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标题: 超低功耗RF设计要点注意 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-11 19:26
标题: 超低功耗RF设计要点注意
尽管仍处于起步阶段，但短距离射频的前景看来一片光明。而推动该市场不断扩张的催化剂将会是超低功耗技术。在这个每星期出货量高达数千万颗的短距、低功耗射频市场中，採用2.4GHz ISM频段的技术仍居主流，包括Wi-Fi、蓝牙、ZigBee，当然，这个领域还包括了其他多种尚未成熟的无线技术。未来几年内，我们的生活周遭可能会出现许多令人印象深刻无线连接技术。
　　短距无线市场的主要趋势之一，是超低功耗（ULP）无线应用的大规模扩展。这种应用的特徵是採用由钮扣型电池供电的微型RF收发器，在需要时被唤醒以便快速地连续发送数据，而后再回到nA等级耗电量的‘休眠’状态。ABI Research统计，2010年无线感测器网路（WSN）晶片市场成长了300%；而在2016年，医疗保健和个人健身设备採用的蓝牙低功耗晶片出货量将会超过4.67亿颗。
　　任何一种可携式电子产品或设备都能添加超低功耗无线连接特性，从微型医疗/健身感测器、手机、电脑、机械工具、汽车都包括在内。微型ULP收发器能够直接与数以千计的其他设备直接通讯，或是作为网路的一部份，从而强化产品的实用性。
　　然而，对多数工程师而言，RF设计仍然是一种黑色艺术。RF设计确实不平凡，但现代的晶片供应商和开发工具套件将协助设计师发挥更多设计技巧。本文将描述ULP无线技术、晶片，并探讨如何更好地运用它们。
　　超低功耗无线揭密
　　超低功耗无线技术不同于所谓的低功耗的短程无线电技术，如蓝牙（目前业界将之称为经典蓝牙［Classic Bluetooth］，以便与包含超低功耗蓝牙低耗能（BLE）技术的新版蓝牙4.0区别）。超低功耗无线技术所需的操作电源显着减少，能赋予许多设计精巧的可携式设备无线连接能力。
　　传统蓝牙的电力需求较大，甚至当使用者资料传输量不大时，也几乎会独占电池。这种电力需求代表着传统蓝牙对‘低频宽、长寿命’的应用而言并非理想的无线解决方案。
　　相较之下，超低功耗RF收发器可以运用钮扣电池（如CR2032或CR2025）运作数个月甚至数年的时间。这些钮扣电池体积小，价格便宜，但储能量很有限，通常在90～240mAh之间。与之相比，假设平均漏电流为一颗200μA，那么一颗AA电池的储能量至少有10～12倍。
　　如此低的储能量严重限制了ULP无线链路的主动工作週期（active duty cycle）。例如，一颗220mAh的CR2032钮扣电池，若持续使用至少一年（220mAh/（24hr x 365day）），则可维持的最大额定电流仅25μA（或放电率）。
　　ULP硅无线电晶片则可实现仅数十毫安（milliamps）的峰值电流，以Nordic的nRF24LE1 2.4GHz收发器为例，在传送时仅11.1mA（0dBm输出功率）；接收时则仅13.3mA（速率2Mbps）。如果能在很长时间内将平均电流限制在数十微安，则工作週期可降至极低（约0.25%），晶片也能很快地回到nA等级休眠模式。
不同的应用
　　如果收发器有99.75%的时间都在休眠，一旦必须唤醒时，往往很难立即正常运作。而ULP收发器的特色之一便是能迅速唤醒，传送极短但相对频宽较高的‘bursts’资料‘（高达1或2Mbps），而后立即返回极低功耗的休眠状态。
　　因此，ULP RF收发器并不会直接与Wi-Fi和传统蓝牙应用展开竞争。然而，ULP无线却已开启了极广泛的崭新应用。这些应用包罗万象。ULP无线已经大举进入体育、健康、娱乐、PC週边、遥控、游戏、手机配件，家庭自动化和工业控制等领域，且未来几年还将延伸到更多其他市场。
　　这些应用的共同点便在于能让ULP无线技术发挥它的实力。这些应用设备通常採用小型感测器和週边以及小型电池，每隔几秒或固定时间发送极少量的数据（通常仅数位元）。然而，根据不同的应用类别，对ULP无线的设计需求仍不尽相同，如带有可监控速度和距离的性能感测器、射频远端控制设备，以及像心律监控等医疗用感测器的自行车电脑、就需要与PC週边截然不同的工程方案。
　　简单来说，无线连接需要一个无线电（收发器）、协议（用来控制无线电通讯的软体程式码或堆叠），以及应用处理器（拥有自己的程式码以监控特殊应用，如心律监控）。以下将探讨这些要素如何影响无线系统的效率、尺寸和成本。
　　我们以两个範例进行说明：一个无线滑鼠和一个自行车电脑。无线滑鼠的设计看来较简单，但它需要应用到大量的超低功耗RF。无线滑鼠製造商需要一种精巧、高效且低成本的连接方案。换句话说，他们希望开发出所有消费者都买得起、功能强大电池寿命长的无线滑鼠。
　　针对这种应用，最佳方案是一颗系统单晶片（SoC），它在单颗晶片上整合了无线电、工厂提供的协议和应用处理器。而极大的应用量则抵销了厂商投注的高昂NRE成本。此外，供应商还能最佳化软硬体性能，以满足目标应用需求。
　　对滑鼠製造商来说，他们毋须浪费时间和金钱开发、选择或购买外部处理器和相关的开发工具套件，以及撰写程式码。收发器供应商在开发SoC时便已完成一部份工作了。
　　以Nordic公司的nRF24LE1 SoC为例，该元件瞄準桌上型週边市场，内含Nordic公司的nRF24L01 + 2.4GHz超低功耗收发器、用于快闪记忆体或一次可编程（OTP）记忆体中的Gazell软体协议堆叠、增强型8位元微控制器。这种单晶片元件尺寸仅5x5毫米，可应用在小型无线滑鼠设计中。
　　另一款nRF24LU1+晶片组则整合了Nordic nRF24L01+收发器、USB 2.0相容设备控制器，、快闪记忆体（或OTP）和一个8位元微控制器，可插入主PC的USB埠提供无线链接。nRF24LU1+能让PC週边製造商开发出微型USB dongle设备（图1）。
　　

