隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的發(fā)展，為物聯(lián)網(wǎng)定義最佳無(wú)線連接方案的標(biāo)準(zhǔn)仍然難以捉摸。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開(kāi)發(fā)人員而言，這會(huì)帶來(lái)重大風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)檫x擇錯(cuò)誤的標(biāo)準(zhǔn)將大大減少市場(chǎng)機(jī)會(huì)。然而，試圖滿足所有可能的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜，成本增加和項(xiàng)目延遲。隨著德州儀器和恩智浦多標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線MCU的出現(xiàn)，開(kāi)發(fā)人員可以有效地滿足新興的物聯(lián)網(wǎng)連接要求。

多年來(lái)，無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)在很大程度上仍然是射頻專(zhuān)家的專(zhuān)屬領(lǐng)域。對(duì)于RF設(shè)計(jì)新手的工程師來(lái)說(shuō)，優(yōu)化傳輸功率和接收器靈敏度的要求通常會(huì)給應(yīng)用帶來(lái)極大的復(fù)雜性。這通常會(huì)導(dǎo)致整體功能的權(quán)衡，同時(shí)延長(zhǎng)項(xiàng)目進(jìn)度。

無(wú)線MCU的出現(xiàn)給連接應(yīng)用的發(fā)展帶來(lái)了巨大的變化，甚至可能催生了物聯(lián)網(wǎng)本身的愿景。通過(guò)在單個(gè)芯片上集成處理器和RF收發(fā)器，這些片上系統(tǒng)（SoC）器件實(shí)現(xiàn)了民主化的無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)。工程師可以充分利用半導(dǎo)體供應(yīng)商自己的RF專(zhuān)家內(nèi)置于這些設(shè)備中的優(yōu)化無(wú)線通信功能，而不是處理與RF設(shè)計(jì)相關(guān)的各種問(wèn)題。開(kāi)發(fā)人員可以專(zhuān)注于在自己的應(yīng)用中應(yīng)用無(wú)線連接，而不是浪費(fèi)時(shí)間優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵但非差異化部分。

德州儀器CC2650 MCU進(jìn)一步集成了對(duì)連接的支持，基于ARM Cortex ? -M3的主機(jī)，具有完整的片上通信子系統(tǒng)（圖1）。這里，主處理器從其引導(dǎo)ROM和集成閃存運(yùn)行主應(yīng)用程序和高級(jí)協(xié)議棧。當(dāng)應(yīng)用程序需要通信事件時(shí)，主機(jī)處理器僅需要向通信子系統(tǒng)發(fā)送高級(jí)請(qǐng)求。反過(guò)來(lái)，該子系統(tǒng)的專(zhuān)用ARM Cortex-M0內(nèi)核將這些高級(jí)請(qǐng)求轉(zhuǎn)換為特定的通信任務(wù)，并使用集成的RF功能來(lái)執(zhí)行實(shí)現(xiàn)它們所需的詳細(xì)事務(wù)。

圖1：下一代無(wú)線MCU，例如TI CC2650;集成了復(fù)雜的通信子系統(tǒng)，包括專(zhuān)用處理器和RF功能。 （圖片由德州儀器公司提供）

TI CC2650等無(wú)線MCU已成為一種經(jīng)濟(jì)高效的近乎可靠的解決方案，可滿足各種應(yīng)用需求。 RF工程師可以利用RF和天線設(shè)計(jì)，在不影響可靠性或性能的情況下提供簡(jiǎn)便性（CC2650 Dev Kit可用于評(píng)估器件）。應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)人員可以類(lèi)似地利用集成功能來(lái)實(shí)現(xiàn)安全性，傳感器控制，數(shù)字I/O和模擬信號(hào)調(diào)理。同樣重要的是，應(yīng)用軟件運(yùn)行在許多開(kāi)發(fā)人員熟悉的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ARM Cortex-M3 MCU架構(gòu)上。實(shí)際上，軟件開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)供應(yīng)商提供的廣泛生態(tài)系統(tǒng)和第三方軟件庫(kù)（包括經(jīng)過(guò)全面測(cè)試的通信協(xié)議棧）加速開(kāi)發(fā)。

