前言
目前有一種看法是,,低成本無(wú)線通信由藍(lán)牙和ZigBee包攬,,深入探討你就會(huì)發(fā)現(xiàn)專有的RF替代方案,而且更適合在中國(guó)生產(chǎn)的產(chǎn)品,。
如果您認(rèn)為低成本無(wú)線通信就是IEE802下的藍(lán)牙(IEEE802.15)和ZigBee(IEEEE802.15.4),,這是情有可原的,毫無(wú)疑問(wèn)他們以來(lái)頭不小的專業(yè)組(Special Interest Groups)以及電子業(yè)重量級(jí)人物作為靠山,,但是他們并非無(wú)線通信唯一的選擇,。
在廣泛應(yīng)用的個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(PAN)包括PDA、耳機(jī),、移動(dòng)電話和膝上個(gè)人電腦的兼容通信上,,藍(lán)牙是一種理想的選擇;在這些應(yīng)用里,,遵守標(biāo)準(zhǔn)的確可以免除大量設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。您可以確保您的設(shè)計(jì)能與建立在同樣標(biāo)準(zhǔn)上的另一方通信,同時(shí)獲得所需范圍和數(shù)據(jù)傳送率,。而最近獲準(zhǔn)通過(guò)的ZigBee標(biāo)準(zhǔn),,優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)上包括多節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品的應(yīng)用,在這種應(yīng)用,,不但要求可靠的通信而且還要求電池壽命可達(dá)數(shù)年,。
不過(guò),遵守這些標(biāo)準(zhǔn)要付出一定的代價(jià):器件成本昂貴,,僅僅為了保持兼容性而需要在數(shù)據(jù)包通信上付出很大的開銷,,這又會(huì)增加數(shù)據(jù)傳送時(shí)間并增加功耗。
為了確保諸多制造商生產(chǎn)的手機(jī),、膝上電腦或無(wú)線傳感器的互操作性,,需要為802.15方案做大量的設(shè)計(jì)和測(cè)試來(lái)確保符合標(biāo)準(zhǔn),這還算是合情合理,,不過(guò),,如果應(yīng)用在一對(duì)一的專用鏈路上,如無(wú)線鼠標(biāo)和鍵盤之間,,它就成了沒(méi)有必要的開銷了,。這些低成本、低功耗應(yīng)用在中國(guó)越來(lái)越重要,,特別是當(dāng)為出口市場(chǎng)開發(fā)創(chuàng)新產(chǎn)品時(shí),。
本文要說(shuō)明的是,在這種類型應(yīng)用中選擇作者所在公司生產(chǎn)的RF芯片(Nordic半導(dǎo)體的nRF24xx系列)的優(yōu)勢(shì),。我們將比較使用藍(lán)牙,、ZigBee和nRF來(lái)設(shè)計(jì)無(wú)線鼠標(biāo)來(lái)展示這個(gè)無(wú)線專有方案的優(yōu)勢(shì)。在其他相似的應(yīng)用上,,如游戲機(jī)控制器以及智能型運(yùn)動(dòng)設(shè)備上,,其基本要素是相同的。
RF比較
藍(lán)牙協(xié)議允許數(shù)據(jù)在1個(gè)主設(shè)備和最多7個(gè)從設(shè)備(在PAN或piconet中)之間以最高723kbit/s的速率傳送,。不過(guò),,由于通信協(xié)議規(guī)定各個(gè)裝置與地址和其他信息標(biāo)題的類型以確保與其他藍(lán)牙設(shè)備兼容,實(shí)際實(shí)際的速率會(huì)比這個(gè)數(shù)值小,。
標(biāo)準(zhǔn)采用高斯頻移鍵控(GFSK)調(diào)制模式,,在2.4G頻段內(nèi)使用83個(gè)1Mbps的頻道。在送到載波之前,,GFSK在基帶信號(hào)上使用高斯過(guò)濾,。可以平滑高電平("1")低電平("0"),。與頻移鍵控(FSK)的直接方法相比,,可以給傳輸信號(hào)提供一個(gè)較狹和"更干凈"的頻譜,。
由于藍(lán)牙在免許可證ISM頻段下運(yùn)行,如其他無(wú)線技術(shù)一樣(如Wi-Fi),,干擾會(huì)削弱速率,,原因是,錯(cuò)誤的信息包需要重新發(fā)送,。不過(guò),,在1.2版本,通過(guò)加入自適應(yīng)跳頻率(AFH)解決了這個(gè)難題,。這樣便能讓藍(lán)牙的兩個(gè)通信設(shè)備不斷在頻段上相互切換頻率,,以免與附近其他的RF設(shè)備碰撞。
