使用多協(xié)議無線模塊簡化物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計和認(rèn)證

無線連接允許設(shè)計人員將啞產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)?a href="http://www.ttokpm.com/soft/data/55-88/" target="_blank">物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 的智能集成元件，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)備接收無線 （OTA） 指令、固件更新和安全增強(qiáng)功能。

但是，為產(chǎn)品添加無線鏈接并非易事。在設(shè)計階段開始之前，設(shè)計人員需要選擇一種無線協(xié)議，這可能令人生畏。例如，一些無線標(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)中的每一個都代表了范圍、吞吐量和功耗方面的權(quán)衡。為給定應(yīng)用選擇最佳應(yīng)用需要根據(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)計射頻（RF）電路對許多設(shè)計團(tuán)隊來說也是一個挑戰(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，這本身可能是一個復(fù)雜且耗時的過程。

一種解決方案是將設(shè)計基于使用多協(xié)議片上系統(tǒng) （SoC） 的認(rèn)證模塊。這消除了采用分立元件的RF設(shè)計的復(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)鍵的2.4 GHz無線協(xié)議的優(yōu)勢，簡要分析了硬件設(shè)計問題，并介紹了伍爾特電子的合適RF模塊。本文還討論了滿足全球法規(guī)所需的認(rèn)證過程，考慮了應(yīng)用軟件開發(fā)，并介紹了軟件開發(fā)工具包 （SDK） 以幫助設(shè)計人員開始使用該模塊。

多協(xié)議收發(fā)器的優(yōu)勢

沒有一個短程無線領(lǐng)域占主導(dǎo)地位，因為每個部門都會做出權(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)能力和互聯(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)范中的共享DNA，它們具有一些相似之處。該規(guī)范描述了低數(shù)據(jù)速率無線個人局域網(wǎng) （WPAN） 的物理 （PHY） 和媒體訪問控制 （MAC） 層。這些技術(shù)通常以2.4 GHz的頻率運(yùn)行，盡管Zigbee有一些sub-GHz變體。

藍(lán)牙 LE 適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，例如智能家居傳感器，在這些應(yīng)用中，數(shù)據(jù)傳輸速率適中且不經(jīng)常發(fā)生（圖 1）。藍(lán)牙LE與大多數(shù)智能手機(jī)托管的藍(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)是需要一個昂貴且耗電的網(wǎng)關(guān)來連接到云和笨重的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能。

Zigbee 也是工業(yè)自動化、商業(yè)和家庭中低功耗和低吞吐量應(yīng)用的不錯選擇。它的吞吐量低于藍(lán)牙 LE，而其范圍和功耗相似。Zigbee 無法與智能手機(jī)互操作，也不提供本機(jī) IP 功能。Zigbee的一個關(guān)鍵優(yōu)勢在于它是從頭開始為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的。

與Zigbee一樣，Thread使用IEEE 802.15.4 PHY和MAC運(yùn)行，旨在支持多達(dá)250臺設(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了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。（請參閱“短程無線技術(shù)中重要事項的簡要指南”。

雖然基于標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議占主導(dǎo)地位，但2.4 GHz專有協(xié)議仍然存在利基市場。雖然它們限制了與配備相同制造商芯片的其他設(shè)備的連接，但可以對此類協(xié)議進(jìn)行微調(diào)，以優(yōu)化功耗、范圍、抗干擾性或其他重要操作參數(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)提供的靈活性使得很難選擇合適的協(xié)議來適應(yīng)最廣泛的應(yīng)用。以前，設(shè)計人員必須選擇一種無線技術(shù)，然后如果需要使用不同協(xié)議的變體，則必須重新設(shè)計產(chǎn)品。但由于這些協(xié)議使用基于類似架構(gòu)的PHY并在2.4 GHz頻譜中工作，因此許多芯片供應(yīng)商提供多協(xié)議收發(fā)器。

這些芯片允許通過上傳新軟件為多個協(xié)議重新配置單個硬件設(shè)計。更好的是，該產(chǎn)品可以附帶多個軟件堆棧，每個軟件堆棧之間切換由微控制器單元（MCU）監(jiān)控。例如，在設(shè)備切換協(xié)議以加入 Thread 網(wǎng)絡(luò)之前，這可以允許使用藍(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)RF協(xié)議和應(yīng)用軟件）以及1兆字節(jié)（MB）閃存和256千字節(jié)（KB）RAM。在藍(lán)牙 LE 模式下運(yùn)行時，SoC 提供每秒 2 兆比特 （Mbits/s） 的最大原始數(shù)據(jù)吞吐量。在 3 分貝時，其 5 伏直流輸入電源的發(fā)射電流消耗為 3.0 毫安 （mA），參考 1 毫瓦 （dBm） 的輸出功率，接收 （RX） 電流消耗為 6.4 mA，原始數(shù)據(jù)速率為 1 Mbit/s。nRF52840 的最大發(fā)射功率為 +8 dBm，靈敏度為 -96 dBm（藍(lán)牙 LE 為 1 Mbit/s）。

