作者：Steven Keeping

　　無線連接使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒂薮赖漠a(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄?、集成的物?lián)網(wǎng) (IoT) 元素，這些元素可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進(jìn)行基于人工智能 (AI) 的分析，同時(shí)允許設(shè)備接收無線 (OTA) 數(shù)據(jù)說明、固件更新和安全增強(qiáng)。

　　但向產(chǎn)品添加無線鏈路并非易事。在設(shè)計(jì)階段開始之前，設(shè)計(jì)人員需要選擇一種無線協(xié)議，這可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。例如，多種無線標(biāo)準(zhǔn)在流行的免許可 2.4 GHz 頻譜中運(yùn)行。這些標(biāo)準(zhǔn)中的每一個(gè)都代表著范圍、吞吐量和功耗方面的權(quán)衡。為給定應(yīng)用程序選擇最好的協(xié)議需要根據(jù)協(xié)議的特性仔細(xì)評估其要求。

　　然后，即使使用高度集成的現(xiàn)代收發(fā)器，設(shè)計(jì)射頻 (RF) 電路對許多設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來說也是一個(gè)挑戰(zhàn)，導(dǎo)致成本和進(jìn)度超支。此外，射頻產(chǎn)品需要經(jīng)過操作認(rèn)證，這本身就是一個(gè)復(fù)雜、復(fù)雜且耗時(shí)的過程。

　　一種解決方案是將設(shè)計(jì)基于使用多協(xié)議片上系統(tǒng) (SoC) 的經(jīng)過認(rèn)證的模塊。這消除了使用分立元件進(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。這種模塊方法為設(shè)計(jì)人員提供了一種即插即用的無線解決方案，使將無線連接集成到產(chǎn)品中并通過認(rèn)證變得更加容易。

　　本文探討了無線連接的優(yōu)勢，探討了一些關(guān)鍵 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Würth Elektronik的合適 RF 模塊。本文還討論了滿足全球法規(guī)所需的認(rèn)證流程，考慮了應(yīng)用軟件開發(fā)，并介紹了軟件開發(fā)套件 (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)點(diǎn)

　　沒有一個(gè)短距離無線領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，因?yàn)槊總€(gè)領(lǐng)域都會做出權(quán)衡以滿足其目標(biāo)應(yīng)用。例如，更大的范圍和/或吞吐量是以增加功耗為代價(jià)的。其他需要考慮的重要因素包括抗干擾性、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 互操作性。

　　在各種已建立的短距離無線技術(shù)中，有三個(gè)明顯的領(lǐng)導(dǎo)者：低功耗藍(lán)牙 (Bluetooth LE)、Zigbee 和 Thread。由于 IEEE 802.15.4 規(guī)范的共同 DNA，它們具有一些相似之處。該規(guī)范描述了低數(shù)據(jù)速率無線個(gè)域網(wǎng) (WPAN) 的物理 (PHY) 和媒體訪問控制 (MAC) 層。盡管 Zigbee 有一些低于 GHz 的變體，但這些技術(shù)通常在 2.4 GHz 下運(yùn)行。

　　低功耗藍(lán)牙適用于智能家居傳感器等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，這些應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸速率適中且很少發(fā)生(圖 1)。低功耗藍(lán)牙與大多數(shù)智能手機(jī)所搭載的藍(lán)牙芯片的互操作性對于可穿戴設(shè)備等面向消費(fèi)者的應(yīng)用來說也是一大優(yōu)勢。該技術(shù)的主要缺點(diǎn)是需要昂貴且耗電的網(wǎng)關(guān)來連接到云以及笨重的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能。

　　圖 1：低功耗藍(lán)牙非常適合智能家居傳感器，例如相機(jī)和恒溫器。它與智能手機(jī)的互操作性簡化了兼容產(chǎn)品的配置。 (圖片來源：Nordic Semiconductor)

　　Zigbee 也是工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)和家庭中低功耗和低吞吐量應(yīng)用的不錯(cuò)選擇。其吞吐量低于藍(lán)牙 LE，但范圍和功耗相似。 Zigbee 不能與智能手機(jī)互操作，也不提供本地 IP 功能。 Zigbee 的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢在于它是專為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的。

　　Thread 與 Zigbee 一樣，使用 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 運(yùn)行，旨在支持多達(dá) 250 個(gè)設(shè)備的大型網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。 Thread 與 Zigbee 的不同之處在于它使用 6LoWPAN(IPv6 和低功耗 WPAN 的組合)，使與其他設(shè)備和云的連接變得簡單，盡管是通過稱為邊界路由器的網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備進(jìn)行的。 (請參閱“短距離無線技術(shù)重要事項(xiàng)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)議仍然有一席之地。盡管它們限制了與配備同一制造商芯片的其他設(shè)備的連接，但此類協(xié)議可以進(jìn)行微調(diào)以優(yōu)化功耗、范圍、抗干擾性或其他重要的操作參數(shù)。 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 完全能夠支持 2.4 GHz 專有無線技術(shù)。

