作者： Steven Keeping

今天，盡管無(wú)線連接已無(wú)處不在，用戶使用起來(lái)也越來(lái)越方便，但如果在射頻工程方面經(jīng)驗(yàn)有限，設(shè)計(jì)無(wú)線項(xiàng)目仍然是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

商用模塊通常集成了嵌入式處理器、收發(fā)器、射頻調(diào)諧電路、電源管理，甚至還有一根或兩根天線，使工作變得更容易，因?yàn)榇蟛糠值纳漕l設(shè)計(jì)和測(cè)試已經(jīng)完成。不過(guò)，有些原型需要注意更多的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，以確保即使采用 [Microchip Technology] 的 [WBZ451PE-I] 等模塊（圖 1）也能取得成功。

圖 1：WBC451PE-1 模塊雖然使無(wú)線產(chǎn)品構(gòu)建變得輕而易舉，但仍存在一些隱患。（圖片來(lái)源：Microchip Technology）

模塊在電路板上的方向、地平面的位置、電磁干擾 (EMI) 屏蔽、其他元件的位置、印制電路 (PC) 板印制線阻抗等簡(jiǎn)單的因素都會(huì)產(chǎn)生影響。因此，相對(duì)于設(shè)計(jì)者不注重細(xì)節(jié)的無(wú)線產(chǎn)品而言，設(shè)計(jì)精良且?guī)в猩漕l模塊的無(wú)線產(chǎn)品展現(xiàn)出更大的范圍、更高的吞吐量和更低的功耗。

編碼時(shí)間

軟件也會(huì)對(duì)產(chǎn)品的整體性產(chǎn)生重要影響。無(wú)線產(chǎn)品通常需要射頻協(xié)議棧和應(yīng)用軟件。

雖然可以編寫(xiě)低功耗藍(lán)牙 (LE)、Zigbee 或?qū)Ｓ?2.4 GHz 協(xié)議等射頻協(xié)議軟件的代碼，但經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的成熟協(xié)議棧通常由收發(fā)器制造商提供，或從開(kāi)源庫(kù)中獲取。這可能是最具性價(jià)比、最快捷的方法。

在無(wú)線鏈路上傳輸無(wú)線電數(shù)據(jù)和確保數(shù)據(jù)包攜帶有用的有效載荷是兩碼事。應(yīng)用代碼決定類型、優(yōu)先級(jí)、格式以及數(shù)據(jù)如何傳輸頻率等參數(shù)。軟件可完成一些相對(duì)簡(jiǎn)單的事情，如發(fā)送溫度、濕度或心率信息。對(duì)于更復(fù)雜的應(yīng)用，則可能需要傳輸音頻流或來(lái)自機(jī)器振動(dòng)傳感器的多個(gè)實(shí)時(shí)頻率。

射頻協(xié)議和應(yīng)用軟件對(duì)產(chǎn)品性能的影響不亞于硬件。例如，如果應(yīng)用代碼編寫(xiě)不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致射頻協(xié)議棧出現(xiàn)持續(xù)中斷，進(jìn)而影響吞吐量。或者，應(yīng)用軟件可能會(huì)對(duì)無(wú)線電的占空比產(chǎn)生不利影響。例如，應(yīng)用軟件可能會(huì)指示無(wú)線電更頻繁地傳輸數(shù)據(jù)，從而增加不必要的功耗。

為無(wú)線項(xiàng)目尋求幫助

好消息是，在開(kāi)發(fā)無(wú)線項(xiàng)目時(shí)可在許多方面尋求幫助。制造商非常樂(lè)意在硬件設(shè)計(jì)、協(xié)議和應(yīng)用軟件示例方面提供幫助。

在硬件方面可以得到的幫助通常是評(píng)估套件。評(píng)估套件可以是基于目標(biāo)無(wú)線收發(fā)器或模塊的完整工作設(shè)計(jì)。硅器件供應(yīng)商通常會(huì)提供印刷電路板 Gerber 文件和規(guī)定了評(píng)估套件組件的物料清單 (BOM)，從而方便將產(chǎn)品用作硬件參考設(shè)計(jì)。評(píng)估板設(shè)計(jì)的重要部分是天線定位。您需要使地平面和其他元件之間保持足夠的間隙，以確保獲得最佳的天線靈敏度。通過(guò)使用制造商的布局，可以避免影響天線性能。

例如，Microchip Technology 的 [EV96B94A WBZ451 Curiosity Board] 是一個(gè)完整評(píng)估套件（圖 2）。使用該評(píng)估板，工程師可以更輕松地為智能家居和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中的低功耗藍(lán)牙和 Zigbee 項(xiàng)目進(jìn)行原型開(kāi)發(fā)。Curiosity Board 的核心是 [IWBZ451PE-I] 藍(lán)牙收發(fā)器模塊。該模塊基于 PIC32CX-BZ2。這是一款通用型低成本、32 位微控制器，可支持低功耗藍(lán)牙（最高 5.2 版）和 Zigbee（最高 3.0 版）等多協(xié)議無(wú)線接口，同時(shí)還可管理射頻收發(fā)器和電源管理單元 (PMU)。

