Proprietary Knowledge Base

    Publish
     
      • 面向物联网的远距离、节能型Sub-GHz无线互联

        EllenTang | 07/209/2015 | 10:27 PM

                                                面向物联网的远距离、节能型Sub-GHz无线互联

                                         作者: Silicon Labs公司无线产品资深产品经理 Vivek Mohan

         

        随着无线传感器网络、智能电表、家庭自动化设施和可穿戴产品的爆炸性增长,物联网(IoT)一词已家喻户晓。IoT涵盖了远距离户外网络(如智能电网和市政照明)和短距离室内网络(如家居互联和住宅安全系统)。许多公司已经为IoT市场推出了众多的创新型解决方案,并能提供安全状态检测等便利化的服务。物联网互联系统架构通常由大量的无线节点构成,从简单的遥控设备到带有可连接互联网网关的复杂无线网络。这些网络也能够提供本地化的系统智能和云服务,如图1所示。在本文中,将以智能家居系统为例,重点讨论目前广泛使用的Sub-GHz频段低功耗、远距离无线互联。

        1507295.0.jpg

        图1:智能家居互联系统架构

         

        选择合适的无线解决方案

         

        MCU和无线IC是IoT系统的主要组成部分,用于可连接设备应用的MCU通常提供多种存储选项和外设选项。如果没有更多其它器件,那么无线IC(收发器、发射器和接收器)的选择将与MCU同等重要而复杂。选择大多数工作在免费公用频段的Sub-GHz器件,还是基于ZigBee、Bluetooth Smart或Wi-Fi等标准的2.4GHz器件,是需要仔细考虑的问题。当为给定的IoT应用选择合适的无线协议时,没有“一刀切”的解决方案。每一种无线选项都有其自身的优缺点,具体的应用需求(如网关或电池供电的终端节点)将决定互联技术的选择。

        1507295.1.jpg

        图2:传感器节点架构

         

         

        在那些要求能效高、电池寿命长(如要求电池使用寿命达5-15年),并且传输距离远的应用中,Sub-GHz私有协议和开放式ZigBee标准是最常用的无线协议。Bluetooth适用于无需额外无线基础设施的智能手机和平板电脑,可提供短距离、点对点连接。Wi-Fi是重视带宽型应用(如视频流和无线热点连接)最常采用的无线协议。Sub-GHz频段非常适合长距离、低功耗、低速率的应用(如烟感、门窗传感器)和室外系统(如气象台、智能电表和资产跟踪器)。

        Sub-GHz技术是需要长距离和低功耗的无线应用的理想选择。窄带传输能够将数据传输到远处的集中器,通常可以到几英里远,而中间不需要接力传输。这种长距离传输能力减少了对于多个昂贵基站或中继器的需求。专利型Sub-GHz协议允许开发者根据特定的需求优化无线解决方案,不需要遵守可能给网络实现带来限制的标准。虽然许多现有的Sub-GHz网络采用专利协议,但是业内正在逐步向基于标准的、互操作的系统迁移。例如,IEEE802.15.4g标准正在向全球普及,获得了多个工业协会(如Wi-SUN和ZigBee)的采用。在任何标准中,通常都有强制和可选的规格,提前确定适当的参数有助于设备的选择。

         

        低功耗性能

        为功耗敏感和电池供电型应用设计无线解决方案的开发人员必须关注无线IC的待机电流、低功耗模式和唤醒时间。例如,Sub-GHz频段收发器就是这些应用的理想选择,因为这些节能型无线设备在待机模式下仅消耗40nA电流,且保持内存数据不丢失,而从待机/休眠模式切换到接收模式仅需要440μs。此外,自治特性(如占空比循环模式)进一步降低了平均接收电流消耗,在间歇性工作的系统中尤为如此。在这种情况下,基于片内集成的可编程的32kHz休眠时钟,无线电自动从休眠中唤醒并进入接收模式。无线电会根据前导码检测和接收信号强度指示来评估信道数据的有效性,仅仅在接收到有效数据包才去唤醒主机MCU。如果没有有效数据包,无线电自动返回到休眠模式,不会中断和激活主机MCU。

         

        在采用占空比循环模式中,三个主要因素决定了电流消耗:睡眠模式转变到接收模式所消耗的能量、评估信道数据包有效性所需的时间,以及休眠模式电流。Sub-GHz频段收发器的前导码感应模式极大地减少了信道访问时间,并且不会降低灵敏度,同时显著降低了平均接收电流。这些无线电收发器仅需要8位前导码就能判断前导符的有效性,而其他传统Sub-GHz收发器则需要32位。平均接收电流的改善更有利于拥有较长前导符长度和较低数据速率的情形。在这些Sub-GHz收发器中,功率放大器PA消耗最大的电流,因此高效的PA设计也是获得长电池寿命的关键。Sub-GHz频段芯片集成了高效的+20dBmPA,能耗仅为85mA,比其它解决方案相比低40mA,且在+10dBm输出功率时,PA消耗仅为18mA,因此可用纽扣电池进行供电。

         

        在任何应用中,采用Sub-GHz无线技术的主要优点是该频段的长距离传输能力,即使在信号拥挤的环境下也不受影响。长距离传输系统减少了部署成本,服务相同数量设备时所需要的基站和中继器更少。在给定的输出功率下,低频率传输能够传输更远的距离。根据物理学原理,可以使用Friis公式进行线路损耗分析来解释这种现象:

                                                               1507295.3.jpg

         

        其中Pr是接收功率,Pt是发射功率,Gt和Gr是发射器和接收器的天线增益,R是天线之间的距离,λ是波长。

         

        就通常经验来说,在室外空旷环境下链路预算增加6dB将带来双倍的传输距离。所有其它条件相同的情况下,169MHz频段的可达距离将优于868/915MHz频段。因为距离测试对测试环境和设备参数非常敏感,因此很难在不同厂家提供的RF收发器解决方案中进行精确的同类比较。比较时要充分考虑无线电参数(如频率、输出功率、带宽、包结构、天线、位/包错误率计算方法等)。在室外空旷环境测试中,Sub-GHz频段设备采用标准的高斯移频键控(GFSK)调制方式,高频段和低频段传输距离都可达到8-10英里(13-16千米)。

