非标准的无线解决方案

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前言 　　目前有一种看法是，低成本无线通信由蓝牙和ZigBee包揽，深入探讨你就会发现专有的RF替代方案，而且更适合在中国生产的产品。
　　如果您认为低成本无线通信就是IEE802下的蓝牙（IEEE802.15）和ZigBee（IEEEE802.15.4），这是情有可原的，毫无疑问他们以来头不小的专业组（Special Interest Groups）以及电子业重量级人物作为靠山，但是他们并非无线通信唯一的选择。
　　在广泛应用的个人区域网络（PAN）包括PDA、耳机、移动电话和膝上个人电脑的兼容通信上，蓝牙是一种理想的选择；在这些应用里，遵守标准的确可以免除大量设计的挑战。您可以确保您的设计能与建立在同样标准上的另一方通信，同时获得所需范围和数据传送率。而最近获准通过的ZigBee标准，优化了网络上包括多节点产品的应用，在这种应用，不但要求可靠的通信而且还要求电池寿命可达数年。
　　不过，遵守这些标准要付出一定的代价：器件成本昂贵，仅仅为了保持兼容性而需要在数据包通信上付出很大的开销，这又会增加数据传送时间并增加功耗。
　　为了确保诸多制造商生产的手机、膝上电脑或无线传感器的互操作性，需要为802.15方案做大量的设计和测试来确保符合标准，这还算是合情合理，不过，如果应用在一对一的专用链路上，如无线鼠标和键盘之间，它就成了没有必要的开销了。这些低成本、低功耗应用在中国越来越重要，特别是当为出口市场开发创新产品时。
　　本文要说明的是，在这种类型应用中选择作者所在公司生产的RF芯片（Nordic半导体的nRF24xx系列）的优势。我们将比较使用蓝牙、ZigBee和nRF来设计无线鼠标来展示这个无线专有方案的优势。在其他相似的应用上，如游戏机控制器以及智能型运动设备上，其基本要素是相同的。
　　RF比较
　　蓝牙协议允许数据在1个主设备和最多7个从设备（在PAN或piconet中）之间以最高723kbit/s的速率传送。不过，由于通信协议规定各个装置与地址和其他信息标题的类型以确保与其他蓝牙设备兼容，实际实际的速率会比这个数值小。
　　标准采用高斯频移键控（GFSK）调制模式，在2.4G频段内使用83个1Mbps的频道。在送到载波之前，GFSK在基带信号上使用高斯过滤。可以平滑高电平（1）低电平（0）。与频移键控（FSK）的直接方法相比，可以给传输信号提供一个较狭和更干净的频谱。
　　由于蓝牙在免许可证ISM频段下运行，如其他无线技术一样（如Wi-Fi），干扰会削弱速率，原因是，错误的信息包需要重新发送。不过，在1.2版本，通过加入自适应跳频率（AFH）解决了这个难题。这样便能让蓝牙的两个通信设备不断在频段上相互切换频率，以免与附近其他的RF设备碰撞。
　　蓝牙设备有三种基本功率电平：1级（100米线视距）、2级（10米）和3级（2-3米）。目前常用的设备为2级。
　　在蓝牙网络中的每一个设备都有一个独一无二的48比特识别号码。第一个识别设备（通常在2秒钟内）成为主设备，接着设定为在频段中每秒使用1600次，所有网络中的其他设备将与这个主设备锁定并与其同步。主设备以偶时隙传送，从设备以奇时隙响应。网络中的从设备将被分配一个地址，并收听属于自己的时隙和地址信息。
　　从设备也可以进入低功耗的可能进入功率探测，保持和停止模式。在探测模式中，设备仅仅在指定的探测时隙中静听，但是保持同步。在保持模式中，设备进行收听来确定自身是否需要激活。在停止模式中，设备放弃它的地址。虽然在保持和停止模式下可以延长电池寿命省电，但这也这意味着，设备失去同步，同时重新建链将需要等待时间，这将耗时几秒钟，如果用户要求快速响应，这无疑是一个缺点。
　　蓝牙标准包括一系列的应用领域可供选择。不过，所有蓝牙的应用，都必须得到认可，并符合蓝牙标准，同时，所有用户必须是蓝牙特别的成员（www.蓝牙.org）。
　　由于来自蓝牙专业组的商业压力，大部分应用领域都适用于移动电话上的媒体和文件的传输应用。因此，应用蓝牙来开发一些较为简单的应用是价值不高并且没有实用价值的。
　　ZigBee是最近推出的RF标准，为大量多节点、低功耗、低速率的无线监控应用而开发。
　　本标准定义为IEEE802.15.4（参http://www.zigbee.com/），也是可靠性很高的一种简单数据协议。这包括通知每次传输的应答机制以及其他技术以保持信息的可靠性。ZigBee无须蓝牙的同步功能，因此在一定程度上降低功耗。
　　像蓝牙那样，ZigBee工作在ISM 2.4GHz频段（5MHz 16频道）内。本标准也提供在欧洲868MHz（单频道）和US915MHz(2MHz 10频道)频段的版本。它保证250kbit/s的最高速率。
　　ZigBee靠DSSS（直接序列扩频）模式来传输数据。DSSS能在一定程度上防止干扰，但是必须付出传送过量数据包的代价，并且导致带宽和功耗。
　　本标准试图纠正蓝牙在某些应用环境中的潜在弱点，尤其是在低时延和低数据速率应用方面。不过，按照802.15.4的要求，ZigBee在RF物理层上的应用还需要进行补充来实现和完善互操作性。
　　补充技术
　　蓝牙和ZigBee标准是互补的，而不是相互竞争的。
　　与蓝牙的7加主设备相比，ZigBee能容纳高达4090个节点。ZigBee标准比较适合工业和家庭监控和控制应用，这种应用场合的特点是，节点多而节点的通信频繁度不是很高。
　　电源消耗是一个主要的不同点，ZigBee为工作循环和和超长寿命应用而设计；它的电池寿命以年计算，而蓝牙的不间断通信，几个小时便把电池电力耗尽。
　　而ZigBee的芯片组，只需蓝牙的一小部分费用（虽然蓝牙规程堆栈里有各种变体，也能提供较低成本的解决方案）。不过，作为新近的认可标准，ZigBee还是受到多种限制。
　　作者所在的公司http://www.nordicsemi.no/）提供了一种专有的RF芯片方案nRF24xx。它是一种片上系统SOC，包括RF收发器，一个8051微控制器，4频道12比特ADC以及各种标准接口，以0.18umCMOS工艺制成。
　　本产品采用GFSK调制模式（与蓝牙类似），它提供1Mbit/s的速率以并以最小的开销来提供最佳的性能和最低的功耗。该产品提出了一种以物理层规程处理为基础的硬件，在正常操作中，对于用户传输是透明的。（图1（a）和(b)，以ZigBee规程堆栈与本产品对比。）







