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选择合适的FCC / CE兼容无线模块

在设计电子项目或产品时,通常需要与其他设备进行通信。需要传输的数据实际上可以是天气信息,医疗数据或操作控制命令。无论有无线都可以实现,可以选择广泛的通信标准来加以融合。距离可能是一个限制因素,因为并不总是可以在较大距离上轻松地将多个设备连接在一起。在这种情况下,通过物理连线连接设备会导致昂贵和复杂的安装。然而,无线通信提供了更为灵活的解决方案,可以降低开发成本并简化安装。
无线通信通常是指利用无线电波进行数米至数千米的较远距离的通信,甚至是深空无线电通信的数百万千米的通信。无线通信技术还包括光学,声波和电磁感应方法。
还有无数的无线通信拓扑。有些使用蓝牙3.0及更低版本的点对点设备只能与其他设备(如智能手机和蓝牙耳机)直接通信。智能手机通常不得不从耳机断开,以便与另一个蓝牙设备进行通信。还有点对多点,它将主设备连接到多个其他设备。Wi-Fi和蓝牙4.0及以上版本是点对多点连接的例子。
在选择无线通信拓扑结构时,有几点需要考虑。

证明

像有线通信技术一样,无线必须符合当地的标准。由于无线合规性要严格得多,通过难度更大。无线电合规工作的几个基本概念。该设备只能在分配给该无线电技术的特定频率下工作。它不应该干扰该频率以外的其他设备,也不应该受到在其他频率范围内工作的其他设备的干扰。这在联邦通信委员会(FCC)规定的第15部分中详细描述。还有关于最大发射功率(EIRP)的规则,这对于每个频率范围是唯一的。
FCC是美国的独立机构,负责管理产品通讯。为了销售产品,它需要符合FCC标准,并在产品和包装上显示唯一的FCC ID。这种情况在欧洲有点不同。认证通过一个自我认证的CE认证,涉及一些协调的标准。处理所有使用频谱的产品的欧洲指令是以前的R&TTE的无线电设备指令(RED)。与FCC合规性一样,CE标志必须在产品上显示为欧洲市场符合性证明。
FCC和CE只是两个主要的认证标准。加拿大,澳大利亚,新西兰,香港,日本,韩国,亚太地区,非洲和南美都有自己的标准,为了在那里合法经营产品必须符合标准。
对于一个制造商来说,不同的地区标准,以及为他们的每个产品实现所谓的“型式认可”,都是一个重大的设计和测试负担。创建分立式无线收发器设计需要专门的无线电设计专业知识,并需要投资无线电测试设备,这会增加新产品开发的成本和时间。因此,许多工程团队不是要处理高速数字电路产生的EMI挑战,而是要符合严格的EMC产品法规,因此许多工程团队选择了一种更简单的方法来整合无线连接。
牢记这一点,在早期产品开发期间选择预先认证的无线模块通常是一个好主意。这确保了合理的上市时间,在获得无线电遵守方面没有显着延迟。可用模块可以是可编程的,或者需要外部微控制器/微处理器才能正常工作。许多现成的模块还包括嵌入式或板载天线,减少了未知数量和可能的认证问题。
在开发的后期阶段(通常接近大规模生产),可以考虑开发定制的无线解决方案。虽然开发和获得相关认证可能是昂贵的,但是大量的产品成本可以大大降低。这也确保了生产的最初期限得以满足,产品可以在进一步投资之前在市场上引入和测试。

选择无线技术

市场上有各种各样的无线通信方法。每个人都有自己的优点和缺点。在选择一个可能的模块之前,有必要弄清楚哪些技术可以满足正在开发的产品的需求。以下重点介绍选择无线标准时要考虑的要点:
  • 带宽
  • 距离
  • 安全
  • 功率
  • 频率

带宽

带宽重点在于要发送多少数据以及多长时间。Wi-Fi以11 Mbps(802.11b)至1.3 Gbps(802.11ac)的数据速率提供始终开启的连接。蓝牙3.0和4.0在全功率下提供高达25Mbps的高达60米,但并不总是连接。另一方面,Sigfox和LoRa可以每10分钟传输12个字节,从而降低功耗并延长电池寿命。

距离

距离涉及发射器和接收器之间的最大距离。有些技术在Bluetooth Smart(以前的蓝牙低功耗)等短距离范围内非常棒。其他技术,如全球定位系统(GPS),可以接收来自数千公里以外地球卫星的信号。

