2.4 GHz ISM 頻段實(shí)施多協(xié)議方案

在個(gè)人局域網(wǎng) (PAN) 方面，沒有一種技術(shù)比藍(lán)牙更普及，隨著藍(lán)牙 5 的出現(xiàn)，其吸引力將不斷增強(qiáng)。最新版本的規(guī)格發(fā)生了重大升級，因?yàn)樗▽W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的支持，這種拓?fù)湓试S在各個(gè)設(shè)備之間建立直接連接，而無需中央集線器。這將導(dǎo)致藍(lán)牙 PAN 在其尺寸和設(shè)備數(shù)量方面不受約束，這在 IoT 中具有明顯優(yōu)勢。其他積極的改進(jìn)包括范圍、有效載荷的大小以及功耗，所有這些都將提高藍(lán)牙的適用性，從而增加服務(wù)設(shè)備的數(shù)量。

Dialog Semiconductor 的 DA14586 是首批支持藍(lán)牙 5 的集成器件之一。這種高度集成的 SoC 具有三個(gè)處理器： 用于應(yīng)用代碼的 ARM? Cortex?-M0 內(nèi)核、用于鏈路層的專用處理器和 AES 128 位加密處理器。它還集成了一個(gè)支持單線天線的 2.4 GHz 無線電收發(fā)器。諸如 DA14586 的器件尺寸小巧、集成度高且對功耗要求較低，是可穿戴設(shè)備的理想之選。在此類應(yīng)用中，將可能在 PCB 上實(shí)施天線，以進(jìn)一步減少 BOM 和總系統(tǒng)基底面。一般來說，這是理想的用例，但與任何射頻設(shè)計(jì)一樣，應(yīng)采取一些預(yù)防措施。例如，該器件需要一個(gè)使用盡可能多通孔進(jìn)行連接的良好且堅(jiān)固的接地平面，以及一個(gè)整體緊湊的基底面，以最大限度地減少在較高頻率下工作的元件之間的交叉耦合。通過使用多層 PCB 來幫助實(shí)施最常見的天線格式(即倒 F 天線 (IFA))，可以非常容易地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。當(dāng)應(yīng)用于藍(lán)牙鏈路時(shí)，可以使用折疊的 IFA 格式(相對于展開式 IFA)將所需的 PCB 面積減少一半，但仍可提供可接受的帶寬。圖 1a 和 1b 分別顯示了在 DG14586 的多層 PCB 頂層實(shí)施的全尺寸印刷及以縮減尺寸印刷的 IFA。

圖 1b： 在 1 mm 基底上以縮減尺寸印刷的 IFA。

多協(xié)議解決方案

雖然藍(lán)牙非常普及的，但它并不是 IoT 中唯一使用的無線協(xié)議。任何單一協(xié)議都不太可能滿足所有應(yīng)用的要求，因此對在 2.4 GHz ISM 頻段實(shí)施多協(xié)議共存的需求將會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。為此，一些制造商現(xiàn)推出可以在同一設(shè)備中實(shí)施多種無線協(xié)議的器件，這為制造商和消費(fèi)者提供了最大的選擇空間。

一個(gè)最好的例子就是 Silicon Labs 的 Mighty Gecko 多協(xié)議無線 SoC 系列。由具有 DSP 擴(kuò)展功能的高性能 ARM Cortex-M4 提供動(dòng)力，EFR32MG12 可支持 ZigBee、Thread、藍(lán)牙 5 和專有協(xié)議。它還集成了許多適用于 IoT 應(yīng)用的 Silicon Labs 外設(shè)，例如，其低能量傳感器接口 (LESENSE) 和多通道電容感應(yīng)接口 (CSEN)。

顯示了完全集成且靈活的無線電收發(fā)器，包括一個(gè)片上平衡不平衡轉(zhuǎn)換器。憑借 RFSENSE 塊，器件可以在接收到射頻信號時(shí)進(jìn)行喚醒，并自主解調(diào)該信號(無需喚醒 MCU)，該功能旨在最大限度地延長由電池或所收集能量供電的應(yīng)用的壽命。

圖 2： EFR32MG12 中完全集成的。EFR32 系列非常適用于從太陽能、熱能或振動(dòng)等可再生能源收集能量的應(yīng)用。甚至可以在工業(yè)應(yīng)用中通過從 4-20 mA 電流環(huán)路收集的能量來運(yùn)行 EFR32。圖 3 展示了低功耗工作的 EFR32 如何使設(shè)備通過收集的能量來運(yùn)行。

圖 3： 低功耗模式可以幫助實(shí)現(xiàn)僅通過收集的能量來運(yùn)行的 IoT 應(yīng)用。高效管理在能量收集應(yīng)用中非常重要，其中包括存儲(chǔ)任何不立即使用的能量?？梢詫?shí)施諸如電解電容器、超級電容器或小型充電電池的能量庫。由于在啟動(dòng)時(shí)存在電流浪涌，還可能需要包括在能量庫充足電之前抑制 SoC 上電的方法。圖 4 是如何實(shí)施這種電壓控制電源開關(guān)的概念圖。應(yīng)在開關(guān)中設(shè)計(jì)滯后，以防止在啟動(dòng)期間電壓電平降至欠壓水平時(shí) MCU 掉電。

圖 4： 實(shí)施電壓控制電源開關(guān)。