如何為嵌入式應用選擇適合的無線模塊和協(xié)議

編者按：本系列文章包括兩部分，第 1 部分討論嵌入式系統(tǒng)設計人員可選擇的各種無線連接，并提供了一些相關示例。本文為第 2 部分，將更詳細地討論無線模塊的特性，并深入了解如何有效地使用這些模塊。

隨著物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 和人工智能 （AI） 的快速發(fā)展，對系統(tǒng)無線連接的需求不斷增加，因此開發(fā)人員必須選擇正確的協(xié)議，并實現(xiàn)低成本快速設計。市面上有許多無線模塊可提供幫助，但設計人員需要采取合理的甄選和集成流程，以便確保設計成功。

本文討論了為嵌入式應用選擇和實施適當?shù)臒o線協(xié)議和無線模塊的 4 步式流程。步驟如下：

根據(jù)帶寬、范圍和成本要求選擇無線接口和協(xié)議

除了實施無線協(xié)議外，決定無線模塊是否應包含對嵌入式應用的處理能力

確認對無線模塊或芯片的 I/O 要求

根據(jù)前三步中的決策，選擇適當?shù)哪K或芯片

設計無線連接嵌入式系統(tǒng)時可考慮的適用模塊眾多，本文包含對其中六種代表性典型無線模塊的介紹。

步驟 1：選擇無線協(xié)議

此平面圖顯示了一些最常見無線協(xié)議的帶寬與范圍對比情況（圖 1）。

圖 1：幾種無線協(xié)議的范圍（單位：米到千米）與帶寬（單位：比特每秒到兆位每秒）對比的概念圖。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

借助此簡單圖表，只需根據(jù)范圍和帶寬要求即可快速進行篩選。左側的協(xié)議 — Wi-Fi、藍牙和低功耗藍牙 — 在數(shù)十米 （m） 的范圍內(nèi)提供數(shù)百千字節(jié)每秒 （Kb/s） 或兆位每秒 （Mb/s） 的傳輸速度。這些協(xié)議主要適用于室內(nèi)網(wǎng)絡。右側的協(xié)議提供千米級數(shù)據(jù)傳輸。這些協(xié)議適用于校園或城市內(nèi)的遠程嵌入式設備。

實施 Wi-Fi、藍牙和低功耗藍牙（或其組合）的模塊通常配有板載天線。例如，內(nèi)置于 Adafruit 的 3320 Wi-Fi/藍牙/低功耗藍牙模塊的集成天線清晰顯示如下（圖 2），即電路板頂部的鋸齒狀印制線。

由于天線開發(fā)的復雜工作已經(jīng)完成，集成天線大大簡化了無線網(wǎng)絡嵌入式系統(tǒng)的設計。

圖 2：Adafruit 的 3320 Wi-Fi/藍牙/低功耗藍牙模塊的運行速度可達 150 兆位每秒。（圖片來源：Adafruit）

該模塊用于安裝在電路板上，并且需要額外的電路，因此可能不是開始原型開發(fā)的最佳位置。該模塊可焊接到小型電路板上以作為開發(fā)套件，如圖 3 所示的 Espressif Systems ESP32-DEVKITC。ESP32-DEVKITC 將模塊的所有引腳分接至多個 0.1 英寸針座，包含一個連接 TTL 串行轉接芯片的 USB、多個編程和復位按鈕及一個板載 3.3 V 穩(wěn)壓器。

圖 3：Espressif Systems 的 ESP32-DEVKITC 將所有 Adafruit 3320 模塊的引腳分接至多個 0.1 英寸針座，包含一個連接 TTL 串行轉接芯片的 USB、多個編程和復位按鈕及一個板載 3.3 V 穩(wěn)壓器。（圖片來源：Espressif Systems）

遠程無線協(xié)議和板載天線不能混用

遠程無線網(wǎng)絡通信需要外接天線及配套的復雜組件。例如，Semtech Corp. 的 SX1276MB1LAS 是一款 LoRa 收發(fā)器，它包含兩個用于連接高頻帶和低頻帶天線的 SMA 連接器（圖 4）。