         

        系统传输距离是接收器灵敏度和传输频率的函数。灵敏度与信道带宽成反比,这意味着窄带会有更高的接收灵敏度。信道带宽取决于三个因素:数据速率、频率偏置和晶体振荡器精度。为达到有效的发送和接收,信道带宽必须足够满足这三个因素。Sub-GHz频段器件具有完全可编程的接收带宽,从200Hz到850kHz,因而能够在100bps速率下保持-133dBm的灵敏度,这是长距离室外传感器应用的理想选择。在一些场合中,还可采用扩频机制代替标准的窄带GFSK调制。较低的数据率需要较宽的频带,这样传输效率低,但是传输功率也低。增加带宽带来的灵敏度损失可通过编码进行补偿,每一个数据位可能被编码成多个位,在更宽的频带中传输。这意味着,在相同的净数据速率下,相对于传统窄带GFSK实现来说并没有直接的灵敏度改善。

         

        从扩频信号中解码数据通常需要更长的前导码来同步,这增加了包的传输时间,进而降低了电池使用寿命。基于60-70dB之间的不同频带范围,窄带系统提供十分出色的临道抑制能力,扩频信号不易受到干扰。不过,在近距离时,会对其它的窄带信号或扩频设备有干扰,将显著减少编码系统的传输距离。扩频系统的优势之一是可以使用更低成本的晶体替代高成本的温补晶体振荡器(TCXO)。基于GFSK的窄带系统通常需要使用TCXO以确保频率精度和延伸传输距离。虽然标准晶体和TCXO之间的成本差异日趋缩小,但是先进的收发器也能提供自动频率补偿(AFC)机制,因而可以进一步减少频率偏移所造成的影响。

        1507295.2.jpg

        图3:窄带和扩频信号产生的功率

         

        结论

        低功耗和长距离是确定Sub-GHz无线系统设计方向的重要因素。快速信号侦测、几十纳安的超低功耗待机电流、快速状态转换时间是构建稳健软件解决方案的关键,能够有效地提升可连接设备应用的系统级能效。IoT市场正在快速演进,各类高集成度、超低功耗的半导体器件以低价格不断涌现,具有灵活架构的超低功耗MCU和无线IC支持多种协议,将成为实现智能、互联和低功耗型IoT世界的先导。

      • Silicon Labs以最佳Thread解决方案简化IoT连接

        EllenTang | 07/202/2015 | 11:01 PM

                                          Silicon Labs以最佳Thread解决方案简化IoT连接

                          -网状网络市场领导者发布革命性的Thread协议栈和强大的开发工具-

         

        中国,北京-2015715-物联网(IoT)领域中微控制器、无线连接、模拟和传感器解决方案的领先供应商Silicon Labs(芯科科技有限公司,NASDAQ:SLAB)今日宣布推出备受期待的Thread网络解决方案,包含构建在多年网状网络专业知识之上的软件协议栈和业界最先进的网状网络软件开发工具。Silicon Labs的Thread解决方案提供给开发人员最快捷的途径以开发符合Thread标准的IoT产品,这些产品包括温控器、无线传感器网络、烟雾/一氧化碳探测器、可连接照明装置、控制面板、无线接入点和网关等。

        thread-press-image.jpg

        Thread技术是业内首个基于标准、可IP寻址的低功耗网状网络解决方案,它为智能家庭领域中的电池供电设备提供了可靠、安全并可扩展的互联网连接,填补了IoT生态系统中的关键环节。作为Thread Group的创始成员和技术委员会主席,Silicon Labs一直持续参与和推动Thread标准规格的定义和开发。

         

        ON World Inc.调研总监Mareca Hatler表示:“Thread有望成为智能家庭领域中领先的网状网络技术之一,随着今年众多设备制造商采用Thread技术,2016年将有众多Thread功能的产品计划面市。作为ZigBee和Thread软件的主要架构者和基于标准的网状网络行业领导者,Silicon Labs公司将在Thread技术进入可连接的家庭生态系统中担任要角。”

         

        Silicon Labs正在与Thread使能的可连接家庭产品领先制造商进行紧密的合作,Thread协议栈已在关键客户的多节点网络上运行。Silicon Labs提供了业内最广泛的网状网络SoC产品系列以及ZigBee和Thread解决方案的通用开发平台。Silicon Labs的Thread协议栈、EM35xx无线SoC平台以及软、硬件工具的组合能够通过空中升级(OTA)方式为开发人员提供从ZigBee到Thread的无缝迁移方法。此外,Silicon Labs的硬件和软件发展路线图也将为IoT提供多协议、多波段的2.4GHz和sub-GHz无线连接。

         

        Silicon Labs软件工程副总裁兼Thread Group技术副总裁Skip Ashton介绍:“作为网状网络市场的领导者,Silicon Labs具有十多年的开发、认证和交付基于标准的网状网络解决方案的经验。我们对于网状网络技术及其认证过程都有非常深刻的了解和认识。通过与客户和生态合作伙伴合作,已经有数千种采用我们业内领先EM35xx无线SoC的网状网络产品成功通过了认证。”

         

        Kwikset公司销售及行销副总裁Keith Brandon表示:“我们很高兴有此机会向大家介绍Thread的规格特性,以及Silicon Labs的Thread协议及开发工具,它们为家庭互联市场带来前沿的无线网状网络技术。Silicon Labs基于标准的Thread解决方案使我们可以简化并加速Thread连接的锁类产品开发,它能与其他可连接的家庭设备无缝通信,给予消费者银行级的安全特性保护。”

         

        Silicon Labs的Thread解决方案能够提供一种简单、安全、可扩展的无线连接方法,包括数百个家庭互联设备的无线互联,以及无缝桥接这些设备到互联网。Thread软件提供了一个具有自我修复能力、基于IPv6的网状网络,可以扩展到250个节点以上,不会出现单点失效的情况。该协议调试简单,为“休眠(sleepy)”终端节点提供了扩展支持,支持在单电池供电情况下低功耗操作数年。用户能够通过智能手机或者浏览器轻松的添加节点到网络中。Silicon Labs的Thread协议栈在节点加入网络过程中采用银行级别的端到端安全措施,并且在所有网络通信中提供AES-128加密以确保安全。

