無(wú)線連接是像智能燈泡、遙控裝置、智能建筑傳感器和執(zhí)行器、智能電表、可穿戴設(shè)備（含健身設(shè)備）、安全報(bào)警和信號(hào)燈這樣的各類智能連接設(shè)備的關(guān)鍵一環(huán)。

由于有多種適用的標(biāo)準(zhǔn)，市場(chǎng)和最終用戶的喜好也不斷變化，因此選擇正確的無(wú)線技術(shù)并不總是那么簡(jiǎn)單。 開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)為了趕上預(yù)期發(fā)布日期必須提前開(kāi)展工作，但在這么早的階段確定無(wú)線技術(shù)可能并非理想的做法。 另一方面，有些類型的產(chǎn)品可以通過(guò)推出采用不同無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)的變型來(lái)獲得靈活性，從而獲得在不同地區(qū)或市場(chǎng)的銷售優(yōu)勢(shì)。

但是，無(wú)線電是智能傳感應(yīng)用的核心組件，傳統(tǒng)方式要求盡早確定采用哪種標(biāo)準(zhǔn)。 以一個(gè)為應(yīng)用選擇 ZigBee? 技術(shù)的制造商為例。 在實(shí)踐中，這一決定固化了設(shè)計(jì)的多個(gè)方面，如收發(fā)器技術(shù)、PCB 布局、軟件堆棧以及接入無(wú)線電的 API。

假設(shè)在設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)了新的市場(chǎng)數(shù)據(jù)，表明使用智能藍(lán)牙? 技術(shù)能夠大幅擴(kuò)大最終產(chǎn)品的目標(biāo)市場(chǎng)。 這時(shí)就要更改無(wú)線電，應(yīng)用需要改用智能藍(lán)牙堆棧和新的 API，圍繞現(xiàn)有無(wú)線電設(shè)計(jì)展開(kāi)的大量工作將付諸東流。 這實(shí)際相當(dāng)于在項(xiàng)目的后期階段全盤開(kāi)始重新設(shè)計(jì)，難度可想而知。 事實(shí)上團(tuán)隊(duì)必須選擇是用錯(cuò)誤的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)預(yù)期的上市時(shí)間，還是大幅推遲發(fā)布正確的產(chǎn)品。 此外還需要考慮增加的工程設(shè)計(jì)成本。

可擴(kuò)展的嵌入式無(wú)線平臺(tái)

為了給制造商在選擇無(wú)線技術(shù)方面提供更大的靈活性，Texas Instruments (TI) 開(kāi)發(fā)了 SimpleLink? 超低功耗無(wú)線微控制器 (MCU) 平臺(tái)。 該架構(gòu)基于 ARM? Cortex?-M3，目前可提供 32 KB 到 128 KB 閃存的存儲(chǔ)器配置。 它能為各種智能傳感應(yīng)用提供足夠的處理能力，可充當(dāng)獨(dú)立的 MCU。

設(shè)計(jì) SimpleLink 的目的是實(shí)現(xiàn)無(wú)線技術(shù)的可擴(kuò)展性。 該器件系列采用引腳兼容型封裝方案，支持多種不同的無(wú)線電技術(shù)，包括智能藍(lán)牙、次 1 GHz、ZigBee、6LoWPAN、IEEE 802.15.4、RF4CE? 以及工作速度高達(dá) 5 Mbps 的專有模式。

從硬件角度而言，更改為采用不同集成式無(wú)線電的器件非常簡(jiǎn)單。 所有 2.4 GHz 技術(shù)和所有次 1 GHz 技術(shù)都能直接兼容引腳。 不僅如此，不同 SimpleLink 器件的所有其他外設(shè)都是相同的。 這為制造商提供了極大的靈活性，使其能夠?qū)o(wú)線電技術(shù)的最終選定推遲到設(shè)計(jì)流程的晚期。

該平臺(tái)還能在所支持的各種標(biāo)準(zhǔn)之間兼容代碼。 不過(guò)，改變無(wú)線電確實(shí)會(huì)對(duì)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)產(chǎn)生一定的影響。 這種影響源于應(yīng)用必須考慮的無(wú)線電堆棧差異。 例如，與 6LoWPAN 協(xié)議棧的對(duì)接是使用 IP 消息實(shí)現(xiàn)的。 而使用智能藍(lán)牙時(shí)，應(yīng)用將會(huì)讀取或修改多種屬性。 這些差異已經(jīng)反應(yīng)到 TI 隨其每個(gè) SimpleLink 無(wú)線 MCU 提供的 API 中。

作為最佳實(shí)踐，制造商可采用模塊化方式設(shè)計(jì)無(wú)線電接口。 讓?xiě)?yīng)用向無(wú)線電函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，而不是讓?xiě)?yīng)用直接訪問(wèn)無(wú)線電，從而將無(wú)線 API 抽象出來(lái)。 然后，該函數(shù)可根據(jù)需要，使用相應(yīng)的 API 處理待發(fā)送或待接收的數(shù)據(jù)。 最終的效果是，如果需要在設(shè)計(jì)流程的后期更改無(wú)線電，只需移植該無(wú)線電函數(shù)即可。