良好的射頻設(shè)計的重要性

雖然Nordic的nRF52840等無線SoC是非常強(qiáng)大的設(shè)備，但它仍然需要相當(dāng)多的設(shè)計技能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、外部晶體定時電路、天線設(shè)計和布局以及至關(guān)重要的阻抗匹配等因素。

區(qū)分良好RF電路和不良RF電路的關(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走線上給定點(diǎn)的阻抗與該走線上的特性阻抗有關(guān)，而特性阻抗又取決于印刷電路（pc）板基板、走線尺寸、與負(fù)載的距離以及負(fù)載的阻抗。

事實證明，當(dāng)負(fù)載阻抗（發(fā)射系統(tǒng)為天線，接收系統(tǒng)為收發(fā)器SoC）等于特性阻抗時，測得的阻抗在與負(fù)載走線的任何距離處都保持不變。因此，線路損耗最小化，最大功率從發(fā)射器傳輸?shù)教炀€，從而提高魯棒性和范圍。因此，構(gòu)建匹配網(wǎng)絡(luò)以確保RF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)計實踐。（請參閱“兼容藍(lán)牙 4.1、4.2 和 5 的低功耗藍(lán)牙 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)包括一個或多個并聯(lián)電感器和串聯(lián)電容器。設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)是選擇最佳的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜徒M件值。制造商通常會提供仿真軟件來幫助匹配電路設(shè)計，但即使遵循了良好的設(shè)計規(guī)則，最終電路也經(jīng)常表現(xiàn)出令人失望的RF性能，缺乏范圍和可靠性。這導(dǎo)致更多的設(shè)計迭代來修改匹配網(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，支持外部晶體時序，并連接到SoC的天線（ANT）引腳，SoC和天線之間的阻抗匹配電路。（圖片來源：北歐半導(dǎo)體）

模塊的優(yōu)點(diǎn)

使用分立元件設(shè)計短距離無線電路有一些優(yōu)勢，特別是降低物料清單（BoM）成本并節(jié)省空間。然而，即使設(shè)計人員遵循 SoC 供應(yīng)商提供的眾多優(yōu)秀參考設(shè)計之一，其他因素（如組件質(zhì)量和容差、電路板布局和基板特性以及終端器件封裝）也會顯著影響 RF 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，可實現(xiàn)“插入式”無線連接。在大多數(shù)情況下，該模塊已經(jīng)通過了全球市場的認(rèn)證，從而節(jié)省了設(shè)計人員通過RF法規(guī)認(rèn)證所需的時間和金錢。

模塊使用有一些缺點(diǎn)。其中包括增加費(fèi)用（取決于數(shù)量）、更大的最終產(chǎn)品尺寸、對單一供應(yīng)商的依賴及其批量發(fā)貨的能力，以及（有時）相對于模塊所基于的 SoC 的可訪問引腳數(shù)量減少。但是，如果設(shè)計的簡單性和更快的上市時間超過了這些缺點(diǎn)，那么模塊就是答案。

以北歐nRF52840為核心的一個例子是伍爾特電子的Setebos-I 2.4 GHz無線電模塊2611011024020。緊湊型模塊尺寸為 12 × 8 × 2 毫米 （mm），具有內(nèi)置天線、可最大限度地減少電磁干擾 （EMI） 的蓋子，并隨附支持藍(lán)牙 5.1 和專有 2.4 GHz 協(xié)議的固件（圖 3）。如上所述，模塊核心的SoC還能夠支持Thread和Zigbee，并添加了適當(dāng)?shù)墓碳?/p>