         

        Tyco安全产品公司入侵检测产品管理部总监Tim Myers表示:“我们很高兴能够同Silicon Labs一起合作完成此项工作,因为我们能利用Thread技术改进并使家庭内部通信变得更安全。”

         

        简化Thread开发

        为加速Thread兼容产品的开发,Silicon Labs提供一套完整的开发和调试工具。Silicon Labs的AppBuilder工具能够简化和加速基于IP的网状网络应用的开发。AppBuilder使得开发人员可以使用Silicon Labs应用框架轻松配置采用Thread协议的网状网络应用,同时通过一套易于使用的回调函数和插件来规范应用代码,这使得客户软件可以方便的移植到Silicon Labs无线SoC中。Silicon Labs也提供强大的Desktop Network Analyzer工具,不同于传统的无线监测器(sniffer),通过使用Silicon Labs网状网络SoC中集成专用的包跟踪端口能够为用户提供完整的可视化无线网络活动跟踪。

         

        价格及供货

        Silicon Labs的Thread软件协议栈和示例应用代码对于注册过EM35x-DEV开发工具的客户是免费的。EM35x-DEV开发套件为ZigBee和Thread开发提供了一个公共的平台,允许客户满足多种市场需求。Thread模块可以从Silicon Labs的生态系统合作伙伴California Eastern Labs(CEL)和Telegesis处获得。Silicon Labs新的RD-004-0201 Thread边界路由器(boarder router)参考设计计划于7月底发布。用于边界路由器的初始软件发布将展示端到端的IPv6连接,以及包括加速开发进度的应用示例代码。更多有关于Silicon Labs的Thread软件协议栈、硬件平台和开发工具等信息,请浏览网站:www.silabs.com/thread

      • 即插即用的蓝牙4.0模块: BLED112

        EllenTang | 07/195/2015 | 10:26 PM

        Silicon Labs公司先前推出了带有USB接口的蓝牙适配器BLED112,该蓝牙适配器可用于Windows设备、苹果的iOS设备、Android设备、Linux设备,即插即用、超小体积、隐藏式添加,让你的设备瞬间具备低功耗蓝牙4.0功能,如图所示:

         

        BLED112.jpg

        图:BLED112低功耗蓝牙适配器

        BLED112是一个单模的低功耗蓝牙4.0适配器,完全集成蓝牙4.0特性。其USB 2.0接口可以模拟成虚拟串口或者模拟成USB HID设备。HID设备可以是键盘或者鼠标等,无需安装驱动程序。BLED112的USB接口模拟成虚拟串口后,上位机只需要开发简单的串口应用程序接口。使用BGScript脚本语言和配置文件辅助工具,让一切应用和开发都变得如此简单快速。

        当然,高性能的射频性能和全球认证也是必不可少的。BLED112通过了蓝牙资格认证,通过FCC、CE、IC、韩国、日本和巴西的认证。+0dbm的发射功率,-91dbm的接收灵敏度,有效通信距离可达30米,实现了真正的小体积,高性能!

         

        BLED112 关键特性参数:

        支持蓝牙4.0标准:

        支持主或从模式;

        可支持8个连接;

        集成智能蓝牙协议:

        支持GAP, GATT, L2CAP and SMP等配置文件;

        支持智能蓝牙配置文件;

         

        射频性能:

        发射功率:+0 dBm to -27 dBm;

        接收灵敏度:-91dbm;

         

        主机接口:

        USB(模拟成虚拟串口);

        可编程8051处理器,单机操作:

        8kB RAM,128kB Falsh;

        外形尺寸:17x12x6.5mm

         

        认证:蓝牙、FCC、CE、IC、韩国、日本和巴西认证

         

        BLED112 技术资料

         

        关于更多Silicon Labs 的Bluegiga产品线,点击这里

         

      • 借力MCU/sub-GHz收发器 无线M-Bus加速智能仪表普及

        EllenTang | 07/189/2015 | 09:59 PM

        借力MCU/sub-GHz收发器 无线M-Bus加速智能仪表普及

        作者:Silicon Labs物联网微控制器兼无线产品资深产品经理Vivek Mohan

         

        无线M-Bus将推进智能型仪表市场发展。因应智能能源发展趋势,半导体从业者已积极投入M-Bus相关芯片、软件协议栈及模组布局,如推出整合超低功耗MCU与高效能sub-GHz无线IC的单芯片方案,可望加速智能型仪表应用普及。

        随着无线传感器网路、智能型仪表、居家自动化装置和穿戴式电子产品暴增,物联网(IoT)这个名词也备受瞩目。物联网横跨了智能电表和市区照明等长程户外网路,以及可联网住家、住宅安保系统和能源管理的短程室内网路。 

         

        物联网的连接

        无线连接和标准型软件协定为物联网提供了至关重要的使能技术(Enabling Technology),有个不错的例子是智能型仪表系统的无线连接。近年来所出现对智能型仪表最有用的无线协定之一就是无线M-Bus(Meter-Bus),它被广泛运用在欧洲各地的仪表应用中。 

         

        无线M-Bus探析

        M-Bus是以欧洲智能型仪表通信的标准为基础。这种连接可以是有线或无线,该标准则是在规范智能型仪表和资料搜集器之间的通信连接(图1)。该标准也应用在暖气费用分配器和临时或静态的远端抄表装置上。

        1507091.0.jpg

                                                                  图1连接仪表系统的架构

         

        无线M-Bus是M-Bus标准的无线版,存在了超过10年,并持续在欧洲各地的多项布建中成长。以sub-GHz频段(169MHz、434MHz和868MHz)为基础,无线M-Bus采用的是简单的星形网络组态,协议则是针对智能型仪表装置的需求来优化;相较于高频率(如2.4GHz),sub-GHz频率能发挥较好的传输特性。远程传输可以使无线电波送达难以触及的无线地点,像是安装在地下的设备,或是在多道墙面和障碍物背后的仪表。 

        IP定址和网状网络并未被规范在该标准中,虽然仪表可个别定址,并且/或许能支援中继或路由某些模式的信息。较低的资料速率和小封包尺寸可支援以小型软件协议栈来实施的低功耗、远程解决方案;低功耗对水表和煤气表至关重要,因为它们是靠电池来带动,并需要稳定运转10年以上。 

