使用 Microchip 的 Curiosity Board 快速開始無線設計

儘管無線連線無所不在，且對消費者來說越來越容易使用，但若您在 RF 工程方面的經驗有限，設計無線專案仍然令人生畏。

商用模組通常含有嵌入式處理器、收發器、RF 調諧電路、電源管理，甚至一兩個天線，所以一切會輕鬆許多，因為大部分 RF 設計和測試已經完成。但有些原型有額外的設計細節需多加留意，以確保即使是使用模組，也能順利運作，例如 Microchip Technology 的 WBZ451PE-I (圖 1)。

圖 1：WBC451PE-1 模組能讓無線產品的打造更平易近人，但若粗心大意，仍有可能出錯。(圖片來源：Microchip Technology)

有些簡單的事情都有所影響，像是模組在電路板上的方向、接地面的擺放位置、電磁干擾 (EMI) 屏蔽、其他元件的位置、印刷電路 (PCB) 的走線阻抗，以及其他諸多因素等等。影響程度之大，以至於與設計人員不太關注細節的產品相比，採用 RF 模組且精心設計的無線產品，可以具備更大的訊號範圍、達到更大的輸送量和更低的功耗。

該寫程式了

軟體在產品的整體效能上也會發揮重要作用。無線產品通常需同時具備 RF 協定堆疊和應用軟體。

雖然可以針對低功耗藍牙 (LE)、Zigbee 或專有 2.4 GHz 協定等 RF 協定軟體編寫程式碼，但經過實證且成熟的堆疊，通常是由收發器製造商提供或從開源程式庫取得。這大概是最具成本效益和最快的前進方式。

在無線鏈路上發射無線電封包是一回事；要確保攜帶有用的酬載則是另一回事。應用程式碼可確定資料的類型、優先順序、格式和傳輸頻率等參數。此軟體可能會做一些相當簡單的事情，例如發送溫度、濕度或心率資訊。更複雜的應用則可能要傳送音訊串流，或是來自機器振動感測器的多道即時頻率。

RF 協定和應用程式軟體對產品效能的影響程度不亞於硬體。舉例來說，編寫不當的應用程式碼可能會導致 RF 協定堆疊不斷中斷，進而影響輸送量。又或者，應用程式軟體可能會對無線電的工作週期產生不利影響。例如，軟體可能會指示無線電以超過所需的頻率來傳輸資料，進而造成不必要的功耗增加。

取得有關無線專案的協助

好消息是，在開始無線專案前，有很多地方可供您取得協助。製造商非常熱衷針對硬體設計、協定和應用程式軟體範例提供協助。

硬體方面的協助通常以評估套件的形式提供，有可能是以目標無線收發器或模組為基礎打造的可運作完整設計。晶片廠商通常會樂意提供 PCB 光繪檔，以及可指出評估套件元件的物料清單 (BOM)，因此可輕鬆將產品當作硬體參考設計。評估板設計中有個重要部分就是天線的定位。必須與接地面和其他元件保持足夠的間隙，以確保最佳的天線靈敏度。透過製造商的佈局，就可避免天線效能受損。

Microchip Technology 的 EV96B94A WBZ451 Curiosity Board 就屬於完整評估套件的範例之一 (圖 2)。此評估板能讓工程師更輕鬆針對智慧家庭和工業自動化應用設計低功耗藍牙和 Zigbee 專案的原型。Curiosity Board 的核心是 IWBZ451PE-I 藍牙收發器模組。此模組採用 PIC32CX-BZ2 為基礎，這是一款通用、低成本的 32 位元微控制器，可支援低功耗藍牙 (最高達 5.2 版) 和 Zigbee (最高達 3.0 版) 等多協定無線介面，同時還可管理 RF 收發器和電源管理單元 (PMU)。

圖 2：EV96B94A Curiosity Board 的頂視圖，頂端為 WBZ451PE-I 模組。要留意模組上 PCB 天線的內建間隙，以確保最佳效能。(圖片來源：Microchip Technology)

