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如何為可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)選擇合適的局域網(wǎng)鏈路

電子設(shè)計 ? 來源:電子設(shè)計 ? 作者:電子設(shè)計 ? 2020-12-25 19:08 ? 次閱讀

個人局域網(wǎng)(PAN) 的真正部署階段尚未到來。我們正處于新一代可穿戴計算機、傳感器和外設(shè)的爆發(fā)點,這將使我們與機器的纏結(jié)進入一個新的水平。

傳統(tǒng)上,一個PAN 會與一個無線語音鏈路關(guān)聯(lián),如與無線耳機的藍牙連接。盡管這是一個有用的本地機器到機器(M2M) 個人鏈路,但遠未達到低功耗RF 近場技術(shù)PAN 所能提供的實際潛力。

本文將探討我們有哪些選擇來通過我們的“個人電磁泡泡”產(chǎn)生和收發(fā)數(shù)據(jù)。文中將討論各種應(yīng)用中使用的低功耗級別和信號類型,范圍覆蓋可穿戴設(shè)備或簡單的“深嵌”傳感器,到較復(fù)雜的高清視頻和用于實時3D 手勢識別的圖像處理。

我們將討論現(xiàn)今有哪些標準的芯片級解決方案,如IRDA、無線USB、藍牙、Z-Wave、ZigBee 和Wi-Fi,并從帶寬的角度深入研究,以確定預(yù)期可以看到的實際、可使用的吞吐量。同時我們還會討論對于不同功能哪些標準更好。本文件所引用的所有零件、規(guī)格書、指南和開發(fā)工具均可以在Digi-Key 網(wǎng)站找到。

并非都是RF

無線鏈路一般會使我們聯(lián)想到無線電概念,但并非所有無線鏈路都是基于RF 的。有些視線、近程和低帶寬通信可以用IR(紅外線)來取代。例如,用于設(shè)備或醫(yī)療程序遙控的兩件式力反饋手套。此時,象ROHM RPM973-H11E2A 這樣的IRDA 模塊做得更好(圖1)。這種收發(fā)器是超薄、自足式的,能夠以光學(xué)鏈路提供高達4 Mbits/s 的速度,且不會受任何來源的環(huán)境射頻噪聲干擾。它同時具有適合惡劣條件的堅固結(jié)構(gòu)。

圖1:不要小看堅固耐用的IR 在適度帶寬數(shù)據(jù)通信中作為視線鏈路的用處。有多種設(shè)計精良的低成本收發(fā)器供工程師們選擇。

盡管光學(xué)技術(shù)有其獨到之處,但到目前為止,新興PAN 應(yīng)用中用得最廣泛的通信技術(shù)還是RF。有趣的是,對較近程的低速鏈路,可以使用低成本的窄帶AM、FM、ASK、FSK、載波開/載波關(guān)和PSK 類型的RF。計算機鼠標有1,200 bit/s 的數(shù)據(jù)速度就可以工作地很好。

Murata TR3000 使用433.92 MHz 的載波和ASK 或OOK 調(diào)制,支持高達115.2 Kbaud 的數(shù)據(jù)速率。它的工作電壓為2.7 到3.7 V,接收數(shù)據(jù)時電流只需3.8 mA,7.5 mA 的電流就可以進行數(shù)據(jù)傳輸。其能耗就更出色了,可將較近程鏈路的能耗降低一個數(shù)量級,從而延長電池續(xù)航時間(圖2)。

圖2:窄帶傳輸因為相對低的數(shù)據(jù)速率而可使用較低的功率數(shù)。但是,噪聲源和擁擠的互動環(huán)境會造成問題。

雖然可對窄帶AM 和FM 進行功率限制,但會有太多的可能干擾源,因此當出現(xiàn)錯誤時,這類鏈路一般不會進行仲裁、沖突檢測、沖突避免和自動重發(fā)。此時使用數(shù)字無線電就比較好。

多個數(shù)字標準正在角逐令人垂涎的較大規(guī)模PAN 市場,包括象藍牙、USB、ZigBee、Wi-Fi 或Z-Wave 這樣的一致可互操作標準,具體不一而足。

隨著多個IC 級的器件即將面市,無線USB 將提供某些保證。Cypress CYRF6936-40LTXC 是直接定序擴頻無線2.4 GHz USB 收發(fā)器僅有的零件。1.8 至3.6 V 裝置的數(shù)據(jù)速度高達1 Mbit/s,使用4 MHz SPI 端口進行設(shè)置和控制。這是一個采用裸焊盤的40 引腳零件,比窄帶解決方案稍大。其34 mA 發(fā)射(21.2 mA 接收)電流也明顯高一些。其實,許多應(yīng)用大多時間處于休眠狀態(tài)而非喚醒狀態(tài),利用小電池就可以實現(xiàn)長時間突發(fā)通信,如果電池可以充電則尤為如此。

帶有嵌入式控制器的類似零件有Cypress CYRF89235-40LTXC,該零件提供一個高達24 MHz 的片載Harvard 架構(gòu)M8C RISC 處理器,以及一個仿真端口(圖3)。片載32 K 閃存可以存儲某些應(yīng)用的堆棧和用戶代碼。可以通過8 位端口或通過I2C 或SPI 接口(同時都包括)在可編程I/O 上擴充2 K RAM

圖3:片上系統(tǒng)方式允許嵌入式微處理器完全運行協(xié)議堆棧,同時提供嵌入式環(huán)境,既可以存儲您應(yīng)用特定的代碼,也可以建立您自己的定制接口。

