，幫助進(jìn)行匹配電路設計，但即使遵循了良好的設計規則，所設計的電路的射頻性能也經(jīng)常令人失望，缺少足夠的傳輸范圍和可靠性。這導致需要更多的設計迭代來(lái)修改匹配網(wǎng)絡(luò )（圖 2）。
圖 2：Nordic 的 nRF52840 需要外部電路來(lái)實(shí)現其功能。外部電路包括輸入電壓濾波，支持外部晶體定時(shí)并連接到 SoC 的天線(xiàn) (ANT) 引腳，SoC 和天線(xiàn)之間帶有阻抗匹配電路。（圖片來(lái)源：Nordic Semiconductor） 模塊的優(yōu)勢 使用分立元器件來(lái)設計短程無(wú)線(xiàn)電路具有一些優(yōu)勢，特別是物料清單 (BoM) 成本較低和節省空間。然而，即使設計人員遵循 SoC 供應商提供的眾多優(yōu)秀參考設計之一，其他因素也會(huì )極大地影響射頻性能，包括元器件質(zhì)量和公差、電路板布局、基底特性及終端設備封裝。 另一種方法是基于第三方模塊進(jìn)行無(wú)線(xiàn)連接。這些模塊是完全組裝并經(jīng)過(guò)優(yōu)化和測試的解決方案，能夠實(shí)現“隨取隨用”的無(wú)線(xiàn)連接。在大多數情況下，模塊已經(jīng)獲得了在全球市場(chǎng)使用的認證，從而為設計人員節省通過(guò)射頻法規認證所需的時(shí)間和資金。 使用模塊也有一些弊端。這些弊端包括成本更高（取決于體積）、最終產(chǎn)品尺寸更大、更依賴(lài)單個(gè)供應商及其量產(chǎn)能力，有時(shí)還會(huì )減少模塊所基于的 SoC 的可用引腳數量。但是，如果設計簡(jiǎn)便性和更快的上市時(shí)間足以抵消這些弊端，那么使用模塊就是最佳選擇。 以 Nordic 的 nRF52840 作為核心的一個(gè)例子是 Würth Elektronik 的 Setebos-I 2.4 GHz 無(wú)線(xiàn)電模塊 2611011024020。這個(gè)緊湊型模塊的尺寸為 12 × 8 × 2 mm，其內置天線(xiàn)，有一個(gè)蓋子可以最大程度減少電磁干擾 (EMI)，并且附帶支持藍牙 5.1 以及專(zhuān)有 2.4 GHz 協(xié)議的固件（圖 3）。如上所述，通過(guò)添加適當的固件，該模塊的核心 SoC 也能夠支持 Thread 和 Zigbee。
圖 3：Setebos-I 2.4 GHz 無(wú)線(xiàn)電模塊外形緊湊，內置天線(xiàn)，還配有一個(gè)蓋子以限制電磁干擾。（圖片來(lái)源：Würth Elektronik） 該模塊接受 1.8-3.6 V 的輸入，當處于休眠模式時(shí)，電流僅為 0.4 µA。其工作頻率涵蓋了工業(yè)、科學(xué)和醫療 (ISM) 頻段，該頻段的中心頻率是 2.44 GHz（2.402 至 2.480 GHz）。在理想條件下，輸出功率為 0 dBm 時(shí)，發(fā)射器和接收器之間的視距傳播距離可達 600 米，最大的低功耗藍牙吞吐量為 2 Mbit/s。該模塊內置四分之一波長(cháng) (3.13 cm) 天線(xiàn)，但也可以通過(guò)將外部天線(xiàn)連接到模塊上的 ANT 端子，來(lái)擴大傳輸范圍（圖 4）。
圖 4：Setebos-I 2.4 GHz 無(wú)線(xiàn)電模塊包括一個(gè)用于外部天線(xiàn) (ANT) 的引腳，以擴大無(wú)線(xiàn)電的傳輸范圍。（圖片來(lái)源：Würth Elektronik） Setebos-I 無(wú)線(xiàn)電模塊通過(guò)焊盤(pán)接入 nRF52840 SoC 的引腳。表 1 列出了每個(gè)模塊引腳的功能。引腳“B2”至“B6”是可編程的 GPIO，可用于連接傳感器，如溫度、濕度和空氣質(zhì)量設備。