藍(lán)牙設(shè)備有三種基本功率電平:1級(jí)(100米線視距),、2級(jí)(10米)和3級(jí)(2-3米),。目前常用的設(shè)備為2級(jí)。
在藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)設(shè)備都有一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的48比特識(shí)別號(hào)碼,。第一個(gè)識(shí)別設(shè)備(通常在2秒鐘內(nèi))成為主設(shè)備,,接著設(shè)定為在頻段中每秒使用1600次,所有網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備將與這個(gè)主設(shè)備鎖定并與其同步,。主設(shè)備以偶時(shí)隙傳送,,從設(shè)備以奇時(shí)隙響應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)中的從設(shè)備將被分配一個(gè)地址,,并收聽(tīng)屬于自己的時(shí)隙和地址信息,。
從設(shè)備也可以進(jìn)入低功耗的可能進(jìn)入功率"探測(cè)","保持"和"停止"模式,。在探測(cè)模式中,,設(shè)備僅僅在指定的探測(cè)時(shí)隙中靜聽(tīng),但是保持同步,。在保持模式中,,設(shè)備進(jìn)行收聽(tīng)來(lái)確定自身是否需要激活。在停止模式中,,設(shè)備放棄它的地址,。雖然在保持和停止模式下可以延長(zhǎng)電池壽命省電,但這也這意味著,,設(shè)備失去同步,,同時(shí)重新建鏈將需要等待時(shí)間,這將耗時(shí)幾秒鐘,,如果用戶要求快速響應(yīng),,這無(wú)疑是一個(gè)缺點(diǎn)。
藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)包括一系列的應(yīng)用領(lǐng)域可供選擇,。不過(guò),,所有藍(lán)牙的應(yīng)用,,都必須得到認(rèn)可,并符合藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn),,同時(shí),,所有用戶必須是藍(lán)牙特別的成員(www.藍(lán)牙.org),。
由于來(lái)自藍(lán)牙專業(yè)組的商業(yè)壓力,,大部分應(yīng)用領(lǐng)域都適用于移動(dòng)電話上的媒體和文件的傳輸應(yīng)用。因此,,應(yīng)用藍(lán)牙來(lái)開發(fā)一些較為簡(jiǎn)單的應(yīng)用是價(jià)值不高并且沒(méi)有實(shí)用價(jià)值的,。
ZigBee是最近推出的RF標(biāo)準(zhǔn),為大量多節(jié)點(diǎn),、低功耗,、低速率的無(wú)線監(jiān)控應(yīng)用而開發(fā)。
本標(biāo)準(zhǔn)定義為IEEE802.15.4(參見(jiàn)www.zigbee.com),,也是可靠性很高的一種簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)協(xié)議,。這包括通知每次傳輸?shù)膽?yīng)答機(jī)制以及其他技術(shù)以保持信息的可靠性。ZigBee無(wú)須藍(lán)牙的同步功能,,因此在一定程度上降低功耗,。
像藍(lán)牙那樣,ZigBee工作在ISM 2.4GHz頻段(5MHz 16頻道)內(nèi),。本標(biāo)準(zhǔn)也提供在歐洲868MHz(單頻道)和US915MHz(2MHz 10頻道)頻段的版本,。它保證250kbit/s的最高速率。
ZigBee靠DSSS(直接序列擴(kuò)頻)模式來(lái)傳輸數(shù)據(jù),。DSSS能在一定程度上 防止干擾,,但是必須付出傳送過(guò)量數(shù)據(jù)包的代價(jià),并且導(dǎo)致帶寬和功耗,。
本標(biāo)準(zhǔn)試圖糾正藍(lán)牙在某些應(yīng)用環(huán)境中的潛在弱點(diǎn),,尤其是在低時(shí)延和低數(shù)據(jù)速率應(yīng)用方面。不過(guò),,按照802.15.4的要求,,ZigBee在RF物理層上的應(yīng)用還需要進(jìn)行補(bǔ)充來(lái)實(shí)現(xiàn)和完善互操作性。
補(bǔ)充技術(shù)
藍(lán)牙和ZigBee標(biāo)準(zhǔn)是互補(bǔ)的,,而不是相互競(jìng)爭(zhēng)的,。
