隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的發(fā)展，為物聯(lián)網(wǎng)定義最佳無線連接方案的標(biāo)準(zhǔn)仍然難以捉摸。對于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)人員而言，這會帶來重大風(fēng)險，因為選擇錯誤的標(biāo)準(zhǔn)將大大減少市場機(jī)會。然而，試圖滿足所有可能的標(biāo)準(zhǔn)會導(dǎo)致設(shè)計過于復(fù)雜，成本增加和項目延遲。隨著德州儀器和恩智浦多標(biāo)準(zhǔn)無線MCU的出現(xiàn)，開發(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，無線系統(tǒng)設(shè)計在很大程度上仍然是射頻專家的專屬領(lǐng)域。對于RF設(shè)計新手的工程師來說，優(yōu)化傳輸功率和接收器靈敏度的要求通常會給應(yīng)用帶來極大的復(fù)雜性。這通常會導(dǎo)致整體功能的權(quán)衡，同時延長項目進(jìn)度。

無線MCU的出現(xiàn)給連接應(yīng)用的發(fā)展帶來了巨大的變化，甚至可能催生了物聯(lián)網(wǎng)本身的愿景。通過在單個芯片上集成處理器和RF收發(fā)器，這些片上系統(tǒng)（SoC）器件實現(xiàn)了民主化的無線系統(tǒng)設(shè)計。工程師可以充分利用半導(dǎo)體供應(yīng)商自己的RF專家內(nèi)置于這些設(shè)備中的優(yōu)化無線通信功能，而不是處理與RF設(shè)計相關(guān)的各種問題。開發(fā)人員可以專注于在自己的應(yīng)用中應(yīng)用無線連接，而不是浪費時間優(yōu)化設(shè)計的關(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和集成閃存運行主應(yīng)用程序和高級協(xié)議棧。當(dāng)應(yīng)用程序需要通信事件時，主機(jī)處理器僅需要向通信子系統(tǒng)發(fā)送高級請求。反過來，該子系統(tǒng)的專用ARM Cortex-M0內(nèi)核將這些高級請求轉(zhuǎn)換為特定的通信任務(wù)，并使用集成的RF功能來執(zhí)行實現(xiàn)它們所需的詳細(xì)事務(wù)。

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

TI CC2650等無線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，在不影響可靠性或性能的情況下提供簡便性（CC2650 Dev Kit可用于評估器件）。應(yīng)用軟件開發(fā)人員可以類似地利用集成功能來實現(xiàn)安全性，傳感器控制，數(shù)字I/O和模擬信號調(diào)理。同樣重要的是，應(yīng)用軟件運行在許多開發(fā)人員熟悉的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ARM Cortex-M3 MCU架構(gòu)上。實際上，軟件開發(fā)人員可以通過供應(yīng)商提供的廣泛生態(tài)系統(tǒng)和第三方軟件庫（包括經(jīng)過全面測試的通信協(xié)議棧）加速開發(fā)。

多樣化的連接要求

對于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計人員來說，然而，物聯(lián)網(wǎng)通信的混合特性使基于這些無線MCU的連接應(yīng)用的簡化開發(fā)變得復(fù)雜。例如，在開發(fā)典型的工業(yè)應(yīng)用時，工程師將實施旨在利用該環(huán)境中使用的低功率IP網(wǎng)絡(luò)的連接。相比之下，對于消費者應(yīng)用，工程師將更多地關(guān)注智能手機(jī)和移動產(chǎn)品中使用的點對點通信協(xié)議。由于物聯(lián)網(wǎng)通常與工業(yè)和消費者應(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)雜性可能會大幅提升。

對于消費類應(yīng)用，藍(lán)牙無處不在使其成為首選連接選項：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)計人員可以在典型的基于BLE的應(yīng)用中實現(xiàn)極低的功耗。

對于工業(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還允許在不同的國家區(qū)域使用較低頻率的ISM頻段，但2.4 GHz頻段仍然是國際標(biāo)準(zhǔn)。）