相同的器件，不同的無(wú)線電

該平臺(tái)由用于智能藍(lán)牙的 CC2640 無(wú)線 MCU、支持 6LoWPAN 和 ZigBee 的 CC2630、用于次 1 GHz 的 CC1310 以及支持 ZigBee RF4CE 的 CC2620 構(gòu)成。 如圖 1 所示，這些器件提供多種封裝樣式。

圖 1：SimpleLink 策略消除了無(wú)線再分配難題造成的硬件問(wèn)題。

TI 還將發(fā)布 CC2650 多標(biāo)準(zhǔn)器件。 這種“超集”器件可以在硬件和軟件中動(dòng)態(tài)配置，以支持多種不同的 2.4 GHz 無(wú)線電中的一種。 采用 CC2650 搭建的設(shè)計(jì)在進(jìn)入生產(chǎn)時(shí)也可以不鎖定選擇，并可在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)進(jìn)行配置。 這樣，制造商完全可以等到最后一刻才決定采用哪種無(wú)線電，且無(wú)需更改天線設(shè)計(jì)。

由于允許改變支持的無(wú)線電，CC2650 還使應(yīng)用能夠使用單一芯片支持多種無(wú)線電。 因此，通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)對(duì) CC2650 進(jìn)行重新編程，系統(tǒng)可以與基于 ZigBee 和基于藍(lán)牙的設(shè)備進(jìn)行通信。

多處理器架構(gòu)

如圖 2 所示，SimpleLink 平臺(tái)集成了多個(gè)處理器，可提供智能傳感應(yīng)用執(zhí)行各種任務(wù)所需的不同級(jí)別的計(jì)算能力。 通過(guò)為手頭的任務(wù)選擇正確的處理器，可以讓器件以最可能低的功耗運(yùn)行。

圖 2：SimpleLink 架構(gòu)將感測(cè)、處理和通信操作的能耗降至最低。

應(yīng)用處理器為 ARM? Cortex?-M3，是 SimpleLink 超低功耗平臺(tái)的主處理器。 它能提供作為能夠智能管理傳感器型系統(tǒng)的獨(dú)立 MCU 所需的必要性能。 Cortex-M3 具有足夠的處理能力來(lái)應(yīng)對(duì)應(yīng)用和高級(jí)堆棧任務(wù)處理，并且非常節(jié)能。

該無(wú)線電處理器是一款集成式 Cortex-M0，專用于管理系統(tǒng)的各種低級(jí)無(wú)線電任務(wù)。 這樣就減輕了主 CPU 的時(shí)序關(guān)鍵型任務(wù)負(fù)荷。

第三個(gè)處理器是一種超低功耗集成 MCU，專用于快速、高效地監(jiān)控傳感器。 此傳感器控制器的作用旨在精確提供合適的處理水平，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣并簡(jiǎn)化傳感器決策。 此外，它的存儲(chǔ)器容量有限，沒(méi)有無(wú)關(guān)的外設(shè)。 對(duì)于像定期輪詢傳感器輸出、確定是否發(fā)生閾值事件之類任務(wù)，這款控制器非常節(jié)能，而且能夠避免在不必要時(shí)無(wú)謂地喚醒主 CPU。

TI 采用 SimpleLink 無(wú)線 MCU，通過(guò)提供操作無(wú)線電和與之對(duì)接所需的軟件簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。 這也使無(wú)線電設(shè)計(jì)得到了簡(jiǎn)化，開(kāi)發(fā)人員只需置入相應(yīng)的 SimpleLink 器件便可快速使用無(wú)線電，而無(wú)需進(jìn)行大量的配置和調(diào)節(jié)。 為此，無(wú)線電控制器附帶了經(jīng)優(yōu)化的生產(chǎn)代碼，可實(shí)現(xiàn)最高效的無(wú)線電操作。

高能效感測(cè)

由于傳感器控制器需要監(jiān)控傳感器，做出決策，并根據(jù)特定應(yīng)用采取行動(dòng)，因此開(kāi)發(fā)人員需要能夠配置其操作。 TI 提供軟件開(kāi)發(fā)工具 Sensor Controller Studio，供用戶配置傳感器控制器。 該工具可輸出傳感器控制器接口驅(qū)動(dòng)程序，其中包含生成的傳感器控制器機(jī)器代碼和相關(guān)的定義。 可以配置傳感器控制器執(zhí)行常見(jiàn)任務(wù)，而無(wú)需寫(xiě)入任何代碼，另一方面，對(duì)于需要自定義代碼的應(yīng)用，將通過(guò)類似 C 語(yǔ)言的腳本語(yǔ)言提供支持。 通過(guò)使用傳感器控制器的測(cè)試和調(diào)試功能，Sensor Controller Studio 可加速開(kāi)發(fā)過(guò)程。 這樣可實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)和算法驗(yàn)證的實(shí)時(shí)可視化。