多樣化的連接要求

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，然而，物聯(lián)網(wǎng)通信的混合特性使基于這些無(wú)線MCU的連接應(yīng)用的簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)變得復(fù)雜。例如，在開(kāi)發(fā)典型的工業(yè)應(yīng)用時(shí)，工程師將實(shí)施旨在利用該環(huán)境中使用的低功率IP網(wǎng)絡(luò)的連接。相比之下，對(duì)于消費(fèi)者應(yīng)用，工程師將更多地關(guān)注智能手機(jī)和移動(dòng)產(chǎn)品中使用的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議。由于物聯(lián)網(wǎng)通常與工業(yè)和消費(fèi)者應(yīng)用共享通用連接要求，因此與其他連接應(yīng)用相比，物聯(lián)網(wǎng)通信復(fù)雜性可能會(huì)大幅提升。

對(duì)于消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用，藍(lán)牙無(wú)處不在使其成為首選連接選項(xiàng)：每款現(xiàn)代智能手機(jī)都支持藍(lán)牙，特別是其低功耗版本，稱(chēng)為藍(lán)牙智能或藍(lán)牙低功耗（BLE）。 BLE工作在2.4 GHz ISM頻段，提供高數(shù)據(jù)速率（1 Mbps），連接時(shí)間非常短，只有幾毫秒。在連接事件之后，BLE收發(fā)器可以進(jìn)入低功耗靜態(tài)狀態(tài)，直到下一次連接。因此，設(shè)計(jì)人員可以在典型的基于BLE的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)極低的功耗。

對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，基于802.15.4的網(wǎng)絡(luò)是ZigBee ?等標(biāo)準(zhǔn)的首選方法通常用作高級(jí)協(xié)議。 802.15.4收發(fā)器可以使用2.4 GHz ISM頻段，并且可以支持高達(dá)250 Kbps的數(shù)據(jù)速率。 （802.15.4還允許在不同的國(guó)家區(qū)域使用較低頻率的ISM頻段，但2.4 GHz頻段仍然是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。）

它們共同使用2.4 GHz ISM頻段是BLE之間唯一的實(shí)際相似性和802.15.4。對(duì)于2.4 GHz頻段，802.15.4標(biāo)準(zhǔn)使用偏移 - 正交相移鍵控（O-QPSK）指定物理（PHY）層，這是一種使用四個(gè)不同相位值的調(diào)制方法。相比之下，BLE使用高斯頻移鍵控（GFSK），這是一種旨在減少干擾的脈沖整形技術(shù)。 BLE在2 MHz間隔上使用40個(gè)通道; 802.15.4在5 MHz間隔上使用16個(gè)信道。除了這些基本差異之外，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間的差異還延伸到BLE的堆棧（圖2，左）和常用的基于802.15.4的協(xié)議，如ZigBee（圖2，右）。

圖2：隨著它們的不同調(diào)制技術(shù)，BLE堆棧（左）和基于802.15.4的ZigBee堆棧在各自的軟件層上呈現(xiàn)出明顯的差異。 （圖片由CSR/Qualcomm提供）

與此同時(shí)，連接標(biāo)準(zhǔn)的起伏和變化給開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)了進(jìn)一步的困境。一方面，下一代藍(lán)牙（V4.2）承諾BLE具有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能，缺乏這種功能限制了其在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的實(shí)用性。也就是說(shuō)，相應(yīng)的硬件才剛剛興起，缺乏基于IP的連接仍然是一個(gè)缺點(diǎn)。另一方面，包括ARM，NXP和Silicon Laboratories在內(nèi)的領(lǐng)先芯片制造商已與領(lǐng)先的產(chǎn)品制造商一起支持基于IP的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，稱(chēng)為T(mén)hread，基于6LoWPAN，其底層使用802.15.4。 p>