安全

安全性是物联网(IoT)和其他无线设备目前的热门话题。无线发送数据从一个点到另一个增加了一个安全问题。一些无线技术通过强大的加密来解决这个问题,这会对电池寿命产生影响,同时也会降低带宽。捕获温度或湿度等基本数据的监测设备可能不值得保护。说到这一点,他们也可以成为无线网络中的薄弱环节,从而可以访问其他更安全的设备。信用卡信息等敏感数据需要更加强大的加密。要考虑的重要因素包括数据的敏感性,同一网络上的其他设备以及无线标准提供的加密。

功率

这是为产品选择正确模块的最重要的方面之一。尽可能节能是一个不错的主意,不仅仅是为了节约能源,而是为了降低热量,从而延长产品的使用寿命。电池供电设备和始终连接的壁式插座之间的差异可能会显着改变设备的运行方式。始终由壁式插座供电的设备更容易设计。从电池运行的无线产品需要考虑充电,更换或设计长寿命电源。最初,更换电池可能看起来并不重要,但是当客户拥有成千上万的设备,例如部署在远程位置的物联网传感器时,所需的资源和后续成本就变得非常重要。

频率

虽然频率很重要,但选择无线模块时不一定是主要标准。但是,在某些情况下,特定频段可能会出现饱和,或者某些情况下产品在特定频段工作可能不合法。对于本文中描述的无线模块,分配的频率已经很好的定义了。

GSM,GPRS,EDGE3G,HSDPA,HSPA +和4G LTE

数字蜂窝网络中使用的许多不同的名称和技术可用于手机等移动设备。知道它们只是彼此的进化是有用的。通用分组无线业务(GPRS)和增强型数据GSM演进(EDGE)是第二代技术,也称为2G。他们的下载速度分别是114 Kbps和384 Kbps。3G是第三代移动通信,高速下行链路分组接入(HSDPA)是对此的一种增强,3G的下载速率为3.1 Mbps,HSDPA的下载速率为14 Mbps。演进的高速分组接入(HSPA +)是第四代技术,允许高达168 Mbps。4G长期演进(LTE)支持高清流媒体和高达299.6 Mbps的下载速度。
在选择任何GSM模块时需要注意的一个关键问题就是未来能够证明产品的能力。Sierra Wireless和U-blox都提供2G,3G和4G选项的引脚兼容模块。这意味着开发人员只需要设计一个PCB并将所需模块交换到位,轻松地将语音和数据连接集成到任何地区或无线网络中。随着网络运营商升级基础架构,他们最终会决定停止支持2G和3G等老式技术,以便更容易维护4G和即将推出的5G等网络。
蜂窝模块的例子是U-blox 的LARA-R204。该模块能够在4和13频段工作,专为在Verizon LTE网络上使用而设计,仅为支持所有LTE网络频段的LARA-R2系列产品中的一个。它可以工作在单模或多模配置,封装在紧凑的LGA 100引脚外形中,并提供多种外设接口选项。图1显示了LARA-R2系列的功能框图,突出显示了基带处理器,收发器,射频前端和电源管理功能的可用接口。
U-blox LARA-R2功能框图的图像
图1:U-blox LARA-R2功能框图
在将任何无线模块集成到产品中时,重新审视与主机的通信方式是很重要的。UART和我2 C是对接的流行的方法,但通常的额外IO端口,如GPIO和USB的可用性,有助于在加入其它传感器和装置。应考虑的其他功能还包括是否支持所需的通信协议(FTP,HTTP等),对于物联网设计越来越重要,可通过无线方式更新模块的固件(FOTA)。毋庸置疑,安全功能(如加密认证和加密技术)是配置安全通信链路的关键。
这种蜂窝模块的另一个方面是提供两个天线插座和专用收发器前端。控制引脚允许主机应用程序启用天线分集功能,由此基带处理器可以确定哪个天线为给定链路提供最佳的蜂窝信号强度和质量。
所有模块功能的配置和控制都通过使用行业标准“AT”命令集的连接主机来实现。详细的参考手册详细介绍了在U-blox蜂窝模块上使用“AT”指令的方法。

