畅谈超低功耗射频技术的未来

2013-09-02 21:52 来源:电子信息网 作者:洛小辰

虽说交货量每星期有几千万片,但在全球流行的2.4GHzISM频段短距离低功耗射频技术市场(例如Wi–Fi,蓝牙,ZigBee以及各公司的专有解决方案)还远远没有成熟。在未来的几年里,将会出现许多令人鼓舞的进展,而无线连接将渗透到我们生活的各个方面。

尤其是在超低功率(ULP)无线应用系统中,它使用纽扣电池来供电的微型射频收发器,唤醒来后迅速发送“脉冲”数据,然后回到毫微安级的“睡眠”状态,这很可能会大幅度地增加。例如,根据ABI研究公司分析指出:在2010年,无线传感器网络(WSN)芯片市场增长了百分之三百。该公司还预测:在2016年,使用蓝牙低耗能芯片的医疗保健和个人健身设备交货量不会低于4.67亿件。

可以在嵌入式电子电路的任何便携式电子产品或设备(从微小的医疗传感器和健身传感器,到移动电话、电脑、机床、汽车,几乎它们之间的一切东西),都可以把超低功耗无线连接加进去。利用微小的超低功耗收发器,这些电子产品或设备能够与数千其他设备直接通信,或者作为网络的一部分进行通信,明显地提高电子产品的实用性。

然而,对于大多数工程师而言,射频设计仍然难以掌握。虽然射频设计不是一件小事,但是,在芯片供应商和相当好的开发工具的帮助下,它并没有超出一位有能力的工程师的设计技能。因此,在本文中,我将揭开超低功耗无线技术的面纱,介绍芯片,并且探讨如何以及在什么地方使用这些芯片。

超低功耗无线技术简介

超低功耗无线技术和蓝牙技术(现在称为经典蓝牙,以区别于最近发布的4.0版蓝牙,其中包括超低功耗的蓝牙低耗能技术)这些短距离低功耗射频技术的区别在于,它需要的功率明显地少很多。这样,把无线连接用到在最小最紧凑的便携式电子设备中的机会,就极大地增大了。

经典蓝牙需要的功率比较多,即使是传送适量的用户数据,因此几乎只能使用可充电电池。它需要的功率较高,对于的低带宽、长寿命的应用而言,那么就意味着传统蓝牙并不是一个很好的无线解决方案(它主要是在可以方便地对电池经常充电的时候用于大量传送数据)。

典型的蓝牙技术已经用于在移动电话和耳机之间的无线连接,或者把相机中的数字图像传送到蓝牙打印机。因此使用典型蓝牙的无线设备,它的电池寿命通常是几天,最多是几星期(注:有一些高度专业化的典型蓝牙应用系统,可以用容量较低的原电池供电)。

相比之下,超低功耗射频收发器可以用纽扣电池(例如CR2032或者CR2025)供电,工作几个月甚至几年(取决于应用系统的占空比),假定消耗的额定平均电流仅200μA。这些纽扣电池很小,价格便宜,但是能量有限,一般在90至240mAh的范围(一节AA电池的容量是纽扣电池的10倍至12倍)。

这个容量属于中等,明显地限制了超低功耗无线链路激活的占空比。例如,一节220mAh的CR2032纽扣电池,如果要它持续工作一年,那么它的最大额定电流(或放电率)只能维持在25μA(220mAh /(24小时x 365天))。

超低功耗射频技术的峰值电流为几十毫安,例如,Nordic半导体的nRF24LE1 2.4GHz收发器在发射时消耗电流11.1毫安(在输出功率为0dBm时),在接收时消耗电流13.3毫安(工作在2Mbps时)。如果在较长时间内的平均电流被限制在几十微安,占空比必须很低(大约百分之0.25),而且芯片要很快回到睡眠模式,在大部分时间里只消耗几毫微安电流。

各种不同用途

如果收发器的睡眠时间占百分之99.75,当它被唤醒来做任何有用的事时,它必须非常努力地工作。超低功耗收发器是这样做到这点的:它迅速地被唤醒,发送很短但带宽相对较宽的“脉冲”数据(高达1或2 Mbps),然后立即回到低耗能的睡眠状态。

正如我们看到的,因为它们消耗的功率属于中等程度,超低功耗射频收发器不能用于占空比高的应用系统,所以,不直接与Wi-Fi和经典蓝牙竞争。不过,超低功耗运作的确打开了一个宽阔的新的应用领域,这是其他无线技术做不到的。

这些用途的多样化是不寻常的。超低功耗无线技术已经进入了体育、保健、娱乐、个人电脑外围设备、遥控器、游戏、移动电话配件、家庭自动化和工业控制领域,而且在未来几年将会蔓延到许多其他领域。

这些应用系统有一个共同点,这就用到了超低功耗无线技术的优势。它们是建立在使用小型电池、小巧紧凑的传感器和外围设备的基础之上。这些设备发送少量的数据(通常是几位),而且不经常发送(每隔几秒钟或者每秒最多几次)。尽管有这个共同点,它有各种不同用途,例如用于电脑的无线外围设备(例如无线鼠标器),自行车码表和相关的性能传感器(例如速度和距离监测器),射频遥控器,医疗传感器(例如心率监测器),它们需要非常不同的工程解决方案。

简单地说,无线连接需要一个射频系统(收发器)、协议(软件代码或“栈”,它控制射频系统如何进行通信),还需要一个应用处理器(它有自己的代码,监督的具体应用系统,例如,心率监测器)。但是,这些东西如何实施,会影响无线系统的效率、尺寸和成本。

为了说明这一点,我们来看看两个例子:一个是无线鼠标器,一个自行车码表,它们使用不同的方法。

无线鼠标器是比较简单(但肯定不是无足轻重)、大量使用的超低功耗射频应用系统。无线鼠标器制造商需要一个紧凑、高效率、价钱便宜的连接解决方案。换句话说,他们希望他们的无线鼠标器的造型优美,电池的使用寿命很长,零售价格要广大消费者能够承受得起。

用于鼠标器的最佳选择是系统芯片(SoC),其中包含射频系统、工厂提供的协议和应用处理器,都在一块硅片上。由于它的用量很大,抵消了开发系统芯片的较高非经常性工程(NRE)费用。此外,厂商可以优化硬件和软件的性能,以满足目标应用的需要。

对于客户(鼠标器生产商)来说,主要优点是,他们在开发时不必选择和购买外部处理器(以及相应的开发工具),然后生成代码来运行应用程序,不用在这些方面再花时间和金钱。收发器供应商已经做了SoC的部分设计工作。(不过,如果需要的话,客户仍然可以使用收发器供应商提供的开发和评估工具,来开发自己的协议。)

例如,Nordic半导体向台式电脑外设市场提供nRF24LE1系统芯片。这个nRF24LE1包含Nordic的nRF24L01+ 2.4GHz超低功耗收发器,Gazell软件协议栈(存放在闪存或一次性可编程(OTP)存储器中)以及一个增强型8位微控制器。这种单片器件的尺寸只有5×5毫米,可以用它设计最小的无线鼠标器。

nRF24LU1+是另一种系统芯片,其中集成了Nordic的nRF24L01+收发器、与USB 2.0兼容的器件控制器、闪存(或OTP存储器)、8位微控制器,把它插入“主机”电脑的USB端口,就完成了无线连接。利用nRF24LU1+,PC外设制造商可以制造很小的USB适配器,它几乎没有伸到主机上USB端口之外。

射频 Nordic

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