Розробка комбінованого модуля Wi-Fi + Bluetooth: 8 рішень перед серійним виробництвом

Більшість комбінованих модулів Wi-Fi і Bluetooth не виходять з ладу в радіочастотній лабораторії. Вони зазнають невдачі в інтеграції: спільна шина, яка виснажує кінцеву точку Bluetooth, антена, заправлена ​​під металевий кронштейн, шпилька ремінця піднята високо під час увімкнення живлення, або профіль оплавлення працює на один прохід занадто багато. У цьому посібнику описано вісім рішень, які визначають, чи комбо-модуль 2,4 ГГц досягне серійного виробництва за розкладом. Дані вимірювань надходять від двох модулів Realtek RTL8723 , що постачаються: на основі USB BL-R8723BT1 ( RTL8723BU-CG ) і SDIO + UART BL-M8723CS1 ( RTL8723CS-CG ).

1. Почніть із інтерфейсу хоста, а не із заголовка таблиці даних

Обидва модулі пропонують IEEE 802.11b/g/n 1T1R зі швидкістю PHY до 150 Мбіт/с, і обидва покривають той самий діапазон 2,4–2,4835 ГГц із 13 каналами на 20 МГц. Що насправді відрізняється — і те, що визначає вашу схему — це те, як модуль спілкується з хостом.

Версія USB поєднує WLAN і Bluetooth в одне спільне з’єднання USB 2.0. Це означає один хост-порт, один набір диференціальних пар і відсутність другого контролера для ввімкнення. Компроміс полягає в тому, що обидві функції живуть на одному порту та мають спільний бюджет переривань і пропускної здатності. У відеореєстраторі таке розміщення одного кабелю зазвичай є різницею між двошаровою платою та чотиришаровою платою.

Версія SDIO розділяє дві функції: WLAN працює на SDIO 2.0 (ті самі контакти можна налаштувати як GSPI), тоді як Bluetooth працює на незалежному високошвидкісному UART з апаратним керуванням потоком. Нічого не ділиться, тому пропускна здатність Wi-Fi не конкурує з трафіком Bluetooth на рівні шини, але вам потрібні запасні ресурси SDIO та UART на головній SoC, а також приблизно 30 додаткових контактів на модулі (44 проти 14).

Практичне правило: якщо ваш SoC має вільний хост-порт USB і не має вільного контролера SDIO, візьміть модуль USB; якщо SDIO та UART вже зламані, візьміть модуль SDIO та збережіть два шляхи незалежними.

USB: дві функції спільно використовують одну шину. SDIO + UART: кожна функція отримує власну шину.

2. Виберіть профіль Bluetooth, який ваш продукт фактично поставляється

Bluetooth – це місце, де два модулі розходяться найбільше, і де характеристики найчастіше неправильно читаються.

BL-R8723BT1 є дворежимним : Bluetooth Classic v2.1 + EDR разом з Low Energy v4.0, з Classic працює в класі 1, а LE в класі 1.5. Виміряна потужність передачі становить типово 6 дБм (8 дБм максимум) для BR/EDR і LE, а чутливість прийому BR/EDR становить -90 дБм при BER 0,1%. Якщо ваш продукт передає аудіо на динамік, з’єднується зі старим телефонним аксесуаром або потребує каналу даних у стилі SPP, це варіант для використання.

BL-M8723CS1 лише для BLE, базова специфікація версії 4.1, клас 1.5, із типовою потужністю передавання 3 дБм і максимальною потужністю передачі 6 дБм, а також типовою чутливістю прийому LE -90 дБм при 5% PER. Немає класичного стеку та аудіошляху взагалі. Це не обмеження, яке можна обійти — це рішення щодо вартості та потужності. Для ініціалізації, тригерів OTA, телеметрії датчиків або посилання статусу на телефонну програму достатньо BLE 4.1, і ви не платите за класичний стек, яким ніколи не будете користуватися.

Не вказуйте набір функцій Bluetooth лише з маркетингового огляду. Рядки версій копіюються між документами; зв’яжіться з нашою командою, щоб отримати офіційний документ із специфікацією та дані радіочастотного випробування для підтвердження.

