基于WiFi模塊的電路方案設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）產(chǎn)品的設(shè)計人員目前趨向使用基于WiFi的無線連接，因為它部署廣泛且易于理解。但是，任何類型的射頻功能都很復(fù)雜，需要進行合規(guī)性測試。如果缺乏相應(yīng)的專業(yè)知識，開發(fā)速度可能會減慢，特別是如果設(shè)計人員選擇從頭開始設(shè)計射頻部分的話。

加速設(shè)計過程的方法之一，是從許多可用預(yù)認證模塊中選擇。為此，本文將在介紹如何使用模塊和相關(guān)設(shè)計工具設(shè)計產(chǎn)品之前，討論WiFi在無線應(yīng)用中的優(yōu)勢。

為什么選擇WiFi？

WiFi是眾多利用2.4GHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）免許可頻譜分配的熱門無線通信短程射頻技術(shù)之一。該技術(shù)基于IEEE802.11規(guī)范，其不同變體具有不同的吞吐量和多種數(shù)字編碼方法。

與低功耗藍牙（藍牙LE）和Zigbee等技術(shù)相比，它相對耗電、昂貴且需要相當多的處理器資源。然而，它的速度也令人驚嘆。從原始數(shù)據(jù)速率為11Mb/s的最低版本802.11b到n版本令人印象深刻的600Mb/s，沒有其他開放標準2.4GHz技術(shù)可與之匹敵。（參見Digi-Key文章“低功耗無線技術(shù)的比較”。）

選擇哪個WiFi？

WiFi變體的一個共同之處是所有WiFi操作規(guī)范均由WiFi聯(lián)盟制定。作為WiFi品牌和規(guī)范的管理機構(gòu)，該聯(lián)盟確定WiFi局域網(wǎng)（LAN）使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、加密技術(shù)、頻率、數(shù)據(jù)包配置和子協(xié)議。

重要的是，WiFi也可以利用5GHz頻譜分配，通過避免在擁擠的2.4GHz頻帶中通信，進一步提高吞吐量和減少潛在干擾。缺點是傳輸范圍會縮小，并且障礙穿透性欠佳。

WiFi協(xié)議有好幾種：IEEE802.11b/g在2.4GHz頻段工作，IEEE802.11a/ac在5GHz頻段工作，而IEEE802.11n無線電可在上述兩個頻段內(nèi)工作。

IEEE802.11b于1999年采用，提供5.5和11Mb/s的數(shù)據(jù)速率，現(xiàn)在一般只在傳統(tǒng)系統(tǒng)中使用。然而，現(xiàn)代n版無線電中內(nèi)置對b版的支持，以便現(xiàn)代系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)配合使用。

IEEE802.11g于2003年采用，使用與原始協(xié)議不同的調(diào)制技術(shù)來實現(xiàn)高達54Mb/s的數(shù)據(jù)速率。在實際應(yīng)用中，由于采用前向糾錯算法，可用數(shù)據(jù)速率通常會減半。g版向后兼容b版。

IEEE802.11n于2009年采用，引入了多輸入多輸出（MIMO）天線技術(shù)，可對多個同步“空間流”進行編碼，將數(shù)據(jù)速率提高到216Mb/s（假設(shè)信道寬度為20MHz且發(fā)射器采用三個空間流）。802.11n還通過連接兩個20MHz通道，指定了一個40MHz的更寬通道，使吞吐量增加到450Mb/s。支持三個空間流的設(shè)備僅限于較高端的便攜式計算機、平板電腦和接入點（AP）。支持兩個空間流的設(shè)備更多，但仍局限于便攜式計算機、平板電腦和最新一代的智能手機。

除了在5GHz頻段內(nèi)工作外，IEEE802.11a在大多數(shù)方面與g版相同。最大數(shù)據(jù)速率同為54Mb/s。目前一般認為802.11a是傳統(tǒng)協(xié)議。

IEEE802.11ac于2013年采用，提供八個空間流和高達160MHz的信道寬度，進一步提高吞吐量。商用產(chǎn)品剛剛進入市場，仍然很昂貴，至少在最初階段，此技術(shù)可能僅用于非常高端的消費性產(chǎn)品。

