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    暢談超低功耗射頻技術的未來

    雖說交貨量每星期有幾千萬片,但在全球流行的2.4GHzISM頻段短距離低功耗射頻技術市場(例如Wi–Fi,藍牙,ZigBee以及各公司的專有解決方案)還遠遠沒有成熟。在未來的幾年里,將會出現許多令人鼓舞的進展,而無線連接將滲透到我們生活的各個方面。

      尤其是在超低功率(ULP)無線應用系統中,它使用紐扣電池來供電的微型射頻收發器,喚醒來后迅速發送脈沖數據,然后回到毫微安級的睡眠狀態,這很可能會大幅度地增加。例如,根據ABI研究公司分析指出:在2010年,無線傳感器網絡(WSN)芯片市場增長了百分之三百。該公司還預測:在2016年,使用藍牙低耗能芯片的醫療保健和個人健身設備交貨量不會低于4.67億件。

      可以在嵌入式電子電路的任何便攜式電子產品或設備(從微小的醫療傳感器和健身傳感器,到移動電話、電腦、機床、汽車,幾乎它們之間的一切東西),都可以把超低功耗無線連接加進去。利用微小的超低功耗收發器,這些電子產品或設備能夠與數千其他設備直接通信,或者作為網絡的一部分進行通信,明顯地提高電子產品的實用性。

      然而,對于大多數工程師而言,射頻設計仍然難以掌握。雖然射頻設計不是一件小事,但是,在芯片供應商和相當好的開發工具的幫助下,它并沒有超出一位有能力的工程師的設計技能。因此,在本文中,我將揭開超低功耗無線技術的面紗,介紹芯片,并且探討如何以及在什么地方使用這些芯片。

      超低功耗無線技術簡介

      超低功耗無線技術和藍牙技術(現在稱為經典藍牙,以區別于最近發布的4.0版藍牙,其中包括超低功耗的藍牙低耗能技術)這些短距離低功耗射頻技術的區別在于,它需要的功率明顯地少很多。這樣,把無線連接用到在最小最緊湊的便攜式電子設備中的機會,就極大地增大了。

      經典藍牙需要的功率比較多,即使是傳送適量的用戶數據,因此幾乎只能使用可充電電池。它需要的功率較高,對于的低帶寬、長壽命的應用而言,那么就意味著傳統藍牙并不是一個很好的無線解決方案(它主要是在可以方便地對電池經常充電的時候用于大量傳送數據)。

      典型的藍牙技術已經用于在移動電話和耳機之間的無線連接,或者把相機中的數字圖像傳送到藍牙打印機。因此使用典型藍牙的無線設備,它的電池壽命通常是幾天,最多是幾星期(注:有一些高度專業化的典型藍牙應用系統,可以用容量較低的原電池供電)。

      相比之下,超低功耗射頻收發器可以用紐扣電池(例如CR2032或者CR2025)供電,工作幾個月甚至幾年(取決于應用系統的占空比),假定消耗的額定平均電流僅200μA。這些紐扣電池很小,價格便宜,但是能量有限,一般在90240mAh的范圍(一節AA電池的容量是紐扣電池的10倍至12)。

      這個容量屬于中等,明顯地限制了超低功耗無線鏈路激活的占空比。例如,一節220mAhCR2032紐扣電池,如果要它持續工作一年,那么它的最大額定電流(或放電率)只能維持在25μA(220mAh /(24小時x 365))。

      超低功耗射頻技術的峰值電流為幾十毫安,例如,Nordic半導體的nRF24LE1 2.4GHz收發器在發射時消耗電流11.1毫安(在輸出功率為0dBm),在接收時消耗電流13.3毫安(工作在2Mbps)。如果在較長時間內的平均電流被限制在幾十微安,占空比必須很低(大約百分之0.25),而且芯片要很快回到睡眠模式,在大部分時間里只消耗幾毫微安電流。

      各種不同用途

      如果收發器的睡眠時間占百分之99.75,當它被喚醒來做任何有用的事時,它必須非常努力地工作。超低功耗收發器是這樣做到這點的:它迅速地被喚醒,發送很短但帶寬相對較寬的脈沖數據(高達12 Mbps),然后立即回到低耗能的睡眠狀態。

      正如我們看到的,因為它們消耗的功率屬于中等程度,超低功耗射頻收發器不能用于占空比高的應用系統,所以,不直接與Wi-Fi和經典藍牙競爭。不過,超低功耗運作的確打開了一個寬闊的新的應用領域,這是其他無線技術做不到的。

      這些用途的多樣化是不尋常的。超低功耗無線技術已經進入了體育、保健、娛樂、個人電腦外圍設備、遙控器、游戲、移動電話配件、家庭自動化和工業控制領域,而且在未來幾年將會蔓延到許多其他領域。

      這些應用系統有一個共同點,這就用到了超低功耗無線技術的優勢。它們是建立在使用小型電池、小巧緊湊的傳感器和外圍設備的基礎之上。這些設備發送少量的數據(通常是幾位),而且不經常發送(每隔幾秒鐘或者每秒最多幾次)。盡管有這個共同點,它有各種不同用途,例如用于電腦的無線外圍設備(例如無線鼠標器),自行車碼表和相關的性能傳感器(例如速度和距離監測器),射頻遙控器,醫療傳感器(例如心率監測器),它們需要非常不同的工程解決方案。

      簡單地說,無線連接需要一個射頻系統(收發器)、協議(軟件代碼或,它控制射頻系統如何進行通信),還需要一個應用處理器(它有自己的代碼,監督的具體應用系統,例如,心率監測器)。但是,這些東西如何實施,會影響無線系統的效率、尺寸和成本。

      為了說明這一點,我們來看看兩個例子:一個是無線鼠標器,一個自行車碼表,它們使用不同的方法。

      無線鼠標器是比較簡單(但肯定不是無足輕重)、大量使用的超低功耗射頻應用系統。無線鼠標器制造商需要一個緊湊、高效率、價錢便宜的連接解決方案。換句話說,他們希望他們的無線鼠標器的造型優美,電池的使用壽命很長,零售價格要廣大消費者能夠承受得起。

      用于鼠標器的最佳選擇是系統芯片(SoC),其中包含射頻系統、工廠提供的協議和應用處理器,都在一塊硅片上。由于它的用量很大,抵消了開發系統芯片的較高非經常性工程(NRE)費用。此外,廠商可以優化硬件和軟件的性能,以滿足目標應用的需要。

      對于客戶(鼠標器生產商)來說,主要優點是,他們在開發時不必選擇和購買外部處理器(以及相應的開發工具),然后生成代碼來運行應用程序,不用在這些方面再花時間和金錢。收發器供應商已經做了SoC的部分設計工作。(不過,如果需要的話,客戶仍然可以使用收發器供應商提供的開發和評估工具,來開發自己的協議。)

      例如,Nordic半導體向臺式電腦外設市場提供nRF24LE1系統芯片。這個nRF24LE1包含NordicnRF24L01+ 2.4GHz超低功耗收發器,Gazell軟件協議棧(存放在閃存或一次性可編程(OTP)存儲器中)以及一個增強型8位微控制器。這種單片器件的尺寸只有5×5毫米,可以用它設計最小的無線鼠標器。

      nRF24LU1+是另一種系統芯片,其中集成了NordicnRF24L01+收發器、與USB 2.0兼容的器件控制器、閃存(OTP存儲器)、8位微控制器,把它插入主機電腦的USB端口,就完成了無線連接。利用nRF24LU1+,PC外設制造商可以制造很小的USB適配器,它幾乎沒有伸到主機上USB端口之外。

     


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