不只是語音

藍牙語音未來最有可能統(tǒng)治耳機領(lǐng)域或用于個人語音鏈路,盡管它使用的功率遠較其所需要的要多很多。對于大多數(shù)零件來說,藍牙器件連在一起會工作地很好,即使在擁擠的環(huán)境也是如此。網(wǎng)絡(luò)共享進程會讓收發(fā)器成為簡單的查詢鎖定類型,無需保持多個套接字和復(fù)雜的協(xié)議堆棧。

另一方面,低功耗藍牙非常適合用于象傳感器、致動器和PAN 這樣的非語音應(yīng)用。類似于其它標準,已經(jīng)有人開始行動,推出集成解決方案。值得注意的一個藍牙LE 解決方案來自CSR,即其TCSR1010A05-IQQM-R 單芯片藍牙LE 片上系統(tǒng)(SoC) 收發(fā)器(圖4)。作為CSR 的μEnergy 低功耗藍牙平臺的一部分,該器件同時包含一個嵌入式微控制器。在此實例中,則是一個運行BT LE 堆棧、無線電、中斷和外部接口的16 位RISC 處理器。

圖4:嵌入式微處理器不僅可以包含數(shù)字無線電外設(shè)功能,而且還可以提供其它連接和外設(shè)接口,包括混合信號。

需要注意的是,這些零件有較多資源可用。閃存和RAM 容量均64 K 字節(jié)。此外,這些零件還包含一個10 位A/D、12 個可編程I/O、SPI、I2C、UART、PWM 和一個調(diào)試SPI 端口。就現(xiàn)今正在開發(fā)中的無線電來說,幾乎全部都有能量管理特性,并可以使用32 kHz 實時時鐘晶體,以節(jié)省更多的休眠功率。

這一領(lǐng)域的另一個競爭者是STMicroelectronics,該公司提供藍牙LE 無線網(wǎng)絡(luò)處理器BLUENRGQTR。它作為1 Mbit/s 兼容型主、從設(shè)備時也符合藍牙v4.0 規(guī)范要求。它可以使用32 kHz 時鐘振蕩器,以便減少能耗或者運行在更高的原生頻率上,進行進程密集型資料處理。本例中,頻率最高為32 MHz。

它基于ARM Cortex-M0 處理器(圖5),帶一個64 K 的程序閃存和12 K 的SRAM。它同時還有SPI、I2C、UART、串行程序和調(diào)試,以及AES 硬件。STMicroelectronics 視之為PAN 領(lǐng)域的潛在外設(shè)控制器,特別適合保健類應(yīng)用。該公司還針對藍牙LE 的保健應(yīng)用提供產(chǎn)品培訓(xùn)模塊。

圖5:不僅是8 位和16 位內(nèi)核可運用到PAN 應(yīng)用中,而且這種32 位的Cortex-M0 也可以操作無線電鏈路,且對您的代碼具有巨大的處理能力。

與許多其他供應(yīng)商類似,STMicroelectronics 也支持堆棧并提供開發(fā)環(huán)境幫助您加快開發(fā)速度。本例中,該供應(yīng)商的STEVAL-IDB002V1 是一款有用的針對BlueNRG 低功耗網(wǎng)絡(luò)處理器的演示和評估板。

其它可能

其他無線玩家要想在新興的、處于爆發(fā)式增長階段的PAN 市場分得一杯羹有許多障礙要克服。其中一個例子就是ZigBee。這是一個流行的標準,有多家設(shè)備和模塊制造商支持,適合家庭和樓宇自動化應(yīng)用。

與藍牙不同,ZigBee 在智能電話、平板電腦和筆記本電腦上沒有原生支持。這就可能存在障礙。ZigBee 還需要一個相當復(fù)雜的堆棧,意味著節(jié)點成本會較高。另一方面,ZigBee 具有架構(gòu)仲裁和識別能力,在成為大網(wǎng)眼的一部分方面具有優(yōu)勢。

Wi-Fi 也某些吸引人的地方,特別在推進物聯(lián)網(wǎng)方面。它提供云基連接能力,其提供的芯片和模塊也是認證就緒型的解決方案。盡管Wi-Fi 在智能電話、平板電腦和筆記本電腦上具有原生支持,但是功耗太大。控制靈活性方面可能使之不太適合PAN 應(yīng)用,所以它仍可能不是一個可行的解決方案,特別是在它每次進入低功耗模式之后,在喚醒時需要重新建立連接,發(fā)現(xiàn)模式也占用很多時間和能耗。

還有其它潛在解決方案。Z-Wave、ANT+、IOHomecontrol、W6LoPAN 和RF4CE 均在應(yīng)用特定和通用協(xié)議之列,值得了解。

總而言之,我們正在見證新一代物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)品的快速發(fā)展,這將增強我們的能力和我們的自我意識力。在這個環(huán)境中,智能電話最有可能成為個人局域網(wǎng)的中樞,將象保健監(jiān)護儀、智能手表和顯示設(shè)備(如Google 眼鏡)以及各種各樣嵌入衣服和鞋子的傳感器之類可穿戴設(shè)備連接起來。本文探討了工程師們有哪些選擇來通過個人“電磁泡泡”產(chǎn)生和接收數(shù)據(jù)。我們還討論了許多可能的協(xié)議并回顧了有代表性的零件。

審核編輯:符乾江
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