作者：Steven Keeping

　　无线连接使设计人员能够将愚蠢的产品转变为智能、集成的物联网 (IoT) 元素，这些元素可以将数据发送到云端进行基于人工智能 (AI) 的分析，同时允许设备接收无线 (OTA) 数据说明、固件更新和安全增强。

　　但向产品添加无线链路并非易事。在设计阶段开始之前，设计人员需要选择一种无线协议，这可能是一项艰巨的任务。例如，多种无线标准在流行的免许可 2.4 GHz 频谱中运行。这些标准中的每一个都代表着范围、吞吐量和功耗方面的权衡。为给定应用程序选择最好的协议需要根据协议的特性仔细评估其要求。

　　然后，即使使用高度集成的现代收发器，设计射频 (RF) 电路对许多设计团队来说也是一个挑战，导致成本和进度超支。此外，射频产品需要经过操作认证，这本身就是一个复杂、复杂且耗时的过程。

　　一种解决方案是将设计基于使用多协议片上系统 (SoC) 的经过认证的模块。这消除了使用分立元件进行射频设计的复杂性，并允许灵活选择无线协议。这种模块方法为设计人员提供了一种即插即用的无线解决方案，使将无线连接集成到产品中并通过认证变得更加容易。

　　本文探讨了无线连接的优势，探讨了一些关键 2.4 GHz 无线协议的优势，简要分析了硬件设计问题，并介绍了Würth Elektronik的合适 RF 模块。本文还讨论了满足全球法规所需的认证流程，考虑了应用软件开发，并介绍了软件开发套件 (SDK) 以帮助设计人员开始使用该模块。

　　多协议收发器的优点

　　没有一个短距离无线领域占据主导地位，因为每个领域都会做出权衡以满足其目标应用。例如，更大的范围和/或吞吐量是以增加功耗为代价的。其他需要考虑的重要因素包括抗干扰性、网状网络功能和互联网协议 (IP) 互操作性。

　　在各种已建立的短距离无线技术中，有三个明显的领导者：低功耗蓝牙 (Bluetooth LE)、Zigbee 和 Thread。由于 IEEE 802.15.4 规范的共同 DNA，它们具有一些相似之处。该规范描述了低数据速率无线个域网 (WPAN) 的物理 (PHY) 和媒体访问控制 (MAC) 层。尽管 Zigbee 有一些低于 GHz 的变体，但这些技术通常在 2.4 GHz 下运行。

　　低功耗蓝牙适用于智能家居传感器等物联网应用，这些应用的数据传输速率适中且很少发生(图 1)。低功耗蓝牙与大多数智能手机所搭载的蓝牙芯片的互操作性对于可穿戴设备等面向消费者的应用来说也是一大优势。该技术的主要缺点是需要昂贵且耗电的网关来连接到云以及笨重的网状网络功能。

　　图 1：低功耗蓝牙非常适合智能家居传感器，例如相机和恒温器。它与智能手机的互操作性简化了兼容产品的配置。 (图片来源：Nordic Semiconductor)

　　Zigbee 也是工业自动化、商业和家庭中低功耗和低吞吐量应用的不错选择。其吞吐量低于蓝牙 LE，但范围和功耗相似。 Zigbee 不能与智能手机互操作，也不提供本地 IP 功能。 Zigbee 的一个关键优势在于它是专为网状网络而设计的。

　　Thread 与 Zigbee 一样，使用 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 运行，旨在支持多达 250 个设备的大型网状网络。 Thread 与 Zigbee 的不同之处在于它使用 6LoWPAN(IPv6 和低功耗 WPAN 的组合)，使与其他设备和云的连接变得简单，尽管是通过称为边界路由器的网络边缘设备进行的。 (请参阅“短距离无线技术重要事项简要指南”。)

　　虽然基于标准的协议占据主导地位，但 2.4 GHz 专有协议仍然有一席之地。尽管它们限制了与配备同一制造商芯片的其他设备的连接，但此类协议可以进行微调以优化功耗、范围、抗干扰性或其他重要的操作参数。 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 完全能够支持 2.4 GHz 专有无线技术。

