當涉及到從人類介面裝置(hids)到物聯網(物聯網)的遠端感測器時，設計者們有很多選擇。需要做出的最基本的決策之一，以及許多設計師還在努力解決的乙個問題是，是否要採用基於標準的射頻介面，如wi-fi、藍芽或zigbee，或專有的射頻物理層(phy)設計和協議。
選擇其中乙個的原因很多，但是在成本、安全性、功耗、互操作性、設計時間、面對干擾、共存、延遲和認證需求方面的相對權衡也是如此。許多這樣的權衡是相互關聯的，因此設計師必須首先確定設計需求，然後進行相應的優化。
本文將討論在標準藍芽介面和專有的rf協議之間選擇時要考慮的因素。然後，它將引入乙個藍芽5模組，接著是乙個矽解決方案，在這個解決方案中，可以實現乙個專有的協議，並為如何快速啟動和執行提供適當的指導方針。
專有的rf優點和缺點
如果設計需要在安全性、低功耗、小記憶體和效能方面進行優化，那麼專有的phy和協議的情況就很好了。
對於許多應用程式來說，安全性是至關重要的，從車庫門開到物聯網裝置。有了專有的無線電，它的處理方式有很多。首先，專利設計確保了「安全-通過-晦澀」，因為不為人所知的rf介面更難破解。還有一種趨勢是，私有介面是點對點的，或者是在不連線到更大的網路的封閉系統中執行的，因此保持隱藏。最後，專有介面的設計者可以自由地開發他們自己的高階加密演算法或調整已建立的加密演算法，而不必與其他廠商的安全演算法進行互操作。只是與眾不同本身就是一種安全優勢。
當涉及wi-fi網路、微波爐、無繩**和其他低功耗無線網路的干擾時，專有的無線電設計可能是有利的。沒有與標準相聯絡，設計者可以靈活地使用諸如直接序列擴頻(dsss)和跳頻擴頻(fhss)等技術來更好地利用頻譜。此外，他們可以採用他們自己的首選編碼方案，基於他們的期望鏈結預算，以獲得更高的吞吐量或更低的功耗。
這種靈活性也適用於資料報結構。如果沒有必要的包開銷以確保與基於標準的無線裝置的互操作性，包結構可以根據應用程式的需要進行簡化。
從硬體設計的角度來看，良好理解的效能需求和保證這些需求不會在稍後的階段發生變化，使得專有射頻介面的設計者可以對空間、功率和效能進行優化。他們可以再次這樣做，只包括滿足應用程式需要的那些功能。
雖然專利射頻技術有許多優點，但也有許多因素必須加以考慮。第乙個是成本:為了證明非經常性工程(nre)成本，乙個定製射頻ic設計和相關軟體，特別是對於低成本裝置，預期的體積應該是》100,000。
與成本緊密結合的是設計時間，特別是考慮到射頻設計的變化和良好記錄的射頻技術的稀缺性，以及開發成功設計所需的韌體和軟體的時間。
藍芽技術廣泛採用，始終適應
另乙個極端是藍芽。它最初被設計成用於hids和其他裝置的直接的點到點電纜替代技術，但很快就變成了無線音訊和裝置之間的連線解決方案。通過藍芽特別興趣小組(sig)對嚴格控制的好處，藍芽是乙個很好的理解，設計者可以相信他們的裝置將連線並且可以與其他藍芽支援的裝置進行互操作，不管硬體**。
廣泛採用和可互操作的裝置導致了大量的硬體和軟體，帶來了更低的成本和更快的時間去市場的設計需要乙個無線介面。此外，藍芽技術已經發展了多年。
它一直在2.4 ghz的工業、科學和醫療(ism)波段操作，從其79個1 mhz載波的gfsk調製開始，提供1兆位元/秒的吞吐量。這被稱為藍芽基本速率(br)。它的自適應fhss編碼方案允許它在干擾者面前繼續保持健壯，即使iot帶來了更多的無線連線裝置。更高的資料速率,藍芽2.0 +增強資料速率(edr)使用π/ 4-dqpsk(微分求積相移鍵控)和8 dpsk調製,得到的2和3 mbit / s,分別。
雖然藍芽是由sig嚴格控制的，但是設計師需要仔細研究2023年引入藍芽4.0核心規範帶來的變化。這引入了藍芽低能量(ble)，以前作為藍芽智慧型營銷。ble不向後相容藍芽經典，所以設計師在這裡需要小心。
ble的主要目標是低功耗。它通過從藍芽經典的面向連線的方法移動到裝置總是連線到乙個沒有連線的方法，在需要短時間間隔的時候連線它們。這些應用是可穿戴裝置，比如智慧型手錶和物聯網感測器。
藍芽sig繼續改進規範以滿足其成員和應用程式的各種需求。更多關於它是如何演變的，請看，「藍芽4.1,4.2和5相容藍芽低能量soc和工具滿足物聯網挑戰(第1部分)。」
最新的版本，bluetooth 5，將ble資料速率從1 mbit/s翻倍到2 mbit/s，並通過使用更強的正向糾錯(fec)，將128kbit /s連線的範圍增加了4x到50 m。較高的資料率允許在給定的時間插槽內傳輸更多的資料報，因此，由於裝置可以在低功耗或空閒模式下延長時間，因此功耗降低。
