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RF产品设计经验(NRF24L01模块资料).pdf

发布时间：2022-04-02 发布人：admin 分类：互联网 资料大小：0.30M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    Designing a short-range RF link into a consumer-electronics product 设计一个连接到消费电子产品的短距无线 (RF)设备 TuneView 原文内容: http://www.edn.com/article/CA6576137.html?spacedesc=features&text=nordic 第 1 页
    从一个开发小组遭遇的失误和困难中吸取教训, 从草图开始, 直到最后完成 案例研究: 一个集成到 iPod 附件中的短距 RF 产品. 作者: 埃里克.威尔奇 Keyspan 公司 2008 年 7 月 8 日 尽管我们从不认为这是件容易的事, 但当我们开始规划一个连接到 iPod 控 制器和基座的短距双向 RF 产品时, 头脑中仍然萦绕着那句让设计师头疼的俗语: "这种事要多难就有多难!" Tuneview 配备一个 1.5 英寸的 LCD 屏, 拥有类似 iPod 的菜单导航功能, 可 以显示"Playlists(播放清单)"和"Artists", 实际操作距离大于 50 米. 我们很快紧跟 iPod 的步伐推出了一款升级产品, 通过遥控器和连接到 USB 口的 RF 收发器, 可 以去控制在 Mac 或 PC 上运行的 iTunes. 我们的设计团队应该有理由为该产品而 感到自豪. 可惜,由于这些产品面市的时间延迟了一年,这种自豪感也打了折扣. 为什么会这样呢?因为当我们开始该项目的时候, 大家都缺少射频方面的经 验. 而且, 我们当时甚至还没有决定使用哪一种 RF 模块, 购买哪一种商业软件, 或是 IP,选择哪种通信协议,而不是从新设计这些东西,我们只有边做边学. 我们发 现 RF 是一个非常复杂和困难的领域,因为它所涉及的知识实在是博大精深. 如果 你和我们一样,工作经验仅限于数字系统的软硬件方面,那么模拟系统的工作将会 是巨大的挑战. 比如, Tuneview 项目要求我们必须成功地集成三个独立的模拟子系统(射频, 功率放大和天线). 而用来连接这些子系统的无源器件(电容,电阻和电感)在微波 频段(如 2.4 GHz)将会表现出完全不同的特性, 寄生效应将变的非常重要. PCB 的 布板也要遵循全新的规则,而一旦出现问题,解决起来也将非常复杂.我们是从痛 苦中获得经验和教训. 甚至 RF 方案的选择也并非一帆风顺. 我们首先想到的技术有 Wi-Fi, Bluetooth(蓝 牙), 和 ZigBee, 但是综合考虑了诸如工作距离,功能,功耗,延迟,以及干扰和安全 性等问题后,我们还是放弃了在本项目中使用这些技术. 在排除了以上的选择之后, 我们开始注意到一些专有的 2.4-GHz 解决方案,终 于发现了一种能够满足我们要求的技术. 在产品面市之后,我们有时间回过头来反思这个项目,我们认为我们的经验对 于那些准备设计连接到消费电子产品或外设的短距无线产品的工程师们是有帮 助的. 因此我们决定在本文中分享这些经验. 第 2 页
    RF 遥控器的优点 Keyspan 公司的开发团队已经注意到, RF 遥控器可以极大地提高传统单向遥 控器的功能, 为用户提供直接的反馈, 让用户随时了解他们正在进行的操作.我 们的直觉得到了证实, 在一个 MacWorld 展览会上, 一位用户走过来对我说:"我 喜欢你们的遥控器, 但是我真正需要的是你们正在开发的带有 LCD 的那款, 这 样我在手里就能够看到播放的音乐清单了." 我们的设计目标是,遥控器可以与 PC 或 Mac 上运行的音乐播放器(比如苹果 的 iTunes)互动,也可以与插在基座上的 MP3 播放器(如 iPod)互动. 我们不做大块 头的高档遥控器,而是倾向于开发一款小巧的,用拇指控制的遥控器,并且在环境 光线很暗的情况下也能正常使用. 我们很快否决了那些直接传送音视频的想法, 因为那样会造成产品的成本太高. 最后,我们还希望该产品在全世界都能够通过 认证. 产品最终被命名为 Tuneview, 该项目在 2004 年 12 月初开始启动. 