雖說交貨量每星期有幾千萬片，但在流行的2.4GHzISM頻段短距離低功耗射頻技術(shù)市場（例如Wi–Fi,藍(lán)牙，ZigBee以及各公司的專有解決方案）還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有成熟。在未來的幾年里，將會出現(xiàn)許多令人鼓舞的進(jìn)展，而無線連接將滲透到我們生活的各個(gè)方面。

　　尤其是在超低功率（ULP）無線應(yīng)用系統(tǒng)中，它使用紐扣電池來供電的微型射頻收發(fā)器，喚醒來后迅速發(fā)送“脈沖”數(shù)據(jù)，然后回到毫微安級的“睡眠”狀態(tài)，這很可能會大幅度地增加。例如，根據(jù)ABI研究公司分析指出：在2010年，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）芯片市場增長了百分之三百。該公司還預(yù)測：在2016年，使用藍(lán)牙低耗能芯片的醫(yī)療保健和個(gè)人健身設(shè)備交貨量不會低于4.67億件。

　　可以在嵌入式電子電路的任何便攜式電子產(chǎn)品或設(shè)備（從微小的醫(yī)療傳感器和健身傳感器，到移動(dòng)電話、電腦、機(jī)床、汽車，幾乎它們之間的一切東西），都可以把超低功耗無線連接加進(jìn)去。利用微小的超低功耗收發(fā)器，這些電子產(chǎn)品或設(shè)備能夠與數(shù)千其他設(shè)備直接通信，或者作為網(wǎng)絡(luò)的一部分進(jìn)行通信，明顯地提高電子產(chǎn)品的實(shí)用性。

　　然而，對于大多數(shù)工程師而言，射頻設(shè)計(jì)仍然難以掌握。雖然射頻設(shè)計(jì)不是一件小事，但是，在芯片供應(yīng)商和相當(dāng)好的開發(fā)工具的幫助下，它并沒有超出一位有能力的工程師的設(shè)計(jì)技能。因此，在本文中，我將揭開超低功耗無線技術(shù)的面紗，介紹芯片，并且探討如何以及在什么地方使用這些芯片。

　　超低功耗無線技術(shù)簡介

　　超低功耗無線技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)（現(xiàn)在稱為經(jīng)典藍(lán)牙，以區(qū)別于近發(fā)布的4.0版藍(lán)牙，其中包括超低功耗的藍(lán)牙低耗能技術(shù)）這些短距離低功耗射頻技術(shù)的區(qū)別在于，它需要的功率明顯地少很多。這樣，把無線連接用到在緊湊的便攜式電子設(shè)備中的機(jī)會，就極大地增大了。

　　經(jīng)典藍(lán)牙需要的功率比較多，即使是傳送適量的用戶數(shù)據(jù)，因此幾乎只能使用可充電電池。它需要的功率較高，對于的低帶寬、長壽命的應(yīng)用而言，那么就意味著傳統(tǒng)藍(lán)牙并不是一個(gè)很好的無線解決方案（它主要是在可以方便地對電池經(jīng)常充電的時(shí)候用于大量傳送數(shù)據(jù)）。

　　典型的藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)用于在移動(dòng)電話和耳機(jī)之間的無線連接，或者把相機(jī)中的數(shù)字圖像傳送到藍(lán)牙打印機(jī)。因此使用典型藍(lán)牙的無線設(shè)備，它的電池壽命通常是幾天，多是幾星期（注：有一些高度化的典型藍(lán)牙應(yīng)用系統(tǒng)，可以用容量較低的原電池供電）。

　　相比之下，超低功耗射頻收發(fā)器可以用紐扣電池（例如CR2032或者CR2025）供電，工作幾個(gè)月甚至幾年（取決于應(yīng)用系統(tǒng)的占空比），假定消耗的額定平均電流僅200μA.這些紐扣電池很小，價(jià)格便宜，但是能量有限，一般在90至240mAh的范圍（一節(jié)AA電池的容量是紐扣電池的10倍至12倍）。

