暢談超低功耗射頻技術(shù)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(shù)市場(例如Wi–Fi，藍(lán)牙，ZigBee以及各公司的專有解決方案)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有成熟。在未來的幾年里，將會出現(xiàn)許多令人鼓舞的進(jìn)展，而無線連接將滲透到我們生活的各個(gè)方面。

　　尤其是在超低功率(ULP)無線應(yīng)用系統(tǒng)中,它使用紐扣電池來供電的微型射頻收發(fā)器，喚醒來后迅速發(fā)送“脈沖”數(shù)據(jù)，然后回到毫微安級的“睡眠”狀態(tài),這很可能會大幅度地增加。例如，根據(jù)ABI研究公司分析指出：在2010年，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)芯片市場增長了百分之三百。該公司還預(yù)測：在2016年，使用藍(lán)牙低耗能芯片的醫(yī)療保健和個(gè)人健身設(shè)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(chǎn)品或設(shè)備(從微小的醫(yī)療傳感器和健身傳感器，到移動電話、電腦、機(jī)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(jìn)去。利用微小的超低功耗收發(fā)器，這些電子產(chǎn)品或設(shè)備能夠與數(shù)千其他設(shè)備直接通信，或者作為網(wǎng)絡(luò)的一部分進(jìn)行通信，明顯地提高電子產(chǎn)品的實(shí)用性。

　　然而，對于大多數(shù)工程師而言，射頻設(shè)計(jì)仍然難以掌握。雖然射頻設(shè)計(jì)不是一件小事，但是，在芯片供應(yīng)商和相當(dāng)好的開發(fā)工具的幫助下，它并沒有超出一位有能力的工程師的設(shè)計(jì)技能。因此，在本文中，我將揭開超低功耗無線技術(shù)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(shù)簡介

　　超低功耗無線技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)(現(xiàn)在稱為經(jīng)典藍(lán)牙，以區(qū)別于最近發(fā)布的4.0版藍(lán)牙，其中包括超低功耗的藍(lán)牙低耗能技術(shù))這些短距離低功耗射頻技術(shù)的區(qū)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(shè)備中的機(jī)會，就極大地增大了。

　　經(jīng)典藍(lán)牙需要的功率比較多，即使是傳送適量的用戶數(shù)據(jù)，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(yīng)用而言，那么就意味著傳統(tǒng)藍(lán)牙并不是一個(gè)很好的無線解決方案(它主要是在可以方便地對電池經(jīng)常充電的時(shí)候用于大量傳送數(shù)據(jù))。

　　典型的藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)用于在移動電話和耳機(jī)之間的無線連接，或者把相機(jī)中的數(shù)字圖像傳送到藍(lán)牙打印機(jī)。因此使用典型藍(lán)牙的無線設(shè)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(yè)化的典型藍(lán)牙應(yīng)用系統(tǒng)，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(fā)器可以用紐扣電池(例如CR2032或者CR2025)供電，工作幾個(gè)月甚至幾年(取決于應(yīng)用系統(tǒng)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(jià)格便宜，但是能量有限，一般在90至240mAh的范圍(一節(jié)AA電池的容量是紐扣電池的10倍至12倍)。

　　這個(gè)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(jié)220mAh的CR2032紐扣電池，如果要它持續(xù)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(shí)x 365天))。

　　超低功耗射頻技術(shù)的峰值電流為幾十毫安，例如，Nordic半導(dǎo)體的nRF24LE1 2.4GHz收發(fā)器在發(fā)射時(shí)消耗電流11.1毫安(在輸出功率為0dBm時(shí))，在接收時(shí)消耗電流13.3毫安(工作在2Mbps時(shí))。如果在較長時(shí)間內(nèi)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(shí)間里只消耗幾毫微安電流。

　　各種不同用途

　　如果收發(fā)器的睡眠時(shí)間占百分之99.75，當(dāng)它被喚醒來做任何有用的事時(shí)，它必須非常努力地工作。超低功耗收發(fā)器是這樣做到這點(diǎn)的：它迅速地被喚醒，發(fā)送很短但帶寬相對較寬的“脈沖”數(shù)據(jù)(高達(dá)1或2 Mbps)，然后立即回到低耗能的睡眠狀態(tài)。