與藍(lán)牙的7加主設(shè)備相比,ZigBee能容納高達(dá)4090個(gè)節(jié)點(diǎn),。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)比較適合工業(yè)和家庭監(jiān)控和控制應(yīng)用,,這種應(yīng)用場(chǎng)合的特點(diǎn)是,節(jié)點(diǎn)多而節(jié)點(diǎn)的通信頻繁度不是很高,。
電源消耗是一個(gè)主要的不同點(diǎn),,ZigBee為工作循環(huán)和和超長(zhǎng)壽命應(yīng)用而設(shè)計(jì),;它的電池壽命以年計(jì)算,而藍(lán)牙的不間斷通信,,幾個(gè)小時(shí)便把電池電力耗盡,。
而ZigBee的芯片組,只需藍(lán)牙的一小部分費(fèi)用(雖然藍(lán)牙規(guī)程堆棧里有各種變體,,也能提供較低成本的解決方案),。不過(guò),作為新近的認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn),,ZigBee還是受到多種限制,。
作者所在的公司(www.nordicsemi.no)提供了一種專有的RF芯片方案nRF24xx。它是一種片上系統(tǒng)SOC,,包括RF收發(fā)器,,一個(gè)8051微控制器,4頻道12比特ADC以及各種標(biāo)準(zhǔn)接口,,以0.18umCMOS工藝制成,。
本產(chǎn)品采用GFSK調(diào)制模式(與藍(lán)牙類似),它提供1Mbit/s的速率以并以最小的開銷來(lái)提供最佳的性能和最低的功耗,。該產(chǎn)品提出了一種以物理層規(guī)程處理為基礎(chǔ)的硬件,,在正常操作中,對(duì)于用戶傳輸是透明的,。(圖1(a)和(b),,以ZigBee規(guī)程堆棧與本產(chǎn)品對(duì)比。)
該專有解決方案為小型嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而開發(fā),,在進(jìn)行無(wú)線電項(xiàng)目開發(fā)時(shí),,開發(fā)者將對(duì)以SPI 為基礎(chǔ)的接口感到滿意。
一個(gè)120比特寄存器用來(lái)為芯片使用設(shè)立通信鏈路,,涵蓋功能的各個(gè)方面,。集成在內(nèi)的微處理器只需在首次使用時(shí)配置參數(shù),以后只需輸入目的地址和數(shù)據(jù)即可,。
顯然,,由于這樣的設(shè)計(jì)無(wú)需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)證,產(chǎn)品上市的時(shí)間便會(huì)大大縮短,。當(dāng)然產(chǎn)品仍需符合無(wú)線電管理當(dāng)局的規(guī)則要求,,如歐洲的ETSI或美國(guó)的FCC,不管是不是按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),,任何RF都不例外,。
藍(lán)牙、ZigBee和專有方案都各自使用獨(dú)特的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)(參考"數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)"),。
當(dāng)使用專有方案?jìng)鬏?2比特?cái)?shù)據(jù)包時(shí),,專有方案需要傳輸80位,,需要48比特的額外開銷,數(shù)據(jù)包效率是40%,。相比之下,,藍(lán)牙需要傳輸160比特,其中包括128比特的額外開銷,,效率只有20%,。傳送完全相同的數(shù)量的數(shù)據(jù),ZigBee設(shè)備將用152比特,,效率是21%,。
專有方案采用藍(lán)牙的信道模式。兩者都使用2.400~2.483GHz之間的83個(gè)1MHz帶寬的頻道(更準(zhǔn)確地說(shuō),,2.402至2.483GHz,分解成75個(gè)1MHz帶寬頻道,,和一個(gè)2MHz的下保護(hù)帶和一個(gè)3.5MHz的上保護(hù)帶),,與ZigBee的16頻道相比(參見(jiàn)圖2),這使藍(lán)牙和專有方案在遭遇從擁擠的頻段帶來(lái)的干擾的時(shí)候有更多可用頻率,。(參見(jiàn) "處理干擾",。)
帶寬問(wèn)題
RF無(wú)線鼠標(biāo)在免許可證的ISM 2.4GHz頻段工作,是簡(jiǎn)易,、省電和省錢的無(wú)線應(yīng)用的典型的例子,,這是中國(guó)廠商善于生產(chǎn)的,內(nèi)銷和出口都十分適宜,。拿以專有方案芯片為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品與ZigBee和藍(lán)牙解法器為基礎(chǔ)的相比,。