　　这三种短程协议的普及以及 2.4 GHz 专有技术提供的灵活性使得选择合适的协议来适应最广泛的应用变得很困难。以前，设计人员必须选择一种无线技术，然后在需要使用不同协议的变体时重新设计产品。但由于协议使用基于类似架构的 PHY 并在 2.4 GHz 频谱下运行，因此许多芯片供应商提供多协议收发器。

　　这些芯片允许只需上传新软件即可针对多种协议重新配置单个硬件设计。更好的是，该产品可以附带多个软件堆栈，每个软件堆栈之间的切换由微控制器单元 (MCU) 监控。例如，这可以允许在设备切换协议以加入 Thread 网络之前，使用蓝牙 LE 从智能手机配置智能家居恒温器。

　　Nordic Semiconductor 的 nRF52840 SoC 支持蓝牙 LE、蓝牙网状网络、Thread、Zigbee、IEEE 802.15.4、ANT+ 和 2.4 GHz 专有堆栈。 Nordic SoC 还集成了Arm ® Cortex®-M4 MCU(负责处理 RF 协议和应用软件)以及 1 兆字节 (Mbyte) 闪存和 256 千字节 (Kbytes) RAM。在蓝牙 LE 模式下运行时，SoC 提供每秒 2 兆位 (Mbits/s) 的最大原始数据吞吐量。在 0 分贝(参考 1 毫瓦 (dBm) 输出功率)时，其 3 伏直流输入电源的发射电流消耗为 5.3 毫安 (mA)，在原始数据速率为 1 时，接收 (RX) 电流消耗为 6.4 mA。兆比特/秒。 nRF52840 的最大发射功率为 +8 dBm，灵敏度为 -96 dBm(蓝牙 LE，1 Mbit/s)。

　　良好的射频设计的重要性

　　虽然 Nordic 的 nRF52840 等无线 SoC 是功能非常强大的设备，但它仍然需要大量的设计技巧才能最大限度地提高其 RF 性能。特别是，工程师需要考虑电源滤波、外部晶体定时电路、天线设计和放置以及最重要的阻抗匹配等因素。

　　区分射频电路好坏的关键参数是其阻抗 (Z)。在高频下，例如短程无线电使用的 2.4 GHz，RF 迹线上给定点的阻抗与该迹线的特征阻抗相关，而特征阻抗又取决于印刷电路 (PC) 板基板、走线的尺寸、与负载的距离以及负载的阻抗。

　　事实证明，当负载阻抗(对于发射系统来说是天线，对于接收系统来说是收发器 SoC)等于特性阻抗时，沿走线距负载的任何距离测得的阻抗都保持不变。因此，线路损耗得以最小化，并且最大功率从发射器传输到天线，从而提高了鲁棒性和范围。这使得构建一个匹配网络来确保射频器件的阻抗等于印刷电路板走线的特性阻抗成为一种良好的设计实践。 (请参阅“蓝牙 4.1、4.2 和 5 兼容的蓝牙低功耗 SoC 和工具应对物联网挑战(第 2 部分) ”。)

　　匹配网络包括一个或多个并联电感器和串联电容器。设计人员面临的挑战是选择最佳的网络拓扑和元件值。制造商经常提供仿真软件来帮助匹配电路设计，但即使遵循良好的设计规则，最终的电路通常也会表现出令人失望的射频性能，缺乏范围和可靠性。这会导致更多的设计迭代来修改匹配网络(图 2)。

　　图 2：Nordic nRF52840 需要外部电路才能利用其功能。外部电路包括输入电压滤波、外部晶振时序支持、以及连接至 SoC 的天线 (ANT) 引脚、SoC 与天线之间的阻抗匹配电路。 (图片来源：Nordic Semiconductor)

