畅谈超低功耗射频技术的未来

虽说交货量每星期有几千万片,但在全球流行的2.4GHzISM频段短距离低功耗射频技术市场(例如Wi–Fi，蓝牙，ZigBee以及各公司的专有解决方案)还远远没有成熟。在未来的几年里，将会出现许多令人鼓舞的进展，而无线连接将渗透到我们生活的各个方面。 　　

尤其是在超低功率(ULP)无线应用系统中,它使用纽扣电池来供电的微型射频收发器，唤醒来后迅速发送“脉冲”数据，然后回到毫微安级的“睡眠”状态,这很可能会大幅度地增加。例如，根据ABI研究公司分析指出：在2010年，无线传感器网络(WSN)芯片市场增长了百分之三百。该公司还预测：在2016年，使用蓝牙低耗能芯片的医疗保健和个人健身设备交货量不会低于4.67亿件。 　　

可以在嵌入式电子电路的任何便携式电子产品或设备(从微小的医疗传感器和健身传感器，到移动电话、电脑、机床、汽车，几乎它们之间的一切东西)，都可以把超低功耗无线连接加进去。利用微小的超低功耗收发器，这些电子产品或设备能够与数千其他设备直接通信，或者作为网络的一部分进行通信，明显地提高电子产品的实用性。 　　

然而，对于大多数工程师而言，射频设计仍然难以掌握。虽然射频设计不是一件小事，但是，在芯片供应商和相当好的开发工具的帮助下，它并没有超出一位有能力的工程师的设计技能。因此，在本文中，我将揭开超低功耗无线技术的面纱，介绍芯片，并且探讨如何以及在什么地方使用这些芯片。 　　

超低功耗无线技术简介 　　

超低功耗无线技术和蓝牙技术(现在称为经典蓝牙，以区别于最近发布的4.0版蓝牙，其中包括超低功耗的蓝牙低耗能技术)这些短距离低功耗射频技术的区别在于，它需要的功率明显地少很多。这样，把无线连接用到在最小最紧凑的便携式电子设备中的机会，就极大地增大了。 　　

经典蓝牙需要的功率比较多，即使是传送适量的用户数据，因此几乎只能使用可充电电池。它需要的功率较高，对于的低带宽、长寿命的应用而言，那么就意味着传统蓝牙并不是一个很好的无线解决方案(它主要是在可以方便地对电池经常充电的时候用于大量传送数据)。 　　

典型的蓝牙技术已经用于在移动电话和耳机之间的无线连接，或者把相机中的数字图像传送到蓝牙打印机。因此使用典型蓝牙的无线设备，它的电池寿命通常是几天，最多是几星期(注：有一些高度专业化的典型蓝牙应用系统，可以用容量较低的原电池供电)。 　　

相比之下，超低功耗射频收发器可以用纽扣电池(例如CR2032或者CR2025)供电，工作几个月甚至几年(取决于应用系统的占空比)，假定消耗的额定平均电流仅200μA。这些纽扣电池很小，价格便宜，但是能量有限，一般在90至240mAh的范围(一节AA电池的容量是纽扣电池的10倍至12倍)。 　　

这个容量属于中等，明显地限制了超低功耗无线链路激活的占空比。例如，一节220mAh的CR2032纽扣电池，如果要它持续工作一年，那么它的最大额定电流(或放电率)只能维持在25μA(220mAh /(24小时x 365天))。 　　超低功耗射频技术的峰值电流为几十毫安，例如，Nordic半导体的nRF24LE1 2.4GHz收发器在发射时消耗电流11.1毫安(在输出功率为0dBm时)，在接收时消耗电流13.3毫安(工作在2Mbps时)。如果在较长时间内的平均电流被限制在几十微安，占空比必须很低(大约百分之0.25)，而且芯片要很快回到睡眠模式，在大部分时间里只消耗几毫微安电流。 　　

各种不同用途 　　畅谈超低功耗射频技术的未来

如果收发器的睡眠时间占百分之99.75，当它被唤醒来做任何有用的事时，它必须非常努力地工作。超低功耗收发器是这样做到这点的：它迅速地被唤醒，发送很短但带宽相对较宽的“脉冲”数据(高达1或2 Mbps)，然后立即回到低耗能的睡眠状态。 　　

正如我们看到的，因为它们消耗的功率属于中等程度，超低功耗射频收发器不能用于占空比高的应用系统，所以，不直接与Wi-Fi和经典蓝牙竞争。不过，超低功耗运作的确打开了一个宽阔的新的应用领域，这是其他无线技术做不到的。 　　

这些用途的多样化是不寻常的。超低功耗无线技术已经进入了体育、保健、娱乐、个人电脑外围设备、遥控器、游戏、移动电话配件、家庭自动化和工业控制领域，而且在未来几年将会蔓延到许多其他领域。 　　

这些应用系统有一个共同点，这就用到了超低功耗无线技术的优势。它们是建立在使用小型电池、小巧紧凑的传感器和外围设备的基础之上。这些设备发送少量的数据(通常是几位)，而且不经常发送(每隔几秒钟或者每秒最多几次)。尽管有这个共同点，它有各种不同用途，例如用于电脑的无线外围设备(例如无线鼠标器)，自行车码表和相关的性能传感器(例如速度和距离监测器)，射频遥控器，医疗传感器(例如心率监测器)，它们需要非常不同的工程解决方案。 　　

简单地说，无线连接需要一个射频系统(收发器)、协议(软件代码或“栈”，它控制射频系统如何进行通信)，还需要一个应用处理器(它有自己的代码，监督的具体应用系统，例如，心率监测器)。但是，这些东西如何实施，会影响无线系统的效率、尺寸和成本。 　　

为了说明这一点，我们来看看两个例子：一个是无线鼠标器，一个自行车码表，它们使用不同的方法。 　　

无线鼠标器是比较简单(但肯定不是无足轻重)、大量使用的超低功耗射频应用系统。无线鼠标器制造商需要一个紧凑、高效率、价钱便宜的连接解决方案。换句话说，他们希望他们的无线鼠标器的造型优美，电池的使用寿命很长，零售价格要广大消费者能够承受得起。 　　

用于鼠标器的最佳选择是系统芯片(SoC)，其中包含射频系统、工厂提供的协议和应用处理器，都在一块硅片上。由于它的用量很大，抵消了开发系统芯片的较高非经常性工程(NRE)费用。此外，厂商可以优化硬件和软件的性能，以满足目标应用的需要。 　　

对于客户(鼠标器生产商)来说，主要优点是，他们在开发时不必选择和购买外部处理器(以及相应的开发工具)，然后生成代码来运行应用程序，不用在这些方面再花时间和金钱。收发器供应商已经做了SoC的部分设计工作。(不过，如果需要的话，客户仍然可以使用收发器供应商提供的开发和评估工具，来开发自己的协议。) 　　

例如，Nordic半导体向台式电脑外设市场提供nRF24LE1系统芯片。这个nRF24LE1包含Nordic的nRF24L01+ 2.4GHz超低功耗收发器，Gazell软件协议栈(存放在闪存或一次性可编程(OTP)存储器中)以及一个增强型8位微控制器。这种单片器件的尺寸只有5×5毫米，可以用它设计最小的无线鼠标器。 　　

nRF24LU1+是另一种系统芯片，其中集成了Nordic的nRF24L01+收发器、与USB 2.0兼容的器件控制器、闪存(或OTP存储器)、8位微控制器，把它插入“主机”电脑的USB端口，就完成了无线连接。利用nRF24LU1+，PC外设制造商可以制造很小的USB适配器，它几乎没有伸到主机上USB端口之外。