虽然我们确认了 RF 双向遥控器作为我们的产品,但是要设计它却是另一码事. RF 领域并非 Keyspan 公司的特长. 到 2004 为止,该公司的工程师已经开发过 USB 转接器,智能电缆,简单的红外遥控器,和一系列网络 USB 服务器. 我们的专长在 于嵌入式系统,快速通信设备,以及便于量产的低成本设计. 我们没有设计过 RF 产品; 而且对手持式产品的经验也很有限. 尽管 RF 开发看起来令人畏惧, 我们发现大多数现代数字射频方案都已集成 在了单个封装当中,而且已经一边提供了数字 CMOS 接口,在另一边是天线接口. 我们的第一反应就是"这有什么难的?"并且由于我们在手持 RF 设备,尤其是带 LCD 屏的那种设备上有些经验,这更使得我们跃跃欲试. 一位高级硬件工程师抱着务实的态度, 建议聘请一个顾问来弥补我们的缺陷. 然而事实上根本找不到愿意帮你做底层设计的顾问. 终于我们找到了一位拥有 实验室的 RF 顾问,虽然不能做 RF 设计, 但他可以在设计阶段对我们的产品进行 测试和提供重要的反馈. 选择一种射频方案 咨询了市场部门的意见后, 开发小组为 Tuneview 的射频方案定出了以下的 初步规格: l 少于 5 美元的器件成本; l 工作在 2.4-GHz ISM(工业, 科学和医疗 全球通用频段); l ITU 规定的 DSSS 或 FHSS 工作方式, 以防止 Wi-Fi, Bluetooth 和 Tuneview 设备之间相互干扰; l 在现场工作环境下, 达到 30 到 50 米的穿墙距离; l 使用标准 AA 电池,电池寿命最少为 3 个月(最好能达到 6 个月); l 100 至 300-kbps 的有效传输速率; l 快速启动(从深度睡眠模式下); 第 3 页
    l 便于用户使用的遥控器与被遥控设备的配对查找方式. 我们下面列出了一些成熟的短距, 低功耗无线技术: l ZigBee: ZigBee 联盟声称"能让无线控制变的简单", 基于 IEEE 802.15.4 标准,该技术适合于低速率和低功耗的应用. l 蓝牙: 基于 IEEE 802.15.1 标准.工作在 2.4-GHz 频段, 已经在移动电话和 PC 市场上取得了成功. Bluetooth SIG 推出的各种版本已经应用在多种外 设上,比如无线耳机. l Wi-Fi: Wi-Fi 是基于 IEEE 802.11 标准的第三代无线技术. 它作为无线局 域网技术已被广泛应用于"hotspots", 家庭和办公室. Wi-Fi 主要被用作 TCP/IP 网络的传输层. l Cypress 公 司 的 WirelessUSB: Cypress 公司 的 专 利 产 品 -- 和 名 为 "Certified Wireless USB"的产品无关, 那是由基于 WiMedia 联盟 UWB 平 台的无线 USB 促进组织开发的. WirelessUSB 是一种专利产品,半双工,工 作在 2.4GHz 频段. 它使用 DSSS 方式以满足 ITU 的规定, 避免与现有的 其它工作在 2.4GHz 频段的标准产生干扰. l Nordic 半导体公司的 nRF2401: Nordic 的方案是有专利的, 无线半双工 的调制解调器, 工作在 2.4GHz 频段. 它使用 FHSS 方式和一个数字化的 分段, 可以发送最大 256-bit 的数据包. 接收方将会丢弃错误的数据包. 我们一开始就否决了 ZigBee,因为当时该方案还未成熟,然而就算现在重新选 择,我们也不会选择 ZigBee. 开始, 蓝牙技术在 PC 和 Mac 上的普及性看起来很有优势. 不幸的是, 仔细研 究之后发现,实际上所有计算机配备的都是低功率的蓝牙 Class 2 或 Class 3, 工作 距离不超过 10 米. 能够满足我们需求的蓝牙 Class 1 的成本太高,而且功耗太大. 如果你告诉用户要再去买一个蓝牙接收器, 因为电脑里原配的那个不够好,估计 用户会很难接受. 除了成本的因素,蓝牙 Class 1(工作在 20dBm)消耗的电量使 AA 电池无法提供足够的工作时间. 此外,用户使用 PC 或 Mac 进行蓝牙配对也会碰 到麻烦. 随着电池技术的发展, 越来越多的移动设备比如 PDA 和手机集成了 Wi-Fi, 在"热点"附近 Wi-Fi 主要被用来浏览网页和收发 email, Wi-Fi 的功耗会使电池电 量快速下降(尤其对低容量的 AA 电池来说). 