        该标准所要求的频率、调变(以FSK为基础)和频宽,使它在谱频上比通行的谱频型协议要来得有效率。底层技术可向多家供应商取得,而且完全是标准型,所以它在市场上是非常具竞争力的解决方案,并有利于消费者。这些因素加起来,无线M-Bus在欧洲便成了具成本效益的智能型仪表连接解决方案。

         

        无线M-Bus相关标准与组织

        与无线M-Bus相关的欧洲标准和组织有好几个,不过并没有专为无线M-Bus所建立的共同业界联盟或认证流程。在欧洲,sub-GHz的无线装置全都必须遵守ETSI EN 300 220,它是在为其他规格的各种带宽订立发射限值。欧洲标准化委员会(CEN)也界定了EN13757,它有六个不同的部分。与无线M-Bus的实施最为相关的是第三和第四部分。这六个部分规范了从物理层到应用层的要求,对有线和无线M-Bus的实施都是如此。表1列出这些部分及内容提要。

         

        1 - EN13757标准的各部分摘要

        EN13757

        目的

        1

        仪表和收集器之间的基本数据通信

        2

        有线M-Bus的物理层要求

        3

        应用层

        4

        无线M-Bus的实体和数据连接

        5

        强化射程的中继和路由

        6

        短距有线连接的局部总线

         

        最新版的EN13757是在2013年时通过,加强了无线射频的规格(更严格),以取代原本2005年版的标准。除了标准文件,区域组织也规范了无线M-Bus的使用。有一个棘手的地方是,这些区域在标准上各有独特的要求,而且/或许会从标准中挑选特定的模式来迎合环境的需要。这些团体的例子有法国的GrDF、意大利的CIG,以及OMS集团 (我们会更详细地探讨GrDF和CIG的要求) 。

         

        无线M-Bus模式与频率

        表2呈现了不同频率所规范的多个无线模式。S、T、C和N是最常用的模式,而且N模式在169 MHz频段中日益风行。R和F模式比较少见,P和Q模式现今则已没人使用。这些模式都有单向与双向的次模式(sub mode)。

         

        2 - sub-GHz频率的无线模式

        模式

        频率(MHz)

        说明

        S(静态)

        868

        仪表传输数据一天没几次

        T(频繁发射)

        868

        仪表传输数据一天好几次

        C(精简)

        868

        T模式的较高数据速率版

        N(窄频)

        169

        远程、窄频系统

        R(频繁接收)

        868

        收集器读取不同频道的多个仪表

        F(频繁发射与接收)

        433

        频繁双向通信

         

        独特的区域要求

        欧洲各国都有为本身界定出最能配合现有环境与基础设施的要求。这对特定区域的公用事业公司很有用,但却对供货商增添了额外的要求,包括半导体设计业者、仪表制造商和软件开发商。如果要提供共同的平台,包含软硬件在内的整个解决方案就必须架构得灵活且模块化,这样才能适应独特的区域要求。在仪表的应用上,安全和无线电效能是至关重要的层面,它则反应在这些不同区域所规范的额外要求上。我们来看法国和意大利的例子,并凸显出这些区域的一些关键特性。

        法国的GrDF规范,169 MHz所使用的是“N”模式。它是窄频、低数据速率的模式,以有效率地使用频谱。连同进阶的安全要求,它还规范要以广播模式来更新仪表。高速4GFSK模式则是选择式界定,以支持较高的数据速率,同时维持窄带宽的12.5 KHz频道。特别为了无线电的效能与提升灵敏度,阻隔和灵敏度可望超越并高于标准要求,频率偏离的容许误差则是严格的0.2%。意大利的CIG也是根据N模式来运作169MHz频段。 

        此外,CIG还采用了意大利的UNI TS 11291-11-4规格,使应用层接口和传输层必须有所调整。应用层是以装置语言信息规格/能源仪表伴随规格(DLMS/COSEM)为基础,进出频道的方法则是以ALOHA和LBT为基础。广播窗口也为了固件升级的目的而开放。物理层的要求同样很独特。为了达到远程,最大发射功率是+27 dBm,并额外要求3 dB为一阶,从-27 dBm到+27 dBm。其余的细节记载在规格文件中。

        法国和意大利规范以N模式来运作,要求超快的前导符检测,前导符是非常短的2个字节。像是Silicon Labs的Si446x EZRadioPRO系列的Sub-GHz无线收发器就可以支持这些特定的无线M-Bus要求。

        对于应用层、封包结构所使用的字段和加强安全性,开放式计量系统(OMS)和荷兰智能型仪表推荐(DSMR)也有特殊的规定。 

         

        无线M-Bus仪表解决方案实作

        从半导体元件、软件协议栈到模组,无线M-Bus仪表解决方案有多个现成的选项。高效能无线M-Bus解决方案必备的核心元件包括低耗能微控制器(MCU)、可以卸载主处理器的高效能sub-GHz收发器,以及提供弹性来支持各种无线连接要求的模组协议栈架构。在设计和组构仪表系统时,还必须要有全套的开发工具。 

        图2提供了无线M-Bus协议栈和OSI模式的高阶比较,并突显出协议栈所要求的层次较少;依照模式和装置类型,协议栈大小可存放在小于32KB的Flash中。在Flash和RAM的要求降低下,这等于减少了微控制器解决方案的成本。应用层是由使用者来界定,或许也会采用OMS、DSMR、DLMS/COSEM或其他任何自定的应用层。开放的硬件抽象层(HAL)能为周边装置从事低阶的硬件组构,像是GPIO或UART的波特率。这种模组架构能以最大的弹性来支援各式各样有共同协议栈版本的装置。例如:芯科就为无线M-Bus应用提供了全套的平台解决方案,其中包含由Stackforce公司所开发的优化软件协议栈,以运用在芯科基于ARM Cortex-M0+、M3和M4核心的EFM32微控制器上,以及EZRadioPRO的sub-GHz无线收发器上。高度整合、体积小巧的EZR32无线微控制器平台把无线协议栈、微控制器和收发器结合为单一芯片解决方案,很适合空间有限的无线型设计。

        1507091.1.png                       1507091.2.png

                                                  图2:无线M-Bus协议栈特性和OSI模式层的比较

         

