作者：Steven Keeping

　　無線連接使設計人員能夠將愚蠢的產品轉變為智能、集成的物聯網 (IoT) 元素，這些元素可以將數據發送到云端進行基于人工智能 (AI) 的分析，同時允許設備接收無線 (OTA) 數據說明、固件更新和安全增強。

　　但向產品添加無線鏈路并非易事。在設計階段開始之前，設計人員需要選擇一種無線協議，這可能是一項艱巨的任務。例如，多種無線標準在流行的免許可 2.4 GHz 頻譜中運行。這些標準中的每一個都代表著范圍、吞吐量和功耗方面的權衡。為給定應用程序選擇最好的協議需要根據協議的特性仔細評估其要求。

　　然后，即使使用高度集成的現代收發器，設計射頻 (RF) 電路對許多設計團隊來說也是一個挑戰，導致成本和進度超支。此外，射頻產品需要經過操作認證，這本身就是一個復雜、復雜且耗時的過程。

　　一種解決方案是將設計基于使用多協議片上系統 (SoC) 的經過認證的模塊。這消除了使用分立元件進行射頻設計的復雜性，并允許靈活選擇無線協議。這種模塊方法為設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品中并通過認證變得更加容易。

　　本文探討了無線連接的優勢，探討了一些關鍵 2.4 GHz 無線協議的優勢，簡要分析了硬件設計問題，并介紹了Würth Elektronik的合適 RF 模塊。本文還討論了滿足全球法規所需的認證流程，考慮了應用軟件開發，并介紹了軟件開發套件 (SDK) 以幫助設計人員開始使用該模塊。

　　多協議收發器的優點

　　沒有一個短距離無線領域占據主導地位，因為每個領域都會做出權衡以滿足其目標應用。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、網狀網絡功能和互聯網協議 (IP) 互操作性。

　　在各種已建立的短距離無線技術中，有三個明顯的領導者：低功耗藍牙 (Bluetooth LE)、Zigbee 和 Thread。由于 IEEE 802.15.4 規范的共同 DNA，它們具有一些相似之處。該規范描述了低數據速率無線個域網 (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，但這些技術通常在 2.4 GHz 下運行。

　　低功耗藍牙適用于智能家居傳感器等物聯網應用，這些應用的數據傳輸速率適中且很少發生(圖 1)。低功耗藍牙與大多數智能手機所搭載的藍牙芯片的互操作性對于可穿戴設備等面向消費者的應用來說也是一大優勢。該技術的主要缺點是需要昂貴且耗電的網關來連接到云以及笨重的網狀網絡功能。

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

　　Zigbee 也是工業自動化、商業和家庭中低功耗和低吞吐量應用的不錯選擇。其吞吐量低于藍牙 LE，但范圍和功耗相似。 Zigbee 不能與智能手機互操作，也不提供本地 IP 功能。 Zigbee 的一個關鍵優勢在于它是專為網狀網絡而設計的。

　　Thread 與 Zigbee 一樣，使用 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 運行，旨在支持多達 250 個設備的大型網狀網絡。 Thread 與 Zigbee 的不同之處在于它使用 6LoWPAN(IPv6 和低功耗 WPAN 的組合)，使與其他設備和云的連接變得簡單，盡管是通過稱為邊界路由器的網絡邊緣設備進行的。 (請參閱“短距離無線技術重要事項簡要指南”。)

　　雖然基于標準的協議占據主導地位，但 2.4 GHz 專有協議仍然有一席之地。盡管它們限制了與配備同一制造商芯片的其他設備的連接，但此類協議可以進行微調以優化功耗、范圍、抗干擾性或其他重要的操作參數。 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 完全能夠支持 2.4 GHz 專有無線技術。

　　這三種短程協議的普及以及 2.4 GHz 專有技術提供的靈活性使得選擇合適的協議來適應最廣泛的應用變得很困難。以前，設計人員必須選擇一種無線技術，然后在需要使用不同協議的變體時重新設計產品。但由于協議使用基于類似架構的 PHY 并在 2.4 GHz 頻譜下運行，因此許多芯片供應商提供多協議收發器。

　　這些芯片允許只需上傳新軟件即可針對多種協議重新配置單個硬件設計。更好的是，該產品可以附帶多個軟件堆棧，每個軟件堆棧之間的切換由微控制器單元 (MCU) 監控。例如，這可以允許在設備切換協議以加入 Thread 網絡之前，使用藍牙 LE 從智能手機配置智能家居恒溫器。

　　Nordic Semiconductor 的 nRF52840 SoC 支持藍牙 LE、藍牙網狀網絡、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(負責處理 RF 協議和應用軟件)以及 1 兆字節 (Mbyte) 閃存和 256 千字節 (Kbytes) RAM。在藍牙 LE 模式下運行時，SoC 提供每秒 2 兆位 (Mbits/s) 的最大原始數據吞吐量。在 0 分貝(參考 1 毫瓦 (dBm) 輸出功率)時，其 3 伏直流輸入電源的發射電流消耗為 5.3 毫安 (mA)，在原始數據速率為 1 時，接收 (RX) 電流消耗為 6.4 mA。兆比特/秒。 nRF52840 的最大發射功率為 +8 dBm，靈敏度為 -96 dBm(藍牙 LE，1 Mbit/s)。

　　良好的射頻設計的重要性

　　雖然 Nordic 的 nRF52840 等無線 SoC 是功能非常強大的設備，但它仍然需要大量的設計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、外部晶體定時電路、天線設計和放置以及最重要的阻抗匹配等因素。