表 1：顯示 Setebos-I 2.4 GHz 無(wú)線(xiàn)電模塊的引腳名稱(chēng)。LED 輸出可用于指示無(wú)線(xiàn)電傳輸和接收。（圖片來(lái)源：Würth Elektronik） 短程無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品認證 雖然 2.4 GHz 頻段是免許可的頻譜分配，但在該頻段運行的無(wú)線(xiàn)電設備仍然需要遵守當地的法規，例如美國聯(lián)邦通信委員會(huì ) (FCC)、歐洲符合性聲明 (CE) 或日本電信工程中心 (TELEC) 的法規。要遵守這些法規，必須提交產(chǎn)品進(jìn)行測試和認證，這個(gè)過(guò)程可能非常耗時(shí)，而且成本昂貴。如果射頻產(chǎn)品沒(méi)有通過(guò)任何部分的測試，則必須重新提交產(chǎn)品。如果模塊要在藍牙模式下使用，還需要列入藍牙技術(shù)聯(lián)盟 (SIG) 的藍牙列表。 模塊通過(guò)認證，并不能自動(dòng)將認證授予使用該模塊的最終產(chǎn)品。但如果最終產(chǎn)品不使用 Wi-Fi 等其他無(wú)線(xiàn)器件，這樣通常會(huì )將最終產(chǎn)品的認證變成一項文書(shū)工作，而無(wú)需進(jìn)行大量的重新測試。列入藍牙列表時(shí)通常也是如此。一旦通過(guò)認證，使用該模塊的產(chǎn)品就會(huì )貼上標有 FCC、CE 和其他相關(guān) ID 編號的標簽（圖 5）。
圖 5：貼在 Setebos-I 模塊上的 ID 標簽示例，表明其已通過(guò) CE 和 FCC 射頻認證。通過(guò)一些簡(jiǎn)單的文書(shū)工作，認證通�？梢杂勺罱K產(chǎn)品繼承，而無(wú)需重新測試。（圖片來(lái)源：Würth Elektronik） 模塊制造商通常會(huì )在他們打算銷(xiāo)售產(chǎn)品的地區獲取其模塊的射頻認證（如果合適，還要列入藍牙列表）。Würth Elektronik 已經(jīng)為 Setebos-I 無(wú)線(xiàn)電模塊完成這項工作，但必須與出廠(chǎng)固件一起使用。在藍牙工作方面，該模塊經(jīng)過(guò)了預認證，前提是它要與 Nordic 的 S140 低功耗藍牙出廠(chǎng)堆�；蛲ㄟ^(guò)該公司的 nRF Connect SDK 軟件開(kāi)發(fā)工具包提供的堆棧一起使用。 Würth 和 Nordic 的固件穩定可靠，適用于任何應用。但是，如果設計人員決定使用開(kāi)放標準的低功耗藍牙或 2.4 GHz 專(zhuān)有堆棧，或來(lái)自其他商業(yè)供應商的堆棧，對模塊進(jìn)行重新編程，則他們將需要在預定操作區域，從頭開(kāi)始啟動(dòng)認證程序。 用于 Setebos-I 無(wú)線(xiàn)電模塊的開(kāi)發(fā)工具 針對高級開(kāi)發(fā)人員，Nordic 的 nRF Connect SDK 提供了全面的設計工具，用于為 nRF52840 SoC 開(kāi)發(fā)應用軟件。nRF Connect for VS Code 擴展是我們推薦的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 (IDE)，可以運行 nRF Connect SDK。也可以使用 nRF Connect SDK，將替代的低功耗藍牙或 2.4 GHz 專(zhuān)有協(xié)議上傳到 nRF52840。