        微控制器和无线电很重要的是,要能支持各种低功耗模式,如休眠和待机,并能快速苏醒来处理收发数据包,这对使用电池供电的仪表尤其重要。另一个硬件考量则是对周边装置的支持,以及能自主运行而延长电池寿命的传感器介面。 

        在初步评估和除错阶段,配合已针对169MHz和868MHz无线射频调试好的硬件套件也会有帮助。图3范例是以芯科的EZR32 sub-GHz无线微控制器为基础的无线M-Bus硬件平台。

                                   1507091.3.png

                                                        图3:针对无线M-Bus应用优化的无线硬件平台实例

         

        无线电的硬件是优化成不同的频率和功耗,以配合欧洲在管制上的要求,包括868MHz和169MHz的无线M-Bus,而各种介面和除错选项则能简化开发。

         

        无线M-Bus将为大势所趋

        随着高度整合、超低功耗的平台以及具有成本效益的价位变得越发广泛,智能型仪表市场正迅速演进,世界各国都订立了时程,数以百万计的智能型仪表在不久后的将来就会上路。欧洲可望大量布建无线M-Bus,有很多区域也已在实地试行。 

        超低功耗的微控制器和高效能的sub-GHz无线IC,加上支援多种协定的弹性架构,将发挥带头作用,使智能、连接与节能的仪表应用能为消费者和公用事业单位节省宝贵的天然资源。

      • 集成蓝牙无线接收和协议栈: Bluegiga WT12模组力助您缩短开发周期

        EllenTang | 07/182/2015 | 11:29 PM

        在收购了全球知名蓝牙模块和软件商Bluegiga之后,芯科科技(Silicon Labs)进一步丰富了其在无线连接领域的优势,同时接二连三地推出新产品。先前已经为大家介绍了Bluegiga的经典蓝牙模块WT11i和独具特色的远程蓝牙模块WT41(可支持1000米以上的远距离通信),本次为大家介绍WT12蓝牙模组。WT12是Bluegiga的一款完全集成了天线、蓝牙无线接收和片上iWRAP蓝牙协议栈的蓝牙V2.1+EDR Class2模组。针对想在设计中快速集成蓝牙无线接收技术,且及时搞定蓝牙无线电与协议栈的客户,WT12模组会一个很好的解决方案,在降低开发风险和成本的同时,还可以缩短产品的上市时间。

                                                  

        集成协议栈的蓝牙模块,研发时间还能再短点吗?

         

        WT12是Bluegiga的一款完全集成了天线、蓝牙无线接收和片上iWRAP蓝牙协议栈的蓝牙V2.1+EDR Class2模组。针对那些想在设计中快速集成蓝牙无线接收技术,且及时搞定蓝牙无线电与协议栈的客户,Bluegiga的WT12模组会是一个很好的解决方案。它集成了Bluegiga的iWRAP蓝牙协议栈:一个嵌入了13种不同蓝牙配置和苹果iAP连接的蓝牙协议栈。在iWRAP蓝牙协议栈和Bluegiga卓越的技术支持下,WT12模组的用户既可缩短产品上市时间,也能降低开发风险和成本。

                                                 WT12.jpg

                                                       图:Bluegiga WT12蓝牙V2.1+EDR模组

         

        Bluegiga WT12蓝牙模组的特点及优势:

        • 完全集成的蓝牙方案,蓝牙Class2等级,支持蓝牙 V2.1+EDR功能,板载蓝牙天线
        • 最大发射功率:+3dBm;接收灵敏度:-86dBm;通信距离:直视距离30m
        • 低开发成本,缩短产品上市时间,支持现场升级
        • 通过蓝牙、CE、FCC和IC认证,久经考验的产品兼容性,无需认证费用
        • 支持与Bluegiga Wi-Fi产品共存工作

        硬件规格:

        • 支持UART和USB接口,多达6个可编程IO管脚
        • 工作电压:2.7V~3.6V
        • 工作温度:-40°C~+85°C
        • 外形尺寸:25.5(L) x 14.0(W) x 2.4(H) mm

        软件支持:

        • Bluegiga iWRAP蓝牙协议栈
        • 支持13种蓝牙配置
        • 支持APPLE IAP协议
        • 支持蓝牙HCI通过UART和USB接口

         

         

      • 无线微蜂窝基站,无限大未来

        EllenTang | 07/182/2015 | 11:14 PM

        无线微蜂窝基站,无限大未来

        作者:Phil Callahan

         

              我在高性能时钟解决方案销售方面有着超过10年的经验。Silicon LabsSi5380解决了无线产业一个日益严峻的挑战,那就是 爆炸式增长的数据流量。无线产业部署更多的无线覆盖使用微蜂窝地址数据需求高的地区。微蜂窝基站正因无线服务供应商而快速增长,但设计该类基站的挑战也是明显的,因为它们必须足够小。“意味着减少印制电路板占用面积,费料少,以及成本低。同样,因为微蜂窝基站必须放置于屋顶或者悬挂于建筑物外侧,或者有时放在密闭空间内,因此,无论温度冷热,工作与否,他们的性能必须不因温度变化而改变。

         

        级联PLL成绝响, Si5380变新宠

        当前,微蜂窝基站的定时和同步元件还是传统的,基于模拟的解决方案,也就是级联数字锁相环(PLL)。新型Si5380超低相位噪声时钟发生器革命性的改变了旧的解决方案。级联PLL解决方案印制电路板占用面积大,功耗高,且易于受到来自电源或者震动的噪声源的影响。

        PLL.png

                                                                     级联PLL电路图

         

        新型Si5380可减少66%的印制电路板占用面积,降低30%的功耗,并且对电源噪声和震动影响不是那么敏感。我们使用来自Silicon Labs的突破性的架构,DSPLL,来实现这一目标。

                                    DSPLL.png

         

                                                                           DSPLL 架构

         

        为何Si5380优于级联PLLs

         

            你也许会想到,DSPLL使用获得专利的数字技术,来调谐集成的VCO循环(压控晶振)。但你想不到的是,Si5380的四代DSPLL技术提供了12路可完全编程的参考时钟,可实现高于兆分之一的精确度。换句话来说,使用12个可编程输出的122.88 MHz LTE频率,误差将会小于0.00012288 Hz,这一数字是极好的。