多標(biāo)準(zhǔn)連接

最終，BLE和802.15.4各自提供了引人注目的連接選項(xiàng)，部署任何一個(gè)（或兩個(gè)）的參數(shù)仍然有效。在此論點(diǎn)發(fā)生變化之前，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員將繼續(xù)面臨在兩個(gè)通信領(lǐng)域之間輕松轉(zhuǎn)移的壓力。

但是，過(guò)去，希望支持基于802.15-4和BLE的連接的公司需要為每個(gè)人創(chuàng)建和維護(hù)單獨(dú)的設(shè)計(jì)。實(shí)際上，設(shè)計(jì)人員可以找到專(zhuān)門(mén)為支持BLE通信而設(shè)計(jì)的各種無(wú)線MCU，以及基于802.15.4的通信。

然而，實(shí)際上，構(gòu)建包含BLE無(wú)線MCU和802.15-4無(wú)線MCU的應(yīng)用程序的成本和復(fù)雜性在競(jìng)爭(zhēng)激烈且注重成本的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)中絕對(duì)是令人望而卻步的。一種更有效的方法將依賴(lài)于能夠支持基于BLE或基于802.15.4的連接的單一硬件設(shè)計(jì)。

采用單一基本硬件設(shè)計(jì)，制造商可能會(huì)延遲選擇無(wú)線連接協(xié)議，直到設(shè)計(jì)周期或更快地響應(yīng)不同通信要求的新機(jī)會(huì)。這種延遲連接決策落后于綜合通信IC系列，例如TI SimpleLink系列，設(shè)計(jì)人員可以切換到另一個(gè)代碼兼容的SimpleLink無(wú)線設(shè)備。這使他們能夠在不影響應(yīng)用的情況下切換底層通信協(xié)議。

TI CC2650進(jìn)一步簡(jiǎn)化了支持多種通信標(biāo)準(zhǔn)的任務(wù)。該器件集成了對(duì)BLE和802.15.4無(wú)線電的支持，允許在不改變天線設(shè)計(jì)的情況下快速重定向到另一種協(xié)議。因此，使用CC2650構(gòu)建的設(shè)計(jì)無(wú)需鎖定選擇即可投入生產(chǎn)，并在現(xiàn)場(chǎng)部署時(shí)進(jìn)行配置。如果以后需要更改協(xié)議，CC2650可以在現(xiàn)場(chǎng)重新編程，以支持所需的協(xié)議。

CC2650的多標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線電作為一個(gè)易于重新定位的單一平臺(tái)提供了顯著的優(yōu)勢(shì)。但是，在軟件方面，重新定位需要重新加載軟件。 TI警告開(kāi)發(fā)人員，CC2650的軟件構(gòu)建一次只能支持一種協(xié)議。此外，設(shè)備本身不能同時(shí)保存兩個(gè)圖像的圖像。雖然CC2650在片上ROM中包含部分BLE和802.15.4堆棧，但CC2650片上128 KB閃存不足以同時(shí)保存BLE和802.15.4協(xié)議：BLE堆棧需要90-120 KB且ZigBee堆棧通常需要48 KB左右。即使使用高度優(yōu)化的堆棧或剝離了額外的功能，也幾乎沒(méi)有空間容納應(yīng)用程序所需的額外代碼。

然而，在實(shí)踐中，設(shè)計(jì)人員可以簡(jiǎn)單地添加足夠大的外部閃存來(lái)存儲(chǔ)BLE和802.15.4映像，適用于需要能夠輕松重新配置以支持任一協(xié)議的應(yīng)用程序。實(shí)際上，TI本身使用這種方法和基于CC2650的SensorTag參考設(shè)計(jì)（圖3），并進(jìn)一步利用額外的存儲(chǔ)來(lái)支持新固件映像的空中下載（OAD）。

