來源：Digi-Key
作者：Steven Keeping
利用無線連接，設計人員能夠?qū)⒎侵悄墚a(chǎn)品變成物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的智能集成設備，可將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進行基于人工智能 (AI) 的分析，同時允許設備接收空中下載 (OTA) 指令、固件更新和安全增強功能。
(資料圖片)
但為產(chǎn)品增加無線鏈路并非易事。在設計階段開始之前，設計人員必須選擇一種無線協(xié)議，這可能是一項棘手的任務。例如，一些無線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(quán)衡。要為某個特定應用選擇最合適的協(xié)議，必須根據(jù)協(xié)議的特點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說也是一項挑戰(zhàn)，導致成本超支和進度滯后。此外，射頻產(chǎn)品將需要進行操作認證，這本身可能是一個復雜而又耗時的過程。
一種解決方案是基于使用多協(xié)議片上系統(tǒng) (SoC) 的認證模塊進行設計。這樣可消除使用分立元器件進行射頻設計的復雜性，并允許靈活選擇無線協(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線解決方案，讓他們能夠更容易將無線連接集成到產(chǎn)品中并通過認證。
本文闡述了無線連接的好處、探討了一些主要 2.4 GHz 無線協(xié)議的優(yōu)勢、簡要分析了硬件設計問題，并介紹了來自 Würth Elektronik 的一種合適的射頻模塊。文中還討論了滿足全球法規(guī)所需的認證過程，探討了應用軟件開發(fā)，并介紹了一種軟件開發(fā)工具包 (SDK)，以幫助設計人員開始使用該模塊。
多協(xié)議收發(fā)器的優(yōu)勢
沒有任何一種短程無線技術(shù)占據(jù)絕對支配地位，因為每種技術(shù)都要做出權(quán)衡，以滿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。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)絡功能、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 互操作性。
在各種成熟的短程無線技術(shù)中，有三種處于明顯領先地位：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(guī)范的基因，因而彼此之間有一些相似之處。該規(guī)范描述了低數(shù)據(jù)速率無線個人局域網(wǎng) (WPAN) 的物理層 (PHY) 和媒體訪問控制層 (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(shù)據(jù)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(shù)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）來說，這也是一大優(yōu)勢。該技術(shù)的主要缺點在于需要昂貴且高耗電的網(wǎng)關連接到云端，還有糟糕的網(wǎng)狀網(wǎng)絡功能。
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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，因而簡化了兼容產(chǎn)品的配置。（圖片來源：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)自動化、商用和家庭領域。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，也無法提供原生 IP 功能。Zigbee 的一大關鍵優(yōu)勢是它從一開始就是針對網(wǎng)狀網(wǎng)絡設計的。
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(gòu)成的大型網(wǎng)狀網(wǎng)絡。Thread 與 Zigbee 的不同之處在于，它使用的是 6LoWPAN（IPv6 和低功耗 WPAN 的結(jié)合），這使得與其他設備和云端的連接變得非常簡單，不過需要通過一個稱為邊界路由器的網(wǎng)絡邊緣設備進行連接。（請參見“短程無線技術(shù)重要考量因素簡要指南”。）
雖然基于標準的協(xié)議占據(jù)主導地位，但 2.4 GHz 專有協(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，但它們可以進行微調(diào)，以優(yōu)化功耗、傳輸范圍、抗干擾性或其他重要工作參數(shù)。IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 完全能夠支持 2.4 GHz 專有無線技術(shù)。
由于這三種短程協(xié)議的廣泛普及，以及 2.4 GHz 專有技術(shù)提供的靈活性，人們很難選擇一種合適的協(xié)議來適應最廣泛的應用。以前，設計人員必須選擇一種無線技術(shù)，然后在需要使用不同協(xié)議的變體時重新設計產(chǎn)品。但是，由于這些協(xié)議均使用基于類似架構(gòu)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)議進行重新配置。不僅如此，該產(chǎn)品還可以配備多個軟件堆棧，每個軟件堆棧之間的切換由微控制器單元 (MCU) 進行監(jiān)控。例如，用戶可以通過智能手機，使用低功耗藍牙來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。
