畅谈超低功耗射频技术的未来

—— 无线连接将渗透到我们生活的各个方面

虽说交货量每星期有几千万片,但在全球流行的2.4GHz ISM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

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。

单片连接

对于产量很大的应用系统，系统芯片有许多优点。但也有一些缺点，例如，系统芯片要求高集成度，这增大了器件的尺寸，因而增加成本。如上所述，无线系统芯片中通常有一个微处理器，但许多应用系统已经用了微控制器来运行其他功能，也可用它来控制无线应用系统。

此外，有些设计工程师更愿意选用他们自己的微处理器，这是因为，例如，对于一种器件，他们已经有了丰富的专业知识，希望不要被收发器中的微处理器卡住。在这种情况下，购买不含微处理器的收发器会更方便(便宜)一些。

例如，考虑一个无线自行车码表。专业自行车手和业余自行车手一样，使用这些安装在手把上的设备，来监测传感器性能，例如心率监测器、速度和距离传感器、节奏监测器和曲轴功率表。自行车码表是复杂的设备，有它自己的处理器，处理器也可用于监视无线功能，这样就不必把嵌入式处理器集成在无线芯片上(图2)。

图2：Nordic专有的超低功耗收发器nRF24AP2，在自行车的无线连接市场占主导地位。(图片由Suunto提供)

Nordic和它的设计合作伙伴加拿大科克伦的ANT无线公司，在为自行车领域提供无线连接方面有丰富的经验(事实上，2010年环法自行车赛的许多自行车运动员使用的无线性能传感器是通过Nordic的芯片和ANT软件连接到自行车码表上)。

无线传感器和专业人士首选的自行车码表使用的芯片是Nordic的nRF24AP2。这个器件中有一个2.4GHz超低功耗收发器、ANT无线协议和高质量微控制器/处理器接口，它们都在一块芯片上。芯片上没有应用处理器 －节省成本，降低功耗，缩小了芯片的尺寸。在使用时，nRF24AP2负责无线连接，并且紧密地链接到在自行车码表中的应用处理器，它监测无线应用系统。Nordic把这种方法称作"单芯片连接"，因为它准确地说明了它所提供的功能。
 
要求互用性

一个专有的无线连接解决方案(也就是使用的所有的解决技术方案属于一家公司)总是胜过可互用的技术，例如ZigBee或者蓝牙。为什么呢？因为制造商能够对协议进行优化，不需要为了保证互用性而另外增加开支。其优点是，得到的解决方案更有效率，功耗更低，并且降低了成本。缺点是缺乏互用性。

一个专有的无线连接解决方案缺乏与其他芯片制造商的器件的互用性，对于原始设备制造商来说，如果它需要一个技术来保证与其他公司的产品中的无线芯片进行连接(例如，上面举例的自行车码表，它链接到其他公司制造的传感器上)，就有问题。这种标准化的互用性，是由正式的厂商联盟提供资金支持的，例如ZigBee联盟、IEEE这些标准组织，或者蓝牙技术联盟。产品必须按有关规范进行测试，进行互用性认证，确定它符合某一个特定标准。

对于产品开发商，按标准的要求设计出来需要很长的时间，进行测试认证，需要时间会增长，费用会增加，但是优点是很多的。可互用的解决方案会刺激市场的增长，因为它会增强设备制造商的信心──这项技术会使用很多年，市场上有多家芯片供应商供应芯片，增加竞争，压低价格，质量是有保证的，因为芯片制造商必须按照规范进行认证。
上述的ANT+技术是可互用的超低功耗无线技术的一个例子。它是由一个有220多家公司的联盟监管，并且已经为一些制造商所采用，成为事实上的标准，这个制造商中有自行车行业的制造商Garmin和Trek。而且，在最近，除了Nordic半导体，另外一家半导体公司已经开始提供ANT芯片。

不过，具备互用性的短距离射频解决方案中，最成功的(以交货量计)仍然是蓝牙无线技术扩展蓝牙技术

蓝牙技术联盟已经通过一个新版本扩大了蓝牙技术，这个版本的蓝牙技术可以用纽扣电池供电。所谓蓝牙低耗能技术，它已经设计成可以让传感器和外设互相沟通，可以用于下一代移动电话。2009年12月，蓝牙低耗能技术被采纳，作为4.0版本蓝牙核心规范的一部分。Nordic半导体把它广泛的超低功耗无线设计知识贡献给这门技术，在规范的制订中起了重要作用。

半导体供应商现在在交付蓝牙低耗能芯片。例如，Nordic最近发布了它的μBlue系列蓝牙低耗能芯片的第一个产品。μBlue系列中的第一个产品是nRF8001，这是一个完整的蓝牙低耗能解决方案，它采用尺寸为5 × 5mm的32引脚QFN封装，其中纳入嵌入式射频系统，链路控制器和主机子系统，适合手表、传感器和遥控器，还有其他用途。Casio最近发布的G-SHOCK蓝牙低耗能手表使用了这种芯片 (参见图3a和b)。


图3：Nordic半导体的μBluenRF8001是该公司的蓝牙低耗能芯片，Casio已经把它用于G-SHOCK低耗能手表。

这种手表是第一个使用蓝牙低耗能技术的商品之一，它包含的功能有：从智能手机校正手表的时间，智能手机发信号到手表提醒来电、收到电子邮件和短信的通知，以及查找功能，它可以让用户找到不知道放在什么地方的电话。

蓝牙技术联盟的明确目的是通过蓝牙低耗能技术内容的发布，其中包括个人用户接口设备(PUID)(如手表)、遥控器、感应警报器、电池状态显示和心率显示，跟进蓝牙4.0版。其他保健监测方面的内容，如血糖和血压，自行车节奏和自行车曲轴功率，随之而来(图4)。
 


图4：蓝牙低耗能技术的早期应用将是体育、医疗保健和娱乐等方面。

蓝牙低耗能传感器的成本低、维护成本低(因为很少更换电池)，这将鼓励人们在公共场所广泛地方使用它。一个关键的用途可能是室内定位系统(在室内没有GPS信号)，这时，布置在大型公共建筑物(例如机场或火车站)四周的传感器不断发出他们的位置信息。配备蓝牙低耗能技术的移动电话在一定范围内可以把这些信息显示出来给它的主人。传感器可以传送其他的信息，例如飞行时间和登机门，娱乐设施的位置，或者附近商店提供特别优惠的信息(图5)。


图5：在机场候机楼这些大型建筑物里面，可以把蓝牙低耗能装置放在关键性的位置，通过移动电话告诉旅客他们所在的位置。

蓝牙4.0芯片也很快可以买到。2011年下半年，移动电话这些设备，应该开始纳入蓝牙4.0芯片。一旦出现这种情况，这个令人兴奋的新技术的全部潜力将开始变成现实。

Nordic半导体公司的行政总裁Svenn-Tore Larsen说："一旦设计师有一种廉价的方法，可以把可互用的无线链接加到电池供电的任何东西中，即使用的电池是最小的设备，它的应用潜力也是巨大的。设计师会有数千种方式使用这个链接。"