一个将Wi-Fi和蓝牙连接组合在单个器件中的无线模

时间:2019-05-25 16:19来源:未知 作者:侠客 点击:
在设计电子产品项目或产品时,电子产品常常必要能够与其他设备进行通信。它们必要传输各类各样的数据,从气象信息、医疗数据到可操作的节制敕令。我们拥有大年夜量的通信标准

在设计电子产品项目或产品时,电子产品常常必要能够与其他设备进行通信。它们必要传输各类各样的数据,从气象信息、医疗数据到可操作的节制敕令。我们拥有大年夜量的通信标准可供选择,它们可在应用或不应用线缆的环境下传输信息,我们可以使用这些标准,让设备具备互相通信的能力。我们并不总能轻松在长间隔范围内连接多个设备,因而间隔可能成为一个限定身分。在这种环境下,应用线缆连接设备可能昂贵而繁杂。相反,无线通信供给了更为机动的办理规划,能够低落开拓资源并简化安装。

无线通信平日指应用无线电波进行通信,从几米的短间隔到数千公里的长间隔,而在深入宇宙的无线电通信中,间隔以致达到数百万公里。无线通信技巧还包括光通信、声波通信和电磁感应措施。

无线通信还涉及到多种拓扑。别的,还有应用蓝牙 3.0 及更低版本的点到点设备,它们只与智妙手机和蓝牙耳机等其他设备进行一对不停接通信。智妙手机平日必须与耳机断开连接,才能与另一部蓝牙设备进行通信。还有点到多点的通信,将主设备与多个其他设备连接。WI-FI 和蓝牙 4.0 及更高版本是点到多点连接的实例。

在选择无线通信拓扑时,必要斟酌多个问题。

认证

与有线通信技巧类似,无线技巧也必须相符当地标准。因为无线技巧的合规前提更为严格,是以经由过程认证的难度更大年夜。无线电合规性基于几个基础观点。设备只能在分配给该无线电技巧的特定频率下事情。它不应滋扰该频率之外的其他设备,也不应被在其他频率范围内事情的其他设备滋扰。美国联邦通信委员会 (FCC) 律例第 15 部分对此做出了具体规定。别的还有关于最大年夜发射功率 (EIRP) 的规定,每个频率范围的这项指标都是独一的。

FCC 是美国的自力机构,认真监管产品通信。假如要贩卖某种产品,该产品必须相符 FCC 标准,并在产品和包装上显示独一的 FCC ID。这种环境与欧洲略有不合。自行认证 CE 标志表示产品经由过程了认证,包孕多种统合标准。无线电设备指令 (RED) 便是曩昔的 R&Tte,该欧洲指令对所有产品应用的频谱做出了规定。与 FCC 合规性类似,CE 标志必须显示在产品上,作为产品相符欧洲市场标准要求的证据。

FCC 和 CE 只是两种主要认证标准。加拿大年夜、澳大年夜利亚、新西兰、中国喷鼻港、日本、韩国、亚太区、非洲和南美都有自己的标准,产品必须相符这些标准,才能在这些地区合法贩卖。

对付制造商而言,遵守不合的地区标准,让每种产品得到我们所说的“型式认可”,会在设计和测试方面孕育发生沉重包袱。要开拓一种分立无线收发器设计,就必要专业的无线电设计专业常识,还必要在无线电测试设备方面进行投资,这会大年夜幅增添开拓新产品的资源和光阴。出于这个缘故原由,很多工程团队选择了应用更简单的措施来供给无线连接,既无需应对高速数字电路带来的电磁滋扰寻衅,也无需满意严格的 EMc 产品律例。

鉴于这一点,在早期产品开拓历程中,选择颠末预先认证的无线模块平日是一种可取的做法。这样可以确保合理的产品上市速率,不会由于无线电合规性而造成严重延迟。市场上供给的模块可能是可编程的,或者必要外部微节制器/微处置惩罚器才能正常事情。很多现成模块还包括嵌入式或板载天线,从而削减了未知身分和可能呈现的认证问题。

在开拓后期阶段,平日在靠近批量临盆时,我们才可能考试测验开拓定制无线办理规划。虽然开拓产品和获取相关认证的资源可能异常高,但因为产品是大年夜批量临盆的,是以资源可以大年夜幅低落。这样还能确保满意初始临盆刻日,并在做出进一步投资之前,在市场上推出和测试产品。

选择无线技巧

市场上有很多不合的无线通信措施。每种措施都有自身的上风和毛病。在选择可能的模块之前,必须分清哪些技巧能够满意正在开拓中的产品的需求。下面列出了在选择无线标定时必须斟酌的要点:

带宽

间隔

安然

功率

频率

带宽

带宽主要关系到发送若干数据,以及发送数据的频次。Wi-Fi 供给始终在线连接,数据速度在 11 Mbps (802.11b) 至 1.3 Gbps (802.11ac) 之间。蓝牙 3.0 和 4.0 在全功率下供给最高 25 Mbps 的速度,传输间隔最长达到 60 米,但不是始终连接。相反,SIGFOXLoRa 每 10 分钟仅能传输 12 字节数据,从而低落功耗,最大年夜限度前进电池寿命。