在OAD期間交易時(shí)，設(shè)備將新固件下載到外部閃存。驗(yàn)證新圖像后，將其復(fù)制到片上閃存中，并重置設(shè)備以開(kāi)始執(zhí)行新圖像。當(dāng)然，單獨(dú)的BLE和802.15.4圖像可以靜態(tài)存儲(chǔ)在此外部閃存中，并在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要更改通信協(xié)議時(shí)加載。

圖3：CC2650支持與外部閃存的簡(jiǎn)單接口，例如Winbond Electronics W25X20C 2 Mb閃存，用于存儲(chǔ)多標(biāo)準(zhǔn)連接所需的完整映像。 （圖片由德州儀器公司提供）

切換物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通信協(xié)議的能力為設(shè)計(jì)增加了顯著的靈活性。然而，設(shè)計(jì)必須最終位于一個(gè)世界或另一個(gè)世界，802.15.4或BLE。對(duì)于必須與使用不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)保持連接的應(yīng)用，恩智浦KW40Z W系列Kinetis MCU提供了獨(dú)特的解決方案。

KW40Z SoC集成了ARM Cortex-M0 +內(nèi)核，160 KB閃存和20 KB SRAM，以及2.4 GHz收發(fā)器和用于處理BLE和802.15.4通信的專(zhuān)用硬件。它們由硬件安全性和全套數(shù)字和模擬外設(shè)（包括16位ADC）提供支持。憑借其更大的閃存模塊，KW40Z集成了足夠的片上存儲(chǔ)器，可同時(shí)運(yùn)行BLE堆棧和IEEE 8021.5.4 MAC/PHY，適用于需要在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)運(yùn)行的應(yīng)用。此外，恩智浦正在通過(guò)其W系列家族的下一代產(chǎn)品升級(jí)內(nèi)存：KW41Z在撰寫(xiě)本文時(shí)仍處于預(yù)生產(chǎn)階段，具有256至512 KB的片上閃存和64-128 KB的片上SRAM 。

在KW40Z先進(jìn)的數(shù)字無(wú)線電子系統(tǒng)中，TX數(shù)字模塊（圖4）根據(jù)所需的通信協(xié)議調(diào)制傳輸數(shù)據(jù)，并提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)字無(wú)線電的鎖相環(huán)（PLL），反過(guò)來(lái)處理頻率選擇和最終傳輸。 TX數(shù)字模塊可以調(diào)制來(lái)自GFSK，F(xiàn)SK或DFT音調(diào)調(diào)制器的傳輸數(shù)據(jù)，甚至可以調(diào)制用戶提供的調(diào)制方案。

圖4 ：TX數(shù)字模塊是KW40Z數(shù)字無(wú)線電子系統(tǒng)的一部分，支持單獨(dú)通信標(biāo)準(zhǔn)（包括BLE和802.15）所需的調(diào)制。它使用快速時(shí)間切片方法來(lái)維護(hù)跨不同協(xié)議的并發(fā)通信。 （圖片由恩智浦提供）

如圖4所示，通信信號(hào)路徑似乎一次只支持一個(gè)協(xié)議。實(shí)際上，KW40Z采用快速時(shí)間分片方法，足以在BLE和802.15.4通信之間交替，同時(shí)維持各自的通信通道。對(duì)于應(yīng)用層和通信層，KW40Z似乎在BLE和802.15.4網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行通信。

結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可以征收跨越工業(yè)和消費(fèi)者通信要求的連接需求。盡管設(shè)計(jì)人員擁有廣泛的獨(dú)立選項(xiàng)來(lái)支持諸如802.15.4之類(lèi)的工業(yè)協(xié)議或諸如BLE之類(lèi)的消費(fèi)者協(xié)議，但是在同一設(shè)計(jì)中很少有可行的替代方案可用于支持多種協(xié)議。隨著多標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線MCU的出現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)人員可以提供更靈活的連接選項(xiàng)，甚至可以在單一設(shè)計(jì)中支持基于802.15.4和BLE的并發(fā)通信。