如何为嵌入式应用选择适合的无线模块和协议

编者按：本系列文章包括两部分，第 1 部分讨论嵌入式系统设计人员可选择的各种无线连接，并提供了一些相关示例。本文为第 2 部分，将更详细地讨论无线模块的特性，并深入了解如何有效地使用这些模块。

随着物联网 （IoT） 和人工智能 （AI） 的快速发展，对系统无线连接的需求不断增加，因此开发人员必须选择正确的协议，并实现低成本快速设计。市面上有许多无线模块可提供帮助，但设计人员需要采取合理的甄选和集成流程，以便确保设计成功。

本文讨论了为嵌入式应用选择和实施适当的无线协议和无线模块的 4 步式流程。步骤如下：

根据带宽、范围和成本要求选择无线接口和协议

除了实施无线协议外，决定无线模块是否应包含对嵌入式应用的处理能力

确认对无线模块或芯片的 I/O 要求

根据前三步中的决策，选择适当的模块或芯片

设计无线连接嵌入式系统时可考虑的适用模块众多，本文包含对其中六种代表性典型无线模块的介绍。

步骤 1：选择无线协议

此平面图显示了一些最常见无线协议的带宽与范围对比情况（图 1）。

图 1：几种无线协议的范围（单位：米到千米）与带宽（单位：比特每秒到兆位每秒）对比的概念图。（图片来源：Digi-Key Electronics）

借助此简单图表，只需根据范围和带宽要求即可快速进行筛选。左侧的协议 — Wi-Fi、蓝牙和低功耗蓝牙 — 在数十米 （m） 的范围内提供数百千字节每秒 （Kb/s） 或兆位每秒 （Mb/s） 的传输速度。这些协议主要适用于室内网络。右侧的协议提供千米级数据传输。这些协议适用于校园或城市内的远程嵌入式设备。

实施 Wi-Fi、蓝牙和低功耗蓝牙（或其组合）的模块通常配有板载天线。例如，内置于 Adafruit 的 3320 Wi-Fi/蓝牙/低功耗蓝牙模块的集成天线清晰显示如下（图 2），即电路板顶部的锯齿状印制线。

由于天线开发的复杂工作已经完成，集成天线大大简化了无线网络嵌入式系统的设计。

图 2：Adafruit 的 3320 Wi-Fi/蓝牙/低功耗蓝牙模块的运行速度可达 150 兆位每秒。（图片来源：Adafruit）

该模块用于安装在电路板上，并且需要额外的电路，因此可能不是开始原型开发的最佳位置。该模块可焊接到小型电路板上以作为开发套件，如图 3 所示的 Espressif Systems ESP32-DEVKITC。ESP32-DEVKITC 将模块的所有引脚分接至多个 0.1 英寸针座，包含一个连接 TTL 串行转接芯片的 USB、多个编程和复位按钮及一个板载 3.3 V 稳压器。

图 3：Espressif Systems 的 ESP32-DEVKITC 将所有 Adafruit 3320 模块的引脚分接至多个 0.1 英寸针座，包含一个连接 TTL 串行转接芯片的 USB、多个编程和复位按钮及一个板载 3.3 V 稳压器。（图片来源：Espressif Systems）

远程无线协议和板载天线不能混用

远程无线网络通信需要外接天线及配套的复杂组件。例如，Semtech Corp. 的 SX1276MB1LAS 是一款 LoRa 收发器，它包含两个用于连接高频带和低频带天线的 SMA 连接器（图 4）。

图 4：Semtech 的 SX1276MB1LAS LoRa 收发器模块具有两个用于高频带和低频带射频天线的 SMA 连接器。（图片来源：Semtech Corp.）

模块需要两个天线端口，用以分别处理美国境内 LoRa 通信采用的 433 MHz 和 915 MHz 频带。该模块的最大链路预算为 168 dB，传输范围可达数公里。但是，模块与外部天线之间的同轴电缆和 SMA 连接器将消耗部分链路预算。

为帮助实现设计，Semtech 还提供基于 SX1276MB1LAS LoRa 收发器模块的 SX1276DVK1JAS 开发套件。该套件包括两个 LoRa 收发器、两个 Eiger 平台、两条迷你 USB 电缆、两支触摸屏触控笔以及用于高频带和低频带的偶极天线。

Digi International 的 XBC-V1-UT-001 Digi Xbee 蜂窝 LTE Cat 1 调制解调器也需要一个外部天线，并采用类似但略有不同的方法来连接天线，如图 5 所示。

图 5：Digi International 的 XBC-V1-UT-001 Xbee 蜂窝 LTE Cat 1 调制解调器将一个嵌入式系统放在 Verizon 的蜂窝通信网络上。（图片来源：Digi International）

Digi 的调制解调器有两个 U.FL 超小型射频连接器，用于连接主 LTE 天线和辅助 LTE 天线。主天线必不可少。辅助天线在某些情况下可提高接收器性能，Digi 推荐使用。天线应尽可能远离蜂窝调制解调器模块（和其他金属物体）。如果主天线和辅助天线均已安装，应采用相互成直角的定位，以获得最佳效果。