圖 2：EV96B94A Curiosity Board 的頂部-側(cè)視圖，其中，WBZ451PE-I 模塊位于頂端。注意：模塊上印刷電路板天線的內(nèi)置間隙，可確保獲得最佳性能。（圖片來(lái)源：Microchip Technology）

WBZ451PE-I 模塊集成了微控制器，支持印刷電路板天線或用于外部天線的 u.FL 連接器。該模塊配備了一套標(biāo)準(zhǔn)微控制器外設(shè)，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，以及串行外設(shè)接口 (SPI)、內(nèi)部集成電路 (I2C)、四通道 SPI (QSPI) 和通用異步收發(fā)器 (UART) 等接口。

Curiosity Board 還配備了一個(gè)外置式 Microchip QSPI 閃存芯片、一個(gè)模擬電壓溫度傳感器和一個(gè)用于連接外部編程器/調(diào)試器的 10 針 [Arm] 串行線調(diào)試 (SWD) 接頭。

準(zhǔn)備原型開(kāi)發(fā)

您會(huì)發(fā)現(xiàn) Curiosity Board 的入門相對(duì)簡(jiǎn)單。該開(kāi)發(fā)板是主要硬件，但還需要一條 Type-A 公頭轉(zhuǎn) Micro-B USB 電纜，以便將開(kāi)發(fā)板連接到 PC 和支持藍(lán)牙的 Android 或 iOS 智能手機(jī)。進(jìn)行開(kāi)發(fā)所需的軟件包括 MPLAB 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 (IDE)、MPLAB XC32 編譯器、PKOB4 工具包和開(kāi)箱即用的演示版。可以使用外部 5 V 電源或 4.2 V 鋰電池為該評(píng)估板供電。圖 3 所示為 Curiosity Board 的硬件框圖。

圖 3 Curiosity Board 的硬件框圖顯示了如何用 5 V 電源或者 Li-Po 電池為其供電。該板還內(nèi)置了溫度傳感器和 RGB LED，可與示例程序配合使用。（圖片來(lái)源：Microchip Technology）

該板包括一個(gè)集成編程器和調(diào)試器（PKOB4 工具包的一部分）。該器件支持通過(guò) micro-B USB 連接器從主電腦對(duì) WBZ451PE-I 模塊進(jìn)行編程、調(diào)試。默認(rèn)情況下，板載調(diào)試器與 WBZ451PE-1 模塊的編程引腳（SWDIO 和 SWDCLK）連接。

該板配備的軟件可在單個(gè)應(yīng)用中演示兩種常見(jiàn)的低功耗藍(lán)牙和 Zigbee 用例，兩個(gè)接口棧可同時(shí)運(yùn)行。具體來(lái)說(shuō)，該應(yīng)用支持低功耗藍(lán)牙傳感器監(jiān)視、低功耗藍(lán)牙照明控制以及 Zigbee 照明控制和監(jiān)視。傳感器示例實(shí)現(xiàn)了一個(gè)全功能低功耗藍(lán)牙溫度傳感器，數(shù)據(jù)來(lái)自 Curiosity Board 的板載溫度傳感器。該板還集成了一個(gè) RGB LED。

Zigbee 照明控制軟件示例包括對(duì)該板上 RGB LED 的低功耗藍(lán)牙全控制。通過(guò)低功耗藍(lán)牙進(jìn)行的 Zigbee 調(diào)試使用低功耗藍(lán)牙鏈接交換 Zigbee 調(diào)試數(shù)據(jù)。Zigbee 和低功耗藍(lán)牙任務(wù)在 FreeRTOS 下同時(shí)運(yùn)行。圖 4 中的“燈”（由電路板上的 RGB LED 表示）可通過(guò)低功耗藍(lán)牙或 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。連接后，用戶可以通過(guò)低功耗藍(lán)牙連接控制 LED 的亮度、顏色和點(diǎn)亮/熄滅狀態(tài)。

圖 4：Curiosity Board 的照明控制示例演示了 Zigbee 和低功耗藍(lán)牙協(xié)議棧同時(shí)運(yùn)行。（圖片來(lái)源：Microchip Technology）

驗(yàn)證過(guò)示例后，可以嘗試編寫(xiě)自己的代碼。對(duì)于沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的代碼編寫(xiě)人員，Microchip 提供應(yīng)用構(gòu)建塊。這些內(nèi)容緊湊的培訓(xùn)模塊側(cè)重于 WBZ451PE-I 模塊的低功耗藍(lán)牙功能。通過(guò)這些構(gòu)建模塊，可以熟悉軟件、MPLAB 代碼配置器以及實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能所需的應(yīng)用編程接口 (API)。

結(jié)束語(yǔ)

沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的人可能會(huì)對(duì)無(wú)線設(shè)計(jì)望而生畏，但有了芯片供應(yīng)商提供的評(píng)估板和射頻模塊，無(wú)線設(shè)計(jì)就變得容易多了。此外，制造商還提供成熟可靠的射頻協(xié)議棧，并通過(guò)提供示例和構(gòu)建模塊，讓用戶輕松入門復(fù)雜應(yīng)用。

審核編輯 黃宇