　　這三種短程協(xié)議的普及以及 2.4 GHz 專有技術(shù)提供的靈活性使得選擇合適的協(xié)議來適應(yīng)最廣泛的應(yīng)用變得很困難。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(shí)重新設(shè)計(jì)產(chǎn)品。但由于協(xié)議使用基于類似架構(gòu)的 PHY 并在 2.4 GHz 頻譜下運(yùn)行，因此許多芯片供應(yīng)商提供多協(xié)議收發(fā)器。

　　這些芯片允許只需上傳新軟件即可針對多種協(xié)議重新配置單個(gè)硬件設(shè)計(jì)。更好的是，該產(chǎn)品可以附帶多個(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) 監(jiān)控。例如，這可以允許在設(shè)備切換協(xié)議以加入 Thread 網(wǎng)絡(luò)之前，使用藍(lán)牙 LE 從智能手機(jī)配置智能家居恒溫器。

　　Nordic Semiconductor 的 nRF52840 SoC 支持藍(lán)牙 LE、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(負(fù)責(zé)處理 RF 協(xié)議和應(yīng)用軟件)以及 1 兆字節(jié) (Mbyte) 閃存和 256 千字節(jié) (Kbytes) RAM。在藍(lán)牙 LE 模式下運(yùn)行時(shí)，SoC 提供每秒 2 兆位 (Mbits/s) 的最大原始數(shù)據(jù)吞吐量。在 0 分貝(參考 1 毫瓦 (dBm) 輸出功率)時(shí)，其 3 伏直流輸入電源的發(fā)射電流消耗為 5.3 毫安 (mA)，在原始數(shù)據(jù)速率為 1 時(shí)，接收 (RX) 電流消耗為 6.4 mA。兆比特/秒。 nRF52840 的最大發(fā)射功率為 +8 dBm，靈敏度為 -96 dBm(藍(lán)牙 LE，1 Mbit/s)。

　　良好的射頻設(shè)計(jì)的重要性

　　雖然 Nordic 的 nRF52840 等無線 SoC 是功能非常強(qiáng)大的設(shè)備，但它仍然需要大量的設(shè)計(jì)技巧才能最大限度地提高其 RF 性能。特別是，工程師需要考慮電源濾波、外部晶體定時(shí)電路、天線設(shè)計(jì)和放置以及最重要的阻抗匹配等因素。

　　區(qū)分射頻電路好壞的關(guān)鍵參數(shù)是其阻抗 (Z)。在高頻下，例如短程無線電使用的 2.4 GHz，RF 跡線上給定點(diǎn)的阻抗與該跡線的特征阻抗相關(guān)，而特征阻抗又取決于印刷電路 (PC) 板基板、走線的尺寸、與負(fù)載的距離以及負(fù)載的阻抗。

　　事實(shí)證明，當(dāng)負(fù)載阻抗(對于發(fā)射系統(tǒng)來說是天線，對于接收系統(tǒng)來說是收發(fā)器 SoC)等于特性阻抗時(shí)，沿走線距負(fù)載的任何距離測得的阻抗都保持不變。因此，線路損耗得以最小化，并且最大功率從發(fā)射器傳輸?shù)教炀€，從而提高了魯棒性和范圍。這使得構(gòu)建一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)來確保射頻器件的阻抗等于印刷電路板走線的特性阻抗成為一種良好的設(shè)計(jì)實(shí)踐。 (請參閱“藍(lán)牙 4.1、4.2 和 5 兼容的藍(lán)牙低功耗 SoC 和工具應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)(第 2 部分) ”。)

　　匹配網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)電感器和串聯(lián)電容器。設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是選擇最佳的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜驮怠Ｖ圃焐探?jīng)常提供仿真軟件來幫助匹配電路設(shè)計(jì)，但即使遵循良好的設(shè)計(jì)規(guī)則，最終的電路通常也會表現(xiàn)出令人失望的射頻性能，缺乏范圍和可靠性。這會導(dǎo)致更多的設(shè)計(jì)迭代來修改匹配網(wǎng)絡(luò)(圖 2)。

　　圖 2：Nordic nRF52840 需要外部電路才能利用其功能。外部電路包括輸入電壓濾波、外部晶振時(shí)序支持、以及連接至 SoC 的天線 (ANT) 引腳、SoC 與天線之間的阻抗匹配電路。 (圖片來源：Nordic Semiconductor)

　　模塊的優(yōu)點(diǎn)

