歡迎來到無線大觀園：嵌入式開發人員的 RF 頻段與協定選擇第 2 部

編者說明：此系列文章分為兩個部分，第 1 部探討嵌入式系統設計人員可用的多種無線連線選擇，並且提供一些相關範例。第 2 部則更詳盡地探討無線模組的特性，並且針對如何有效使用這些模組提供深入見解。

物聯網 (IoT) 以及人工智慧 (AI) 快速演進，無線系統連線的需求隨之增加，因此開發人員必須選擇正確的通訊協定，並且快速以低成本進行設計。市面上有許多無線模組能夠提供協助，但設計人員需要遵循合理的挑選和整合流程，確保設計順利。

本文探討嵌入式應用選擇與實作適當的無線通訊協定以及無線模組的 4 步驟流程。這些步驟分別是：

1. 根據頻寬、距離以及成本要求來挑選無線介面與通訊協定
2. 除了實作無線通訊協定外，還要決定是否要在無線模組中添加處理能力
3. 判別無線模組或晶片的 I/O 需求
4. 根據前三個步驟的決定，選擇適合的模組或晶片

本文說明六款精心挑選的無線模組，在設計無線連線嵌入式系統時，值得考量的產品中這六款模組是具有代表性的範例。

步驟 1：選擇無線通訊協定

以下是幾個最常見的無線通訊協定，依照頻寬與距離分類顯示 (圖 1)。

圖 1：幾個無線通訊協定的距離 (從幾公尺到幾公里) 與頻寬 (從 pbs 到 MBps) 關係概念圖。(圖片來源：DigiKey)

這張簡圖能讓您輕鬆依據距離和頻寬的要求，從眾多選項中快速地挑選。左邊的通訊協定：Wi-Fi、藍牙以及低功耗藍牙 (BLE)，能在數十公尺的距離內，每秒傳輸數千位元 (Kb/s) 到數百萬位元 (Mb/s) 的資料。這些通訊協定適合絕大多數建築物中的網路。右邊的通訊協定可將資料傳輸到數公里外。這些通訊協定適合校園或城市中位置偏遠的嵌入式裝置。

實作 Wi-Fi、藍牙以及低功耗藍牙 (或這些技術的組合) 的模組通常會有板載天線。例如，內建在 Adafruit 3320 Wi-Fi／藍牙/低功耗藍牙模組的整合式天線就清晰可見 (圖 2)。也就是電路板頂端的鋸齒形走線。

由於天線的複雜開發作業已經完成，因此整合式天線可大幅簡化無線網路嵌入式系統的設計。

圖 2：Adafruit 3320 Wi-Fi／藍牙／低功耗藍牙模組的運作速度為每秒 150 Mb。(圖片來源：Adafruit)

此模組的設計必須安裝在電路板上，而且需要額外的電路，因此可能不是製作原型的最好起點。這個模組可以焊接到小型電路板上當作開發套件使用，如圖 3 所示的 Espressif Systems ESP32-DEVKITC。ESP32-DEVKITC 將模組上所有的針腳分接至 0.1 吋的排針座上，並整合 USB 對 TTL 序列配接器晶片、編程和重置按鈕以及板載的 3.3 V 穩壓器。

圖 3：Espressif Systems 的 ESP32-DEVKITC 將 Adafruit 3320 模組上所有的針腳分接至 0.1 吋的排針座上，並整合 USB 對 TTL 序列配接器晶片、編程和重置按鈕以及板載的 3.3 V 穩壓器。(圖片來源：Espressif Systems)

遠距無線通訊協定以及板載天線不可混用

遠距無線網路通訊需要外部天線，因此也有隨之而來的複雜性。以 Semtech Corp. 的 SX1276MB1LAS LoRa 收發器為例，其中整合兩個用於安裝高頻與低頻天線的 SMA 連接器 (圖 4)。

圖 4：Semtech 的 SX1276MB1LAS LoRa 收發器模組有兩個供高頻與低頻 RF 天線使用的 SMA 連接器。(圖片來源：Semtech Corp.)

需要兩個天線連接埠，才能讓模組分別處理在美國進行 LoRa 通訊時所用的 433 MHz 和 915 MHz 頻段。這個模組的最大鏈路預算為 168 dB，通訊距離可達數公里。但是，模組與外部天線之間的同軸配線和 SMA 連接器都會消耗一部份的鏈路預算。

為了協助實現設計，Semtech 也以 SX1276MB1LAS LoRa 收發器模組作為基礎，推出 SX1276DVK1JAS 開發套件。這款套件包含兩個 LoRa 收發器、兩個 Eiger 平台、兩條 mini USB 纜線、兩支觸控筆，以及用於高頻和低頻頻段的雙極天線。

Digi International 的 XBC-V1-UT-001 Digi XBee 蜂巢 LTE Cat 1 數據機也需要使用外部天線，並採取類似但稍有不同的做法來連接天線，如圖 5 所示。

圖 5：Digi International 的 XBC-V1-UT-001 XBee 蜂巢 LTE Cat 1 數據機將嵌入式系統部署在 Verizon 的蜂巢通訊網路上。(圖片來源：Digi International)

Digi 的數據機擁有兩個 U.FL 微型 RF 連接器，可以連接主要與次要 LTE 天線。主要天線為必備。次要天線能在特定情況下改善接收器的效能，Digi 建議使用。天線的擺放位置應盡可能遠離蜂巢數據機模組 (以及其他金屬物件)。主要與次要天線均安裝後，彼此應該以正確的角度放置，以獲得最佳效果。

