使用 Microchip 的Curiosity Board 快速启动无线设计

来源：DigiKey
作者： Steven Keeping

今天，尽管无线连接已无处不在，用户使用起来也越来越方便，但如果在射频工程方面经验有限，设计无线项目仍然是一项艰巨的任务。

商用模块通常集成了嵌入式处理器、收发器、射频调谐电路、电源管理，甚至还有一根或两根天线，使工作变得更容易，因为大部分的射频设计和测试已经完成。不过，有些原型需要注意更多的设计细节，以确保即使采用 Microchip Technology 的 WBZ451PE-I 等模块（图 1）也能取得成功。


图 1：WBC451PE-1 模块虽然使无线产品构建变得轻而易举，但仍存在一些隐患。（图片来源：Microchip Technology）

模块在电路板上的方向、地平面的位置、电磁干扰 (EMI) 屏蔽、其他元件的位置、印制电路 (PC) 板印制线阻抗等简单的因素都会产生影响。因此，相对于设计者不注重细节的无线产品而言，设计精良且带有射频模块的无线产品展现出更大的范围、更高的吞吐量和更低的功耗。

编码时间

软件也会对产品的整体性产生重要影响。无线产品通常需要射频协议栈和应用软件。

虽然可以编写低功耗蓝牙 (LE)、Zigbee 或专有 2.4 GHz 协议等射频协议软件的代码，但经过验证的成熟协议栈通常由收发器制造商提供，或从开源库中获取。这可能是最具性价比、最快捷的方法。

在无线链路上传输无线电数据和确保数据包携带有用的有效载荷是两码事。应用代码决定类型、优先级、格式以及数据如何传输频率等参数。软件可完成一些相对简单的事情，如发送温度、湿度或心率信息。对于更复杂的应用，则可能需要传输音频流或来自机器振动传感器的多个实时频率。

射频协议和应用软件对产品性能的影响不亚于硬件。例如，如果应用代码编写不当，可能会导致射频协议栈出现持续中断，进而影响吞吐量。或者，应用软件可能会对无线电的占空比产生不利影响。例如，应用软件可能会指示无线电更频繁地传输数据，从而增加不必要的功耗。

为无线项目寻求帮助

好消息是，在开发无线项目时可在许多方面寻求帮助。制造商非常乐意在硬件设计、协议和应用软件示例方面提供帮助。

在硬件方面可以得到的帮助通常是评估套件。评估套件可以是基于目标无线收发器或模块的完整工作设计。硅器件供应商通常会提供印刷电路板 Gerber 文件和规定了评估套件组件的物料清单 (BOM)，从而方便将产品用作硬件参考设计。评估板设计的重要部分是天线定位。您需要使地平面和其他元件之间保持足够的间隙，以确保获得最佳的天线灵敏度。通过使用制造商的布局，可以避免影响天线性能。

例如，Microchip Technology 的 EV96B94A WBZ451 Curiosity Board 是一个完整评估套件（图 2）。使用该评估板，工程师可以更轻松地为智能家居和工业自动化应用中的低功耗蓝牙和 Zigbee 项目进行原型开发。Curiosity Board 的核心是 IWBZ451PE-I 蓝牙收发器模块。该模块基于 PIC32CX-BZ2。这是一款通用型低成本、32 位微控制器，可支持低功耗蓝牙（最高 5.2 版）和 Zigbee（最高 3.0 版）等多协议无线接口，同时还可管理射频收发器和电源管理单元 (PMU)。


图 2：EV96B94A Curiosity Board 的顶部-侧视图，其中，WBZ451PE-I 模块位于顶端。注意：模块上印刷电路板天线的内置间隙，可确保获得最佳性能。（图片来源：Microchip Technology）

WBZ451PE-I 模块集成了微控制器，支持印刷电路板天线或用于外部天线的 u.FL 连接器。该模块配备了一套标准微控制器外设，如模数转换器 (ADC)，以及串行外设接口 (SPI)、内部集成电路 (I2C)、四通道 SPI (QSPI) 和通用异步收发器 (UART) 等接口。

Curiosity Board 还配备了一个外置式 Microchip QSPI 闪存芯片、一个模拟电压温度传感器和一个用于连接外部编程器/调试器的 10 针 Arm 串行线调试 (SWD) 接头。

准备原型开发

您会发现 Curiosity Board 的入门相对简单。该开发板是主要硬件，但还需要一条 Type-A 公头转 Micro-B USB 电缆，以便将开发板连接到 PC 和支持蓝牙的 Android 或 iOS 智能手机。进行开发所需的软件包括 MPLAB 集成开发环境 (IDE)、MPLAB XC32 编译器、PKOB4 工具包和开箱即用的演示版。可以使用外部 5 V 电源或 4.2 V 锂电池为该评估板供电。图 3 所示为 Curiosity Board 的硬件框图。


图 3 Curiosity Board 的硬件框图显示了如何用 5 V 电源或者 Li-Po 电池为其供电。该板还内置了温度传感器和 RGB LED，可与示例程序配合使用。（图片来源：Microchip Technology）

该板包括一个集成编程器和调试器（PKOB4 工具包的一部分）。该器件支持通过 micro-B USB 连接器从主电脑对 WBZ451PE-I 模块进行编程、调试。默认情况下，板载调试器与 WBZ451PE-1 模块的编程引脚（SWDIO 和 SWDCLK）连接。

该板配备的软件可在单个应用中演示两种常见的低功耗蓝牙和 Zigbee 用例，两个接口栈可同时运行。具体来说，该应用支持低功耗蓝牙传感器监视、低功耗蓝牙照明控制以及 Zigbee 照明控制和监视。传感器示例实现了一个全功能低功耗蓝牙温度传感器，数据来自 Curiosity Board 的板载温度传感器。该板还集成了一个 RGB LED。

Zigbee 照明控制软件示例包括对该板上 RGB LED 的低功耗蓝牙全控制。通过低功耗蓝牙进行的 Zigbee 调试使用低功耗蓝牙链接交换 Zigbee 调试数据。Zigbee 和低功耗蓝牙任务在 FreeRTOS 下同时运行。图 4 中的“灯”（由电路板上的 RGB LED 表示）可通过低功耗蓝牙或 Zigbee 网络进行控制。连接后，用户可以通过低功耗蓝牙连接控制 LED 的亮度、颜色和点亮/熄灭状态。


图 4：Curiosity Board 的照明控制示例演示了 Zigbee 和低功耗蓝牙协议栈同时运行。（图片来源：Microchip Technology）

验证过示例后，可以尝试编写自己的代码。对于没有经验的代码编写人员，Microchip 提供应用构建块。这些内容紧凑的培训模块侧重于 WBZ451PE-I 模块的低功耗蓝牙功能。通过这些构建模块，可以熟悉软件、MPLAB 代码配置器以及实现相关功能所需的应用编程接口 (API)。

结束语

没有经验的人可能会对无线设计望而生畏，但有了芯片供应商提供的评估板和射频模块，无线设计就变得容易多了。此外，制造商还提供成熟可靠的射频协议栈，并通过提供示例和构建模块，让用户轻松入门复杂应用。