　　使用分立元件設(shè)計(jì)短距離無線電路有一些優(yōu)點(diǎn)，特別是可以降低物料清單 (BoM) 成本并節(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(例如組件質(zhì)量和容差、電路板布局和基板特性以及終端設(shè)備封裝)也會極大地影響射頻性能。

　　另一種方法是圍繞第三方模塊建立無線連接。這些模塊是完全組裝、優(yōu)化和測試的解決方案，可實(shí)現(xiàn)“插入式”無線連接。在大多數(shù)情況下，該模塊已獲得在全球市場使用的認(rèn)證，從而為設(shè)計(jì)人員節(jié)省了通過射頻法規(guī)認(rèn)證所需的時(shí)間和金錢。

　　使用模塊有一些缺點(diǎn)。其中包括費(fèi)用增加(取決于產(chǎn)量)、最終產(chǎn)品尺寸更大、對單一供應(yīng)商的依賴及其批量發(fā)貨的能力，以及(有時(shí))相對于模塊所基于的 SoC 而言可訪問引腳數(shù)量減少。但如果設(shè)計(jì)簡單性和更快的上市時(shí)間超過了這些缺點(diǎn)，那么模塊就是答案。

　　以 Nordic nRF52840 為核心的一個(gè)示例是 Würth Elektronik 的 Setebos-I 2.4 GHz 無線電模塊2611011024020。該緊湊型模塊尺寸為 12 × 8 × 2 毫米 (mm)，具有內(nèi)置天線和可最大限度減少電磁干擾 (EMI) 的蓋子，并附帶支持藍(lán)牙 5.1 和專有 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K核心的 SoC 還能夠支持 Thread 和 Zigbee。

　　圖 3：Setebos-I 2.4 GHz 無線電模塊外形緊湊，具有內(nèi)置天線，并配有限制 EMI 的蓋子。 (圖片來源：伍爾特電子)

　　該模塊接受 1.8 至 3.6 伏輸入，在睡眠模式下僅消耗 0.4 微安 (μA)。其工作頻率涵蓋以2.44 GHz(2.402至2.480 GHz)為中心的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段。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現(xiàn)場范圍可達(dá) 600 米 (m)，最大藍(lán)牙 LE 吞吐量為 2 Mbits/s。該模塊具有內(nèi)置四分之一波長(3.13 厘米 (cm))天線，但也可以通過將外部天線連接到模塊上的上述 ANT 端子來擴(kuò)大范圍(圖 4)。

　　圖 4：Setebos-I 2.4 GHz 無線電模塊包括一個(gè)用于外部天線 (ANT) 的引腳，以擴(kuò)展無線電的范圍。 (圖片來源：伍爾特電子)

　　Setebos-I 無線電模塊可通過焊盤訪問 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 GPIO，可用于連接溫度、濕度和空氣質(zhì)量設(shè)備等傳感器。

　　表 1：所示為 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：伍爾特電子)

　　短距離無線產(chǎn)品認(rèn)證

　　雖然 2.4 GHz 頻段是免許可頻譜分配，但在該頻段運(yùn)行的無線電設(shè)備仍需要滿足當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)，例如美國聯(lián)邦通信委員會 (FCC)、歐洲合格聲明 (CE) 或電信規(guī)定的法規(guī)日本工程中心(TELEC)。通過法規(guī)需要提交產(chǎn)品進(jìn)行測試和認(rèn)證，這可能既耗時(shí)又昂貴。如果射頻產(chǎn)品未通過測試的任何部分，則必須重新提交。如果模塊要在藍(lán)牙模式下使用，還需要藍(lán)牙特別興趣組 (SIG) 的藍(lán)牙列表。

　　模塊的認(rèn)證不會自動(dòng)授予使用該模塊的最終產(chǎn)品的認(rèn)證。但它通常會將最終產(chǎn)品的認(rèn)證變成一項(xiàng)文書工作，而不是一項(xiàng)廣泛的重新測試任務(wù)——前提是它們不使用 Wi-Fi 等額外的無線設(shè)備。獲取藍(lán)牙列表時(shí)通常也是如此。一旦獲得認(rèn)證，使用該模塊的產(chǎn)品就會帶有標(biāo)有 FCC、CE 和其他相關(guān) ID 號的標(biāo)簽(圖 5)。

　　圖 5：Setebos-I 模塊上附加的 ID 標(biāo)簽示例，表明它已通過 CE 和 FCC RF 認(rèn)證。認(rèn)證通?？梢杂勺罱K產(chǎn)品繼承，而無需通過一些簡單的文書工作進(jìn)行重新測試。 (圖片來源：伍爾特電子)