间隔

间隔涉及发射器和接管器之间的最大年夜间隔。有些技巧在短间隔内机能出色,例如智能蓝牙(曩昔的低功耗蓝牙)。gps 等其他技巧则可接管数千公里之遥的行星轨道卫星的旌旗灯号。

安然

在物联网 (IoT) 和其他任何无线设备中,安然都是一大年夜热点话题。经由过程无线要领将数据从一个点发送至另一个点,会孕育发生安然问题。有些无线技巧使用强大年夜的加密功能办理了这个问题,但会缩短电池寿命,还可能削减带宽。监控设备仅捕捉异常基础的数据,例如温度或湿度,大概不值得进行保护。然则,它们也可能成为无线收集中的懦弱环节,为入侵其他更安然设备供给可乘之机。敏感数据,例如信用卡信息,必要更强大年夜的加密。要斟酌的紧张身分包括:数据的敏感度、同一个收集上的其他设备以及无线标准供给的加密。

功率

在为产品选择相宜的模块时,功率也是最紧张的身分之一。能效要尽可能的高永世是不二轨则,不仅是为了节省电能,照样由于削减发烧而延长产品寿命。电池供电型设备与始终连接墙壁插座的设备之间的差异可以显明改变设备事情要领。对付始终经由过程墙壁插座供电的设备,它们的设计要简单得多。而对付电池供电的无线产品,必须斟酌到充电、替换或设计较长应用寿命的电源。最初,替换电池彷佛只是举手之劳,但假如客户有几千部设备,例如支配在远程位置的物联网传感器,那么必要的资本和后续资源将是伟大年夜的。

频率

虽然频率异常紧张,但在选择无线模块时,它不必然是主要选择标准。然则,在某些特定环境下,特定的频带可能呈现饱和,或者产品在特定频带中事情是分歧法的。对付本文所述的无线模块,分配的频率都已经明确定义。

GSM、GPrs、EDGE、3G、HSDPA、HSPA+ 和 4G LTE

在数字蜂窝收集中,我们在手机等移动设备上应用过多种不合的名称和技巧。我们应该明白,所有技巧都是在其他技巧根基上蜕变过来的。通用分组无线办事 (GPRS) 和增强型数据速度 GSM 演进 (EDGE) 是第二代技巧,也称为 2G。它们的下载速率分手为 114 Kbps 和 384 Kbps。3G 是第三代无线通信技巧,高速下行分组接入 (HSDPA) 则是 3G 的增强技巧,3G 的下载速率为 3.1 Mbps,HSDPA 的下载速率为 14 Mbps。增强型高速分组接入 (HSPA+) 是第四代技巧,实现高达 168 Mbps 的速率。4G 经久演进 (LTE) 技巧支持高清流媒体传输,下载速率高达 299.6 Mbps。

在选择任何 GSM 模块时,要留意的一个关键是它能否确保产品不逾期。Sierra Wireless 和 U-blox 都供给了一系列的引脚兼容模块,支持 2G、3G 和 4G 技巧。这意味着开拓职员只需设计一个 PCB,然后插入所需的模块,即可轻松地集成要在任何地区或无线收集中支配的语音和数据连接。跟着收集运营商进级根基举措措施,他们终极将会抉择竣事支持 2G 和 3G 等旧技巧,只维持像 4G 和即将问世的 5G 这样的收集。

U-blox 供给的 LARA-R204 便是一个蜂窝模块实例。该模块能够在 4 和 13 频段事情,专为在 Verizon LTE 收集上应用而设计,它只是能够支持所有 LTE 收集频段的 LARA-R2 产品系列的一个成员。它能够在单模或多模设置设置设备摆设摆设下事情,采纳紧凑型 LGA 100 引脚形状尺寸封装,供给多个外设接口选择。图 1 是 LARA-R2 系列的功能框图,此中凸起显示了基带处置惩罚器上的可用接口、收发器、射频前端和电源治理功能。

图 1:U-blox LARA-R2 功能框图

假如要将任何无线模块集成到产品中时,就必须懂得它与主机建立通信的要领,这一点异常紧张。uarti2C 是常用的接口措施,但平日必要有额外的可用 IO 端口(例如 GPIO 和 USb),才能添加其他传感器和设备。应该斟酌的其他功能包括模块是否支持所需的通信协议(FTP、HTTP 等),以及模块是否具备无线进级固件 (FOTA) 的能力,对付物联网设计而言,这种功能变得日益紧张。安然功能(例如加密身份验证和加密技巧)是搭建安然通信链路的关键,这一点毋须多言。

这种蜂窝模块的另一个特征是供给两个天线插座和专用收发器前端。节制引脚让主机利用能够实现天线分集功能,基带处置惩罚器经由过程这种功能,确定哪个天线可为特定链路供给最佳蜂窝旌旗灯号强度和质量。

所有模块功能的设置设置设备摆设摆设和节制都经由过程连接的主机进行,应用行业标准“AT”指令集。该模块还供给一个周全的参考手册,在这里可以找到在 U-blox 蜂窝模块上应用“AT”指令的具体阐明。