　　图1：nRF24LU1+能让PC週边製造商开发出微型USB dongle。
单晶片连接
　　SoC为量产型应用提供许多优势，但它仍有一些缺点，如高整合SoC的尺寸和成本可能会增加。一颗无线SoC中通常包含一个微控制器，但在许多应用中，都已经採用微控制器来控制无线应用。
　　此外，一些工程师可能会自行选择微处理器，因此，一些工程师可能会购买价格更低、没有板载微处理器的收发器。
　　以一个无线自行车电脑为例，它整合了用于监控心律、速度或距离的各式感测器，另外还有许多各式各样的感测元件、功率计等，让自行车电脑的组成更加复杂，因此，这类应用通常都已具备可用于监控和无线功能的处理器，它们不需要再使用附加嵌入式处理器的无线晶片（图2）。
　　

　　图2：Nordic的专用ULP收发器nRF24AP2，可为自行车单增加无线连接功能。（图片来源：Suunto）
　　为此，Nordic与合作伙伴ANT Wireless一直致力为自行车开发适用的无线连接方案。
　　Nordic针对这类应用所开发的nRF24AP2在单晶片中整合了一个2.4GHz ULP收发器、ANT无线协议，以及微控制器/处理器介面。这款方案并未包含应用处理器，从而节省成本、功耗并减小尺寸。在实际使用时，nRF24AP2可无缝连接自行车电脑内的应用处理器，让应用处理器能监控设备的无线连接情况。Nordic将这种方法称之为‘单晶片连接’。
互通性需求
　　从技术角度来看，採用专用无线连接方案的好处远胜过採用ZigBee或蓝牙，因为製造商能最佳化协议，而且不会有其他的额外开销，从而确保更低的功耗和成本。但缺点是缺乏互通性。
　　OEM需要能与其他晶片製造商互通的解决方案。目前通常是由业界厂商组成的联盟，如ZigBee联盟，或是像IEEE这类标準组织，以及蓝牙SIG等标準协会负责制定这些互通性标準。基本上，这些产品都必须经过测试，以获得特定标準的互通性认证。
　　虽然要製造符合标準的产品，就必须花费时间进行测试及获得认证，同时会增加产品开发成本，但可互通的解决方案往往可刺激市场成长。
　　上述的ANT+技术是可互通ULP无线技术的其中一个例子。事实上，ANT是由超过220家公司所组成的监盟，并已被自行车领域的主要製造商如Garmin和Trek等公司採用，成为实质产业标準。另外，除了Nordic以外，也有其他半导体业者开始供应ANT晶片。然而，迄今在短距无线领域中，蓝牙仍然是最成功的一项无线技术。
　　蓝牙向低功耗领域扩展
　　蓝牙最新的低功耗版本能运用在採用扭扣型电池供电的设备中。Nordic因应该标準推出的方案是μBlue系列，首款产品nRF8001在一颗5x5mm QFN封装的32接脚元件中整合了完整的嵌入式无线电、链路控制器以及主控端子系统，可用在手錶、感测器和遥控等应用中。卡西欧的G-SHOCK蓝牙低功耗手表便採用了该晶片。
　　这款手錶是首个採用蓝牙低功耗的商用化产品，它能够连接智慧手机校正时间，其他功能还包括来电、电子邮件、简讯等提醒等。
　　蓝牙SIG表示，未来蓝牙低功耗将延伸到更广泛的应用领域中，包括个人化使用者介面（PUID）、遥控、近接警报、电池状态警示和心律监控等。
　　除了医疗保健，蓝牙低功耗感测也将可望在公共场所获得广泛应用。其中一项关键应用，便是它能用于室内定位（没有GPS讯号之处）。也就是说，在大型公共建筑，如机场或火车站内的感测器能不断传送位置资讯给搭载蓝牙低功枆的手机，使用者便可得知所在位置资讯。另外，感测器还可以传送其他资讯，如起飞时间和闸门、各种设备的具体位置，或是附近商店的特别优惠等（图5）。
　　

　　图3：Nordic的μBluenRF8001是蓝牙低功耗晶片，已用在卡西欧的G-SHOCK蓝牙低功耗手錶中。
　　

　　图4：蓝牙低功耗的早期应用可能会是体育、医疗保健和娱乐产业。
　　

　　图5：在机场内，蓝牙低功耗标籤可以被放置在特定位置，让搭载蓝牙晶片的手机使用者得知所在位置。
　　自2011下半年起，陆续有手机採用蓝牙4.0晶片。这也代表着许多令人振奋的新技术将有机会发挥潜力。

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