使用 Wi-Fi 将无法满足我们要求的 3 到 6 个月的电池寿命. 第二,开发小组对 Wi-Fi 从睡眠模式中唤醒的时间也表示担 心,虽然并没有做过严格的测试. 最后,我们还担心 Wi-Fi 芯片的供应商是否会给 我们这样的小公司供货. 没有可靠的供应商,我们将不得不去采购昂贵和体积庞 大的模块来做为替代. 除了技术上的原因, 这些基于标准的技术也不太适合 Tuneview 的要求. 采用 基于标准的技术非常适合于在不同厂家生产的设备之间的进行交互操作,尤其是 在 PAN(个人小规模网络)中的多个设备同时地进行通信时就非常必要. 然而,为 了确保交互操作和 PAN 的功能,将导致一种性能上的折衷, 这会衍生出非常复杂 的协议, 增加电源的负担以及降低工作效率. 第 4 页
    相反,Tuneview 需要的是一个简单的,点对点的,可以错误校正的协议,并且能 够为特定的数据流量和功耗进行优化. 这款遥控器不需要与其它厂家的产品进 行交互操作, Keyspan 会提供所有的设备. 使用基于标准的技术将会加入多余的 功能和增加复杂性, 需要添置专业的开发工具因而增加了成本. 此外,还需要一 个昂贵的处理器来进行对基带信息的处理. 总的来说, 寻找一种专有的 RF 硬件, 并且开发出一个定制的, 以应用为主的 协议是我们的当务之急. 而 Keyspan 的团队有着十多年的通讯协议的开发经验. 我们测试的第一种专有 RF 技术是 Cypress 公司的 WirelessUSB.由于缺少合 适的开发板,开发小组一开始就遇到了障碍,他们自己做了一个 USB 无线模块. 不 幸的是,有效的数据速率远低于广告中声称的 62.5kbps,因此该技术被放弃了.(后 来 Cypress 又推出了带宽更高的该系列的芯片.) 经过初步测试之后,我们最终选择了 Nordic 半导体公司的 nRF2401A, 作为我 们的 Tuneview RF 项目的专有技术. 按照规格书,nRF2401A 是一种 GFSK 单芯片 收发器,最大的数据速率为 1 Mbps. 它包括一个完整的频率合成器,一个功率放大 器,一个晶体振荡器和一个调制器. 通过一个三线的串行接口,可以由程序来调整输出功率和通频率通道. 在发 射(TX)功率为–5 dBm 时电流低至 10.5 mA, 在接收(RX)状态下电流为 18 mA, 供 电电压为 1.9 到 3.6 V. 该收发器提供一个专有的工作在接收和发射模式下的 ShockBurst 功能, 简化了协议和软件设计, 使功率消耗最小化, 并且对微控制器 的要求也不高. Nordic 的产品展示了在成本,接收灵敏度,传输速率,上电时间和功率消耗之间 的很好的平衡. 除了这些承诺的性能之外,该产品还满足了开发小组对成本要求. 而且,既然开发者能够建立他们自己的通讯协议,以固件的方式实现基带控制器, 他们就能利用该无线产品的优点,而尽量避免它的缺点. 比如,该 Nordic 产品有个 缺点,就是将数据包输入它的缓存然后开始发射之后, 发射器不会提供任何方法 去告诉处理器操作已经结束. 开发小组克 服这个问题的方法就是在固件中仔细 调整延迟的时间. 虽然技术上的选择可能是最重要的决定,但也不要低估了选择一个好的供应 商的重要性. 任何 RF 项目都会非常复杂,供应商提供的帮助越多,项目的进展就会越顺利. 比如,我们发现 Nordic 的技术支持做的非常好 -- 当经验很少的人设计 RF 产品时 这就显得非常重要 -- 和其他供应商对比之后你就会更加明白这个的重要性. 再 如,所有从 Nordic 原厂来的现场工程师和专家都会检查 PCB 的布板情况. 当工程 师无法确认布板的问题时,他们会对好的产品设计的重点提出建议,强力支持我们 去 RF 实验室做专业的网络分析测试,帮助调整器件的阻抗匹配. 第 5 页