它們共同使用2.4 GHz ISM頻段是BLE之間唯一的實際相似性和802.15.4。對于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個通道; 802.15.4在5 MHz間隔上使用16個信道。除了這些基本差異之外，兩個標(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，連接標(biāo)準(zhǔn)的起伏和變化給開發(fā)人員帶來了進(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)用中的實用性。也就是說，相應(yīng)的硬件才剛剛興起，缺乏基于IP的連接仍然是一個缺點。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)，稱為Thread，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，部署任何一個（或兩個）的參數(shù)仍然有效。在此論點發(fā)生變化之前，產(chǎn)品開發(fā)人員將繼續(xù)面臨在兩個通信領(lǐng)域之間輕松轉(zhuǎn)移的壓力。

但是，過去，希望支持基于802.15-4和BLE的連接的公司需要為每個人創(chuàng)建和維護(hù)單獨的設(shè)計。實際上，設(shè)計人員可以找到專門為支持BLE通信而設(shè)計的各種無線MCU，以及基于802.15.4的通信。

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

采用單一基本硬件設(shè)計，制造商可能會延遲選擇無線連接協(xié)議，直到設(shè)計周期或更快地響應(yīng)不同通信要求的新機(jī)會。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)計人員可以切換到另一個代碼兼容的SimpleLink無線設(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)一步簡化了支持多種通信標(biāo)準(zhǔn)的任務(wù)。該器件集成了對BLE和802.15.4無線電的支持，允許在不改變天線設(shè)計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)計無需鎖定選擇即可投入生產(chǎn)，并在現(xiàn)場部署時進(jìn)行配置。如果以后需要更改協(xié)議，CC2650可以在現(xiàn)場重新編程，以支持所需的協(xié)議。

CC2650的多標(biāo)準(zhǔn)無線電作為一個易于重新定位的單一平臺提供了顯著的優(yōu)勢。但是，在軟件方面，重新定位需要重新加載軟件。 TI警告開發(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)備本身不能同時保存兩個圖像的圖像。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，也幾乎沒有空間容納應(yīng)用程序所需的額外代碼。

然而，在實踐中，設(shè)計人員可以簡單地添加足夠大的外部閃存來存儲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。實際上，TI本身使用這種方法和基于CC2650的SensorTag參考設(shè)計（圖3），并進(jìn)一步利用額外的存儲來支持新固件映像的空中下載（OAD）。

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

圖3：CC2650支持與外部閃存的簡單接口，例如Winbond Electronics W25X20C 2 Mb閃存，用于存儲多標(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)計增加了顯著的靈活性。然而，設(shè)計必須最終位于一個世界或另一個世界，802.15.4或BLE。對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器，可同時運行BLE堆棧和IEEE 8021.5.4 MAC/PHY，適用于需要在多個網(wǎng)絡(luò)上同時運行的應(yīng)用。此外，恩智浦正在通過其W系列家族的下一代產(chǎn)品升級內(nèi)存：KW41Z在撰寫本文時仍處于預(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)字無線電的鎖相環(huán)（PLL），反過來處理頻率選擇和最終傳輸。 TX數(shù)字模塊可以調(diào)制來自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)字無線電子系統(tǒng)的一部分，支持單獨通信標(biāo)準(zhǔn)（包括BLE和802.15）所需的調(diào)制。它使用快速時間切片方法來維護(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，通信信號路徑似乎一次只支持一個協(xié)議。實際上，KW40Z采用快速時間分片方法，足以在BLE和802.15.4通信之間交替，同時維持各自的通信通道。對于應(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)和消費者通信要求的連接需求。盡管設(shè)計人員擁有廣泛的獨立選項來支持諸如802.15.4之類的工業(yè)協(xié)議或諸如BLE之類的消費者協(xié)議，但是在同一設(shè)計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)無線MCU的出現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員可以提供更靈活的連接選項，甚至可以在單一設(shè)計中支持基于802.15.4和BLE的并發(fā)通信。