　　這個(gè)容量屬于中等，明顯地限制了超低功耗無線鏈路激活的占空比。例如，一節(jié)220mAh的CR2032紐扣電池，如果要它持續(xù)工作一年，那么它的額定電流（或放電率）只能維持在25μA（220mAh /（24小時(shí)x 365天））。

　　超低功耗射頻技術(shù)的峰值電流為幾十毫安，例如，Nordic半導(dǎo)體的nRF24LE1 2.4GHz收發(fā)器在發(fā)射時(shí)消耗電流11.1毫安（在輸出功率為0dBm時(shí)），在接收時(shí)消耗電流13.3毫安（工作在2Mbps時(shí)）。如果在較長時(shí)間內(nèi)的平均電流被限制在幾十微安，占空比必須很低（大約百分之0.25），而且芯片要很快回到睡眠模式，在大部分時(shí)間里只消耗幾毫微安電流。

　　各種不同用途

　　如果收發(fā)器的睡眠時(shí)間占百分之99.75,當(dāng)它被喚醒來做任何有用的事時(shí)，它必須非常努力地工作。超低功耗收發(fā)器是這樣做到這點(diǎn)的：它迅速地被喚醒，發(fā)送很短但帶寬相對較寬的“脈沖”數(shù)據(jù)（高達(dá)1或2 Mbps），然后立即回到低耗能的睡眠狀態(tài)。

　　正如我們看到的，因?yàn)樗鼈兿牡墓β蕦儆谥械瘸潭?，超低功耗射頻收發(fā)器不能用于占空比高的應(yīng)用系統(tǒng)，所以，不直接與Wi-Fi和經(jīng)典藍(lán)牙競爭。不過，超低功耗運(yùn)作的確打開了一個(gè)寬闊的新的應(yīng)用領(lǐng)域，這是其他無線技術(shù)做不到的。

　　這些用途的多樣化是不尋常的。超低功耗無線技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了體育、保健、娛樂、個(gè)人電腦外圍設(shè)備、遙控器、游戲、移動(dòng)電話配件、家庭自動(dòng)化和工業(yè)控制領(lǐng)域，而且在未來幾年將會蔓延到許多其他領(lǐng)域。

　　這些應(yīng)用系統(tǒng)有一個(gè)共同點(diǎn)，這就用到了超低功耗無線技術(shù)的優(yōu)勢。它們是建立在使用小型電池、小巧緊湊的傳感器和外圍設(shè)備的基礎(chǔ)之上。這些設(shè)備發(fā)送少量的數(shù)據(jù)（通常是幾位），而且不經(jīng)常發(fā)送（每隔幾秒鐘或者每秒多幾次）。盡管有這個(gè)共同點(diǎn)，它有各種不同用途，例如用于電腦的無線外圍設(shè)備（例如無線鼠標(biāo)器），自行車碼表和相關(guān)的性能傳感器（例如速度和距離監(jiān)測器），射頻遙控器，醫(yī)療傳感器（例如心率監(jiān)測器），它們需要非常不同的工程解決方案。

　　簡單地說，無線連接需要一個(gè)射頻系統(tǒng)（收發(fā)器）、協(xié)議（軟件代碼或“棧”,它控制射頻系統(tǒng)如何進(jìn)行通信），還需要一個(gè)應(yīng)用處理器（它有自己的代碼，監(jiān)督的具體應(yīng)用系統(tǒng)，例如，心率監(jiān)測器）。但是，這些東西如何實(shí)施，會影響無線系統(tǒng)的效率、尺寸和成本。

　　為了說明這一點(diǎn)，我們來看看兩個(gè)例子：一個(gè)是無線鼠標(biāo)器，一個(gè)自行車碼表，它們使用不同的方法。

　　無線鼠標(biāo)器是比較簡單（但肯定不是無足輕重）、大量使用的超低功耗射頻應(yīng)用系統(tǒng)。無線鼠標(biāo)器制造商需要一個(gè)緊湊、高效率、價(jià)錢便宜的連接解決方案。換句話說，他們希望他們的無線鼠標(biāo)器的造型優(yōu)美，電池的使用壽命很長，零售價(jià)格要廣大消費(fèi)者能夠承受得起。