步驟 2：無線網路模組是否需要進行應用程式運算？

有些無線網路模組具有板載處理器。有些則沒有。若開發中的嵌入式系統已經有處理器，可能就不需要在無線網路模組上置入另一個可編程處理器。若無線模組必須執行嵌入式系統的應用程式碼，就必須在決策過程中，將可用的編程工具和模組的執行能力納入考量。使用無線網路模組的板載智能來執行嵌入式應用程式，絕對能節省電路板空間。另外還能簡化硬體設計並降低物料清單 (BOM) 成本。

上述有些模組會實作完整的編程環境。就上述的 Digi XBC-V1-UT-001 XBee 蜂巢數據機而言，有板載的 MicroPython 環境，能運用數據機的內建智能來簡化應用程式。例如，可針對連接到模組之數位和類比 I/O 引腳的感測器進行讀取、處理和傳輸。並可接收致動器的命令並依此採取行動。此模組有 13 個數位 I/O 引腳和 4 個 10 位元類比輸入引腳。MicroPython 還可根據數據機，協助管理電池供電式嵌入式系統的電源。

將 XBC-V1-UT-001 插入 Digi XBIB-U-DEV 介面板，透過 USB 纜線將 PC 連接至介面板，然後啟動終端機程式，即可完成編程。在 Digi 的 XCTU 組態與測試公用程式軟體中，有一個 MicroPython 終端機程式。XBC-V1-UT-001 模組具有 24 Kb 的 RAM 和 8 Kb 的快閃記憶體儲存空間。

在其他無線網路模組中，是有可能從板載智能獲得更多效能的。例如，在上述步驟 1 所探討的 Espressif Systems ESP32-DEVKITC 開發套件內，Wi-Fi／藍牙／低功耗藍牙模組包含兩個 32 位元 Xtensa LX6 RISC 處理器核心，兩者均以 160 MHz 運作。按照慣例，其中一個處理器是「通訊協定」處理器，另一個則是「應用程式」處理器。但是，兩個處理器都可存取所有板載資源。對於大多數嵌入式應用來說，這樣的處理能力已經足夠。

步驟 3：判別無線模組或晶片的 I/O 需求。

無論無線網路模組是否在內部執行嵌入式應用程式，都可能需要連接到嵌入式系統中的其他部份。要不需要連接到嵌入式系統中的主機 CPU，就是需要直接連接到感測器和致動器。也有可能兩者都要。

最簡單的做法是隨插即用。插入模組，載入驅動程式，就可以了。Advantech Corp. 的 EWM-W151H01E 802.11b/g/n Mini PCIe 卡會插入 mini PCIe 插槽，透過 PCIe 與主機 CPU 通訊 (圖 6)。

圖 6：Advantech 的 EWM-W151H01E 是 1T 半高 Mini PCIe 卡，採用基於 IEEE 802.11b/g/n 的 Wi-Fi 標準。(圖片來源：Advantech Corp.)

若要用 EWM-W151H01E 進行開發，僅需載入 Windows (7、8 或 10) 或 Linux 驅動程式，嵌入式系統即準備好，能以高達 150 Mb/s 的數據傳輸率連接到現有的 Wi-Fi 系統。此卡採用插入式 Mini PCIe 尺寸並提供 Windows 和 Linux 驅動程式，因此這張卡片模組最適合嵌入式 PC (x86 處理器) 設計。

探討 Espressif Systems 的 ESP32-DEVKITC 時提到，模組上的類比輸入和簡易型數位 I/O 引腳，可用來連接感測器與致動器。但是，此模組還具有更複雜的序列介面，包括三個 UART、兩個 I²C 連接埠、三個 SPI 連接埠和兩個 I²S 連接埠。這些連接埠可用來連接多種週邊裝置，並作為主機 CPU 的介面。以下提供各連接埠的一些規格：

• 此模組的 UART 最大傳輸速率為 5 Mb/s
• I²C 連接埠支援 100 Kb/s (標準模式) 和 400 Kb/s (快速模式) 傳輸速率
• I²S 連接埠支援 40 Mb/s 傳輸
• SPI 連接埠支援 50 Mb/s

如果最適合的通訊協定模組缺乏必要的 I/O 功能，嵌入式系統就要增添 I/O 擴充晶片，這將佔用更多板空間，導致功耗上升、增加編程複雜性，並且增加 BOM 成本。如果可行，只用一個無線網路模組來完成所有工作會更好。

步驟 4：挑選和實作

走到流程的這一步，挑選作業應該已經縮小到只有少許選項，甚至只有一個。頻寬和距離的要求應可縮小到一個或兩個合適的協定。由於無線網路模組需要板載應用程式運算能力，再加上板載處理能力，應該可剔除掉不少的選擇。最後的 I/O 需求應該能將選擇縮減到僅有少數幾項。此時，應該已經有顯而易見的選項，或是一些不錯的選擇；接下來的挑選標準，大概就是熟悉度，或是實作的簡便性。

結論

嵌入式無線連線的要求不斷提高。乍看之下目前有許多可用的通訊協定，對一些嵌入式設計人員來說可能很混亂，但每個協定在距離／功率／數據傳輸率上都有其優勢，如果從這個角度來看，選擇就簡單得多。

本文提出一個四步驟的流程，可在數十個甚至上百個可用的無線網路模組中進行挑選。

1. 應依據頻寬、距離和成本要求來選擇無線通訊協定。
2. 除了實作無線通訊協定外，還要決定是否要在無線模組中添加處理能力。
3. 判別無線模組或晶片的 I/O 需求。
4. 根據前三個步驟的決定，選擇適合的模組或晶片。

無論應用為何，幾乎都會有至少一個標準化的無線通訊協定和幾個相關模組可以滿足要求。