3. Розрахуйте бюджет дерева потужності навколо пікового струму, а не середнього струму

Обидва модулі працюють від основної шини 3,3 В ±0,2 В. BL-R8723BT1 споживає максимум 400 мА з однієї шини; BL-M8723CS1 споживає до 450 мА на головній шині та додає окрему шину вводу/виводу (VDIO), яка може бути або 3,3 В ±0,2 В, або 1,8 В ±0,1 В. Окрема шина вводу/виводу є справді корисною: ви можете підтримувати 3,3 В радіочастотного джерела живлення, одночасно узгоджуючи рівень безпосередньо з 1,8 В SoC, без зовнішніх трансляторів. шість ліній SDIO і UART.

Плануйте піки передачі, а не середні значення специфікації:

Джерело: таблиці споживання струму з офіційних документів специфікації модуля, доступні за запитом. Значення є типовими / максимальними при зазначених умовах випробування; Показники радіочастотного тестування, а не середні показники на рівні програми.

Два спостереження, які варто обдумати. По-перше, модуль SDIO використовує помітно більше в передачі 802.11b, ніж модуль USB (328 мА проти 255 мА пік), оскільки він працює на рівні 17 дБм на всіх швидкостях 11b, тоді як модуль USB відкалібрований на 15–17 дБм залежно від швидкості. По-друге, USB-модуль отримує 130–135 мА на прийомі, що приблизно вдвічі більше, ніж SDIO-модуль, оскільки USB-передавач залишається активним, поки радіо прослуховується. На КПК з живленням від батареї ця різниця не є академічною.

Вказівки щодо компонування: розмістіть об’ємний конденсатор 47–100 мкФ і пару 10 мкФ плюс 0,1 мкФ у межах кількох міліметрів від VDD33, тримайте живлення 3,3 В на власній трасі чи площині та ніколи не діліть гілку з двигунами, реле чи драйвером підсвічування. Крок 328 мА на спільній рейці відображатиметься як проблема з щільністю радіочастот, яка виглядає як помилка макета.

4. Ставтеся до антени як до найнебезпечнішого предмета на платі

Жоден модуль не включає антену. Обидва під’єднуються до зовнішньої антени через пластину з половинним отвором (зубчату) із зазначеним КСВН 1,7 типово та 2,0 максимум для BL-R8723BT1, 2,1 максимум для BL-M8723CS1. KSWR 2,0 вже відображає приблизно 11% наданої потужності; погано налаштована антена перетворює 17 дБм провідної потужності в помітно меншу випромінювану потужність і скорочує діапазон.

Практичний контрольний список:

• Прокладіть канал подачі антени як контрольовану лінію 50 Ом, настільки коротку, наскільки це дозволяє механічна конструкція, без заглушок, без перемикань на радіочастотному тракті та з заземленням уздовж обох сторін.

• Тримайте антену подалі від акумулятора, магніту динаміка, гнучкого РК-дисплея та будь-якого заземленого металу. Антена 2,4 ГГц, розміщена на металевому кронштейні, втрачає більше діапазону, ніж може відновити будь-яке налаштування драйвера.

• Якщо корпус металевий, перенесіть антену за його межі та скористайтеся косичкою IPEX-SMA — тоді врахуйте втрати кабелю та роз’єму під час розрахунку бюджету зв’язку.

• Перевірте за допомогою фактичного корпусу, а не за допомогою модуля на столі. Випробування випромінюванням із кінцевим пластиком, акумулятором і прокладкою кабелю є єдиним вимірюванням, яке має значення.

Кондуктивна потужність передачі калібрується за швидкістю, тому ефективні характеристики випромінювання залежать як від антени, так і від модуля. Очікуйте 17 дБм на 802.11b і 802.11g 6 Мбіт/с і 14–15 дБм на швидкості високої пропускної здатності MCS7, де EVM обмежує корисний вихід:

Потужність передачі на антенну площадку, згідно з офіційною специфікацією. Чутливість для порівняння: -92 дБм (11b 1 Мбіт/с) і -66 дБм (HT40 MCS7) на BL-R8723BT1 ; -93 дБм і -66 дБм на BL-M8723CS1.

Зберігайте корм коротким і вільним від металу, батарей і щитових банок; додайте втрату косички до бюджету зв’язку, коли антена знаходиться поза металевим корпусом.