　　用于鼠標(biāo)器的選擇是系統(tǒng)芯片（SoC），其中包含射頻系統(tǒng)、工廠提供的協(xié)議和應(yīng)用處理器，都在一塊硅片上。由于它的用量很大，抵消了開發(fā)系統(tǒng)芯片的較高非經(jīng)常性工程（NRE）費(fèi)用。此外，廠商可以優(yōu)化硬件和軟件的性能，以滿足目標(biāo)應(yīng)用的需要。

　　對于客戶（鼠標(biāo)器生產(chǎn)商）來說，主要優(yōu)點(diǎn)是，他們在開發(fā)時(shí)不必選擇和購買外部處理器（以及相應(yīng)的開發(fā)工具），然后生成代碼來運(yùn)行應(yīng)用程序，不用在這些方面再花時(shí)間和金錢。收發(fā)器供應(yīng)商已經(jīng)做了SoC的部分設(shè)計(jì)工作。（不過，如果需要的話，客戶仍然可以使用收發(fā)器供應(yīng)商提供的開發(fā)和評估工具，來開發(fā)自己的協(xié)議。）

　　例如，Nordic半導(dǎo)體向臺式電腦外設(shè)市場提供nRF24LE1系統(tǒng)芯片。這個(gè)nRF24LE1包含Nordic的nRF24L01+ 2.4GHz超低功耗收發(fā)器，Gazell軟件協(xié)議棧（存放在閃存或性可編程（OTP）存儲器中）以及一個(gè)增強(qiáng)型8位微控制器。這種單片器件的尺寸只有5×5毫米，可以用它設(shè)計(jì)的無線鼠標(biāo)器。

　　nRF24LU1+是另一種系統(tǒng)芯片，其中集成了Nordic的nRF24L01+收發(fā)器、與USB 2.0兼容的器件控制器、閃存（或OTP存儲器）、8位微控制器，把它插入“主機(jī)”電腦的USB端口，就完成了無線連接。利用nRF24LU1+,PC外設(shè)制造商可以制造很小的USB適配器，它幾乎沒有伸到主機(jī)上USB端口之外（圖1）。

圖1:利用4LU1+個(gè)人電腦外設(shè)制造商可以制造尺寸很小的USB轉(zhuǎn)接器，它幾乎沒有伸出到主機(jī)UBS口外面。

　　單片連接

　　對于產(chǎn)量很大的應(yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)芯片有許多優(yōu)點(diǎn)。但也有一些缺點(diǎn)，例如，系統(tǒng)芯片要求高集成度，這增大了器件的尺寸，因而增加成本。如上所述，無線系統(tǒng)芯片中通常有一個(gè)微處理器，但許多應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)用了微控制器來運(yùn)行其他功能，也可用它來控制無線應(yīng)用系統(tǒng)。

　　此外，有些設(shè)計(jì)工程師更愿意選用他們自己的微處理器，這是因?yàn)?，例如，對于一種器件，他們已經(jīng)有了豐富的知識，希望不要被收發(fā)器中的微處理器卡住。在這種情況下，購買不含微處理器的收發(fā)器會更方便（便宜）一些。

　　例如，考慮一個(gè)無線自行車碼表。自行車手和業(yè)余自行車手一樣，使用這些安裝在手把上的設(shè)備，來監(jiān)測傳感器性能，例如心率監(jiān)測器、速度和距離傳感器、節(jié)奏監(jiān)測器和曲軸功率表。自行車碼表是復(fù)雜的設(shè)備，有它自己的處理器，處理器也可用于監(jiān)視無線功能，這樣就不必把嵌入式處理器集成在無線芯片上（圖2）。

圖2:Nordic專有的超低功耗收發(fā)器nRF24AP2,在自行車的無線連接市場占主導(dǎo)地位。

　　Nordic和它的設(shè)計(jì)合作伙伴加拿大科克倫的ANT無線公司，在為自行車領(lǐng)域提供無線連接方面有豐富的經(jīng)驗(yàn)（事實(shí)上，2010年環(huán)法自行車賽的許多自行車運(yùn)動(dòng)員使用的無線性能傳感器是通過Nordic的芯片和ANT軟件連接到自行車碼表上）。