無(wú)線鼠標(biāo)的典型的使用形式是10%處于工作模式和90%處于睡眠模式,工作模式的時(shí)候,,以8ms周期進(jìn)行工作和傳輸和接收,。因此,所需的凈速率為0.1*(125*80bit/s)=1kbit/s,。
與ZigBee相比,,它在本應(yīng)用中所需的的凈據(jù)速率為0.1×(125×152bit/s)=1.9kbit/s。
這幾乎相當(dāng)于專有方案的雙倍,。還有,,ZigBee在最高250 kbit/s上運(yùn)作,與專有解法器的1Mbit/s相比,。結(jié)果,,可以看出,如果需要完成同樣的傳輸工作,,ZigBee的帶寬要求是專有方案進(jìn)行相同工作所需的8倍,。
由于藍(lán)牙必保持同步功能以避免再鏈接,,不管是否使用鼠標(biāo),它都必須每隔675us發(fā)出160-bit數(shù)據(jù)包來(lái)維持該鏈路(1600包/s或250kbps/s),。如前所述,,沒(méi)有同步功能,鏈路也能維持,,這能導(dǎo)致需要高達(dá)3秒重新接入期,,對(duì)使用者來(lái)說(shuō),這是不可接受的,。
圖3說(shuō)明典型鼠標(biāo)數(shù)據(jù)包,。
延長(zhǎng)電池壽命
圖4(a)和(b)說(shuō)明了分別用專有方案和ZigBee的無(wú)線鼠到USB 接收器的通信時(shí)序。專有方案圖示表明,,設(shè)備的工作周期是195+16+80+202+49+16us=558us,,對(duì)典型的8ms通信周期,這提供1:14.3實(shí)際使用工作循環(huán),。由于在8ms通信周期中的工作時(shí)間相對(duì)較短,,在連續(xù)使用的平均電流是855uA。
假定專有方案是靠一顆AA電池操作(電力2000mAh),,它可能完成2350個(gè)小時(shí)不間斷鏈路運(yùn)作,。這相當(dāng)于與于一個(gè)普通使用者大約1年的用量(包括鼠標(biāo)光學(xué) 傳感器所需的電力,與無(wú)線鏈路,,總共占電力預(yù)算的95%,。為控制器消耗其余的5%)。
現(xiàn)在,,讓我們來(lái)看看ZigBee,。從時(shí)序圖解中可以看出,設(shè)備的工作周期是192+200+192+26+608+192+352+10us=1.772ms,,對(duì)典型的8ms請(qǐng)求周期,,它提供了1:4.5的實(shí)際循環(huán)使用。這個(gè)占控比比專有方案高得多(主要由于需要發(fā)送時(shí)間8倍于專有方案以維持與專有方案相等的功能)在這個(gè)通信周期里,,ZigBee的平均耗電量是4mA,。
這就是說(shuō),一顆AA電池提供的電力,,能讓鏈路不斷運(yùn)作500個(gè)小時(shí),,平均讓每個(gè)使用者操作大約兩個(gè)半月的時(shí)間。
雖然藍(lán)牙在工作的時(shí)候也有4mA的平均電流,,但是為了保持同步,,即使在"閑置"狀態(tài)下,還繼續(xù)以8mA運(yùn)行以維持同步功能(專有方案是10.2uA和ZigBee的351uA,這些數(shù)字在表1),。
結(jié)論是,,使用者不能指望藍(lán)牙電池的壽命超過(guò)一個(gè)月。
注意:電池壽命的計(jì)算是基于每個(gè)模式的平均電力消耗量計(jì)算,,每個(gè)模式都作為8ms總周期(通信周期)的一部分,,如時(shí)序圖解所述,連續(xù)使用(鼠標(biāo)開啟每秒鐘125packets/s),。如上帶寬要求所述,,無(wú)線鼠標(biāo)從來(lái)不以這種連續(xù)方式操作,而是90%的時(shí)間閑置,。專有方案和ZigBee會(huì)進(jìn)入空閑模式,,只有uA級(jí)的功耗,而藍(lán)牙則繼續(xù)消耗mA級(jí)電流,。這里的關(guān)鍵因素是,,與其他無(wú)線方案相比藍(lán)牙設(shè)備必須維持工作狀態(tài)來(lái)確保通信鏈路處于鏈接狀態(tài)。
超越標(biāo)準(zhǔn)
藍(lán)牙和ZigBee標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明,,電子業(yè)界能通過(guò)合作以創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn),,確保全球市場(chǎng)上產(chǎn)品的兼容性。兩者都是各自領(lǐng)域內(nèi)出色的技術(shù),。您只需在您的手機(jī)上安裝藍(lán)牙耳機(jī),便可以享受這個(gè)非常實(shí)用的RF技術(shù)和它的好處,。