5. Проектуйте співіснування в програмі, а не в надії

Комбінований модуль 2,4 ГГц має одну радіостанцію, яку спільно використовують WLAN і Bluetooth. Драйвер розподіляє радіостанції між ними, що працює добре, але не безкоштовно: під одночасним навантаженням сукупна пропускна здатність WLAN падає, а затримка Bluetooth зростає. Це нормальна та очікувана поведінка для цієї архітектури, а не дефект.

Що з цим робити: заздалегідь визначте профіль трафіку та протестуйте його. Для потокової передачі IPC 1080p, коли телефон працює через BLE, вимірюйте втрату кадрів, коли працюють обидва, а не по одному. Для POS-терміналу перевірте платіжну транзакцію, коли підключено сканер BLE. Якщо аудіо є частиною виробу, тримайте аудіозв’язок і план каналів WLAN в курсі одне одного — канали 1, 6 і 11 із шириною 20 МГц залишають більше місця, ніж HT40.

Два варіанти архітектури зменшують проблему до того, як буде включено мікропрограмне забезпечення: використовуйте BLE, а не Classic, де це дозволяє сценарій використання (коротші, заплановані події з’єднання), і уникайте розміщення антен Wi-Fi і Bluetooth в одному захисному отворі, якщо механічна конструкція дає вам вибір.

6. Отримайте штифти для керування та ремінця безпосередньо перед заморожуванням макета

Саме тут найчастіше переробляють проекти на основі SDIO. На BL-M8723CS1 кілька штифтів виконують подвійні функції, а один — ремінець для ввімкнення живлення:

• CHIP_EN (контакт 35) — це скидання активного низького рівня з внутрішнім підтягуванням 100 кОм до VDD33. Залиште його доступним або керуйте ним із хосту GPIO із визначеною затримкою ввімкнення; не дозволяйте йому плавати поблизу комутаційної рейки.

• WL_DIS# (контакт 12) відключає функцію WLAN і вимикає інтерфейс SDIO при низькому рівні — корисно для жорсткого вимкненого радіозв’язку. BT_DIS# (контакт 34) робить те саме для Bluetooth. Зверніть увагу на взаємодію з прапорцями таблиці даних: це також описує стан скидання всього чіпа, коли обидва контакти від’єднано, тому від’єднайте ці контакти від хоста, а не пов’язуйте будь-який із них назавжди.

• GPIO1 (контакт 25) — це штифт для ремінця, внутрішній низький напруга якого становить 100 кОм, і його не можна під’єднувати до високого рівня під час увімкнення. Якщо ваш хост керує цією мережею, тримайте її на високому Z, доки модуль не завантажиться — перемикач рівня або зовнішнє підтягування призведуть до періодичної помилки завантаження, яку дуже важко відстежити.

• LPO (контакт 24) може приймати зовнішній тактовий сигнал 32 кГц або RTC для точної синхронізації з низьким енергоспоживанням; він використовується спільно з GPIO6 і високошвидкісним виходом UART RTS, тому заздалегідь вирішіть, яка функція вам потрібна.

• Вивід 41 внутрішньо з’єднаний з іншими контактами заземлення, тому його можна залишити не підключеним або використовувати для UART_CTS у вашій прикладній схемі, не впливаючи на нормальну роботу — це зручно, коли 44-контактний відбиток повинен відповідати існуючому масиву контактів.

Модуль USB простіший: вхід синхронізації з низьким споживанням 32,768 кГц на контакті 4, а також пара DEVICE_WAKE_HOST і HOST_WAKE_DEVICE, які використовуються для дистанційного пробудження. Якщо ваш продукт покладається на ініційоване хостом пробудження від призупинення, підключіть обидва й підтвердьте полярність, яку очікує ваш драйвер.

Спочатку Rails, потім відпустіть CHIP_EN, а потім дозвольте хосту перерахувати. Підтримуйте GPIO1 високий Z під час увімкнення.

7. Зіставте робочий діапазон із корпусом, а не з приміщенням

BL-M8723CS1 розрахований на температуру від -20 °C до +70 °C; BL-R8723BT1 розрахований на температуру від -10 °C до +70 °C. Обидва призначені для відносної вологості 10–95% без конденсації. Різниця в 10 °C — це та специфікація, яка найчастіше дискваліфікує правильний вибір: відеореєстратор, встановлений на лобовому склі на ринку з холодним кліматом, бачитиме температуру нижче -10 °C, а варіант USB виходить за межі свого номінального діапазону — робот-пилосос або внутрішній POS-термінал ніколи не будуть.

