編者按：本系列文章包括兩部分，第 1 部分討論嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可選擇的各種無線連接，并提供了一些相關(guān)示例。本文為第 2 部分，將更詳細(xì)地討論無線模塊的特性，并深入了解如何有效地使用這些模塊。

隨著物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 和人工智能 （AI） 的快速發(fā)展，對(duì)系統(tǒng)無線連接的需求不斷增加，因此開發(fā)人員必須選擇正確的協(xié)議，并實(shí)現(xiàn)低成本快速設(shè)計(jì)。市面上有許多無線模塊可提供幫助，但設(shè)計(jì)人員需要采取合理的甄選和集成流程，以便確保設(shè)計(jì)成功。

本文討論了為嵌入式應(yīng)用選擇和實(shí)施適當(dāng)?shù)臒o線協(xié)議和無線模塊的 4 步式流程。步驟如下：

根據(jù)帶寬、范圍和成本要求選擇無線接口和協(xié)議

除了實(shí)施無線協(xié)議外，決定無線模塊是否應(yīng)包含對(duì)嵌入式應(yīng)用的處理能力

確認(rèn)對(duì)無線模塊或芯片的 I/O 要求

根據(jù)前三步中的決策，選擇適當(dāng)?shù)哪K或芯片

設(shè)計(jì)無線連接嵌入式系統(tǒng)時(shí)可考慮的適用模塊眾多，本文包含對(duì)其中六種代表性典型無線模塊的介紹。

步驟 1：選擇無線協(xié)議

此平面圖顯示了一些最常見無線協(xié)議的帶寬與范圍對(duì)比情況（圖 1）。

圖 1：幾種無線協(xié)議的范圍（單位：米到千米）與帶寬（單位：比特每秒到兆位每秒）對(duì)比的概念圖。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

借助此簡(jiǎn)單圖表，只需根據(jù)范圍和帶寬要求即可快速進(jìn)行篩選。左側(cè)的協(xié)議 — Wi-Fi、藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙 — 在數(shù)十米 （m） 的范圍內(nèi)提供數(shù)百千字節(jié)每秒 （Kb/s） 或兆位每秒 （Mb/s） 的傳輸速度。這些協(xié)議主要適用于室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。右側(cè)的協(xié)議提供千米級(jí)數(shù)據(jù)傳輸。這些協(xié)議適用于校園或城市內(nèi)的遠(yuǎn)程嵌入式設(shè)備。

實(shí)施 Wi-Fi、藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙（或其組合）的模塊通常配有板載天線。例如，內(nèi)置于 Adafruit 的 3320 Wi-Fi/藍(lán)牙/低功耗藍(lán)牙模塊的集成天線清晰顯示如下（圖 2），即電路板頂部的鋸齒狀印制線。

由于天線開發(fā)的復(fù)雜工作已經(jīng)完成，集成天線大大簡(jiǎn)化了無線網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖 2：Adafruit 的 3320 Wi-Fi/藍(lán)牙/低功耗藍(lán)牙模塊的運(yùn)行速度可達(dá) 150 兆位每秒。（圖片來源：Adafruit）

該模塊用于安裝在電路板上，并且需要額外的電路，因此可能不是開始原型開發(fā)的最佳位置。該模塊可焊接到小型電路板上以作為開發(fā)套件，如圖 3 所示的 Espressif Systems ESP32-DEVKITC。ESP32-DEVKITC 將模塊的所有引腳分接至多個(gè) 0.1 英寸針座，包含一個(gè)連接 TTL 串行轉(zhuǎn)接芯片的 USB、多個(gè)編程和復(fù)位按鈕及一個(gè)板載 3.3 V 穩(wěn)壓器。

圖 3：Espressif Systems 的 ESP32-DEVKITC 將所有 Adafruit 3320 模塊的引腳分接至多個(gè) 0.1 英寸針座，包含一個(gè)連接 TTL 串行轉(zhuǎn)接芯片的 USB、多個(gè)編程和復(fù)位按鈕及一個(gè)板載 3.3 V 穩(wěn)壓器。（圖片來源：Espressif Systems）

遠(yuǎn)程無線協(xié)議和板載天線不能混用

遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)通信需要外接天線及配套的復(fù)雜組件。例如，Semtech Corp. 的 SX1276MB1LAS 是一款 LoRa 收發(fā)器，它包含兩個(gè)用于連接高頻帶和低頻帶天線的 SMA 連接器（圖 4）。

圖 4：Semtech 的 SX1276MB1LAS LoRa 收發(fā)器模塊具有兩個(gè)用于高頻帶和低頻帶射頻天線的 SMA 連接器。（圖片來源：Semtech Corp.）