無(wú)論如何,,以標(biāo)準(zhǔn)作為基礎(chǔ)的工藝有它的不利之處。第一,,為了符合標(biāo)準(zhǔn),,您得達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),這將使您付出高昂的NRE費(fèi)用,,用來(lái)開始設(shè)計(jì)和測(cè)試兼容性,。第二,由于它的特性,,標(biāo)準(zhǔn)必須是"一個(gè)尺碼天下通用"的解決方法--在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的全球化市場(chǎng)上,,您的競(jìng)爭(zhēng)者擁有與您一樣的技術(shù),很難分辨您的產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì),。最后,,標(biāo)準(zhǔn)提供的設(shè)計(jì)靈活性很小,;例如在在您的RF產(chǎn)品上進(jìn)行降低功耗的工作將會(huì)受到限制,。
本文以無(wú)線鼠標(biāo)為例說(shuō)明,在要求一種產(chǎn)品需要電池壽命長(zhǎng)和通信可靠以及實(shí)現(xiàn)低占空比方面,nRF專有方案比藍(lán)牙和ZigBee做得更好,。
只要使用相同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,,就可以有很多不同的用途,例如,,心跳傳感器和電腦之間的無(wú)線通信以及游戲控制器的無(wú)線通信,。隨著世界無(wú)線技術(shù)的發(fā)展,放眼標(biāo)準(zhǔn)之外,,尋找您的下一個(gè)無(wú)線通信鏈路,,是值得的。
作者
約翰·倫納德(John Leonard)獲得英國(guó)Portsmouth大學(xué)BEng(榮譽(yù))電子工程學(xué)學(xué)位,。他是Nordic半導(dǎo)體公司的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師,。他的職務(wù)是協(xié)調(diào)支援資源以完成各類項(xiàng)目,也是全球主要客戶的現(xiàn)場(chǎng)助理,。項(xiàng)目支援包括固件開發(fā)和為客戶開發(fā)軟件庫(kù),,以加速項(xiàng)目開發(fā)周期,同時(shí)與挪威的奧斯陸和Trondheim的五人工程師小組一起支持PCB布局問(wèn)題和天線的開發(fā),。
工具條1
數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)
藍(lán)牙
1 接入碼-68或72比特
2 頭-56比特
3 數(shù)據(jù)-32比特
ZigBee
1 前導(dǎo)--32比特
2 幀間隔--8比特
3 幀長(zhǎng)--8比特
4 幀控制--16比特
5 數(shù)據(jù)順序號(hào)=--8比特
6 地址ID--32比特
7 數(shù)據(jù)--32比特
8 幀效驗(yàn)和--16比特
nRF專有方案
1 前導(dǎo)--8比特
2 地址--32比特
3 數(shù)據(jù)--32比特
4 CRC--8比特
工具條2
干擾處理
所有三種無(wú)線技術(shù),,即藍(lán)牙、ZigBee和nRF專有方案,,都有減少在相同頻段工作的RF設(shè)備干擾的機(jī)制,。
藍(lán)牙具有頻率跳躍擴(kuò)頻(FHSS)機(jī)制,能確保79個(gè)1MHz頻道均勻覆蓋以避免不斷的頻道干擾,。
ZigBee利用它的16個(gè)DSSS頻段對(duì)付窄帶干擾,,因此當(dāng)如果有其他802.11b/g設(shè)備的存在時(shí),就更容易受到干擾,,這就可能需要等待其他設(shè)備終止發(fā)送,。
專有方案采納一種更靈活的混合做法。由于它的輸出功率適度,,干擾不太可能發(fā)生,。為了最低限度減少電流消耗和復(fù)雜性,專有方案不采用擴(kuò)頻模式,,碰到干擾,,只是簡(jiǎn)單地以單一頻率傳送,直至數(shù)據(jù)包到達(dá)為止,。改變頻率只需簡(jiǎn)單地通過(guò)SPI發(fā)送一個(gè)單字節(jié)命令即可,。
有了79個(gè)1MHz頻道,就可以避開其他設(shè)備應(yīng)用上的傳送頻率而重新分配頻率,,即使在機(jī)場(chǎng)那樣的"熱點(diǎn)",,在幾分鐘乃至幾個(gè)小時(shí)內(nèi),,頻率的重新分配頻率也并不頻繁,,。
至于無(wú)線鼠標(biāo),,鄰頻抑制的典型值是-6dBm。因此只要鼠標(biāo)(TX)到USB接收器(RX)的距離是從干擾源算起的一半,,一般就不會(huì)產(chǎn) 生干擾,。這是因?yàn)楦鶕?jù)RF理論,6dB的衰減等同于雙倍的距離,。(參見(jiàn)圖1),。
本工具條圖說(shuō)明