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

　　事實證明，當負載阻抗(對于發射系統來說是天線，對于接收系統來說是收發器 SoC)等于特性阻抗時，沿走線距負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，并且最大功率從發射器傳輸到天線，從而提高了魯棒性和范圍。這使得構建一個匹配網絡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計實踐。 (請參閱“藍牙 4.1、4.2 和 5 兼容的藍牙低功耗 SoC 和工具應對物聯網挑戰(第 2 部分) ”。)

　　匹配網絡包括一個或多個并聯電感器和串聯電容器。設計人員面臨的挑戰是選擇最佳的網絡拓撲和元件值。制造商經常提供仿真軟件來幫助匹配電路設計，但即使遵循良好的設計規則，最終的電路通常也會表現出令人失望的射頻性能，缺乏范圍和可靠性。這會導致更多的設計迭代來修改匹配網絡(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)

　　模塊的優點

　　使用分立元件設計短距離無線電路有一些優點，特別是可以降低物料清單 (BoM) 成本并節省空間。然而，即使設計人員遵循 SoC 供應商提供的眾多優秀參考設計之一，其他因素(例如組件質量和容差、電路板布局和基板特性以及終端設備封裝)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、優化和測試的解決方案，可實現“插入式”無線連接。在大多數情況下，該模塊已獲得在全球市場使用的認證，從而為設計人員節省了通過射頻法規認證所需的時間和金錢。

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

　　以 Nordic nRF52840 為核心的一個示例是 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，并附帶支持藍牙 5.1 和專有 2.4 GHz 協議的固件(圖 3) 。如上所述，通過添加適當的固件，模塊核心的 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、科學和醫療(ISM)頻段。在理想條件下，輸出功率為 0 dBm 時，發射器和接收器之間的現場范圍可達 600 米 (m)，最大藍牙 LE 吞吐量為 2 Mbits/s。該模塊具有內置四分之一波長(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 端子來擴大范圍(圖 4)。

　　圖 4：Setebos-I 2.4 GHz 無線電模塊包括一個用于外部天線 (ANT) 的引腳，以擴展無線電的范圍。 (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、濕度和空氣質量設備等傳感器。

　　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)

　　短距離無線產品認證

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

　　模塊的認證不會自動授予使用該模塊的最終產品的認證。但它通常會將最終產品的認證變成一項文書工作，而不是一項廣泛的重新測試任務——前提是它們不使用 Wi-Fi 等額外的無線設備。獲取藍牙列表時通常也是如此。一旦獲得認證，使用該模塊的產品就會帶有標有 FCC、CE 和其他相關 ID 號的標簽(圖 5)。

　　圖 5：Setebos-I 模塊上附加的 ID 標簽示例，表明它已通過 CE 和 FCC RF 認證。認證通常可以由最終產品繼承，而無需通過一些簡單的文書工作進行重新測試。 (圖片來源：伍爾特電子)

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

　　Würth 和 Nordic 固件非常強大，并且經過驗證適合任何應用。但是，如果設計人員決定使用開放標準藍牙 LE 或 2.4 GHz 專有堆棧或來自替代商業供應商的堆棧對模塊進行重新編程，他們將需要從頭開始針對預期操作區域的認證計劃。

　　Setebos-I 無線電模塊的開發工具

　　對于高級開發人員，Nordic 的 nRF Connect SDK 提供了用于構建 nRF52840 SoC 應用軟件的綜合設計工具。 nRF Connect for VS Code 擴展是建議運行 nRF Connect SDK 的集成開發環境 (IDE)。還可以使用 nRF Connect SDK 將替代藍牙 LE 或 2.4 GHz 專有協議上傳到 nRF52840。 (請參閱上面關于這對模塊認證的影響的評論。)

　　nRF Connect SDK 與nRF52840 DK開發套件配合使用(圖 6)。該硬件采用 nRF52840 SoC，并支持原型代碼開發和測試。一旦應用軟件準備就緒，nRF52840 DK 就可以充當 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 可用于開發和測試應用軟件。然后，該開發套件可用于對其他 nRF52840 SoC 進行編程，例如 Setebos-I 模塊上使用的 SoC。 (圖片來源：Nordic Semiconductor)

　　使用 Nordic 開發工具構建的應用軟件旨在在 nRF52840 的嵌入式 Arm Cortex-M4 MCU 上運行。但最終產品可能已經配備了另一個 MCU，并且開發人員希望使用它來運行應用程序代碼并監督無線連接。或者，開發人員可能更熟悉其他流行主機微處理器的開發工具，例如STMicroElectronics 的 STM32F429ZIY6TR。該處理器也基于 Arm Cortex-M4 內核。

　　為了使外部主機微處理器能夠運行應用軟件并監控 nRF52840 SoC，Würth Elektronik 提供了無線連接 SDK。 SDK 是一套軟件工具，可實現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 語言的驅動程序和示例組成，它們使用底層平臺的 UART、SPI 或 USB 外設與連接的無線電設備進行通信(圖 7)。開發人員只需將 SDK C 代碼移植到主機處理器即可。這顯著減少了設計無線電模塊軟件接口所需的時間。

　　圖 7：無線連接 SDK 驅動程序使開發人員可以使用外部主機微處理器通過 UART 端口輕松驅動 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“命令接口”來執行配置和操作任務。該接口提供多達 30 個命令，可完成更新各種設備設置、傳輸和接收數據以及將模塊置于多種低功耗模式之一等任務。連接的無線電設備必須在命令模式下運行才能使用無線連接 SDK。

　　結論

　　為互聯產品決定單一無線協議可能很棘手，從頭開始設計無線電電路更具挑戰性。 Würth Elektronik 的 Setebos-I 等無線電模塊不僅提供了協議選擇的靈活性，而且還提供了滿足各個操作區域的監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，這使得開發人員可以使用自己選擇的主機 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