更長的範圍給設計人員提供了更大的靈活性來權衡任何藍芽裝置(包括信標)的距離。信標是一種電池驅動的ble裝置，可以向附近的移動裝置廣播他們的標識，這樣這些裝置就可以在靠近信標時執行某些動作。受廣告商的歡迎，他們還能精確地進行室內和室外的跟蹤。
然而，sig實現了另乙個有趣的調整，專有的rf介面設計者也可以做到:他們降低了過載比，需要更少的傳輸來傳送給定數量的「真實」資料，以進一步降低功耗。
最初的一種簡單的電纜替換技術已經演變成更有用的東西。因此，設計師們現在更傾向於尋找乙個快速而簡單的藍芽解決方案，而不是通過設計自己的射頻介面的成本和費用。
啟動和執行藍芽
這種選擇藍芽介面的傾向正成為一種必要，因為隨著時間的推移，視窗的縮小和設計預算的縮減。幸運的是，對於許多設計，有足夠的空間容納乙個現成的藍芽模組，這將允許設計團隊專注於他們的最終應用和區別。
乙個這樣的模組是來自rigado的bmd-330藍芽5模組(圖1)。雖然有很多的藍芽模組，但這一模組特別有趣，而且它有乙個整合天線在板上。天線的匹配和放置是射頻設計中較好的藝術之一，因此從設計器中解除安裝它可以節省時間，並有助於確保最佳的訊號耦合。
rigado bmd-330藍芽5模組影象。
該模組是乙個完整的解決方案，有監管批准，它自己的車載dc-dc轉換器，智慧型電源控制，和測量9.8 x 14.0 x 1.9公釐。雖然包括天線，但它確實需要乙個合適的地平面來有效地輻射。此外，從模組天線部分延伸出來的區域應該遠離銅和其他金屬，模組應該放置在pc板的邊緣，天線面向外。
當在外殼上安裝模組時，要確保天線附近沒有金屬，否則會影響效能。由於它的設計和調優的自由空氣操作，灌封，環氧，過成型，或保形塗層會影響效能，要求額外的測量，以確保連線預算在規範之內。
模組是基於nrf52810從北歐半導體晶元系統(soc)(圖2)。它使用乙隻手臂®皮層®m4 cpu時鐘在64 mhz,flash和24 k位元組的有192 kb的ram。
在nrf52810 soc周圍建造的bmd-330模組，由北歐半導體製造。
bmd-330模組的關鍵規範包括:+4 dbm的傳輸功率和-96 dbm (ble mode)的接收器靈敏度。它在傳輸模式下執行3伏電源，並在+4 dbm和4.6 ma上繪製7.0毫安(ma)。在接收模式下，它以1 mbit/s和5.8 ma (2 mbit/s)的方式繪製4.6 ma。傳輸和接收規格都假定dc-dc轉換器是啟用的:當它被禁用時，當前的增加。
專屬於藍芽的甜蜜點
在乙個完全定製的專有無線電設計和標準藍芽之間，還有另乙個選擇:乙個現成的無線電收發器，設計者可以開發自己的協議和編碼方案，或者採用現成的版本，如ant、thread或zigbee。隨著可用矽成本的下降和軟體支援的廣泛應用，這可能是設計人員尋找差異化的「最佳地點」，優化的一些緯度，以及增強安全性的選項，同時將成本保持在最小值和設計時間表不變。
對這條路線感興趣的設計師來說，乙個不錯的選擇是矽實驗室的efr32fg14 flex gecko專用協議家庭soc(圖3)。
矽實驗室efr32fg14 flex gecko圖
像bmd - 330,efr32fg14還使用乙隻手臂®皮層®m4核心,但執行的最大40 mhz代替64 mhz,針對低功耗的晶元非常物聯網應用程式。它有256位元組的快閃儲存器和32 kb的ram。注意，該晶元支援2.4 ghz和dghz (915 mhz)操作，並提供了天線網路匹配的指南。該晶元還支援天線的多樣性，以減輕頻率選擇性衰落的影響。
還內建了一些靈活的i/o和安全特性，包括:乙個允許mcu外圍裝置自主互動的12通道外圍反射系統;多達32 gpios;以及乙個自主硬體加密加速器和真隨機數發生器。2.4和次ghz操作的功率放大器也整合在晶元上。
矽實驗室slwrb4250a flex gecko廣播板。
結論
選擇完全專有的rf設計路線或標準的藍芽收音機有很多原因。在滿足設計和應用程式需求方面，每個方面都有自己的位置，包括成本、時間、效能、大小、安全性和許多其他因素。然而，對於那些想要獲得現成的矽的成本和節省時間的好處的設計者，以及增加某種程度的專利差異化的靈活性，**商現在也提供了堅實的硬體平台。
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