    反复测试 虽然我们已经确定了一个合适的技术,聘请了一个有帮助的顾问,找到了一个 有能力的供应商,但是,我们的挑战才刚刚开始. 和其他的数字电路的专家第一次 进行模拟 RF 设计一样,我们遇到的第一个教训就是, 将所有的电路元件安放和连 接好,仅仅才是工作的第一步. 在 2.4 GHz 的工作环境下,PCB 上的走线已经不单 是元件间的连接线了;事实上他们已经变成了微波传输线. 一开始,工程师将电路连接好后,他们发现电路可以工作,但是还有些问题. 发 射距离只有几米而且信号质量非常差,BER(误码率)高的惊人. 我们得到了三个 重要的教训: l 首先,在 2.4 GHz 的工作环境下,相互连接的元件之间,都需要进行阻抗匹 配; l 第二,每一个无源元件(电容,电感,电阻和 PCB 走线)都会产生寄生效应,此 时必须把它作为电容加电感再加电阻来对待; l 第三,元件的摆放方向也很重要,因为这会影响它的寄生效应. 这时, RF 顾问和他的实验室的作用就体现出来了. 他的设备可以测量出每个 器件的特性阻抗, 帮助我们得到匹配与该电路网络的器件的参数值. 一个关键的 设备就是频谱分析仪(如图 1 所示).它可以测量出发射和传导的 RF 功率,不仅是在 2.4-GHz 频段,而且可以测量出所有重要的谐波频率,为了减小干扰, 谐波频率的 能量要尽可能的小. 另一个有用的设备就是网络分析仪, 它能够通过相应的传输 线"看到"电路内部, 测量出它们的特性阻抗. 图 1. Spectrum Analyzer 第 6 页
    当涉及到 RF 元件阻抗匹配的细节问题时, 芯片的供应商(包括 Nordic)就帮 不了你了. 我们要清楚地了解自己的产品的特性阻抗, 最好搭建一套仿真电路网 络. 然而,我们发现这样做对实际电路的帮助不大, 因为元件的阻抗匹配必须考 虑到周围的所有因素,包括 PCB 的材料, 接地层的实际位置, 和电路中其它很多 看起来似乎不太重要因素. 如果想让你的 2.4-GHz 产品工作正常, 就必须准备耗 费大量的时间在测试和调整电路的阻抗匹配上. 没有其它的捷径可寻. 确认工作距离 工作距离是我们产品的关键因素.开发小组也一直认为这是吸引客户的重要 原因. 开发小组很早就决定要在真实的工作环境中来确认是否能达到要求的工 作距离. 在这项指标上,工程师们想让产品的性能比市场部门宣传的还要好. 他 们认为如果产品在工作距离上表现的不错, 就有助于真实环境中的测试,这对整 个产品都会有所帮助. 我们从开发板(图 2)开始测试,它包括 nRF2401A 芯片和一个鞭装天线,发射功 率是 1 mW (0 dBm). 我们计划使用一个片装天线或用 PCB 上导线作为天线,这将 会产生衰减,我们认为开发板的工作距离将会超过 30 到 50 米. 不幸的是,我们最 多只测得 20 到 25 米的工作距离.想要加大工作距离,就必须加一个功率放大器. 这个复杂的电路大大地加剧了阻抗匹配的难度. 因为 nRF2401A 使用了单个的 RF I/O 线路,除了被天线使用之外,连接射频, 功率放大器和天线需要两条通道.我们使用了两个 RF T/R( 发射/接收)开关来解决 这个问题. 接收通道直接将信号从天线送给芯片,而发射通道将信号送到功率放 大器. 我们现在有四个匹配的网络(图 3),而原来只有一个(nRF2401A 到天线). 图 2. 第 7 页
    图 3 在无线通讯领域,无论是模拟还是数字,信号的质量都可用 SNR(信噪比)来衡 量. 如果是数字信号,还可用 BER(误码率)来衡量. 这就表示在一个给定的距 离,SNR 要求达到一定的"用户的接收率",在双向,半双工的通讯模式下的要求要 远高于单向通讯的模式. 我们可以这样来理解,单向连接可以发送多个相同的数 据包,假定至少有一个包能够被完整地接收到. 而在双向通讯时,发送一个数据包 后,发射方就会开始等待,直到对方应答或是超时, 然后就重发或者发送下一个数 据包. 无论是单向或双向通讯, 都会因为信噪比的降低而使性能变差, 但双向通 讯受到的影响更大. Tuneview项目要求使用双向通讯,因为遥控器上的LCD 要显示出音乐播放器 上的数据. 因为我们要求遥控器在一定的距离上有很好的性能,因此我们需要一 个高信噪比的很强的信号. 我们增加了一个功率放大器来增强信号,并且艰难地 调整出最好的阻抗匹配和尽可能好地放置元件以减少噪音. 增加电池寿命 对 Tuneview 这样的产品来说,电池寿命至关重要. 就算用户能够理解多加了 一个显示屏,他们也会习惯于老式的红外遥控器的电池寿命, 可以工作几个月甚 至是几年. 我们要求 Tuneview 用两节 AA 电池至少要能工作三个月. 我们选择 Nordic 的 nRF2401A, 很大程度上就是因为它的超低功耗的特性. 对比其它基于标准的方案, 比如蓝牙甚至是 ZigBee, nRF2401 在发射或接收时的 能量消耗都低的多. 各家供应商的规格都不相同, 但一个典型的蓝牙芯片在发射 第 8 页
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