圖 4：Semtech 的 SX1276MB1LAS LoRa 收發(fā)器模塊具有兩個用于高頻帶和低頻帶射頻天線的 SMA 連接器。（圖片來源：Semtech Corp.）

模塊需要兩個天線端口，用以分別處理美國境內(nèi) LoRa 通信采用的 433 MHz 和 915 MHz 頻帶。該模塊的最大鏈路預算為 168 dB，傳輸范圍可達數(shù)公里。但是，模塊與外部天線之間的同軸電纜和 SMA 連接器將消耗部分鏈路預算。

為幫助實現(xiàn)設計，Semtech 還提供基于 SX1276MB1LAS LoRa 收發(fā)器模塊的 SX1276DVK1JAS 開發(fā)套件。該套件包括兩個 LoRa 收發(fā)器、兩個 Eiger 平臺、兩條迷你 USB 電纜、兩支觸摸屏觸控筆以及用于高頻帶和低頻帶的偶極天線。

Digi International 的 XBC-V1-UT-001 Digi Xbee 蜂窩 LTE Cat 1 調(diào)制解調(diào)器也需要一個外部天線，并采用類似但略有不同的方法來連接天線，如圖 5 所示。

圖 5：Digi International 的 XBC-V1-UT-001 Xbee 蜂窩 LTE Cat 1 調(diào)制解調(diào)器將一個嵌入式系統(tǒng)放在 Verizon 的蜂窩通信網(wǎng)絡上。（圖片來源：Digi International）

Digi 的調(diào)制解調(diào)器有兩個 U.FL 超小型射頻連接器，用于連接主 LTE 天線和輔助 LTE 天線。主天線必不可少。輔助天線在某些情況下可提高接收器性能，Digi 推薦使用。天線應盡可能遠離蜂窩調(diào)制解調(diào)器模塊（和其他金屬物體）。如果主天線和輔助天線均已安裝，應采用相互成直角的定位，以獲得最佳效果。

步驟 2：無線網(wǎng)絡模塊是否需具備應用處理功能？

一些無線網(wǎng)絡模塊配有板載處理器，有些則沒有。如果開發(fā)中的嵌入式系統(tǒng)已有處理器，則無線網(wǎng)絡模塊上可能不需要另一個可編程處理器。如果無線模塊必須執(zhí)行嵌入式系統(tǒng)的應用代碼，則決策過程中需要考慮可用編程工具和模塊的執(zhí)行能力。使用無線網(wǎng)絡模塊板載智能來執(zhí)行嵌入式應用肯定會節(jié)省電路板空間。此外，它可以簡化硬件設計并降低物料清單 （BOM） 成本。

上文討論的一些模塊實施完整的編程環(huán)境。例如 Digi 的 XBC-V1-UT-001 Xbee 蜂窩調(diào)制解調(diào)器具有一個板載 MicroPython 環(huán)境，將調(diào)制解調(diào)器的內(nèi)置智能應用于簡單應用。例如，可讀取、處理和傳輸連接到模塊的數(shù)字和模擬 I/O 引腳的傳感器，可接收和執(zhí)行致動器命令。該模塊具有 13 個數(shù)字 I/O 引腳和 4 個 10 位模擬輸入引腳。MicroPython 還可以幫助管理基于調(diào)制解調(diào)器的電池供電型嵌入式系統(tǒng)的電源。

將 XBC-V1-UT-001 插入到 Digi XBIB-U-DEV 接口板中，使用 USB 電纜將 PC 連接到接口板，然后啟動終端程序，即可完成編程。Digi 的 XCTU 配置和測試實用軟件中有一個 MicroPython 終端程序。XBC-V1-UT-001 模塊具有 24 千字節(jié) （Kb） 的 RAM 和 8 Kb 的閃存。

為進一步提升性能，可使用其他無線網(wǎng)絡模塊的板載智能。例如，以上步驟 1 中討論的 Espressif Systems ESP32-DEVKITC 開發(fā)套件中的 Wi-Fi/藍牙/低功耗藍牙模塊包含兩個運行頻率為 160 MHz 的 32 位 Xtensa LX6 RISC 處理器內(nèi)核。按照慣例，其中一個處理器是“協(xié)議”處理器，另一個是“應用”處理器。但是，兩個處理器都可以訪問所有板載資源。對于大多數(shù)嵌入式應用而言，此類處理能力已經(jīng)足夠。

