無線連接允許設計人員將啞產品轉變為物聯網 （IoT） 的智能集成元件，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） 指令、固件更新和安全增強功能。

但是，為產品添加無線鏈接并非易事。在設計階段開始之前，設計人員需要選擇一種無線協議，這可能令人生畏。例如，一些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了范圍、吞吐量和功耗方面的權衡。為給定應用選擇最佳應用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，這本身可能是一個復雜且耗時的過程。

一種解決方案是將設計基于使用多協議片上系統 （SoC） 的認證模塊。這消除了采用分立元件的RF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，探討了一些關鍵的2.4 GHz無線協議的優勢，簡要分析了硬件設計問題，并介紹了伍爾特電子的合適RF模塊。本文還討論了滿足全球法規所需的認證過程，考慮了應用軟件開發，并介紹了軟件開發工具包 （SDK） 以幫助設計人員開始使用該模塊。

多協議收發器的優勢

沒有一個短程無線領域占主導地位，因為每個部門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、網狀網絡能力和互聯網協議 （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規范中的共享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人局域網 （WPAN） 的物理 （PHY） 和媒體訪問控制 （MAC） 層。這些技術通常以2.4 GHz的頻率運行，盡管Zigbee有一些sub-GHz變體。

藍牙 LE 適用于物聯網應用，例如智能家居傳感器，在這些應用中，數據傳輸速率適中且不經常發生（圖 1）。藍牙LE與大多數智能手機托管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一個昂貴且耗電的網關來連接到云和笨重的網狀網絡功能。

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。它的吞吐量低于藍牙 LE，而其范圍和功耗相似。Zigbee 無法與智能手機互操作，也不提供本機 IP 功能。Zigbee的一個關鍵優勢在于它是從頭開始為網狀網絡設計的。

與Zigbee一樣，Thread使用IEEE 802.15.4 PHY和MAC運行，旨在支持多達250臺設備的大型網狀網絡。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。（請參閱“短程無線技術中重要事項的簡要指南”。

雖然基于標準的協議占主導地位，但2.4 GHz專有協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備的連接，但可以對此類協議進行微調，以優化功耗、范圍、抗干擾性或其他重要操作參數。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很難選擇合適的協議來適應最廣泛的應用。以前，設計人員必須選擇一種無線技術，然后如果需要使用不同協議的變體，則必須重新設計產品。但由于這些協議使用基于類似架構的PHY并在2.4 GHz頻譜中工作，因此許多芯片供應商提供多協議收發器。

這些芯片允許通過上傳新軟件為多個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，每個軟件堆棧之間切換由微控制器單元（MCU）監控。例如，在設備切換協議以加入 Thread 網絡之前，這可以允許使用藍牙 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RF協議和應用軟件）以及1兆字節（MB）閃存和256千字節（KB）RAM。在藍牙 LE 模式下運行時，SoC 提供每秒 2 兆比特 （Mbits/s） 的最大原始數據吞吐量。在 3 分貝時，其 5 伏直流輸入電源的發射電流消耗為 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，原始數據速率為 1 Mbit/s。nRF52840 的最大發射功率為 +8 dBm，靈敏度為 -96 dBm（藍牙 LE 為 1 Mbit/s）。

良好的射頻設計的重要性

雖然Nordic的nRF52840等無線SoC是非常強大的設備，但它仍然需要相當多的設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、天線設計和布局以及至關重要的阻抗匹配等因素。

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

事實證明，當負載阻抗（發射系統為天線，接收系統為收發器SoC）等于特性阻抗時，測得的阻抗在與負載走線的任何距離處都保持不變。因此，線路損耗最小化，最大功率從發射器傳輸到天線，從而提高魯棒性和范圍。因此，構建匹配網絡以確保RF器件的阻抗等于印刷電路板走線的特性阻抗，成為一種良好的設計實踐。（請參閱“兼容藍牙 4.1、4.2 和 5 的低功耗藍牙 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組件值。制造商通常會提供仿真軟件來幫助匹配電路設計，但即使遵循了良好的設計規則，最終電路也經常表現出令人失望的RF性能，缺乏范圍和可靠性。這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，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：北歐半導體）