             更进一步来说,在应用中真正重要的相位噪声性能方面,Si5380的表现比市面上其他任何现有的解决方案(包括印制电路板占用空间更大,功耗更高,灵活性更低的级联PLLs)都要好,而且更加可靠。Si5380能够替代级联PLLs几乎所有的外部元件,包括昂贵的压控晶体振荡器(VCXO)、分立环路滤波器等。

             我们的应用工程师测量了一系列的微蜂窝基站,来比较级联PLLSi5380对印制电路板占用面积方面的要求。Si5380平均减少了187 mm2的印制电路板占用面积,这大约是骰子一个面的大小。

         

        list1.png

                                           Si5380和级联PLLS的印制电路板占用面积

         

               从功耗的角度来说,Si5380比级联PLLS的功耗约低1/3。对于微蜂窝基站来说,这样的功耗降低意味着将过热的基站变为多年都无需过分维护的基站。

         

        list2.png

                                                        Si5380和级联PLLs的功耗

         

                微蜂窝基站常常与发出噪音的工业设备在一起,比如HVAC和制冷设备。来自这些设备的任何震动都会影响到级联PLL内的精确,昂贵的VCXO24美元)。但这不会影响Si5380,它使用标准的,低成本的晶体(0.200.30美元)来提供频率参考。所以可以说,即使把Si5380放在震动的设备附近,系统的参考时钟仍然稳如磐石。

         

        更进一步:

         

        Si5380第四代DSPLL是简便性,性能和集成性的巅峰。你可以在你的实验室里使用简单的桌面或iPhone软件配置12路灵活的输出,并且立刻享受到它的低功耗,小封装和高性能。Silicon Labs突破性的创新和简单的设置让你的生活更轻松。

         

        如果你想进一步阅读关于Si5380的技术文章,请点击这里。

         

        如果你想访问Si5380官方页面,请点击这里。

         

         

         

         

      • 如何使用高集成度SoC发射器简化RF遥控器设计

        EllenTang | 06/175/2015 | 10:42 PM

        如何使用高集成度SoC发射器简化RF遥控器设计

         

        射频(RF)遥控器设计从未如此简单,这多亏了高集成度、单芯片RF解决方案的出现。片上系统(System-on-Chip,SoC)发射器解决方案,如Silicon Labs的Si4010单芯片遥控器集成电路(IC)大大简化了遥控器设计过程,降低了系统物料(BOM)成本(通过去除大量分立元件)。

         

        Si4010发射器是Silicon Labs EZRadio ®无线产品线的成员之一,是业界第一款单芯片遥控器IC,只需要一个外部旁路电容、一块印制电路板(PCB)、电池和一块带按键的外壳,即可构成一个完整的遥控器。Si4010包括专利的天线调谐电路,为每一个按键动作自动微调天线至最佳发射功率。传统的遥控器设计中,RF发射器差异、组件和天线制造公差以及周围环境导致天线效率较低、输出能量浪费严重。图1是Si4010功率放大器和天线调谐电路的结构简图。

        1506253.1.jpg

        图1 Si4010天线调谐框图

         

        Si4010发射器是一款完整的片上系统(SoC)遥控器IC,基于专利技术的Si500硅振荡器,它的专利技术的无晶体架构可获得±150ppm的载波频率精度(商业温度范围),±250ppm的载波频率精度(工业温度范围),是传统低成本基于SAW发射器(无外部晶体)频率精度的2倍。Si4010可在27~960MHz的连续频率范围内工作,并且包括可编程的最大输出功率+10dBm的功率放大器(PA),自动天线调谐及为满足FCC、ETSI和ARIB无线电频率法规要求的PA边沿速率控制。嵌入式8051 MCU为进行快速处理而进行了指令优化,具有512B内部RAM、4kB RAM、8KB OTP NVM、128bit EEPROM、12KB 函数库ROM和硬件加速的128bit AES加密逻辑。1.8~3.6V供电范围、比超低功耗(10nA)还少的待机电流以及触摸唤醒操作,使得Si4010成为纽扣电池应用的理想选择。图2是Si4010 SoC 发射器框图。

        1506253.2.jpg

        图2 Si4010发射器框图

         

        Si4010通过调整片上与天线电感产生共振的可变电容器最大化发射天线效率。这些自动的电容器调整通过补偿天线匹配电路的失谐最大化遥控器的发射功率,通过允许放宽PCB天线制造公差降低设计成本。

         

        功率放大器(PA)包含一个反馈回路,通过监视PA输出电压、调整PA电流驱动以补偿天线阻抗的变化,从而维持稳定的输出功率。尽管有温度变化和“手效应”的影响,反馈回路有效维持稳定输出功率,正如上文所述,当一个人手持遥控器时将改变天线阻抗。天线调谐的最终结果是为每个按键操作提供稳定可靠和最佳的性能,同时降低符合RF匹配要求的设计成本和复杂性。使用Si4010自动天线调谐特性的遥控器能够可靠和稳定运行,在满足政府发射限制下提供最大发射距离。

         

        电池寿命是任何便携式电子设备,特别是遥控器的重要考虑因素。当我们考虑典型的遥控器使用方式时发现,超过99%的时间里,遥控器处于等待用户按键操作的状态。在此期间,Si4010功耗小于10nA(室温下),这使其成为电池供电应用的理想选择。此外,具有触摸唤醒功能的GPIO特性进一步减少了遥控器的电流消耗,延长了电池寿命。

         

        图3 是典型遥控器应用中Si4010功耗实例(使用CR2032电池,最大发射功率+10dBm)。 在传输期间,输出功率为+10dBm时,Si4010在OOK调制模式耗电14.2mA或在FSK调制模式下耗电19.8mA。如果我们假设如下情形:1kBaud数据传输率、曼彻斯特编码、每数据包100bit、每次按键重复发送3次,则我们得到如下结论:在每天50次按键、连续5年操作条件下,OOK调制模式下仅消耗CR2032(220mAH)电池电量的52%;FSK调制模式下消耗CR2032电池电量的71%。

        1506253.3.jpg

        图3 Si4010电池寿命计算实例

         