Nordic Semiconductor 的 nRF52840 SoC 支持低功耗藍牙、藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡、Thread、Zigbee、IEEE 802.15.4、ANT+ 和 2.4 GHz 專有堆棧。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，該 SoC 提供 2 Mbit/s 的最高原始數(shù)據(jù)吞吐量。該 SoC 采用 3 VDC 輸入電源，在 0 分貝（分貝數(shù)基準為 1 mW）輸出功率下，發(fā)射電流為 5.3 mA，在原始數(shù)據(jù)速率為 1 Mbit/s 時，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 這樣的無線 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、外部晶體定時電路、天線設計和放置，以及至關重要的阻抗匹配。
區(qū)分優(yōu)劣射頻電路的關鍵參數(shù)是阻抗 (Z)。在高頻率下，例如在短程無線電使用的 2.4 GHz 頻率下，射頻跡線上某一點的阻抗與跡線的特性阻抗相關，而特性阻抗又取決于印刷電路板基底、跡線尺寸、與負載間的距離，以及負載的阻抗。
實際上，當負載阻抗（在發(fā)射系統(tǒng)中是天線，在接收系統(tǒng)中是收發(fā)器 SoC）等于特性阻抗時，跡線上距離負載任意間距處測得的阻抗均相同。這樣線路損耗被降到最低，實現(xiàn)了從發(fā)射器到天線的最大功率傳輸，從而提高了穩(wěn)定性，擴大了傳輸范圍。因此，良好的設計實踐是構(gòu)建匹配網(wǎng)絡，確保射頻器件的阻抗等于印刷電路板跡線的特性阻抗。（請參見“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(zhàn)（第 2 部分）”。）
匹配網(wǎng)絡包括一個或多個分流電感和串聯(lián)電容。設計人員的挑戰(zhàn)是如何選擇最佳的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)和元器件值。制造商通常提供模擬軟件，幫助進行匹配電路設計，但即使遵循了良好的設計規(guī)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修改匹配網(wǎng)絡（圖 2）。
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圖 2：Nordic 的 nRF52840 需要外部電路來實現(xiàn)其功能。外部電路包括輸入電壓濾波，支持外部晶體定時并連接到 SoC 的天線 (ANT) 引腳，SoC 和天線之間帶有阻抗匹配電路。（圖片來源：Nordic Semiconductor）
模塊的優(yōu)勢
使用分立元器件來設計短程無線電路具有一些優(yōu)勢，特別是物料清單 (BoM) 成本較低和節(jié)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行無線連接。這些模塊是完全組裝并經(jīng)過優(yōu)化和測試的解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)“隨取隨用”的無線連接。在大多數(shù)情況下，模塊已經(jīng)獲得了在全球市場使用的認證，從而為設計人員節(jié)省通過射頻法規(guī)認證所需的時間和資金。
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、更依賴單個供應商及其量產(chǎn)能力，有時還會減少模塊所基于的 SoC 的可用引腳數(shù)量。但是，如果設計簡便性和更快的上市時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 作為核心的一個例子是 Würth Elektronik 的 Setebos-I 2.4 GHz 無線電模塊 2611011024020。這個緊湊型模塊的尺寸為 12 × 8 × 2 mm，其內(nèi)置天線，有一個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 以及專有 2.4 GHz 協(xié)議的固件（圖 3）。如上所述，通過添加適當?shù)墓碳?，該模塊的核心 SoC 也能夠支持 Thread 和 Zigbee。
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圖 3：Setebos-I 2.4 GHz 無線電模塊外形緊湊，內(nèi)置天線，還配有一個蓋子以限制電磁干擾。（圖片來源：Würth Elektronik）
該模塊接受 1.8-3.6 V 的輸入，當處于休眠模式時，電流僅為 0.4 μA。其工作頻率涵蓋了工業(yè)、科學和醫(yī)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，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(nèi)置四分之一波長 (3.13 cm) 天線，但也可以通過將外部天線連接到模塊上的 ANT 端子，來擴大傳輸范圍（圖 4）。
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圖 4：Setebos-I 2.4 GHz 無線電模塊包括一個用于外部天線 (ANT) 的引腳，以擴大無線電的傳輸范圍。（圖片來源：Würth Elektronik）
Setebos-I 無線電模塊通過焊盤接入 nRF52840 SoC 的引腳。表 1 列出了每個模塊引腳的功能。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。
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表 1：顯示 Setebos-I 2.4 GHz 無線電模塊的引腳名稱。LED 輸出可用于指示無線電傳輸和接收。（圖片來源：Würth Elektronik）