　　模块的优点

　　使用分立元件设计短距离无线电路有一些优点，特别是可以降低物料清单 (BoM) 成本并节省空间。然而，即使设计人员遵循 SoC 供应商提供的众多优秀参考设计之一，其他因素(例如组件质量和容差、电路板布局和基板特性以及终端设备封装)也会极大地影响射频性能。

　　另一种方法是围绕第三方模块建立无线连接。这些模块是完全组装、优化和测试的解决方案，可实现“插入式”无线连接。在大多数情况下，该模块已获得在全球市场使用的认证，从而为设计人员节省了通过射频法规认证所需的时间和金钱。

　　使用模块有一些缺点。其中包括费用增加(取决于产量)、最终产品尺寸更大、对单一供应商的依赖及其批量发货的能力，以及(有时)相对于模块所基于的 SoC 而言可访问引脚数量减少。但如果设计简单性和更快的上市时间超过了这些缺点，那么模块就是答案。

　　以 Nordic nRF52840 为核心的一个示例是 Würth Elektronik 的 Setebos-I 2.4 GHz 无线电模块2611011024020。该紧凑型模块尺寸为 12 × 8 × 2 毫米 (mm)，具有内置天线和可最大限度减少电磁干扰 (EMI) 的盖子，并附带支持蓝牙 5.1 和专有 2.4 GHz 协议的固件(图 3) 。如上所述，通过添加适当的固件，模块核心的 SoC 还能够支持 Thread 和 Zigbee。

　　图 3：Setebos-I 2.4 GHz 无线电模块外形紧凑，具有内置天线，并配有限制 EMI 的盖子。 (图片来源：伍尔特电子)

　　该模块接受 1.8 至 3.6 伏输入，在睡眠模式下仅消耗 0.4 微安 (µA)。其工作频率涵盖以2.44 GHz(2.402至2.480 GHz)为中心的工业、科学和医疗(ISM)频段。在理想条件下，输出功率为 0 dBm 时，发射器和接收器之间的现场范围可达 600 米 (m)，最大蓝牙 LE 吞吐量为 2 Mbits/s。该模块具有内置四分之一波长(3.13 厘米 (cm))天线，但也可以通过将外部天线连接到模块上的上述 ANT 端子来扩大范围(图 4)。

　　图 4：Setebos-I 2.4 GHz 无线电模块包括一个用于外部天线 (ANT) 的引脚，以扩展无线电的范围。 (图片来源：伍尔特电子)

　　Setebos-I 无线电模块可通过焊盘访问 nRF52840 SoC 的引脚。表1列出了每个模块引脚的功能。引脚“B2”至“B6”是可编程 GPIO，可用于连接温度、湿度和空气质量设备等传感器。

　　表 1：所示为 Setebos-I 2.4 GHz 无线电模块的引脚名称。 LED 输出可用于指示无线电传输和接收。 (图片来源：伍尔特电子)

　　短距离无线产品认证

　　虽然 2.4 GHz 频段是免许可频谱分配，但在该频段运行的无线电设备仍需要满足当地法规，例如美国联邦通信委员会 (FCC)、欧洲合格声明 (CE) 或电信规定的法规日本工程中心(TELEC)。通过法规需要提交产品进行测试和认证，这可能既耗时又昂贵。如果射频产品未通过测试的任何部分，则必须重新提交。如果模块要在蓝牙模式下使用，还需要蓝牙特别兴趣组 (SIG) 的蓝牙列表。

　　模块的认证不会自动授予使用该模块的最终产品的认证。但它通常会将最终产品的认证变成一项文书工作，而不是一项广泛的重新测试任务——前提是它们不使用 Wi-Fi 等额外的无线设备。获取蓝牙列表时通常也是如此。一旦获得认证，使用该模块的产品就会带有标有 FCC、CE 和其他相关 ID 号的标签(图 5)。

　　图 5：Setebos-I 模块上附加的 ID 标签示例，表明它已通过 CE 和 FCC RF 认证。认证通常可以由最终产品继承，而无需通过一些简单的文书工作进行重新测试。 (图片来源：伍尔特电子)