2.4GHz頻段允許分配于11個（美國）、13個（世界其他大部分地區(qū)）和14個（日本）20MHz通道。83MHz頻寬僅支持三個不重疊的WiFi通道（1、6和11）（圖1）。

為了避免相鄰WLAN使用11到14個通道中的任何一種而導(dǎo)致沖突，制造商通常會將其設(shè)備設(shè)計為在非重疊通道中進行通信。例如，在通道1中干擾過大的WiFi無線電波可以切換到通道6或11，以尋找無干擾的環(huán)境。

為了協(xié)助頻譜共享，WiFi包含爭用機制，對使用同一通道的接入點（AP）公平分配帶寬。在擁擠的通道上運行的AP通信時間受限，可接收或發(fā)送數(shù)據(jù)的時間因而會受影響。

適用于物聯(lián)網(wǎng)的WiFi

需要注意的是，基于IEEE802.11規(guī)范的WiFi僅定義了通信協(xié)議的物理層（PHY）和數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)鏈路層包括媒體訪問控制（MAC）和邏輯鏈路控制（LLC）。然而，互聯(lián)網(wǎng)WiFi連接無處不在，其PHY和數(shù)據(jù)鏈路層通常會集成到一個完整的TCP/IP協(xié)議棧。該協(xié)議棧確保互聯(lián)網(wǎng)互配性，通常是（但不總是）由WiFi連接解決方案供應(yīng)商提供的軟件。本文其余部分將討論采用TCP/IP協(xié)議棧的WiFi解決方案（圖2）。

WiFi作為將智能手機、便攜式計算機和個人電腦連接到互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)占有一席之地，同時它正在迅速多樣化，成為物聯(lián)網(wǎng)的一項基礎(chǔ)技術(shù)。

在互聯(lián)網(wǎng)互配性和吞吐量比功耗更重要的情況下，WiFi驅(qū)動的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備為直接從無線傳感器向互聯(lián)網(wǎng)傳遞信息提供了令人信服的解決方案。WiFi物聯(lián)網(wǎng)傳感器無需借助Ipv6低功耗無線個人局域網(wǎng)（6LoWPAN）等其他復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)層，即可直接連接互聯(lián)網(wǎng)。

WiFi可作為一種具有成本效益的“網(wǎng)關(guān)”，其中基于多協(xié)議藍牙LE/zigbee/WiFi片上系統(tǒng)（SoC）的單元匯聚來自多個低功率無線傳感器的數(shù)據(jù)，并將此信息轉(zhuǎn)發(fā)給云端。

值得注意的是，低功耗形式的WiFi正在興起。這種命名為“HaLow”的技術(shù)基于IEEE802.11ah標準，它充分利用了其他低功耗無線技術(shù)使用的超低占空比，最大程度地降低了功耗，其功耗預(yù)計僅為常規(guī)WiFi芯片的1%左右。HaLow在900MHzISM頻段中工作，其傳輸距離增加至當前WiFi的將近兩倍。但該技術(shù)在吞吐量方面有所妥協(xié)，據(jù)稱與藍牙LE的最大原始數(shù)據(jù)速率2Mb/s大致相當。

加快基于WiFi的設(shè)計

從頭開始設(shè)計WiFi物聯(lián)網(wǎng)解決方案可降低成本，并提供充分優(yōu)化無線產(chǎn)品性能的機會。但是設(shè)計人員需要擁有相當多的千兆赫頻率射頻硬件專業(yè)知識，熟悉TCP/IP協(xié)議，并堅持按照相關(guān)標準的合規(guī)性認證規(guī)范開展漫長的測試和驗證過程。

半導(dǎo)體供應(yīng)商提供的一些有幫助的參考設(shè)計，可作為加速開發(fā)過程的基礎(chǔ)。然而，此類原理圖只能視為一個起點；磁性元件、基板、軌道和電路阻抗的微小變化都可能對性能產(chǎn)生重大影響，并且通常需要進行多次設(shè)計迭代才能解決問題。