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

該模塊接受 1.8 至 3.6 V 輸入，在休眠模式下，功耗僅為 0.4 微安 （μA）。其工作頻率覆蓋工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 （ISM） 頻段，以 2.44 GHz（2.402 至 2.480 GHz）為中心。在理想條件下，輸出功率為 0 dBm，發(fā)射器和接收器之間的站點(diǎn)線路范圍可達(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用于擴(kuò)展無線電范圍的外部天線 （ANT） 引腳。（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列出了每個模塊引腳的功能。引腳“B2”到“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：顯示的是 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)備仍需符合當(dāng)?shù)胤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） 規(guī)定的法規(guī)。通過法規(guī)需要提交產(chǎn)品進(jìn)行測試和認(rèn)證，這可能既耗時又昂貴。如果射頻產(chǎn)品未通過測試的任何部分，則必須進(jìn)行全新的提交。如果模塊要在藍(lán)牙模式下使用，則還需要藍(lán)牙特別興趣組 （SIG） 的藍(lán)牙列表。

模塊的認(rèn)證不會自動將認(rèn)證授予使用該模塊的最終產(chǎn)品。但它通常會將最終產(chǎn)品的認(rèn)證變成文書工作，而不是廣泛的重新測試任務(wù) - 前提是他們不使用Wi-Fi等其他無線設(shè)備。獲取藍(lán)牙列表時通常也是如此。認(rèn)證后，使用該模塊的產(chǎn)品將帶有指示 FCC、CE 和其他相關(guān) ID 號的標(biāo)簽（圖 5）。

圖 5：附加到 Setebos-I 模塊的 ID 標(biāo)簽示例，以顯示它已通過 CE 和 FCC RF 認(rèn)證。最終產(chǎn)品通常可以繼承認(rèn)證，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他們打算銷售產(chǎn)品的地區(qū)為其模塊獲得射頻認(rèn)證（以及藍(lán)牙列表，如果適用）。伍爾特電子已經(jīng)為Setebos-I無線電模塊做到了這一點(diǎn)，盡管它必須與工廠固件一起使用。在藍(lán)牙操作的情況下，該模塊已通過預(yù)認(rèn)證，前提是它與Nordic的S140藍(lán)牙LE工廠堆?；蛲ㄟ^公司的nRF Connect SDK軟件開發(fā)套件提供的堆棧一起使用。

伍爾特和北歐固件堅固耐用，適用于任何應(yīng)用。但是，如果設(shè)計人員決定使用開放標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙 LE 或 2.4 GHz 專有堆?；騺碜云渌虡I(yè)供應(yīng)商的堆棧重新編程模塊，則需要針對預(yù)期操作區(qū)域從頭開始認(rèn)證計劃。

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 為構(gòu)建 nRF52840 SoC 的應(yīng)用軟件提供了全面的設(shè)計工具。適用于 VS Code 的 nRF Connect 擴(kuò)展是推薦的集成開發(fā)環(huán)境 （IDE），可在其中運(yùn)行 nRF Connect SDK。也可以使用 nRF Connect SDK 將替代藍(lán)牙 LE 或 2.4 GHz 專有協(xié)議上傳到 nRF52840。（請參閱上面的評論，了解這對模塊認(rèn)證的影響。

nRF Connect SDK 可與 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。應(yīng)用軟件準(zhǔn)備就緒后，nRF52840 DK 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：北歐半導(dǎo)體）

使用Nordic開發(fā)工具構(gòu)建的應(yīng)用軟件旨在運(yùn)行在nRF52840的嵌入式Arm Cortex-M4 MCU上。但最終產(chǎn)品可能已經(jīng)配備了另一個MCU，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?；蛘撸_發(fā)人員可能更熟悉其他常用主機(jī)微處理器的開發(fā)工具，例如意法半導(dǎo)體的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，伍爾特電子提供了無線連接SDK。SDK是一套軟件工具，可將公司的無線模塊與許多流行的處理器（包括STM32F429ZIY6TR芯片）快速軟件集成。SDK 由 C 語言的驅(qū)動程序和示例組成，這些驅(qū)動程序和示例使用底層平臺的 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。這大大減少了為無線電模塊設(shè)計軟件界面所需的時間。

圖 7：無線連接 SDK 驅(qū)動程序使開發(fā)人員能夠使用外部主機(jī)微處理器通過 UART 端口輕松驅(qū)動 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“命令界面”進(jìn)行配置和操作任務(wù)。該接口提供多達(dá) 30 個命令，可完成更新各種設(shè)備設(shè)置、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)以及將模塊置于各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

為連接產(chǎn)品確定單一無線協(xié)議可能很棘手，從頭開始設(shè)計無線電電路更具挑戰(zhàn)性。伍爾特電子的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操作區(qū)域監(jiān)管要求的即插即用型連接解決方案。Sebetos-1模塊附帶伍爾特的無線連接SDK，使開發(fā)人員能夠使用自己選擇的主機(jī)MCU簡單快速地控制模塊。

審核編輯 黃宇