　　無線傳感器和人士的自行車碼表使用的芯片是Nordic的nRF24AP2.這個(gè)器件中有一個(gè)2.4GHz超低功耗收發(fā)器、ANT無線協(xié)議和高質(zhì)量微控制器/處理器接口，它們都在一塊芯片上。芯片上沒有應(yīng)用處理器 -節(jié)省成本，降低功耗，縮小了芯片的尺寸。在使用時(shí)，nRF24AP2負(fù)責(zé)無線連接，并且緊密地鏈接到在自行車碼表中的應(yīng)用處理器，它監(jiān)測無線應(yīng)用系統(tǒng)。Nordic把這種方法稱作“單芯片連接”,因?yàn)樗鼫?zhǔn)確地說明了它所提供的功能。

　　要求互用性

　　一個(gè)專有的無線連接解決方案（也就是使用的所有的解決技術(shù)方案屬于一家公司）總是勝過可互用的技術(shù)，例如ZigBee或者藍(lán)牙。為什么呢？因?yàn)橹圃焐棠軌驅(qū)f(xié)議進(jìn)行優(yōu)化，不需要為了保證互用性而另外增加開支。其優(yōu)點(diǎn)是，得到的解決方案更有效率，功耗更低，并且降低了成本。缺點(diǎn)是缺乏互用性。

　　一個(gè)專有的無線連接解決方案缺乏與其他芯片制造商的器件的互用性，對于原始設(shè)備制造商來說，如果它需要一個(gè)技術(shù)來保證與其他公司的產(chǎn)品中的無線芯片進(jìn)行連接（例如，上面舉例的自行車碼表，它鏈接到其他公司制造的傳感器上），就有問題。這種標(biāo)準(zhǔn)化的互用性，是由正式的廠商聯(lián)盟提供資金支持的，例如ZigBee聯(lián)盟、IEEE這些標(biāo)準(zhǔn)組織，或者藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟。產(chǎn)品必須按有關(guān)規(guī)范進(jìn)行測試，進(jìn)行互用性，確定它符合某一個(gè)特定標(biāo)準(zhǔn)。

　　對于產(chǎn)品開發(fā)商，按標(biāo)準(zhǔn)的要求設(shè)計(jì)出來需要很長的時(shí)間，進(jìn)行測試，需要時(shí)間會增長，費(fèi)用會增加，但是優(yōu)點(diǎn)是很多的?？苫ビ玫慕鉀Q方案會刺激市場的增長，因?yàn)樗鼤鰪?qiáng)設(shè)備制造商的信心──這項(xiàng)技術(shù)會使用很多年，市場上有多家芯片供應(yīng)商供應(yīng)芯片，增加競爭，壓低價(jià)格，質(zhì)量是有保證的，因?yàn)樾酒圃焐瘫仨毎凑找?guī)范進(jìn)行。

　　上述的ANT+技術(shù)是可互用的超低功耗無線技術(shù)的一個(gè)例子。它是由一個(gè)有220多家公司的聯(lián)盟監(jiān)管，并且已經(jīng)為一些制造商所采用，成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)制造商中有自行車行業(yè)的制造商Garmin和Trek.而且，在近，除了Nordic半導(dǎo)體，另外一家半導(dǎo)體公司已經(jīng)開始提供ANT芯片。

　　不過，具備互用性的短距離射頻解決方案中，成功的（以交貨量計(jì)）仍然是藍(lán)牙無線技術(shù)。

　　擴(kuò)展藍(lán)牙技術(shù)

　　藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟已經(jīng)通過一個(gè)新版本擴(kuò)大了藍(lán)牙技術(shù)，這個(gè)版本的藍(lán)牙技術(shù)可以用紐扣電池供電。所謂藍(lán)牙低耗能技術(shù)，它已經(jīng)設(shè)計(jì)成可以讓傳感器和外設(shè)互相溝通，可以用于下一代移動(dòng)電話。2009年12月，藍(lán)牙低耗能技術(shù)被采納，作為4.0版本藍(lán)牙規(guī)范的一部分。Nordic半導(dǎo)體把它廣泛的超低功耗無線設(shè)計(jì)知識貢獻(xiàn)給這門技術(shù)，在規(guī)范的制訂中起了重要作用。