步骤 2：无线网络模块是否需具备应用处理功能？

一些无线网络模块配有板载处理器，有些则没有。如果开发中的嵌入式系统已有处理器，则无线网络模块上可能不需要另一个可编程处理器。如果无线模块必须执行嵌入式系统的应用代码，则决策过程中需要考虑可用编程工具和模块的执行能力。使用无线网络模块板载智能来执行嵌入式应用肯定会节省电路板空间。此外，它可以简化硬件设计并降低物料清单 （BOM） 成本。

上文讨论的一些模块实施完整的编程环境。例如 Digi 的 XBC-V1-UT-001 Xbee 蜂窝调制解调器具有一个板载 MicroPython 环境，将调制解调器的内置智能应用于简单应用。例如，可读取、处理和传输连接到模块的数字和模拟 I/O 引脚的传感器，可接收和执行致动器命令。该模块具有 13 个数字 I/O 引脚和 4 个 10 位模拟输入引脚。MicroPython 还可以帮助管理基于调制解调器的电池供电型嵌入式系统的电源。

将 XBC-V1-UT-001 插入到 Digi XBIB-U-DEV 接口板中，使用 USB 电缆将 PC 连接到接口板，然后启动终端程序，即可完成编程。Digi 的 XCTU 配置和测试实用软件中有一个 MicroPython 终端程序。XBC-V1-UT-001 模块具有 24 千字节 （Kb） 的 RAM 和 8 Kb 的闪存。

为进一步提升性能，可使用其他无线网络模块的板载智能。例如，以上步骤 1 中讨论的 Espressif Systems ESP32-DEVKITC 开发套件中的 Wi-Fi/蓝牙/低功耗蓝牙模块包含两个运行频率为 160 MHz 的 32 位 Xtensa LX6 RISC 处理器内核。按照惯例，其中一个处理器是“协议”处理器，另一个是“应用”处理器。但是，两个处理器都可以访问所有板载资源。对于大多数嵌入式应用而言，此类处理能力已经足够。

步骤 3：识别无线模块或芯片的 I/O 要求。

无论无线网络模块是否在内部运行嵌入式应用，可能都需要连接嵌入式系统中的其他设备。它可能需要连接嵌入式系统中的主机 CPU，或者直接连接传感器和致动器，也有可能这两类设备都需要连接。

最简单的途径就是即插即用方法。只需插入一个模块，加载驱动程序即可搞定。Advantech Corp. 的 EWM-W151H01E 802.11b/g/n Mini PCIe 卡插入一个 Mini PCIe 插槽，通过 PCIe 与主机 CPU 通信（图 6）。

图 6：Advantech 的 EWM-W151H01E 1T 半尺寸 Mini PCIe 卡采用基于 IEEE 802.11b/g/n 的 Wi-Fi 标准。（图片来源：Advantech Corp.）

要开始使用 EWM-W151H01E 进行开发，加载 Windows（7、8 或 10）或 Linux 驱动程序，嵌入式系统即能以高达 150 Mb/s 的数据速率连接现有的 Wi-Fi 系统。该卡采用插入式 Mini PCIe 外形尺寸及 Windows 和 Linux 驱动程序，这意味着该卡模块最适合嵌入式 PC（x86 处理器）设计。

有关 Espressif Systems ESP32-DEVKITC 的讨论提到，模块上的模拟输入和简单数字 I/O 引脚可用于连接传感器和致动器。此外，该模块还具有更复杂的串行接口，包括三个 UART、两个 I2C 端口，三个 SPI 端口和两个 I2S 端口。这些接口可用于连接各种外围设备，并可用作主机 CPU 的接口。每种接口的部分规格参数如下：

UART 最大传输速率为 5 Mb/s

I2C 端口支持 100 Kb/s（标准模式）和 400 Kb/s（快速模式）的传输速率

I2S 端口支持40 Mb/s 的传输速率

SPI 端口支持 50 Mb/s 的传输速率

如果最合适的协议模块缺乏必要的 I/O 功能，嵌入式系统将需要增加一个 I/O 扩展芯片，这会占用更多电路板空间，导致功耗升高、编程复杂性加大和 BOM 成本增加。如果可能的话，最好是通过一个无线网络模块即能实现所有功能。

步骤 4：选择和实施

在这一步骤中，选择范围应缩小到几个或者仅一个选项。带宽和范围要求应将选择范围缩小到一个或两个合适的协议。考虑无线网络模块对板载应用处理的需求以及板载处理的量之后，应该能去除更多选项。最后，应考虑 I/O 需求，确定最终的几个选项。此时，选择范围很明显，或者存在几个不错的选项，在这种情况下，可根据熟悉程度或易于实施性再进行选择。

总结

市场对嵌入式无线连接的需求不断增加。一些嵌入式设计人员在最开始接触大量可用的协议时可能会混淆不清，但是每个协议都有不同的范围/功耗/数据速率，从这个角度看，选择起来就简单多了。

本文介绍了从数十种甚至数百种可用无线网络模块中进行选择的四步式流程。

根据带宽，范围和成本要求选择无线协议。

除了实施无线协议外，决定无线模块是否应包含对嵌入式应用的处理能力。

识别无线模块或芯片的 I/O 要求。

根据前三步中的决策，选择适当的模块或芯片。

一般情况下，无论何种应用，至少有一个标准化无线协议和多个相关模块可很好地满足要求。