　　正如我們看到的，因?yàn)樗鼈兿牡墓β蕦儆谥械瘸潭龋凸纳漕l收發(fā)器不能用于占空比高的應(yīng)用系統(tǒng)，所以，不直接與Wi-Fi和經(jīng)典藍(lán)牙競爭。不過，超低功耗運(yùn)作的確打開了一個(gè)寬闊的新的應(yīng)用領(lǐng)域，這是其他無線技術(shù)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(shù)已經(jīng)進(jìn)入了體育、保健、娛樂、個(gè)人電腦外圍設(shè)備、遙控器、游戲、移動電話配件、家庭自動化和工業(yè)控制領(lǐng)域，而且在未來幾年將會蔓延到許多其他領(lǐng)域。

　　這些應(yīng)用系統(tǒng)有一個(gè)共同點(diǎn)，這就用到了超低功耗無線技術(shù)的優(yōu)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(shè)備的基礎(chǔ)之上。這些設(shè)備發(fā)送少量的數(shù)據(jù)(通常是幾位)，而且不經(jīng)常發(fā)送(每隔幾秒鐘或者每秒最多幾次)。盡管有這個(gè)共同點(diǎn)，它有各種不同用途，例如用于電腦的無線外圍設(shè)備(例如無線鼠標(biāo)器)，自行車碼表和相關(guān)的性能傳感器(例如速度和距離監(jiān)測器)，射頻遙控器，醫(yī)療傳感器(例如心率監(jiān)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(gè)射頻系統(tǒng)(收發(fā)器)、協(xié)議(軟件代碼或“棧”，它控制射頻系統(tǒng)如何進(jìn)行通信)，還需要一個(gè)應(yīng)用處理器(它有自己的代碼，監(jiān)督的具體應(yīng)用系統(tǒng)，例如，心率監(jiān)測器)。但是，這些東西如何實(shí)施，會影響無線系統(tǒng)的效率、尺寸和成本。

　　為了說明這一點(diǎn)，我們來看看兩個(gè)例子：一個(gè)是無線鼠標(biāo)器，一個(gè)自行車碼表，它們使用不同的方法。

　　無線鼠標(biāo)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(yīng)用系統(tǒng)。無線鼠標(biāo)器制造商需要一個(gè)緊湊、高效率、價(jià)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(biāo)器的造型優(yōu)美，電池的使用壽命很長，零售價(jià)格要廣大消費(fèi)者能夠承受得起。

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

　　對于客戶(鼠標(biāo)器生產(chǎn)商)來說，主要優(yōu)點(diǎn)是，他們在開發(fā)時(shí)不必選擇和購買外部處理器(以及相應(yīng)的開發(fā)工具)，然后生成代碼來運(yùn)行應(yīng)用程序，不用在這些方面再花時(shí)間和金錢。收發(fā)器供應(yīng)商已經(jīng)做了SoC的部分設(shè)計(jì)工作。(不過，如果需要的話，客戶仍然可以使用收發(fā)器供應(yīng)商提供的開發(fā)和評估工具，來開發(fā)自己的協(xié)議。)

　　例如，Nordic半導(dǎo)體向臺式電腦外設(shè)市場提供nRF24LE1系統(tǒng)芯片。這個(gè)nRF24LE1包含Nordic的nRF24L01+ 2.4GHz超低功耗收發(fā)器，Gazell軟件協(xié)議棧(存放在閃存或一次性可編程(OTP)存儲器中)以及一個(gè)增強(qiáng)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(shè)計(jì)最小的無線鼠標(biāo)器。

　　nRF24LU1+是另一種系統(tǒng)芯片，其中集成了Nordic的nRF24L01+收發(fā)器、與USB 2.0兼容的器件控制器、閃存(或OTP存儲器)、8位微控制器，把它插入“主機(jī)”電腦的USB端口，就完成了無線連接。利用nRF24LU1+，PC外設(shè)制造商可以制造很小的USB適配器，它幾乎沒有伸到主機(jī)上USB端口之外。