模塊需要兩個(gè)天線端口，用以分別處理美國(guó)境內(nèi) LoRa 通信采用的 433 MHz 和 915 MHz 頻帶。該模塊的最大鏈路預(yù)算為 168 dB，傳輸范圍可達(dá)數(shù)公里。但是，模塊與外部天線之間的同軸電纜和 SMA 連接器將消耗部分鏈路預(yù)算。

為幫助實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，Semtech 還提供基于 SX1276MB1LAS LoRa 收發(fā)器模塊的 SX1276DVK1JAS 開發(fā)套件。該套件包括兩個(gè) LoRa 收發(fā)器、兩個(gè) Eiger 平臺(tái)、兩條迷你 USB 電纜、兩支觸摸屏觸控筆以及用于高頻帶和低頻帶的偶極天線。

Digi International 的 XBC-V1-UT-001 Digi Xbee 蜂窩 LTE Cat 1 調(diào)制解調(diào)器也需要一個(gè)外部天線，并采用類似但略有不同的方法來連接天線，如圖 5 所示。

圖 5：Digi International 的 XBC-V1-UT-001 Xbee 蜂窩 LTE Cat 1 調(diào)制解調(diào)器將一個(gè)嵌入式系統(tǒng)放在 Verizon 的蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)上。（圖片來源：Digi International）

Digi 的調(diào)制解調(diào)器有兩個(gè) U.FL 超小型射頻連接器，用于連接主 LTE 天線和輔助 LTE 天線。主天線必不可少。輔助天線在某些情況下可提高接收器性能，Digi 推薦使用。天線應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離蜂窩調(diào)制解調(diào)器模塊（和其他金屬物體）。如果主天線和輔助天線均已安裝，應(yīng)采用相互成直角的定位，以獲得最佳效果。

步驟 2：無線網(wǎng)絡(luò)模塊是否需具備應(yīng)用處理功能？

一些無線網(wǎng)絡(luò)模塊配有板載處理器，有些則沒有。如果開發(fā)中的嵌入式系統(tǒng)已有處理器，則無線網(wǎng)絡(luò)模塊上可能不需要另一個(gè)可編程處理器。如果無線模塊必須執(zhí)行嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用代碼，則決策過程中需要考慮可用編程工具和模塊的執(zhí)行能力。使用無線網(wǎng)絡(luò)模塊板載智能來執(zhí)行嵌入式應(yīng)用肯定會(huì)節(jié)省電路板空間。此外，它可以簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)并降低物料清單 （BOM） 成本。

上文討論的一些模塊實(shí)施完整的編程環(huán)境。例如 Digi 的 XBC-V1-UT-001 Xbee 蜂窩調(diào)制解調(diào)器具有一個(gè)板載 MicroPython 環(huán)境，將調(diào)制解調(diào)器的內(nèi)置智能應(yīng)用于簡(jiǎn)單應(yīng)用。例如，可讀取、處理和傳輸連接到模塊的數(shù)字和模擬 I/O 引腳的傳感器，可接收和執(zhí)行致動(dòng)器命令。該模塊具有 13 個(gè)數(shù)字 I/O 引腳和 4 個(gè) 10 位模擬輸入引腳。MicroPython 還可以幫助管理基于調(diào)制解調(diào)器的電池供電型嵌入式系統(tǒng)的電源。

將 XBC-V1-UT-001 插入到 Digi XBIB-U-DEV 接口板中，使用 USB 電纜將 PC 連接到接口板，然后啟動(dòng)終端程序，即可完成編程。Digi 的 XCTU 配置和測(cè)試實(shí)用軟件中有一個(gè) MicroPython 終端程序。XBC-V1-UT-001 模塊具有 24 千字節(jié) （Kb） 的 RAM 和 8 Kb 的閃存。

為進(jìn)一步提升性能，可使用其他無線網(wǎng)絡(luò)模塊的板載智能。例如，以上步驟 1 中討論的 Espressif Systems ESP32-DEVKITC 開發(fā)套件中的 Wi-Fi/藍(lán)牙/低功耗藍(lán)牙模塊包含兩個(gè)運(yùn)行頻率為 160 MHz 的 32 位 Xtensa LX6 RISC 處理器內(nèi)核。按照慣例，其中一個(gè)處理器是“協(xié)議”處理器，另一個(gè)是“應(yīng)用”處理器。但是，兩個(gè)處理器都可以訪問所有板載資源。對(duì)于大多數(shù)嵌入式應(yīng)用而言，此類處理能力已經(jīng)足夠。