　　该专有解决方案为小型嵌入式系统应用而开发，在进行无线电项目开发时，开发者将对以SPI 为基础的接口感到满意。
　　一个120比特寄存器用来为芯片使用设立通信链路，涵盖功能的各个方面。集成在内的微处理器只需在首次使用时配置参数，以后只需输入目的地址和数据即可。
　　显然，由于这样的设计无需进行标准的验证，产品上市的时间便会大大缩短。当然产品仍需符合无线电管理当局的规则要求，如欧洲的ETSI或美国的FCC，不管是不是按标准设计，任何RF都不例外。
　　蓝牙、ZigBee和专有方案都各自使用独特的数据包结构（参考数据包结构）。当使用专有方案传输32比特数据包时，专有方案需要传输80位，需要48比特的额外开销，数据包效率是40%。相比之下，蓝牙需要传输160比特，其中包括128比特的额外开销，效率只有20%。传送完全相同的数量的数据，ZigBee设备将用152比特，效率是21%。
　　专有方案采用蓝牙的信道模式。两者都使用2.400~2.483GHz之间的83个1MHz带宽的频道（更准确地说，2.402至2.483GHz，分解成75个1MHz带宽频道，和一个2MHz的下保护带和一个3.5MHz的上保护带），与ZigBee的16频道相比（参见图2），这使蓝牙和专有方案在遭遇从拥挤的频段带来的干扰的时候有更多可用频率。（参见 处理干扰。）





　　带宽问题
　　RF无线鼠标在免许可证的ISM 2.4GHz频段工作，是简易、省电和省钱的无线应用的典型的例子，这是中国厂商善于生产的，内销和出口都十分适宜。拿以专有方案芯片为基础设计的产品与ZigBee和蓝牙解法器为基础的相比。
　　无线鼠标的典型的使用形式是10%处于工作模式和90%处于睡眠模式，工作模式的时候，以8ms周期进行工作和传输和接收。因此，所需的净速率为0.1*（125*80bit/s）=1kbit/s。与ZigBee相比，它在本应用中所需的的净据速率为0.1×（125×152bit/s）=1.9kbit/s。这几乎相当于专有方案的双倍。还有，ZigBee在最高250 kbit/s上运作，与专有解法器的1Mbit/s相比。结果，可以看出，如果需要完成同样的传输工作，ZigBee的带宽要求是专有方案进行相同工作所需的8倍。
　　由于蓝牙必保持同步功能以避免再链接，不管是否使用鼠标，它都必须每隔675us发出160-bit数据包来维持该链路（1600包/s或250kbps/s）。如前所述，没有同步功能，链路也能维持，这能导致需要高达3秒重新接入期，对使用者来说，这是不可接受的。