短程無線產(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線電設備仍然需要遵守當?shù)氐姆ㄒ?guī)，例如美國聯(lián)邦通信委員會 (FCC)、歐洲符合性聲明 (CE) 或日本電信工程中心 (TELEC) 的法規(guī)。要遵守這些法規(guī)，必須提交產(chǎn)品進行測試和認證，這個過程可能非常耗時，而且成本昂貴。如果射頻產(chǎn)品沒有通過任何部分的測試，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。
模塊通過認證，并不能自動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 等其他無線器件，這樣通常會將最終產(chǎn)品的認證變成一項文書工作，而無需進行大量的重新測試。列入藍牙列表時通常也是如此。一旦通過認證，使用該模塊的產(chǎn)品就會貼上標有 FCC、CE 和其他相關 ID 編號的標簽（圖 5）。
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圖 5：貼在 Setebos-I 模塊上的 ID 標簽示例，表明其已通過 CE 和 FCC 射頻認證。通過一些簡單的文書工作，認證通常可以由最終產(chǎn)品繼承，而無需重新測試。（圖片來源：Würth Elektronik）
模塊制造商通常會在他們打算銷售產(chǎn)品的地區(qū)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 無線電模塊完成這項工作，但必須與出廠固件一起使用。在藍牙工作方面，該模塊經(jīng)過了預認證，前提是它要與 Nordic 的 S140 低功耗藍牙出廠堆?；蛲ㄟ^該公司的 nRF Connect SDK 軟件開發(fā)工具包提供的堆棧一起使用。
Würth 和 Nordic 的固件穩(wěn)定可靠，適用于任何應用。但是，如果設計人員決定使用開放標準的低功耗藍牙或 2.4 GHz 專有堆棧，或來自其他商業(yè)供應商的堆棧，對模塊進行重新編程，則他們將需要在預定操作區(qū)域，從頭開始啟動認證程序。
用于 Setebos-I 無線電模塊的開發(fā)工具
針對高級開發(fā)人員，Nordic 的 nRF Connect SDK 提供了全面的設計工具，用于為 nRF52840 SoC 開發(fā)應用軟件。nRF Connect for VS Code 擴展是我們推薦的集成開發(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 專有協(xié)議上傳到 nRF52840。（請參考上文關于這對模塊認證影響的評論。）
nRF Connect SDK 與 nRF52840 DK 開發(fā)套件配合使用（圖 6）。該硬件采用 nRF52840 SoC，支持原型代碼開發(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，通過模塊的“SWDCLK”和“SWDIO”引腳，將代碼移植到 Setebos-I 無線電模塊 nRF52840 的閃存。
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圖 6：Nordic 的 nRF52840 DK 可用于開發(fā)和測試應用軟件。然后，可以使用開發(fā)套件，對其他 nRF52840 SoC 進行編程，例如 Setebos-I 模塊上使用的 SoC。（圖片來源：Nordic Semiconductor）
使用 Nordic 的開發(fā)工具構(gòu)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 MCU，而且開發(fā)人員希望使用它來運行應用程序代碼，并且監(jiān)控無線連接?；蛘?，開發(fā)者可能更熟悉其他流行的主機微處理器的開發(fā)工具，例如 STMicroelectronics 的 STM32F429ZIY6TR。該處理器也是基于 Arm Cortex-M4 內(nèi)核。
為了讓外部主機微處理器能夠運行應用軟件并監(jiān)控 nRF52840 SoC，Würth Elektronik 提供了 Wireless Connectivity SDK。該 SDK 是一組軟件工具，可實現(xiàn)該公司的無線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 語言的驅(qū)動程序和實例，使用底層平臺的 UART、SPI 或 USB 外設，與連接的無線電設備進行通信（圖 7）。開發(fā)人員只需將 SDK C 代碼移植到主機處理器上。這顯著減少了為無線電模塊設計軟件接口所需的時間。
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圖 7： Wireless Connectivity SDK 驅(qū)動程序讓開發(fā)人員能夠使用外部主機微處理器，通過 UART 端口輕松地驅(qū)動 Setebos-I 無線電模塊。（圖片來源：Würth Elektronik）
Setebos-I 無線電模塊使用“命令接口”進行配置和執(zhí)行操作任務。這個接口提供了多達 30 條命令，可以完成各種任務，例如更新各種設備設置、傳輸和接收數(shù)據(jù)、將模塊置于各種低功耗模式。連接的無線電設備必須在命令模式下運行，才能使用 Wireless Connectivity SDK。
總結(jié)
為互連產(chǎn)品選擇單一無線協(xié)議很棘手，而從頭開始設計無線電電路則更具挑戰(zhàn)性。Würth Elektronik 的 Setebos-I 等無線電模塊不僅在協(xié)議選擇上具有靈活性，還提供了一個符合不同運營地區(qū)監(jiān)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，這讓開發(fā)人員可以簡單快速地使用自己選擇的主機 MCU 來控制該模塊。
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