作者： Steven Keeping

今天，盡管無線連接已無處不在，用戶使用起來也越來越方便，但如果在射頻工程方面經驗有限，設計無線項目仍然是一項艱巨的任務。

商用模塊通常集成了嵌入式處理器、收發器、射頻調諧電路、電源管理，甚至還有一根或兩根天線，使工作變得更容易，因為大部分的射頻設計和測試已經完成。不過，有些原型需要注意更多的設計細節，以確保即使采用 [Microchip Technology] 的 [WBZ451PE-I] 等模塊（圖 1）也能取得成功。

圖 1：WBC451PE-1 模塊雖然使無線產品構建變得輕而易舉，但仍存在一些隱患。（圖片來源：Microchip Technology）

模塊在電路板上的方向、地平面的位置、電磁干擾 (EMI) 屏蔽、其他元件的位置、印制電路 (PC) 板印制線阻抗等簡單的因素都會產生影響。因此，相對于設計者不注重細節的無線產品而言，設計精良且帶有射頻模塊的無線產品展現出更大的范圍、更高的吞吐量和更低的功耗。

編碼時間

軟件也會對產品的整體性產生重要影響。無線產品通常需要射頻協議棧和應用軟件。

雖然可以編寫低功耗藍牙 (LE)、Zigbee 或專有 2.4 GHz 協議等射頻協議軟件的代碼，但經過驗證的成熟協議棧通常由收發器制造商提供，或從開源庫中獲取。這可能是最具性價比、最快捷的方法。

在無線鏈路上傳輸無線電數據和確保數據包攜帶有用的有效載荷是兩碼事。應用代碼決定類型、優先級、格式以及數據如何傳輸頻率等參數。軟件可完成一些相對簡單的事情，如發送溫度、濕度或心率信息。對于更復雜的應用，則可能需要傳輸音頻流或來自機器振動傳感器的多個實時頻率。

射頻協議和應用軟件對產品性能的影響不亞于硬件。例如，如果應用代碼編寫不當，可能會導致射頻協議棧出現持續中斷，進而影響吞吐量。或者，應用軟件可能會對無線電的占空比產生不利影響。例如，應用軟件可能會指示無線電更頻繁地傳輸數據，從而增加不必要的功耗。

為無線項目尋求幫助

好消息是，在開發無線項目時可在許多方面尋求幫助。制造商非常樂意在硬件設計、協議和應用軟件示例方面提供幫助。

在硬件方面可以得到的幫助通常是評估套件。評估套件可以是基于目標無線收發器或模塊的完整工作設計。硅器件供應商通常會提供印刷電路板 Gerber 文件和規定了評估套件組件的物料清單 (BOM)，從而方便將產品用作硬件參考設計。評估板設計的重要部分是天線定位。您需要使地平面和其他元件之間保持足夠的間隙，以確保獲得最佳的天線靈敏度。通過使用制造商的布局，可以避免影響天線性能。

例如，Microchip Technology 的 [EV96B94A WBZ451 Curiosity Board] 是一個完整評估套件（圖 2）。使用該評估板，工程師可以更輕松地為智能家居和工業自動化應用中的低功耗藍牙和 Zigbee 項目進行原型開發。Curiosity Board 的核心是 [IWBZ451PE-I] 藍牙收發器模塊。該模塊基于 PIC32CX-BZ2。這是一款通用型低成本、32 位微控制器，可支持低功耗藍牙（最高 5.2 版）和 Zigbee（最高 3.0 版）等多協議無線接口，同時還可管理射頻收發器和電源管理單元 (PMU)。

圖 2：EV96B94A Curiosity Board 的頂部-側視圖，其中，WBZ451PE-I 模塊位于頂端。注意：模塊上印刷電路板天線的內置間隙，可確保獲得最佳性能。（圖片來源：Microchip Technology）

WBZ451PE-I 模塊集成了微控制器，支持印刷電路板天線或用于外部天線的 u.FL 連接器。該模塊配備了一套標準微控制器外設，如模數轉換器 (ADC)，以及串行外設接口 (SPI)、內部集成電路 (I2C)、四通道 SPI (QSPI) 和通用異步收發器 (UART) 等接口。

Curiosity Board 還配備了一個外置式 Microchip QSPI 閃存芯片、一個模擬電壓溫度傳感器和一個用于連接外部編程器/調試器的 10 針 [Arm] 串行線調試 (SWD) 接頭。

準備原型開發

您會發現 Curiosity Board 的入門相對簡單。該開發板是主要硬件，但還需要一條 Type-A 公頭轉 Micro-B USB 電纜，以便將開發板連接到 PC 和支持藍牙的 Android 或 iOS 智能手機。進行開發所需的軟件包括 MPLAB 集成開發環境 (IDE)、MPLAB XC32 編譯器、PKOB4 工具包和開箱即用的演示版。可以使用外部 5 V 電源或 4.2 V 鋰電池為該評估板供電。圖 3 所示為 Curiosity Board 的硬件框圖。

圖 3 Curiosity Board 的硬件框圖顯示了如何用 5 V 電源或者 Li-Po 電池為其供電。該板還內置了溫度傳感器和 RGB LED，可與示例程序配合使用。（圖片來源：Microchip Technology）

該板包括一個集成編程器和調試器（PKOB4 工具包的一部分）。該器件支持通過 micro-B USB 連接器從主電腦對 WBZ451PE-I 模塊進行編程、調試。默認情況下，板載調試器與 WBZ451PE-1 模塊的編程引腳（SWDIO 和 SWDCLK）連接。

該板配備的軟件可在單個應用中演示兩種常見的低功耗藍牙和 Zigbee 用例，兩個接口棧可同時運行。具體來說，該應用支持低功耗藍牙傳感器監視、低功耗藍牙照明控制以及 Zigbee 照明控制和監視。傳感器示例實現了一個全功能低功耗藍牙溫度傳感器，數據來自 Curiosity Board 的板載溫度傳感器。該板還集成了一個 RGB LED。

Zigbee 照明控制軟件示例包括對該板上 RGB LED 的低功耗藍牙全控制。通過低功耗藍牙進行的 Zigbee 調試使用低功耗藍牙鏈接交換 Zigbee 調試數據。Zigbee 和低功耗藍牙任務在 FreeRTOS 下同時運行。圖 4 中的“燈”（由電路板上的 RGB LED 表示）可通過低功耗藍牙或 Zigbee 網絡進行控制。連接后，用戶可以通過低功耗藍牙連接控制 LED 的亮度、顏色和點亮/熄滅狀態。

圖 4：Curiosity Board 的照明控制示例演示了 Zigbee 和低功耗藍牙協議棧同時運行。（圖片來源：Microchip Technology）

驗證過示例后，可以嘗試編寫自己的代碼。對于沒有經驗的代碼編寫人員，Microchip 提供應用構建塊。這些內容緊湊的培訓模塊側重于 WBZ451PE-I 模塊的低功耗藍牙功能。通過這些構建模塊，可以熟悉軟件、MPLAB 代碼配置器以及實現相關功能所需的應用編程接口 (API)。

結束語

沒有經驗的人可能會對無線設計望而生畏，但有了芯片供應商提供的評估板和射頻模塊，無線設計就變得容易多了。此外，制造商還提供成熟可靠的射頻協議棧，并通過提供示例和構建模塊，讓用戶輕松入門復雜應用。

審核編輯 黃宇