步驟 3：識別無線模塊或芯片的 I/O 要求。

無論無線網(wǎng)絡模塊是否在內(nèi)部運行嵌入式應用，可能都需要連接嵌入式系統(tǒng)中的其他設備。它可能需要連接嵌入式系統(tǒng)中的主機 CPU，或者直接連接傳感器和致動器，也有可能這兩類設備都需要連接。

最簡單的途徑就是即插即用方法。只需插入一個模塊，加載驅動程序即可搞定。Advantech Corp. 的 EWM-W151H01E 802.11b/g/n Mini PCIe 卡插入一個 Mini PCIe 插槽，通過 PCIe 與主機 CPU 通信（圖 6）。

圖 6：Advantech 的 EWM-W151H01E 1T 半尺寸 Mini PCIe 卡采用基于 IEEE 802.11b/g/n 的 Wi-Fi 標準。（圖片來源：Advantech Corp.）

要開始使用 EWM-W151H01E 進行開發(fā)，加載 Windows（7、8 或 10）或 Linux 驅動程序，嵌入式系統(tǒng)即能以高達 150 Mb/s 的數(shù)據(jù)速率連接現(xiàn)有的 Wi-Fi 系統(tǒng)。該卡采用插入式 Mini PCIe 外形尺寸及 Windows 和 Linux 驅動程序，這意味著該卡模塊最適合嵌入式 PC（x86 處理器）設計。

有關 Espressif Systems ESP32-DEVKITC 的討論提到，模塊上的模擬輸入和簡單數(shù)字 I/O 引腳可用于連接傳感器和致動器。此外，該模塊還具有更復雜的串行接口，包括三個 UART、兩個 I2C 端口，三個 SPI 端口和兩個 I2S 端口。這些接口可用于連接各種外圍設備，并可用作主機 CPU 的接口。每種接口的部分規(guī)格參數(shù)如下：

UART 最大傳輸速率為 5 Mb/s

I2C 端口支持 100 Kb/s（標準模式）和 400 Kb/s（快速模式）的傳輸速率

I2S 端口支持40 Mb/s 的傳輸速率

SPI 端口支持 50 Mb/s 的傳輸速率

如果最合適的協(xié)議模塊缺乏必要的 I/O 功能，嵌入式系統(tǒng)將需要增加一個 I/O 擴展芯片，這會占用更多電路板空間，導致功耗升高、編程復雜性加大和 BOM 成本增加。如果可能的話，最好是通過一個無線網(wǎng)絡模塊即能實現(xiàn)所有功能。

步驟 4：選擇和實施

在這一步驟中，選擇范圍應縮小到幾個或者僅一個選項。帶寬和范圍要求應將選擇范圍縮小到一個或兩個合適的協(xié)議。考慮無線網(wǎng)絡模塊對板載應用處理的需求以及板載處理的量之后，應該能去除更多選項。最后，應考慮 I/O 需求，確定最終的幾個選項。此時，選擇范圍很明顯，或者存在幾個不錯的選項，在這種情況下，可根據(jù)熟悉程度或易于實施性再進行選擇。

總結

市場對嵌入式無線連接的需求不斷增加。一些嵌入式設計人員在最開始接觸大量可用的協(xié)議時可能會混淆不清，但是每個協(xié)議都有不同的范圍/功耗/數(shù)據(jù)速率，從這個角度看，選擇起來就簡單多了。

本文介紹了從數(shù)十種甚至數(shù)百種可用無線網(wǎng)絡模塊中進行選擇的四步式流程。

根據(jù)帶寬，范圍和成本要求選擇無線協(xié)議。

除了實施無線協(xié)議外，決定無線模塊是否應包含對嵌入式應用的處理能力。

識別無線模塊或芯片的 I/O 要求。

根據(jù)前三步中的決策，選擇適當?shù)哪K或芯片。

一般情況下，無論何種應用，至少有一個標準化無線協(xié)議和多個相關模塊可很好地滿足要求。