Wi-Fi 和蓝牙模块

Wi-Fi 和蓝牙是今朝最常用的两种无线技巧。作为一种将用户连接到局域网和/或造访互联网的措施,Wi-Fi 在险些每个家庭和企业中都邑应用。蓝牙则用于各类各样的低功耗设备,从免提式耳机到无线扬声器、鼠标、键盘、打印机等浩繁设备。Wi-Fi 适用于局域网上的高速通信,蓝牙则适用于便携式设备。它们平日是互为弥补的技巧,很多模块同时具备 Wi-Fi 和蓝牙功能。

Silicon Labs 的 WF111 系列便是颠末认证的相符 802.11 b/g/n 标准的紧凑型 Wi-Fi 模块的例子,得当广泛的商业、工业和破费利用。该模块能够达到最高 72.2 Mbps 的位数据速度,可为 WEP、WPA 和 WPA2 加密供给硬件支持,还配备了 SDIO 和 CSPI 主机外设接口。该模块带有内部芯片天线或用于外部天线的 U.FL 连接器,具备蓝牙共存功能,容许蓝牙模块与 Wi-Fi 器件同地协作。此功能可确保每个模块能够互相感知,赞助避免同时进行数据传输,由于这样很可能低落链路机能。

Texas Instruments 的 WL1831 是另一个将 Wi-Fi 和蓝牙连接组合在单个器件中的无线模块(图 2)。对付同时必要两种通信措施的设计,这款节省空间的紧凑型模块的形状尺寸仅为 13.3 x 13.4 x 2 mm,并集成了射频收发器、前端滤波器、射频开关以及周全的电源治理功能。它供给两个天线插座,此中一个在 Wi-Fi 和蓝牙收发器之间切换。

图 2:组合了 Wi-Fi 和蓝牙无线模块的 Texas Instruments WL1831。

在电池供电型设计中,分外是要应用 Wi-Fi 时,功耗是我们关注的主要问题,WL1831 供给低于 800 µA 的连款待机功耗,从而办理了这个难题。

LoRa/Sigfox 模块

LoRa 和 Sigfox 是两种相似的无线技巧,同时事情在 868 MHz(欧盟)和 902 - 928 MHz(美国)频段。它们之间并无猛烈竞争关系,但都是在相同的频率下,以相似的要领事情。它们都作为低功耗广域网 (LPWAN) 要领事情,适用于数据速度较低的广泛收集,这一特征使得它们成为物联网的抱负之选。Sigfox 是作为超窄带技巧设计的,在 30 - 50 公里的间隔上,每十分钟传输 12 字节数据,天天能够接管最多四条消息。相反,LoRa 更多是针对敕令和节制场景设计的。它的数据包大年夜小仍旧异常小,但可由用户定义。接管数据不受限定,但范围减小为 15 - 20 公里。

越来越多的供应商针对这些协议供给收发器模块。Multi-Tech Systems 的 MultiConnect xDot 模块便是一个例子。这款 LGA 封装器件异常得当欧洲地区的很多物联网利用。它的深度休眠电流小于 2 µA,预期电池寿命能够达到 10 年以致更长。此外,经由过程应用引脚复用,可供给功能周全的外设集(图 3)。可以经由过程应用标准“AT”敕令集来实现模块节制,在这种环境下,无需再进行更多编程,或者也可以应用 ARm mbed 开拓库。

图 3:复用引脚外设功能的 MultiConnect xDot LoRa 模块。

Sigfox 和 LoRa 同时事情在工业、科研和医疗 (ISM) 无线电频段,这些频段平日是为除电信之外的其他用途保留的。也便是说,仍旧有一些模块是为在 ISM 频段中应用而开拓的。这些模块平日应用它们自身专有的通信协议。这些频段的最常见频率为 433 MHz、863 MHz 至 870 MHz (EU)、902 至 928 MHz (US)、2.4 GHz 至 2.5 GHz。

网状收集

值得留意的是,某些无线收集不必然在点到点、点到多点系统上事情。有些无线技巧,例如 zigBee、WiMAX 和 Bluetooth Mesh,在多对多收集上事情。这意味着设备不必然必须位于与其通信的设备的传输范围之内,而是可以经由过程由相似设备构成的收集来传输旌旗灯号,从而到达更远的终极设备。有些器件异常得当搭建 ZigBee 网状收集,例如 Microchip 的 ATSAMR21G18。除了必需的 2.4 GHz 收发器模块之外,该器件还具备一些周全的加密身份验证功能,最大年夜事情频率为 48 MHz,供给最多 17 个外部 GPIO 引脚。

总结

预先合规模块确定能够为开拓和合规性测试节省可不雅的资源。然则,在将新产品投放到市场之前,仍旧必要进一步测试,当然这种测试不会到分立设计的程度。虽然模块本身预先颠最后合规性认证,但一旦添加到另一个系统或产品上,它的特点可能受到影响。

为了赞助完成选择历程,Digi-Key 在其网站上供给了无线开拓对象产品选型表、物联网产品选型指南和无线参考设计库。

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