步驟 3：識(shí)別無線模塊或芯片的 I/O 要求。

無論無線網(wǎng)絡(luò)模塊是否在內(nèi)部運(yùn)行嵌入式應(yīng)用，可能都需要連接嵌入式系統(tǒng)中的其他設(shè)備。它可能需要連接嵌入式系統(tǒng)中的主機(jī) CPU，或者直接連接傳感器和致動(dòng)器，也有可能這兩類設(shè)備都需要連接。

最簡(jiǎn)單的途徑就是即插即用方法。只需插入一個(gè)模塊，加載驅(qū)動(dòng)程序即可搞定。Advantech Corp. 的 EWM-W151H01E 802.11b/g/n Mini PCIe 卡插入一個(gè) Mini PCIe 插槽，通過 PCIe 與主機(jī) CPU 通信（圖 6）。

圖 6：Advantech 的 EWM-W151H01E 1T 半尺寸 Mini PCIe 卡采用基于 IEEE 802.11b/g/n 的 Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)。（圖片來源：Advantech Corp.）

要開始使用 EWM-W151H01E 進(jìn)行開發(fā)，加載 Windows（7、8 或 10）或 Linux 驅(qū)動(dòng)程序，嵌入式系統(tǒng)即能以高達(dá) 150 Mb/s 的數(shù)據(jù)速率連接現(xiàn)有的 Wi-Fi 系統(tǒng)。該卡采用插入式 Mini PCIe 外形尺寸及 Windows 和 Linux 驅(qū)動(dòng)程序，這意味著該卡模塊最適合嵌入式 PC（x86 處理器）設(shè)計(jì)。

有關(guān) Espressif Systems ESP32-DEVKITC 的討論提到，模塊上的模擬輸入和簡(jiǎn)單數(shù)字 I/O 引腳可用于連接傳感器和致動(dòng)器。此外，該模塊還具有更復(fù)雜的串行接口，包括三個(gè) UART、兩個(gè) I2C 端口，三個(gè) SPI 端口和兩個(gè) I2S 端口。這些接口可用于連接各種外圍設(shè)備，并可用作主機(jī) CPU 的接口。每種接口的部分規(guī)格參數(shù)如下：

UART 最大傳輸速率為 5 Mb/s

I2C 端口支持 100 Kb/s（標(biāo)準(zhǔn)模式）和 400 Kb/s（快速模式）的傳輸速率

I2S 端口支持40 Mb/s 的傳輸速率

SPI 端口支持 50 Mb/s 的傳輸速率

如果最合適的協(xié)議模塊缺乏必要的 I/O 功能，嵌入式系統(tǒng)將需要增加一個(gè) I/O 擴(kuò)展芯片，這會(huì)占用更多電路板空間，導(dǎo)致功耗升高、編程復(fù)雜性加大和 BOM 成本增加。如果可能的話，最好是通過一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)模塊即能實(shí)現(xiàn)所有功能。

步驟 4：選擇和實(shí)施

在這一步驟中，選擇范圍應(yīng)縮小到幾個(gè)或者僅一個(gè)選項(xiàng)。帶寬和范圍要求應(yīng)將選擇范圍縮小到一個(gè)或兩個(gè)合適的協(xié)議?？紤]無線網(wǎng)絡(luò)模塊對(duì)板載應(yīng)用處理的需求以及板載處理的量之后，應(yīng)該能去除更多選項(xiàng)。最后，應(yīng)考慮 I/O 需求，確定最終的幾個(gè)選項(xiàng)。此時(shí)，選擇范圍很明顯，或者存在幾個(gè)不錯(cuò)的選項(xiàng)，在這種情況下，可根據(jù)熟悉程度或易于實(shí)施性再進(jìn)行選擇。

總結(jié)

市場(chǎng)對(duì)嵌入式無線連接的需求不斷增加。一些嵌入式設(shè)計(jì)人員在最開始接觸大量可用的協(xié)議時(shí)可能會(huì)混淆不清，但是每個(gè)協(xié)議都有不同的范圍/功耗/數(shù)據(jù)速率，從這個(gè)角度看，選擇起來就簡(jiǎn)單多了。

本文介紹了從數(shù)十種甚至數(shù)百種可用無線網(wǎng)絡(luò)模塊中進(jìn)行選擇的四步式流程。

根據(jù)帶寬，范圍和成本要求選擇無線協(xié)議。

除了實(shí)施無線協(xié)議外，決定無線模塊是否應(yīng)包含對(duì)嵌入式應(yīng)用的處理能力。

識(shí)別無線模塊或芯片的 I/O 要求。

根據(jù)前三步中的決策，選擇適當(dāng)?shù)哪K或芯片。

一般情況下，無論何種應(yīng)用，至少有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化無線協(xié)議和多個(gè)相關(guān)模塊可很好地滿足要求。