作者：Steven Keeping

投稿人：DigiKey 北美編輯

利用無線連接，設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒎?a href="http://www.1cnz.cn/v/" target="_blank">智能產(chǎn)品變成物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的智能集成設(shè)備，可將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進(jìn)行基于人工智能 (AI) 的分析，同時允許設(shè)備接收空中下載 (OTA) 指令、固件更新和安全增強(qiáng)功能。

但為產(chǎn)品增加無線鏈路并非易事。在設(shè)計(jì)階段開始之前，設(shè)計(jì)人員必須選擇一種無線協(xié)議，這可能是一項(xiàng)棘手的任務(wù)。例如，一些無線標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行于流行的免許可 2.4 GHz 頻譜。所有這些標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用選擇最合適的協(xié)議，必須根據(jù)協(xié)議的特點(diǎn)仔細(xì)評估應(yīng)用的要求。

因而，即便使用高度集成的新型收發(fā)器，設(shè)計(jì)射頻 (RF) 電路對于很多設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來說也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，導(dǎo)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(rèn)證，這本身可能是一個復(fù)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(rèn)證模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣可消除使用分立元器件進(jìn)行射頻設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并允許靈活選擇無線協(xié)議。這種模塊化方法為設(shè)計(jì)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(rèn)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(shè)計(jì)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(rèn)證過程，探討了應(yīng)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(shè)計(jì)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?yàn)槊糠N技術(shù)都要做出權(quán)衡，以滿足其目標(biāo)應(yīng)用的需求。例如，要提供更遠(yuǎn)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線技術(shù)中，有三種處于明顯領(lǐng)先地位：低功耗藍(lán)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(lán)牙適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(lán)牙與大多數(shù)智能手機(jī)中采用的藍(lán)牙芯片具有互操作性，對于面向消費(fèi)者的應(yīng)用（如可穿戴設(shè)備）來說，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。

Zigbee 也是低功耗和低吞吐量應(yīng)用的理想之選，包括在工業(yè)自動化、商用和家庭領(lǐng)域。該技術(shù)的吞吐量低于低功耗藍(lán)牙，但傳輸范圍和功耗與后者相似。Zigbee 不能與智能手機(jī)互操作，也無法提供原生 IP 功能。Zigbee 的一大關(guān)鍵優(yōu)勢是它從一開始就是針對網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的。

與 Zigbee 一樣，Thread 使用 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 工作，能夠支持多達(dá) 250 部設(shè)備構(gòu)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(jié)合），這使得與其他設(shè)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(luò)邊緣設(shè)備進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議占據(jù)主導(dǎo)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(shè)備的連接，但它們可以進(jìn)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(yīng)最廣泛的應(yīng)用。以前，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(yīng)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(shè)計(jì)，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)品還可以配備多個軟件堆棧，每個軟件堆棧之間的切換由微控制器單元 (MCU) 進(jìn)行監(jiān)控。例如，用戶可以通過智能手機(jī)，使用低功耗藍(lán)牙來配置智能家居恒溫器，然后再讓設(shè)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(lán)牙、藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、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(yùn)行射頻協(xié)議和應(yīng)用軟件，另外還提供 1 MB 的閃存和 256 KB 的 RAM。在低功耗藍(lán)牙模式下運(yùn)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(zhǔn)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(lán)牙，1 Mbit/s）。

良好射頻設(shè)計(jì)的重要性

雖然像 Nordic 的 nRF52840 這樣的無線 SoC 是功能非常強(qiáng)大的器件，但仍需要良好的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)和放置，以及至關(guān)重要的阻抗匹配。

區(qū)分優(yōu)劣射頻電路的關(guān)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(diǎn)的阻抗與跡線的特性阻抗相關(guān)，而特性阻抗又取決于印刷電路板基底、跡線尺寸、與負(fù)載間的距離，以及負(fù)載的阻抗。

實(shí)際上，當(dāng)負(fù)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(fù)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(shí)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(kuò)大了傳輸范圍。因此，良好的設(shè)計(jì)實(shí)踐是構(gòu)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的特性阻抗。（請參見“[ 兼容藍(lán)牙 4.1、4.2 和 5 的低功耗藍(lán)牙 SoC 和工具可應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)（第 2 部分） ]”。）

匹配網(wǎng)絡(luò)包括一個或多個分流電感和串聯(lián)電容。設(shè)計(jì)人員的挑戰(zhàn)是如何選擇最佳的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)，但即使遵循了良好的設(shè)計(jì)規(guī)則，所設(shè)計(jì)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(dǎo)致需要更多的設(shè)計(jì)迭代來修改匹配網(wǎng)絡(luò)（圖 2）。

圖 2：Nordic 的 nRF52840 需要外部電路來實(shí)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)人員遵循 SoC 供應(yīng)商提供的眾多優(yōu)秀參考設(shè)計(jì)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(shè)備封裝。

另一種方法是基于第三方模塊進(jìn)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(rèn)證，從而為設(shè)計(jì)人員節(jié)省通過射頻法規(guī)認(rèn)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(yīng)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(shè)計(jì)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(lán)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(dāng)?shù)墓碳撃K的核心 SoC 也能夠支持 Thread 和 Zigbee。