實現(xiàn)令人滿意的設(shè)計的更快途徑是選擇一個已完成組裝、測試、驗證和合規(guī)性認證的模塊。這些產(chǎn)品可以迅速融入WiFi物聯(lián)網(wǎng)解決方案，加快產(chǎn)品上市時間。

許多芯片供應(yīng)商提供物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用IEEE802.11模塊的所有變體及相關(guān)開發(fā)工具?；灸K通常會集成WLAN基帶處理器和射頻收發(fā)器、功率放大器（PA）、時鐘、射頻開關(guān)、濾波器、無源元件和電源管理。

由于基于WiFi的TCP/IP協(xié)議棧是一個難以監(jiān)控的復(fù)雜固件，因此需要能夠支持諸如Linux或Android等高級操作系統(tǒng)（OS）的微處理器資源。管理WiFi堆棧的操作系統(tǒng)的常用驅(qū)動程序可從硬件提供商處獲得，而其他驅(qū)動程序（如WinCE和一系列實時操作系統(tǒng)所需的驅(qū)動程序）通過第三方提供。

通常，設(shè)計人員需要尋找合適的微處理器、用于形成匹配電路的無源元件以及2.4和/或5GHz天線。然而，一些模塊解決方案包含嵌入式處理器，還有一些則包含完整的有效解決方案。

適用于各種情況的WiFi模塊

SiliconLabs的Bluegiga品牌WF111就是一個為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（如銷售點終端、遠程安全攝像頭和醫(yī)療傳感器）設(shè)計的低成本W(wǎng)iFi模塊的好例子。該設(shè)備通過WiFib、g或n版本提供互聯(lián)網(wǎng)連接。該產(chǎn)品僅在2.4GHz下工作，最大數(shù)據(jù)速率為72Mb/s，鏈路預(yù)算為114dBm（17dBm發(fā)射器功率輸出和-97dBm接收器靈敏度）。其電源電壓為1.7至3.6V，Tx峰值電流為192mA，Rx峰值電流為88mA。

WF111包含內(nèi)置天線（或用于外接天線的連接器），專門用于與外部主機微處理器配合使用。該設(shè)備由主機微處理器使用在1位或4位模式下操作的安全數(shù)字輸入輸出（SDIO）接口進行控制。SDIO接口允許主機微處理器直接訪問IEEE802.11功能。

由于芯片供應(yīng)商預(yù)計WF111將于藍牙LE傳感器的近距離范圍內(nèi)使用，因此該產(chǎn)品內(nèi)置最多六條硬件控制線路以管理無線共存?？刂凭€路確保WiFi和藍牙設(shè)備協(xié)調(diào)通信，以避免WiFi與藍牙LE設(shè)備相近時通常發(fā)生的同步數(shù)據(jù)包傳輸。此類傳輸通常會降低鏈路性能（圖3）。

德州儀器（TI）的WL1801通過將IEEE802.11a/b/g/n和藍牙/藍牙LE收發(fā)器集成到同一設(shè)備中，進一步與藍牙緊密結(jié)合。由于內(nèi)置了與WiFi和藍牙協(xié)議的互配性，此類模塊是上述物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的理想解決方案。

該設(shè)備可在2.4和5GHzWiFi下工作，最大數(shù)據(jù)速率為54Mb/s，鏈路預(yù)算為115dBm（18.5dBm發(fā)射器功率輸出和-96.5dBm接收器靈敏度）。其工作電壓范圍為2.9至4.8V，Tx峰值電流為420mA，Rx峰值電流為85mA。這些模塊經(jīng)過FCC、IC、ETSI和Telec認證。

WL1801配有WiFi和藍牙堆棧，但必須與合適的微處理器、32kHz晶體和天線配對使用才能形成完整的解決方案。TI建議采用其Sitara系列的微處理器，例如AM3351，這是一款能夠支持Linux、Android或?qū)崟r操作系統(tǒng)，以及WiFi驅(qū)動器和BluetoothLE堆棧的ARM?Cortex?-A8內(nèi)核設(shè)備。微處理器通過SDIO接口驅(qū)動WiFi操作，通過UART驅(qū)動藍牙（圖4）。