Верхня межа заслуговує на однакову повагу. Герметичний корпус IP-камери під прямим сонячним промінням або телевізійна приставка, встановлена ​​під телевізором, може підвищити температуру навколишнього середовища значно вище 40 °C. Вимірюйте температуру повітря в модулі, а не кімнатну температуру, і зменште свій тепловий проект відносно стелі 70 °C із запасом, а не проектування до нього.

8. Заблокуйте виробництво, зберігання та сертифікацію

Три елементи, які з’являються в специфікації пізно та викликають пізні сюрпризи:

Оплавлення. Обидва модулі визначають максимальну температуру 250 °C і не більше двох проходів оплавлення. Третій прохід — звичайний, коли плата переробляється або додається другий етап складання — виходить за межі специфікації, і режим несправності з’являється як маргінальний радіочастотний або BLE-зв’язок через кілька місяців, а не під час тестування.

Зберігання та транспортування. BL-R8723BT1 визначає діапазон зберігання від -45 °C до +85 °C, 12-місячне вікно після вакуумної упаковки та 72 години після відкриття пакета. Якщо індикатор вологості змінив колір, випікайте при 60 °C протягом 24 годин перед паянням. Обидва модулі є пристроями, чутливими до електростатичного розряду, і потребують стандартних запобіжних заходів на лінії.

Атестація. Обсяг радіочастот і електромагнітної сумісності залежить від ринку, на який ви постачаєте, і від корпусу хоста — сертифікат модуля не поширюється автоматично на готовий продукт. Зв’яжіться з нами, щоб отримати поточні звіти про випробування для конкретної моделі та ринку, а також узгодити звіт із точною конфігурацією мікропрограми та антени, які використовуються у виробництві. Внутрішні та експортні вимоги можуть відрізнятися.

Пліч-о-пліч таблиця вибору

Резюме з наших офіційних документів специфікації, доступне за запитом.

Охоплення водія та платформи

Обидва модулі побудовані на основі кремнію Realtek із підтримкою драйверів постачальників для Linux і Android, що фактично постачається в більшості проектів IPC, POS і пристроїв. Варіант USB додатково підтримує Windows, що корисно для периферійних пристроїв і пристроїв типу ключів. Перш ніж закріпити версію ядра, підтвердьте точний пакет драйверів з нашою командою FAE — готовність драйвера, а не продуктивність RF, зазвичай змінює графік.

На яку підтримку ви можете розраховувати до та після виграшу дизайну

• Стандартні модулі в зразкових кількостях, а також документи з офіційними специфікаціями, визначення контактів і контрольні схеми на запит.

• Огляд макета маршрутизації SDIO або USB, захисту антени та дерева живлення, перш ніж випустити плату.

• Спеціальна розробка модулів на будь-якому чіпі: модифікація контактів, зміна розміру площі, параметри антени (вбудована кераміка, роз’єм IPEX, напівколодка) і налаштування параметрів мікропрограми.

• Підтримка документації для шляху сертифікації, який ви плануєте.

Якщо ваш проект ще на стадії архітектури, наш Огляд платформи RTL8723BU-CG і RTL8723CS-CG охоплює відмінності на рівні чіпа, випадки застосування для масового виробництва та масштаби спеціальної розробки; в Портфоліо модулів Wi-Fi 2,4 ГГц перераховує інші опції, сумісні з контактами цього класу.

FAQ

Наступний крок

Надішліть нам свою сторінку зі схемою та механічні обмеження — розташування антени, матеріал корпусу, інтерфейс хоста та цільовий робочий діапазон — і наша команда прикладних програм надасть оцінку придатності для будь-якого модуля, включаючи зміни на рівні контактів, необхідні для вашого макета. Запитуйте зразки, таблицю даних і огляд макета.

Усі дані про продуктивність у цій статті є типовими значеннями для довідки. Повна документація зі специфікаціями, звіти про випробування та ресурси дизайну доступні за запитом.