　　图3说明典型鼠标数据包。
　　延长电池寿命







　　图4（a）和(b)说明了分别用专有方案和ZigBee的无线鼠到USB 接收器的通信时序。专有方案图示表明，设备的工作周期是195+16+80+202+49+16us=558us，对典型的8ms通信周期，这提供1：14.3实际使用工作循环。由于在8ms通信周期中的工作时间相对较短，在连续使用的平均电流是855uA。
　　假定专有方案是靠一颗AA电池操作（电力2000mAh），它可能完成2350个小时不间断链路运作。这相当于与于一个普通使用者大约1年的用量（包括鼠标光学传感器所需的电力，与无线链路，总共占电力预算的95%。为控制器消耗其余的5%）。
　　现在，让我们来看看ZigBee。从时序图解中可以看出，设备的工作周期是192+200+192+26+608+192+352+10us=1.772ms，对典型的8ms请求周期，它提供了1：4.5的实际循环使用。这个占控比比专有方案高得多（主要由于需要发送时间8倍于专有方案以维持与专有方案相等的功能）在这个通信周期里，ZigBee的平均耗电量是4mA。这就是说，一颗AA电池提供的电力，能让链路不断运作500个小时，平均让每个使用者操作大约两个半月的时间。虽然蓝牙在工作的时候也有4mA的平均电流，但是为了保持同步，即使在闲置状态下，还继续以8mA运行以维持同步功能（专有方案是10.2uA和ZigBee的351uA，这些数字在表1）。





　　结论是，使用者不能指望蓝牙电池的寿命超过一个月。注意：电池寿命的计算是基于每个模式的平均电力消耗量计算，每个模式都作为8ms总周期（通信周期）的一部分，如时序图解所述，连续使用（鼠标开启每秒钟125packets/s）。如上带宽要求所述，无线鼠标从来不以这种连续方式操作，而是90%的时间闲置。专有方案和ZigBee会进入空闲模式，只有uA级的功耗，而蓝牙则继续消耗mA级电流。这里的关键因素是，与其他无线方案相比蓝牙设备必须维持工作状态来确保通信链路处于链接状态。
　　超越标准
　　蓝牙和ZigBee标准说明，电子业界能通过合作以创建标准，确保全球市场上产品的兼容性。两者都是各自领域内出色的技术。您只需在您的手机上安装蓝牙耳机，便可以享受这个非常实用的RF技术和它的好处。
　　无论如何，以标准作为基础的工艺有它的不利之处。第一，为了符合标准，您得达到标准，这将使您付出高昂的NRE费用，用来开始设计和测试兼容性。第二，由于它的特性，标准必须是一个尺码天下通用的解决方法--在竞争日益激烈的全球化市场上，您的竞争者拥有与您一样的技术，很难分辨您的产品的优势。最后，标准提供的设计灵活性很小；例如在在您的RF产品上进行降低功耗的工作将会受到限制。
　　本文以无线鼠标为例说明，在要求一种产品需要电池寿命长和通信可靠以及实现低占空比方面，nRF专有方案比蓝牙和ZigBee做得更好。
　　只要使用相同的设计准则，就可以有很多不同的用途，例如，心跳传感器和电脑之间的无线通信以及游戏控制器的无线通信。随着世界无线技术的发展，放眼标准之外，寻找您的下一个无线通信链路，是值得的。
　　作者
　　约翰·伦纳德（John Leonard）获得英国Portsmouth大学BEng（荣誉）电子工程学学位。他是Nordic半导体公司的现场应用工程师。他的职务是协调支援资源以完成各类项目，也是全球主要客户的现场助理。项目支援包括固件开发和为客户开发软件库，以加速项目开发周期，同时与挪威的奥斯陆和Trondheim的五人工程师小组一起支持PCB布局问题和天线的开发。
　　工具条1
　　数据包结构
　　蓝牙
　　1 接入码-68或72比特
　　2 头-56比特
　　3 数据-32比特
　　ZigBee
　　1 前导--32比特
　　2 帧间隔--8比特
　　3 帧长--8比特
　　4 帧控制--16比特
　　5 数据顺序号=--8比特
　　6 地址ID--32比特
　　7 数据--32比特
　　8 帧效验和--16比特
　　nRF专有方案
　　1 前导--8比特
　　2 地址--32比特
　　3 数据--32比特
　　4 CRC--8比特
　　
　　工具条2
　　干扰处理
　　所有三种无线技术，即蓝牙、ZigBee和nRF专有方案，都有减少在相同频段工作的RF设备干扰的机制。
　　蓝牙具有频率跳跃扩频（FHSS）机制，能确保79个1MHz频道均匀覆盖以避免不断的频道干扰。
　　ZigBee利用它的16个DSSS频段对付窄带干扰，因此当如果有其他802.11b/g设备的存在时，就更容易受到干扰，这就可能需要等待其他设备终止发送。
　　专有方案采纳一种更灵活的混合做法。由于它的输出功率适度，干扰不太可能发生。为了最低限度减少电流消耗和复杂性，专有方案不采用扩频模式，碰到干扰，只是简单地以单一频率传送，直至数据包到达为止。改变频率只需简单地通过SPI发送一个单字节命令即可。
　　有了79个1MHz频道，就可以避开其他设备应用上的传送频率而重新分配频率，即使在机场那样的热点，在几分钟乃至几个小时内，频率的重新分配频率也并不频繁，。
　　至于无线鼠标，邻频抑制的典型值是-6dBm。因此只要鼠标（TX）到USB接收器（RX）的距离是从干扰源算起的一半，一般就不会产生干扰。这是因为根据RF理论，6dB的衰减等同于双倍的距离。（参见图1）。