　　模塊制造商通常會在其打算銷售產(chǎn)品的地區(qū)為其模塊獲取 RF 認(rèn)證(以及藍(lán)牙列表，如果適用)。 Würth Elektronik 已經(jīng)為 Setebos-I 無線電模塊做到了這一點(diǎn)，但它必須與工廠固件一起使用。在藍(lán)牙操作的情況下，該模塊經(jīng)過預(yù)先認(rèn)證，前提是它與 Nordic 的 S140 藍(lán)牙 LE 工廠堆棧或通過該公司的nRF Connect SDK軟件開發(fā)套件提供的堆棧一起使用。

　　Würth 和 Nordic 固件非常強(qiáng)大，并且經(jīng)過驗(yàn)證適合任何應(yīng)用。但是，如果設(shè)計(jì)人員決定使用開放標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙 LE 或 2.4 GHz 專有堆?；騺碜蕴娲虡I(yè)供應(yīng)商的堆棧對模塊進(jìn)行重新編程，他們將需要從頭開始針對預(yù)期操作區(qū)域的認(rèn)證計(jì)劃。

　　Setebos-I 無線電模塊的開發(fā)工具

　　對于高級開發(fā)人員，Nordic 的 nRF Connect SDK 提供了用于構(gòu)建 nRF52840 SoC 應(yīng)用軟件的綜合設(shè)計(jì)工具。 nRF Connect for VS Code 擴(kuò)展是建議運(yùn)行 nRF Connect SDK 的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)。還可以使用 nRF Connect SDK 將替代藍(lán)牙 LE 或 2.4 GHz 專有協(xié)議上傳到 nRF52840。 (請參閱上面關(guān)于這對模塊認(rèn)證的影響的評論。)

　　nRF Connect SDK 與nRF52840 DK開發(fā)套件配合使用(圖 6)。該硬件采用 nRF52840 SoC，并支持原型代碼開發(fā)和測試。一旦應(yīng)用軟件準(zhǔn)備就緒，nRF52840 DK 就可以充當(dāng) J-LINK 編程器，通過模塊的“SWDCLK”和“SWDIO”引腳將代碼移植到 Setebos-I 無線電模塊的 nRF52840 閃存中。

　　圖 6：Nordic 的 nRF52840 DK 可用于開發(fā)和測試應(yīng)用軟件。然后，該開發(fā)套件可用于對其他 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 開發(fā)工具構(gòu)建的應(yīng)用軟件旨在在 nRF52840 的嵌入式 Arm Cortex-M4 MCU 上運(yùn)行。但最終產(chǎn)品可能已經(jīng)配備了另一個(gè) MCU，并且開發(fā)人員希望使用它來運(yùn)行應(yīng)用程序代碼并監(jiān)督無線連接?；蛘?，開發(fā)人員可能更熟悉其他流行主機(jī)微處理器的開發(fā)工具，例如STMicroElectronics 的 STM32F429ZIY6TR。該處理器也基于 Arm Cortex-M4 內(nèi)核。

　　為了使外部主機(jī)微處理器能夠運(yùn)行應(yīng)用軟件并監(jiān)控 nRF52840 SoC，Würth Elektronik 提供了無線連接 SDK。 SDK 是一套軟件工具，可實(shí)現(xiàn)公司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 由 C 語言的驅(qū)動(dòng)程序和示例組成，它們使用底層平臺的 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)處理器即可。這顯著減少了設(shè)計(jì)無線電模塊軟件接口所需的時(shí)間。

　　圖 7：無線連接 SDK 驅(qū)動(dòng)程序使開發(fā)人員可以使用外部主機(jī)微處理器通過 UART 端口輕松驅(qū)動(dòng) Setebos-I 無線電模塊。 (圖片來源：伍爾特電子)

　　Setebos-I 無線電模塊使用“命令接口”來執(zhí)行配置和操作任務(wù)。該接口提供多達(dá) 30 個(gè)命令，可完成更新各種設(shè)備設(shè)置、傳輸和接收數(shù)據(jù)以及將模塊置于多種低功耗模式之一等任務(wù)。連接的無線電設(shè)備必須在命令模式下運(yùn)行才能使用無線連接 SDK。

　　結(jié)論

　　為互聯(lián)產(chǎn)品決定單一無線協(xié)議可能很棘手，從頭開始設(shè)計(jì)無線電電路更具挑戰(zhàn)性。 Würth Elektronik 的 Setebos-I 等無線電模塊不僅提供了協(xié)議選擇的靈活性，而且還提供了滿足各個(gè)操作區(qū)域的監(jiān)管要求的即插即用連接解決方案。 Sebetos-1 模塊附帶伍爾特的無線連接 SDK，這使得開發(fā)人員可以使用自己選擇的主機(jī) MCU 簡單快速地控制模塊。

https://www.digikey.cn/zh/articles/use-multiprotocol-wireless-modules-to-simplify-iot-product-design-and-certification