模塊的優點

使用分立元件設計短距離無線電路有一些優勢，特別是降低物料清單（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（如組件質量和容差、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，該模塊已經通過了全球市場的認證，從而節省了設計人員通過RF法規認證所需的時間和金錢。

模塊使用有一些缺點。其中包括增加費用（取決于數量）、更大的最終產品尺寸、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 的可訪問引腳數量減少。但是，如果設計的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，并隨附支持藍牙 5.1 和專有 2.4 GHz 協議的固件（圖 3）。如上所述，模塊核心的SoC還能夠支持Thread和Zigbee，并添加了適當的固件。

圖 3：Setebos-I 2.4 GHz 無線電模塊外形緊湊，內置天線，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、科學和醫療 （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，發射器和接收器之間的站點線路范圍可達 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擴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、濕度和空氣質量設備等傳感器。

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符合當地法規，例如美國聯邦通信委員會 （FCC）、歐洲符合性聲明 （CE） 或日本電信工程中心 （TELEC） 規定的法規。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，則必須進行全新的提交。如果模塊要在藍牙模式下使用，則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將認證授予使用該模塊的最終產品。但它通常會將最終產品的認證變成文書工作，而不是廣泛的重新測試任務 - 前提是他們不使用Wi-Fi等其他無線設備。獲取藍牙列表時通常也是如此。認證后，使用該模塊的產品將帶有指示 FCC、CE 和其他相關 ID 號的標簽（圖 5）。

圖 5：附加到 Setebos-I 模塊的 ID 標簽示例，以顯示它已通過 CE 和 FCC RF 認證。最終產品通常可以繼承認證，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他們打算銷售產品的地區為其模塊獲得射頻認證（以及藍牙列表，如果適用）。伍爾特電子已經為Setebos-I無線電模塊做到了這一點，盡管它必須與工廠固件一起使用。在藍牙操作的情況下，該模塊已通過預認證，前提是它與Nordic的S140藍牙LE工廠堆棧或通過公司的nRF Connect SDK軟件開發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 專有堆棧或來自其他商業供應商的堆棧重新編程模塊，則需要針對預期操作區域從頭開始認證計劃。

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 為構建 nRF52840 SoC 的應用軟件提供了全面的設計工具。適用于 VS Code 的 nRF Connect 擴展是推薦的集成開發環境 （IDE），可在其中運行 nRF Connect SDK。也可以使用 nRF Connect SDK 將替代藍牙 LE 或 2.4 GHz 專有協議上傳到 nRF52840。（請參閱上面的評論，了解這對模塊認證的影響。

nRF Connect SDK 可與 nRF52840 DK 開發套件配合使用（圖 6）。該硬件采用 nRF52840 SoC，支持原型代碼開發和測試。應用軟件準備就緒后，nRF52840 DK 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：北歐半導體）

使用Nordic開發工具構建的應用軟件旨在運行在nRF52840的嵌入式Arm Cortex-M4 MCU上。但最終產品可能已經配備了另一個MCU，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常用主機微處理器的開發工具，例如意法半導體的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，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 語言的驅動程序和示例組成，這些驅動程序和示例使用底層平臺的 UART、SPI 或 USB 外設與連接的無線電設備通信（圖 7）。開發人員只需將 SDK C 代碼移植到主機處理器即可。這大大減少了為無線電模塊設計軟件界面所需的時間。

圖 7：無線連接 SDK 驅動程序使開發人員能夠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“命令界面”進行配置和操作任務。該接口提供多達 30 個命令，可完成更新各種設備設置、發送和接收數據以及將模塊置于各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

為連接產品確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。伍爾特電子的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監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，使開發人員能夠使用自己選擇的主機MCU簡單快速地控制模塊。

審核編輯 黃宇