        虽然这个例子没有包括电池的漏电情况,但它确实说明了Si4010发射功耗低的特性和低待机电流的重要性。Si4010发射器的超低待机电流比许多现存解决方案低一个数量级,对于延长遥控器电池寿命来说这一区别点非常重要。

         

        图4是一个使用Si4010的遥控器原理图,带有一个可选的LED灯用于指示按键操作。遥控器总的物料清单(不包括可选的LED灯)包括一颗Silicon Labs Si4010 IC、一颗旁路电容、PCB板载天线(trace antenna)和电容。不但Si4010总的物料数量少于基于SAW发射器的(3 对24),而且Si4010也无需任何RF元件,因为所有都集成在芯片内部。高集成度的Si4010降低了系统总BOM,从基于SAW发射器的24个降到仅仅3个元件。BOM减小大大降低了劳动力成本、库存和测试成本,而且可大大提高生产产量。此外,Si4010器件的自动天线调谐功能保证稳定可靠的输出功率,并且通过放宽制造工艺中的公差范围,降低了系统成本(因为高精确的天线匹配不再需要)。

        1506253.4.jpg

        图4 Si4010的遥控器原理图

         

        使用Si4010设计的遥控器克服了传统RF发射器所面临的许多问题。Si4010利用天线调谐特性消除了困难且繁琐的RF匹配问题,同时也降低了高成本的RF设计费用,缩短了上市时间。硬件设计的任务降低到:为给定遥控器几何形状选择最佳的PCB天线,为Si4010、PCB板载天线、旁路电容、按键和电池进行合理布局和布线。

         

        总之,Si4010是具有革命性的发射器,可为遥控器市场提供最低成本的系统解决方案。完全成本效益的遥控器可使用Si4010、电池、印刷电路板和按钮设计完成。到目前为止,没有其它发射器解决方案可与高集成度的Si4010相媲美。此外,Si4010性能卓越,其先进的射频性能使得每个按键操作都可通过自动天线调谐保证最大传输距离。Si4010也非常易用,设计简便,从而缩短上市时间。

         

      • 编程技巧:轻松实现Si446x超长数据包收发

        EllenTang | 06/175/2015 | 10:22 PM

        1506252.0.jpg

        Silicon Labs EZRadioPro 系列的Si446x 无线收发器,TX FIFO 和 RX FIFO只有64字节。那么如何实现超过64字节的数据包收发呢?需要繁琐地去把长包拆分成小于等于64字节的小包,每个小包单独发送,然后接收端把这些小包数据拼接回原始的长包数据吗?回答是:不!因为长包的收发在Si446x 收发芯片上实现是非常简单的。

         

        打开WDS软件或者查看API寄存器描述文档,有两个中断非常有用,就是TX_FIFO_ALMOST_EMPTY_PEND 和 RX_FIFO_ALMOST_FULL_PEND,这两个中断代表的意思就是TX FIFO 的数据即将发送完,或者RX FIFO即将被填充满。那么我们只需要根据这两个中断,就可以实现超长数据包收发了。

         

        例如,在TX_FIFO_ALMOST_EMPTY_PEND中断产生时,立刻填充数据到TX FIFO中,新填充的数据会紧跟着之前的数据发送出去,直到数据包完全发送,最终产生一个发送完成中断,表示这包数据发完。接收时也是类似,当收到的数据不断往RX FIFO中填充,快要填满的时候,就会产生RX_FIFO_ALMOST_FULL_PEND中断,这时立刻把RX FIFO读取出来,那么空出来的FIFO又可以继续接收新的数据,直到接收到的总数据等于整个完整的数据包长度,产生一个接收完成中断。整个过程都是连续的,根据包长度和设定的阈值,会产生多个TX_FIFO_ALMOST_EMPTY_PEND和RX_FIFO_ALMOST_FULL_PEND中断,但是每包数据发送完成和接收完成中断只会有一个,这和短包的收发是一样的。

         

        超长数据包的具体实现步骤如下:

        1. 使用WDS 配置TX_FIFO_ALMOST_EMPTY和RX_FIFO_ALMOST_FULL 阈值,如下图:1506252.1.jpg
        2. 使能TX_FIFO_ALMOST_EMPTY和RX_FIFO_ALMOST_FULL中断。如下图:

        1506252.2.jpg

        3.  在收到 TX_FIFO_ALMOST_EMPTY_PEND中断时,添加对应的填充TX FIFO 代码。

        4.  在收到 RX_FIFO_ALMOST_FULL_PEND中断时,添加对应的读取RX FIFO 代码。

         

        更多的详细参考代码,可以使用WDS,选择long packet TX 和 long packet RX工程生成并参考。

      • EFM32应用方案之GPS追踪器

        EllenTang | 06/175/2015 | 10:05 PM

        EFM32 Gecko.jpg

        EFM32应用方案之GPS追踪器

        概述

        GPS追踪器是内置了GPS模块和移动通信模块的终端,用于将GPS模块获得的定位数据通过移动通信模块(GSM/GPRS网络)传至Internet的一台服务器上,从而可以实现在电脑上查询终端位置。

        其主要应用领域有:儿童和老人的行踪掌控、公路巡检、贵重货物跟踪、追踪与勤务派遣、私人侦探工具、个人财物跟踪、宠物跟踪、野生动物追踪、货运业、汽车防盗、自行车防盗、电动车防盗、摩托车防盗、银行运钞车、军警演习操控、检调追踪、公务车管理等。

        系统结构

        EFM32是由Silicon Labs公司采用ARM Cortex-M0+\M3\M4内核设计出来的高性能、低功耗32位微控制器。它具有突出的低功耗特性,适用于“三表”(电表、水/热表、气表)、工业控制、警报安全系统、健康与运动应用系统、手持式医疗设备以及智能家居控制等领域。