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(dāng)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(xué)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(dá) 600 米，最大的低功耗藍(lán)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(kuò)大傳輸范圍（圖 4）。

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(kuò)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(shè)備。

| | 引腳 | 焊盤 | 說明 | I/O |
| --------- | ------ | ---------------------------------------- | ------ |
| MODE_1 | 9 | 工作模式引腳 | 輸入 |
| BUSY | 10 | 繁忙引腳 | 輸出 |
| LED_1 | 11 | 射頻發(fā)射指示 | 輸出 |
| LED_2 | 12 | 射頻接收指示 | 輸出 |
| UTXD | 13 | UART 傳輸 | 輸出 |
| URXD | 14 | UART 接收 | 輸入 |
| /RTS | 15 | 請求發(fā)送 | 輸出 |
| /CTS | 16 | 允許發(fā)送 | 輸入 |
| WAKE_UP | 17 | 從休眠中喚醒 | 輸入 |
| GND | 18 | 負(fù)電源電壓 | 電源 |
| RPS | B1 | 無線電協(xié)議選擇（專有或低功耗藍(lán)牙 5.1） | 輸入 |
| B2 | B2 | 可編程 GPIO | I/O |
| B3 | B3 | 可編程 GPIO | I/O |
| B4 | B4 | 可編程 GPIO | I/O |
| B5 | B5 | 可編程 GPIO | I/O |
| B6 | B6 | 可編程 GPIO | I/O |

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(rèn)證

雖然 2.4 GHz 頻段是免許可的頻譜分配，但在該頻段運(yùn)行的無線電設(shè)備仍然需要遵守當(dāng)?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(jìn)行測試和認(rèn)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(lán)牙模式下使用，還需要列入藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟 (SIG) 的藍(lán)牙列表。

模塊通過認(rèn)證，并不能自動將認(rèn)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(rèn)證變成一項(xiàng)文書工作，而無需進(jìn)行大量的重新測試。列入藍(lán)牙列表時通常也是如此。一旦通過認(rèn)證，使用該模塊的產(chǎn)品就會貼上標(biāo)有 FCC、CE 和其他相關(guān) ID 編號的標(biāo)簽（圖 5）。

圖 5：貼在 Setebos-I 模塊上的 ID 標(biāo)簽示例，表明其已通過 CE 和 FCC 射頻認(rèn)證。通過一些簡單的文書工作，認(rèn)證通?？梢杂勺罱K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(rèn)證（如果合適，還要列入藍(lán)牙列表）。Würth Elektronik 已經(jīng)為 Setebos-I 無線電模塊完成這項(xiàng)工作，但必須與出廠固件一起使用。在藍(lán)牙工作方面，該模塊經(jīng)過了預(yù)認(rèn)證，前提是它要與 Nordic 的 S140 低功耗藍(lán)牙出廠堆棧或通過該公司的 [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(yīng)用。但是，如果設(shè)計(jì)人員決定使用開放標(biāo)準(zhǔn)的低功耗藍(lán)牙或 2.4 GHz 專有堆棧，或來自其他商業(yè)供應(yīng)商的堆棧，對模塊進(jìn)行重新編程，則他們將需要在預(yù)定操作區(qū)域，從頭開始啟動認(rèn)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(shè)計(jì)工具，用于為 nRF52840 SoC 開發(fā)應(yīng)用軟件。nRF Connect for VS Code 擴(kuò)展是我們推薦的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)，可以運(yùn)行 nRF Connect SDK。也可以使用 nRF Connect SDK，將替代的低功耗藍(lán)牙或 2.4 GHz 專有協(xié)議上傳到 nRF52840。（請參考上文關(guān)于這對模塊認(rèn)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(yīng)用軟件準(zhǔn)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。

圖 6：Nordic 的 nRF52840 DK 可用于開發(fā)和測試應(yīng)用軟件。然后，可以使用開發(fā)套件，對其他 nRF52840 SoC 進(jìn)行編程，例如 Setebos-I 模塊上使用的 SoC。（圖片來源：Nordic Semiconductor）

使用 Nordic 的開發(fā)工具構(gòu)建的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)用于在 nRF52840 的嵌入式 Arm Cortex-M4 MCU 上運(yùn)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(yùn)行應(yīng)用程序代碼，并且監(jiān)控?zé)o線連接。或者，開發(fā)者可能更熟悉其他流行的主機(jī)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(jī)微處理器能夠運(yùn)行應(yīng)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(shí)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(shí)例，使用底層平臺的 UART、SPI 或 USB 外設(shè)，與連接的無線電設(shè)備進(jìn)行通信（圖 7）。開發(fā)人員只需將 SDK C 代碼移植到主機(jī)處理器上。這顯著減少了為無線電模塊設(shè)計(jì)軟件接口所需的時間。

圖 7： Wireless Connectivity SDK 驅(qū)動程序讓開發(fā)人員能夠使用外部主機(jī)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(jìn)行配置和執(zhí)行操作任務(wù)。這個接口提供了多達(dá) 30 條命令，可以完成各種任務(wù)，例如更新各種設(shè)備設(shè)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(shè)備必須在命令模式下運(yùn)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(shè)計(jì)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(yùn)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(jī) MCU 來控制該模塊。