2.4 GHz ISM 频段实施多协议方案

在个人局域网 (PAN) 方面，没有一种技术比蓝牙更普及，随着蓝牙 5 的出现，其吸引力将不断增强。最新版本的规格发生了重大升级，因为它包括对网状网络的支持，这种拓扑允许在各个设备之间建立直接连接，而无需中央集线器。这将导致蓝牙 PAN 在其尺寸和设备数量方面不受约束，这在 IoT 中具有明显优势。其他积极的改进包括范围、有效载荷的大小以及功耗，所有这些都将提高蓝牙的适用性，从而增加服务设备的数量。

Dialog Semiconductor 的 DA14586 是首批支持蓝牙 5 的集成器件之一。这种高度集成的 SoC 具有三个处理器： 用于应用代码的 ARM? Cortex?-M0 内核、用于链路层的专用处理器和 AES 128 位加密处理器。它还集成了一个支持单线天线的 2.4 GHz 无线电收发器。诸如 DA14586 的器件尺寸小巧、集成度高且对功耗要求较低，是可穿戴设备的理想之选。在此类应用中，将可能在 PCB 上实施天线，以进一步减少 BOM 和总系统基底面。一般来说，这是理想的用例，但与任何射频设计一样，应采取一些预防措施。例如，该器件需要一个使用尽可能多通孔进行连接的良好且坚固的接地平面，以及一个整体紧凑的基底面，以最大限度地减少在较高频率下工作的元件之间的交叉耦合。通过使用多层 PCB 来帮助实施最常见的天线格式(即倒 F 天线 (IFA))，可以非常容易地实现这一点。当应用于蓝牙链路时，可以使用折叠的 IFA 格式(相对于展开式 IFA)将所需的 PCB 面积减少一半，但仍可提供可接受的带宽。图 1a 和 1b 分别显示了在 DG14586 的多层 PCB 顶层实施的全尺寸印刷及以缩减尺寸印刷的 IFA。

图 1b： 在 1 mm 基底上以缩减尺寸印刷的 IFA。

多协议解决方案

虽然蓝牙非常普及的，但它并不是 IoT 中唯一使用的无线协议。任何单一协议都不太可能满足所有应用的要求，因此对在 2.4 GHz ISM 频段实施多协议共存的需求将会持续一段时间。为此，一些制造商现推出可以在同一设备中实施多种无线协议的器件，这为制造商和消费者提供了最大的选择空间。

一个最好的例子就是 Silicon Labs 的 Mighty Gecko 多协议无线 SoC 系列。由具有 DSP 扩展功能的高性能 ARM Cortex-M4 提供动力，EFR32MG12 可支持 ZigBee、Thread、蓝牙 5 和专有协议。它还集成了许多适用于 IoT 应用的 Silicon Labs 外设，例如，其低能量传感器接口 (LESENSE) 和多通道电容感应接口 (CSEN)。

显示了完全集成且灵活的无线电收发器，包括一个片上平衡不平衡转换器。凭借 RFSENSE 块，器件可以在接收到射频信号时进行唤醒，并自主解调该信号(无需唤醒 MCU)，该功能旨在最大限度地延长由电池或所收集能量供电的应用的寿命。

图 2： EFR32MG12 中完全集成的。EFR32 系列非常适用于从太阳能、热能或振动等可再生能源收集能量的应用。甚至可以在工业应用中通过从 4-20 mA 电流环路收集的能量来运行 EFR32。图 3 展示了低功耗工作的 EFR32 如何使设备通过收集的能量来运行。

图 3： 低功耗模式可以帮助实现仅通过收集的能量来运行的 IoT 应用。高效管理在能量收集应用中非常重要，其中包括存储任何不立即使用的能量。可以实施诸如电解电容器、超级电容器或小型充电电池的能量库。由于在启动时存在电流浪涌，还可能需要包括在能量库充足电之前抑制 SoC 上电的方法。图 4 是如何实施这种电压控制电源开关的概念图。应在开关中设计滞后，以防止在启动期间电压电平降至欠压水平时 MCU 掉电。

图 4： 实施电压控制电源开关。