WBZ451PE-I 模組納入了微控制器，並可支援 PCB 天線或外接天線用的 u.FL 連接器。此模組搭載一套標準微控制器周邊，如類比數位轉換器 (ADC)，還有像是序列周邊介面 (SPI)、內部積體電路 (I2C)、四通道 SPI (QSPI) 和通用非同步接收器發射器 (UART) 等介面。

Curiosity Board 還具有一個 Microchip 外接式 QSPI 快閃記憶體晶片、一個類比電壓溫度感測器，以及一個 10 引腳的 Arm 序列線除錯 (SWD) 排針座，可連接外部編程器／除錯器。

原型開發的架設工作

您會發現使用 Curiosity Board 展開作業相當簡單。此板件可建構主要硬體，但您還需要一條 Type-A 公端對 Micro-B USB 纜線，才可連接到 PC 以及 Android 或 iOS 的藍牙功能智慧型手機。開發作業所需的軟體包括 MPLAB 整合式開發環境 (IDE)、MPLAB XC32 編譯器、PKOB4 工具包和開箱即用的展示。您可以使用外部 5 V 電源或 4.2 V 鋰聚合物電池供電給電路板。圖 3 顯示 Curiosity Board 的硬體方塊圖。

圖 3：Curiosity Board 的硬體方塊圖指出如何用外部 5 V 電源或鋰聚合物電池供電給板件。此板件還具有內建溫度感測器和 RGB LED，可搭配範例程式使用。(圖片來源：Microchip Technology)

此板件含有一個整合式編程器和除錯器 (PKOB4 工具包的一部分)。此裝置可透過 micro-B USB 連接器，從主機 PC 對 WBZ451PE-I 模組進行編程和除錯。在預設情況下，板載的除錯器會連接到 WBZ451PE-1 模組的編程引腳 (SWDIO 和 SWDCLK)。

此板搭載的軟體，可在單一應用程式中展示兩種常見的低功耗藍牙和 Zigbee 使用案例，且兩者的介面堆疊可同時運作。具體來說，此應用程式可支援低功耗藍牙感測器監測、低功耗藍牙照明控制以及 Zigbee 照明控制與監測。此感測器範例更實作功能齊全的低功耗藍牙溫度感測器，其數據來自 Curiosity Board 的板載溫度感測器。此板件也納入一個 RGB LED。

Zigbee 照明控制軟體範例含有低功耗藍牙控制，可控制板上的 RGB LED。Zigbee 會透過低功耗藍牙鏈路，運用低功耗藍牙來交換交換 Zigbee 服役資料。Zigbee 和低功耗藍牙任務同時在 FreeRTOS 中執行。圖 4 中的「燈」(由板上的 RGB LED 代表) 可以透過低功耗藍牙或 Zigbee 網路進行控制。連接後，使用者可以透過低功耗藍牙連線控制 LED 的亮度、色彩和開／關狀態。

圖 4：Curiosity Board 的照明控制範例展示出 Zigbee 和低功耗藍牙堆疊可同時運作。(圖片來源：Microchip Technology)

在熟悉這些範例後，可用您自己的程式碼進行試驗。若是經驗不足的程式人員，Microchip 有提供應用程式建構模塊。這些精簡的培訓課程側重於 WBZ451PE-I 模組的低功耗藍牙功能。逐步學習這些建構模塊後，就可熟悉軟體、MPLAB 程式碼配置器以及實作相關功能所需的應用程式開發介面 (API)。

結論

對於經驗不足的人來說，無線設計可能令人生畏，但透過晶片廠商的評估板和 RF 模組，設計工作會更加容易。此外，製造商可提供成熟可靠的 RF 協定堆疊，並提供範例和建構模塊，可簡化應用程式軟體的入門作業，以便打造更複雜的應用。