Wi-Fi和蓝牙模块

Wi-Fi和蓝牙是目前最流行的两种无线技术。几乎所有家庭和企业都使用Wi-Fi作为将用户连接到本地网络和/或互联网接入的方法。蓝牙用于从免提耳机到无线扬声器,鼠标,键盘,打印机等各种低功耗设备。Wi-Fi旨在用于局域网上的高速通信,而蓝牙则适用于便携式设备。它们通常是互补的技术,许多模块都带有Wi-Fi和蓝牙功能。
Silicon Labs推出的WF111系列是适用于广泛的商业,工业和消费应用的紧凑型802.11b / g / n兼容Wi-Fi模块的典范。具有高达72.2 Mbps的比特数据速率,并为WEP,WPA和WPA2加密提供硬件支持,该模块配备了SDIO和CSPI主机外围接口。该模块具有用于外部天线的内部芯片天线或U.FL连接器,该模块配备了蓝牙共存功能,可将蓝牙模块与Wi-Fi设备放置在一起。此功能可确保每个模块都了解其他模块,有助于避免同时进行数据传输,从而降低链路性能。
在单个设备结合了无线网络连接和蓝牙连接的另一无线模块是WL1831从德州仪器(图2)。对于需要两种通信方式的设计,这种紧凑的节省空间的模块尺寸仅为13.3 x 13.4 x 2毫米,集成了RF收发器,前端滤波器,射频开关以及全面的电源管理功能。提供两个天线插座,其中一个在Wi-Fi和蓝牙收发器之间切换。
德州仪器WL1831结合了Wi-Fi和蓝牙无线模块
图2:德州仪器WL1831结合了Wi-Fi和蓝牙无线模块。
随着功耗的降低,特别是Wi-Fi成为电池供电设计的主要关注点,WL1831通过提供高于800μA的连接空闲功耗来应对这一挑战。

LoRa / Sigfox模块

LoRa和Sigfox是两种类似的无线技术,它们都可以在868 MHz(EU)和902 - 928 MHz(US)频段上工作。他们并不完全是竞争对手,而是以相同的频率以相似的方式运作。它们作为低功率广域网(LPWAN),用于数据速率非常低的广泛网络,使其成为物联网的理想选择。Sigfox被设计成超窄带技术,可以在30 - 50公里的距离内每10分钟传输12个字节,每天最多可以接收4条消息。另一方面,LoRa更多地被设计为一个命令和控制场景。数据包大小仍然很低,但可以由用户定义。接收数据没有限制,范围缩小了15-20公里。
越来越多的供应商正在为这些协议提供收发器模块。一个例子是多连接XDOT模块从多技术系统。这种LGA封装器件非常适用于欧洲地区的一些物联网应用。当睡眠电流低于2μA时,预计电池寿命可能会达到10年或更长。另外,通过使用引脚多路复用来提供功能齐全的外设(图3)。模块控制可以通过使用标准的“AT”命令集来实现,在这种情况下不需要额外的编程,或者使用ARM mbed开发库。
MultiConnect xDot LoRa模块多路复用引脚外设功能图
图3:MultiConnect xDot LoRa模块多路复用引脚外设功能。
Sigfox和LoRa都工作在工业,科学和医疗(ISM)无线电频段,这些频段通常保留用于电信以外的其他用途。也就是说,还有一些模块是为ISM频段而开发的。这些模块通常使用自己的专有协议进行通信。这些频段最常用的频率是433 MHz,863 MHz至870 MHz(EU),902至928 MHz(美国)和2.4 GHz至2.5 GHz。

网状网络

值得注意的是,某些无线网络不一定适用于点对点或点对多点系统。一些无线技术,如ZigBee,WiMAX和蓝牙网格,运行在多对多的网络上。这意味着设备不需要在需要与之通话的设备范围内,因为它可以通过类似设备的网络传递信号到达终端设备。如A设备ATSAMR21G18从Microchip的是理想的用于供应的ZigBee网状网络。除了所需的2.4 GHz收发器模块外,器件还包含一些全面的加密认证功能,最高工作频率为48 MHz,并提供多达17个外部GPIO引脚。

结论

预先兼容的模块当然可以为开发和一致性测试节省大量成本。然而,新产品在投放市场之前还需要进一步的测试,但是还没有达到离散设计的程度。一个模块本身是预先兼容的,但是一旦它被添加到另一个系统或产品中,它的行为就会受到影响。
为了帮助选择过程,Digi-Key 在其网站上提供无线开发工具产品选择器,物联网产品选择指南和无线参考设计库。

(责任编辑:ioter)

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