傳感器控制器的另一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)在于它與主 CPU 的集成。 傳統(tǒng)上，任何附加的傳感器控制器都是通過(guò)另一個(gè)不那么強(qiáng)大的 MCU 來(lái)實(shí)現(xiàn)的，用以減少主應(yīng)用處理器的負(fù)荷。 這樣，在低功耗傳感器控制器監(jiān)控和管理傳感器時(shí)，應(yīng)用處理器可保持休眠模式，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。 另一方面，由于輔助 MCU 位于應(yīng)用處理器的外部，開(kāi)發(fā)人員必須設(shè)計(jì)并管理兩個(gè)處理器之間的通信，還需要實(shí)現(xiàn)中斷功能，以便控制器能夠喚醒應(yīng)用處理器。

在 SimpleLink 平臺(tái)中，傳感器控制器的實(shí)現(xiàn)方式不僅具備所有能效優(yōu)勢(shì)，而且不會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的設(shè)計(jì)。 由于傳感器控制器、無(wú)線電 MCU 和應(yīng)用傳感器全部集成在同一硅晶上，因而極大地簡(jiǎn)化了硬件和軟件設(shè)計(jì)。

SimpleLink 平臺(tái)提供了一個(gè)易于編程的無(wú)線 MCU，并避免了嘗試集成 PHY 和堆棧帶來(lái)的難題。 應(yīng)用代碼在許多設(shè)計(jì)人員已非常熟悉的標(biāo)準(zhǔn) MCU — ARM Cortex-M3 上運(yùn)行。 TI 為其每種無(wú)線電技術(shù)提供了 API，最大限度地減輕了開(kāi)發(fā)人員的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。 射頻和天線設(shè)計(jì)已經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，并且不會(huì)影響可靠性或性能。 內(nèi)置強(qiáng)大的安全性功能，并且協(xié)議棧已做好生產(chǎn)準(zhǔn)備。

使用 SimpleLink 進(jìn)行設(shè)計(jì)

要使用 SimpleLink 器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)人員可以選擇多種全功能設(shè)計(jì)環(huán)境，如 Code Composer Studio? 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 (IDE) 或 IAR 嵌入式工作臺(tái)。

提供的評(píng)估套件也可用于快速啟動(dòng)設(shè)計(jì)。 其中，SimpleLink CC2650 開(kāi)發(fā)套件包含兩個(gè) CC2650 評(píng)估模塊和兩塊 SmartRF06 主板，可用于支持軟件開(kāi)發(fā)和運(yùn)行無(wú)線電性能測(cè)試。 由于 CC2650 能夠支持多種 2.4 GHz 無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)，因此該平臺(tái)也可用于 CC2640 智能藍(lán)牙和 CC2630 ZigBee?/6LoWPAN 無(wú)線 MCU 的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。 套件中的微控制器已使用軟件進(jìn)行過(guò)預(yù)編程，可用于范圍測(cè)試。 在 TI-RTOS 之上還構(gòu)建了低功耗藍(lán)牙和 ZigBee 堆棧，其中集成了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和電源管理功能。

CC2650 無(wú)線 MCU 也是 TI 的 SensorTag IoT 套件的核心組件。 SensorTag 可連接到云，無(wú)需任何編程經(jīng)驗(yàn)即可使用。 它含有十個(gè)傳感器，包括光、濕度和壓力傳感器，一個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)、磁性傳感器、加速計(jì)、陀螺儀、磁力儀、物體溫度傳感器、環(huán)境溫度傳感器，以及內(nèi)置的 iBeacon 技術(shù)。 利用相關(guān)的移動(dòng)應(yīng)用，用戶可查看啟動(dòng)時(shí)的傳感器瞬時(shí)讀數(shù)，并根據(jù) SensorTag 數(shù)據(jù)和物理位置定制內(nèi)容。

結(jié)論

TI 的 SimpleLink 超低功耗無(wú)線 MCU 平臺(tái)可簡(jiǎn)化智能無(wú)線設(shè)備的開(kāi)發(fā)，為開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)帶來(lái)了靈活性。如有必要，即使在設(shè)計(jì)周期的晚期也能更改為不同的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。 這樣可以讓項(xiàng)目盡早開(kāi)始，并將最終決策留到后期做出，從而使 OEM 廠商能在正確的時(shí)間向市場(chǎng)交付優(yōu)化的產(chǎn)品。 能耗敏感的多處理器架構(gòu)可幫助開(kāi)發(fā)人員更輕松地滿足許多智能檢測(cè)應(yīng)用嚴(yán)格的功耗和性能要求。