Murata的LBEE5ZZ1MD模塊通過內(nèi)置處理器，并預(yù)裝WiFi固件堆棧，進一步提高了集成度。雖然將處理器與無線電匹配可簡化流程，但缺點是開發(fā)人員受制于模塊制造商選擇的處理器硬件，并且可能面臨不熟悉的開發(fā)環(huán)境。

Murata模塊通過WiFib、g或n版本提供互聯(lián)網(wǎng)連接。該設(shè)備僅在2.4GHz下工作，最大數(shù)據(jù)速率為65Mb/s，鏈路預(yù)算為100dBm（2dBm發(fā)射器功率輸出和-98dBm接收器靈敏度）。它采用3.3V電源，Tx峰值電流為300mA，Rx峰值電流為45mA。

該模塊將WiFiMAC/基帶/無線電與STMicroelectronics的STM32F412ARMCortex-M4核心微處理器相配對。模塊包括板載晶體、匹配電路和2.4GHz天線，可添加外設(shè)32.786kHz晶體。STM32F412處理器包括UART、SPI、I2C和其他接口（圖5）。

該模塊附帶一個TCP/IP協(xié)議棧和一個ElectricImp操作系統(tǒng)，用于連接到ElectricImp云服務(wù)。這對于尚不熟悉第三方云服務(wù)提供商以及如何上傳和訪問數(shù)據(jù)的設(shè)計人員來說非常有用。ElectricImp開發(fā)中心網(wǎng)站提供開發(fā)指導(dǎo)。

u-blox的NINAW132是一個模塊化解決方案可以讓設(shè)計人員走多遠的例子。該設(shè)備集成了WiFi和藍牙LE功能、主機處理器、電源管理、獨立16Mb閃存和一個40MHz晶體。

互聯(lián)網(wǎng)連接通過WiFi802.11b、g或n版本實現(xiàn)。該設(shè)備僅在2.4GHz下工作，最大原始數(shù)據(jù)速率為54Mb/s，鏈路預(yù)算為112dBm（16dBm發(fā)射器功率輸出和-96dBm接收器靈敏度）。它采用3.3V電源，Tx峰值電流為320mA，Rx峰值電流為140mA。

該裝置預(yù)裝應(yīng)用軟件。開發(fā)人員需預(yù)先了解的是，必須使用u-blox的s-center工具箱軟件進行配置（通過AT命令）。

NINA-W132模塊使用802.11i（WPA2）標準和企業(yè)安全功能，提供無線鏈路保護的端到端安全性。

善用開發(fā)套件

雖然模塊將省去大量硬件工作，并且通常提供經(jīng)驗證的WiFi（TCP/IP）軟件堆棧（通常還包括應(yīng)用示例），但解決方案并不見得已針對開發(fā)人員的目標應(yīng)用進行優(yōu)化。此類優(yōu)化通?？梢酝ㄟ^采用模塊制造商的開發(fā)套件來實現(xiàn)。開發(fā)工具通常以容納模塊的經(jīng)組裝和測試的開發(fā)板形式呈現(xiàn)。

需配備微處理器的模塊的開發(fā)板通常可連接到基于目標微處理器的開發(fā)平臺。開發(fā)套件旨在為主機處理器提供應(yīng)用程序編程接口（API），并轉(zhuǎn)而提供給WiFi堆棧，從而簡化其他應(yīng)用程序編碼。

例如，SiliconLabs提供WF111開發(fā)套件來評估上述WF111模塊。該開發(fā)套件包含一個帶有WF111模塊的經(jīng)組裝和測試的印刷電路板。它的形狀適合標準SDIO卡插槽。安裝后，可使用目標微處理器的評估工具使用和評估模塊。針座是一種實用附件，可幫助輕松訪問模塊調(diào)試總線以進行RF認證。

另一個例子是TI的WL1835開發(fā)板。這是一塊經(jīng)充分組裝和測試的印刷電路板，由WL1801模塊、所有外圍電路和天線組成。它可以插入SitaraTMDSICE3359開發(fā)板，該開發(fā)板采用一個合適的Sitara處理器來驅(qū)動WL1801模塊。此類開發(fā)設(shè)置使開發(fā)人員能夠測試運行中的WiFi裝置在其目標應(yīng)用中的性能。