　　模块制造商通常会在其打算销售产品的地区为其模块获取 RF 认证(以及蓝牙列表，如果适用)。 Würth Elektronik 已经为 Setebos-I 无线电模块做到了这一点，但它必须与工厂固件一起使用。在蓝牙操作的情况下，该模块经过预先认证，前提是它与 Nordic 的 S140 蓝牙 LE 工厂堆栈或通过该公司的nRF Connect SDK软件开发套件提供的堆栈一起使用。

　　Würth 和 Nordic 固件非常强大，并且经过验证适合任何应用。但是，如果设计人员决定使用开放标准蓝牙 LE 或 2.4 GHz 专有堆栈或来自替代商业供应商的堆栈对模块进行重新编程，他们将需要从头开始针对预期操作区域的认证计划。

　　Setebos-I 无线电模块的开发工具

　　对于高级开发人员，Nordic 的 nRF Connect SDK 提供了用于构建 nRF52840 SoC 应用软件的综合设计工具。 nRF Connect for VS Code 扩展是建议运行 nRF Connect SDK 的集成开发环境 (IDE)。还可以使用 nRF Connect SDK 将替代蓝牙 LE 或 2.4 GHz 专有协议上传到 nRF52840。 (请参阅上面关于这对模块认证的影响的评论。)

　　nRF Connect SDK 与nRF52840 DK开发套件配合使用(图 6)。该硬件采用 nRF52840 SoC，并支持原型代码开发和测试。一旦应用软件准备就绪，nRF52840 DK 就可以充当 J-LINK 编程器，通过模块的“SWDCLK”和“SWDIO”引脚将代码移植到 Setebos-I 无线电模块的 nRF52840 闪存中。

　　图 6：Nordic 的 nRF52840 DK 可用于开发和测试应用软件。然后，该开发套件可用于对其他 nRF52840 SoC 进行编程，例如 Setebos-I 模块上使用的 SoC。 (图片来源：Nordic Semiconductor)

　　使用 Nordic 开发工具构建的应用软件旨在在 nRF52840 的嵌入式 Arm Cortex-M4 MCU 上运行。但最终产品可能已经配备了另一个 MCU，并且开发人员希望使用它来运行应用程序代码并监督无线连接。或者，开发人员可能更熟悉其他流行主机微处理器的开发工具，例如STMicroElectronics 的 STM32F429ZIY6TR。该处理器也基于 Arm Cortex-M4 内核。

　　为了使外部主机微处理器能够运行应用软件并监控 nRF52840 SoC，Würth Elektronik 提供了无线连接 SDK。 SDK 是一套软件工具，可实现公司无线模块与许多流行处理器(包括 STM32F429ZIY6TR 芯片)的快速软件集成。 SDK 由 C 语言的驱动程序和示例组成，它们使用底层平台的 UART、SPI 或 USB 外设与连接的无线电设备进行通信(图 7)。开发人员只需将 SDK C 代码移植到主机处理器即可。这显着减少了设计无线电模块软件接口所需的时间。

　　图 7：无线连接 SDK 驱动程序使开发人员可以使用外部主机微处理器通过 UART 端口轻松驱动 Setebos-I 无线电模块。 (图片来源：伍尔特电子)

　　Setebos-I 无线电模块使用“命令接口”来执行配置和操作任务。该接口提供多达 30 个命令，可完成更新各种设备设置、传输和接收数据以及将模块置于多种低功耗模式之一等任务。连接的无线电设备必须在命令模式下运行才能使用无线连接 SDK。

　　结论

　　为互联产品决定单一无线协议可能很棘手，从头开始设计无线电电路更具挑战性。 Würth Elektronik 的 Setebos-I 等无线电模块不仅提供了协议选择的灵活性，而且还提供了满足各个操作区域的监管要求的即插即用连接解决方案。 Sebetos-1 模块附带伍尔特的无线连接 SDK，这使得开发人员可以使用自己选择的主机 MCU 简单快速地控制模块。

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