        图1是GPS追踪器的结构框图,包括供电及充电、G-sensor、GPRS、GPS、主控制器、控制按键等模块。

        1506251.1.jpg

        图 1 GPS追踪器结构框图

        供电及充电

        GPS追踪器为电池供电,带充电电路,EFM32的工作电压为1.8~3.8V,工作电压范围比较宽,可以根据GPS和GPRS的供电需求来选择供电电压。

        G-sensor

        由于GPS的工作功耗较大,不宜进行持续工作。G-sensor可以保证只有GPS追踪器在移动时才进行GPS定位,减少不必要的功耗。

        GPRS

        追踪器通过GPRS模块接入通信网络,用户可通过网络或短信查询追踪器所在的位置。本方案采用Telit的GL868双频模块,供电范围为3.22~4.5V。

        GPS

        用于定位追踪器位置,为GPS主要功能模块。本方案采用Telit的SL868,供电范围为2.85~3.6V,水平定位可精确到2米。

        主控制器

        根据追踪器功能不同可选择不同型号的EFM32作为主控MCU。EFM32具有良好的兼容性,同型号芯片引脚为pin-pin兼容。在低端应用中可选择EFM32TG222作为主控,其封装为QFP48,Flash和RAM资源分别为8~32KB和2~4KB;在高端产品中可选择EFM32G222,其与EFM32TG222 pin-pin兼容,Flash和RAM资源分别为32~128KB和8~16KB。

        控制按键

        根据产品使用领域定义不同功能。

        方案优势

        相对于传统的8位、16位单片机实现的GPS追踪器,基于EFM32实现的本方案具有以下优势:

        1. 超低功耗

        EFM32是全球最低功耗的32位微控制器,RTC、DMA可运行在EM2模式下,功耗电流仅为900nA,不运行RTC的模式下可低至600nA,而在不保存RAM数据时更是只有20nA。同时,片上更是集成了低功耗外设:低功耗UART及I2C可运行于EM2模式下,可在CPU睡眠模式下实现数据的收发及数据识别唤醒,在本方案上可实现GPRS短信唤醒。由于GPS追踪器为电池供电,对功耗有一定的要求,在对功耗要求比较高的场合甚至可由EFM32控制各模块的供电,最大限度的提高其待机时间,因此EFM32的低功耗具有明显的优势。

        1. 集成度高,性能高

        EFM32是Cortex-M3内核,内核的指令效率以及代码密度比传统的8位单片机高,尤其是在算法处理方面具有比较大的优势,因此MCU具有更快地处理、响应外设事件的能力。除此之外,EFM32片上集成LCD驱动器、智能卡ISO7816接口、AES硬件模块等资源,丰富的集成外设为不同的系统应用提供多样性的选择。

        1. 扩展性良好

        EFM32的TG、G、GG、LG系列之间具有良好的兼容性,同型号不同系列的芯片是pin-pin兼容,保证用户在统一的硬件平台上,可进行不同功能需求的裁剪。Flash资源从4KB到1024KB,RAM资源从2KB到128KB。

        总结

        EFM32具有优异的低功耗特性,非常适合对于低功耗有一定要求的GPS追踪器的应用。EFM32内核采用目前流行的Cortex-M0+\M3\M4设计,极大地缩短了开发者的开发时间。EFM32具有丰富的外设,为系统扩展功能及降低成本提供了条件。因此,EFM32非常适合于GPS追踪器。

         

      • DAB/HD Radio 双模数字广播接收的优化设计方案

        EllenTang | 06/166/2015 | 11:11 PM

        1506112.0.jpg

        Si4689单芯片DAB/HD Radio双模数字广播接收解决方案

         

        近年来,数字视频广播系统在全球已经如火如荼推广开来,Silicon Labs在广播电视芯片领域成功地领导了全制式TV Tuner和DAB解调器并成功推出ISDB解调器后,基本全面满足了TV接收市场的需求。现在Silicon Labs同样在音频广播领域再发力,推出了全面地支持欧洲DAB/DAB+技术和北美的HD Radio技术单芯片接收方案。

        Si4689是一个Silicon Labs新发布的100% CMOS技术的单芯片数字音频广播接收芯片,它秉承了TV Tuner一贯的全制式产品支持精神,支持对传统的模拟FM/AM广播接收。Si468x在芯片尺寸、功耗和性能方面拥有革命性的改进。这些改进使得大量、价格敏感的多媒体产品集成数字接收功能成为可能。Si46xx系列提供高集成单芯片、超低功耗、全球模拟和数字多波段(AM/LW/SW/FM/FMRDS/HD/DAB/DAB+/DMB/DRM)支持。

        目前有些地区同时支持两DAB和HDRadio两种数字广播技术,这就要求我们的数字广播收音产品要同时支持两种制式,而Silicon Labs推出的Si4689芯片将很好地满足此类产品的诉求,单芯片完美解决双模数字接收的难题。

         

        Si4689应用如图1所示:

        1506112.2.jpg

         

         

         

        如下图2 ,Si4689参考应用电路所示,RF输入前端的匹配谐振电感与芯片内部的可调谐振电容构成谐振电路损失相应频点RF信号。其中L30 120nH和L3436nH电感即为匹配谐振电感。其中L30 120nH电感为FMHD Radio电感,通过软件控制管脚11 VHFSW的芯片内部开关来控制L34 36nH参考 DAB BAND III波段的频率谐振。FMHD Radio模式下仅L30 120nH电感参与谐振,L34 36nH电感处于开路状态。

        1506112.3.jpg

         

        图2Si4689参考应用电路(RF部分)

         

        不难看出,这样的硬件一个设计可以兼容到单HD/单DAB以及双模三种应用。针对不同的应用,有以下两点注意:

        1、前端调谐电感:

        a. 单HD应用:电感L3436nH并联电感NC,可以节约不必要的成本开支;

        b. DAB应用:DAB接收调谐需要L3436nH并联L30 120nH,因此支持DAB模式都需要安装L34电感;

        2、Flash:

        a. 容量:每个模式下使用不同的Firmware,根据模式的不同将要使用不用容量的Flash,每个模式Firmware大约512K,根据实际需求选择合适的容量。图3所示为可选择的序列式Flash。

        1506112.4.jpg

         

        图3可选择的序列式Flash模式

         

        b. 升级:为了应对后期标准版本或者固件优化带来的固件升级需要,需要可快速擦除的Flash芯片,Silicon Labs推荐SST25VF032B-80-4I-S2AF-ND,擦除时间18ms。如果没有升级的设计,而只是用于存储Firmware则可以使用普通速度的Flash。

         

        精选参考指南以及白皮书下载