（請參考上文關(guān)于這對模塊認證影響的評論。） nRF Connect SDK 與 nRF52840 DK 開(kāi)發(fā)套件配合使用（圖 6）。該硬件采用 nRF52840 SoC，支持原型代碼開(kāi)發(fā)和測試。一旦應用軟件準備就緒，nRF52840 DK 就可以作為 J-LINK 編程器，通過(guò)模塊的“SWDCLK”和“SWDIO”引腳，將代碼移植到 Setebos-I 無(wú)線(xiàn)電模塊 nRF52840 的閃存。
圖 6：Nordic 的 nRF52840 DK 可用于開(kāi)發(fā)和測試應用軟件。然后，可以使用開(kāi)發(fā)套件，對其他 nRF52840 SoC 進(jìn)行編程，例如 Setebos-I 模塊上使用的 SoC。（圖片來(lái)源：Nordic Semiconductor） 使用 Nordic 的開(kāi)發(fā)工具構建的應用軟件設計用于在 nRF52840 的嵌入式 Arm Cortex-M4 MCU 上運行。但有一種可能的情況，最終產(chǎn)品已經(jīng)配備了另一個(gè) MCU，而且開(kāi)發(fā)人員希望使用它來(lái)運行應用程序代碼，并且監控無(wú)線(xiàn)連接�；蛘�，開(kāi)發(fā)者可能更熟悉其他流行的主機微處理器的開(kāi)發(fā)工具，例如 STMicroelectronics 的 STM32F429ZIY6TR。該處理器也是基于 Arm Cortex-M4 內核。 為了讓外部主機微處理器能夠運行應用軟件并監控 nRF52840 SoC，Würth Elektronik 提供了 Wireless Connectivity SDK。該 SDK 是一組軟件工具，可實(shí)現該公司的無(wú)線(xiàn)模塊與許多流行處理器（包括 STM32F429ZIY6TR 芯片）的快速軟件集成。SDK 包含 C 語(yǔ)言的驅動(dòng)程序和實(shí)例，使用底層平臺的 UART、SPI 或 USB 外設，與連接的無(wú)線(xiàn)電設備進(jìn)行通信（圖 7）。開(kāi)發(fā)人員只需將 SDK C 代碼移植到主機處理器上。這顯著(zhù)減少了為無(wú)線(xiàn)電模塊設計軟件接口所需的時(shí)間。
圖 7： Wireless Connectivity SDK 驅動(dòng)程序讓開(kāi)發(fā)人員能夠使用外部主機微處理器，通過(guò) UART 端口輕松地驅動(dòng) Setebos-I 無(wú)線(xiàn)電模塊。（圖片來(lái)源：Würth Elektronik） Setebos-I 無(wú)線(xiàn)電模塊使用“命令接口”進(jìn)行配置和執行操作任務(wù)。這個(gè)接口提供了多達 30 條命令，可以完成各種任務(wù)，例如更新各種設備設置、傳輸和接收數據、將模塊置于各種低功耗模式。連接的無(wú)線(xiàn)電設備必須在命令模式下運行，才能使用 Wireless Connectivity SDK。 總結 為互連產(chǎn)品選擇單一無(wú)線(xiàn)協(xié)議很棘手，而從頭開(kāi)始設計無(wú)線(xiàn)電電路則更具挑戰性。Würth Elektronik 的 Setebos-I 等無(wú)線(xiàn)電模塊不僅在協(xié)議選擇上具有靈活性，還提供了一個(gè)符合不同運營(yíng)地區監管要求的隨取隨用連接解決方案。Sebetos-1 模塊附帶 Würth 的 Wireless Connectivity SDK，這讓開(kāi)發(fā)人員可以簡(jiǎn)單快速地使用自己選擇的主機 MCU 來(lái)控制該模塊。 |