　　半導(dǎo)體供應(yīng)商現(xiàn)在在交付藍(lán)牙低耗能芯片。例如，Nordic近發(fā)布了它的μBlue系列藍(lán)牙低耗能芯片的個(gè)產(chǎn)品。μBlue系列中的個(gè)產(chǎn)品是nRF8001,這是一個(gè)完整的藍(lán)牙低耗能解決方案，它采用尺寸為5 × 5mm的32引腳QFN封裝，其中納入嵌入式射頻系統(tǒng)，鏈路控制器和主機(jī)子系統(tǒng)，適合手表、傳感器和遙控器，還有其他用途。Casio近發(fā)布的G-SHOCK藍(lán)牙低耗能手表使用了這種芯片 （參見圖3a和b）。

圖3:Nordic半導(dǎo)體的μBluenRF8001是該公司的藍(lán)牙低耗能芯片，Casio已經(jīng)把它用于G-SHOCK低耗能手表。

　　這種手表是個(gè)使用藍(lán)牙低耗能技術(shù)的商品之一，它包含的功能有：從智能手機(jī)校正手表的時(shí)間，智能手機(jī)發(fā)信號到手表提醒來電、收到電子郵件和短信的通知，以及查找功能，它可以讓用戶找到不知道放在什么地方的電話。

　　藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟的明確目的是通過藍(lán)牙低耗能技術(shù)內(nèi)容的發(fā)布，其中包括個(gè)人用戶接口設(shè)備（PUID）（如手表）、遙控器、感應(yīng)警報(bào)器、電池狀態(tài)顯示和心率顯示，跟進(jìn)藍(lán)牙4.0版。其他保健監(jiān)測方面的內(nèi)容，如血糖和血壓，自行車節(jié)奏和自行車曲軸功率，隨之而來（圖4）。

圖4:藍(lán)牙低耗能技術(shù)的早期應(yīng)用將是體育、醫(yī)療保健和娛樂等方面。

　　藍(lán)牙低耗能傳感器的成本低、維護(hù)成本低（因?yàn)楹苌俑鼡Q電池），這將鼓勵(lì)人們在公共場所廣泛地方使用它。一個(gè)關(guān)鍵的用途可能是室內(nèi)定位系統(tǒng)（在室內(nèi)沒有GPS信號），這時(shí)，布置在大型公共建筑物（例如機(jī)場或火車站）四周的傳感器不斷發(fā)出他們的位置信息。配備藍(lán)牙低耗能技術(shù)的移動(dòng)電話在一定范圍內(nèi)可以把這些信息顯示出來給它的主人。傳感器可以傳送其他的信息，例如飛行時(shí)間和登機(jī)門，娛樂設(shè)施的位置，或者附近商店提供特別優(yōu)惠的信息（圖5）。

圖5:在機(jī)場候機(jī)樓這些大型建筑物里面，可以把藍(lán)牙低耗能裝置放在關(guān)鍵性的位置，通過移動(dòng)電話告訴旅客他們所在的位置。

　　藍(lán)牙4.0芯片也很快可以買到。2011年下半年，移動(dòng)電話這些設(shè)備，應(yīng)該開始納入藍(lán)牙4.0芯片。一旦出現(xiàn)這種情況，這個(gè)令人興奮的新技術(shù)的全部潛力將開始變成現(xiàn)實(shí)。

　　Nordic半導(dǎo)體公司的行政總裁Svenn-Tore Larsen說：“一旦設(shè)計(jì)師有一種廉價(jià)的方法，可以把可互用的無線鏈接加到電池供電的任何東西中，即使用的電池是的設(shè)備，它的應(yīng)用潛力也是巨大的。設(shè)計(jì)師會有數(shù)千種方式使用這個(gè)鏈接?！?/FONT>