Thiết kế mô-đun kết hợp Wi-Fi + Bluetooth: 8 quyết định trước khi sản xuất số lượng lớn

Hầu hết các mô-đun kết hợp Wi-Fi và Bluetooth không bị lỗi trong phòng thí nghiệm RF. Chúng không thể tích hợp: bus dùng chung làm thiếu điểm cuối Bluetooth, miếng đệm ăng-ten được giấu dưới khung kim loại, chốt dây đeo được giữ ở vị trí cao trong khi bật nguồn hoặc cấu hình chỉnh lại dòng chạy quá nhiều lần. Hướng dẫn này trình bày tám quyết định nhằm xác định liệu mô-đun kết hợp 2,4 GHz có đạt được sản lượng lớn đúng tiến độ hay không. Dữ liệu đo được đến từ hai mô-đun Realtek RTL8723 vận chuyển: dựa trên USB BL-R8723BT1 ( RTL8723BU-CG ) và SDIO + UART BL-M8723CS1 ( RTL8723CS-CG ).

1. Bắt đầu với giao diện máy chủ, không phải dòng tiêu đề của bảng dữ liệu

Cả hai mô-đun đều cung cấp IEEE 802.11b/g/n 1T1R với tốc độ PHY lên tới 150 Mbps và cả hai đều có cùng băng tần 2,4–2,4835 GHz với 13 kênh ở 20 MHz. Điều thực sự khác biệt - và điều quyết định sơ đồ của bạn - là cách mô-đun giao tiếp với máy chủ.

Phiên bản USB đặt mạng WLAN và Bluetooth trên một kết nối USB 2.0 được chia sẻ. Điều đó có nghĩa là một cổng máy chủ, một bộ cặp vi sai và không có bộ điều khiển thứ hai nào được kích hoạt. Sự đánh đổi là cả hai chức năng đều hoạt động trên cùng một cổng và chia sẻ ngân sách ngắt và băng thông. Trong camera hành trình, cách bố trí cáp đơn thường là sự khác biệt giữa bảng hai lớp và bảng bốn lớp.

Phiên bản SDIO tách biệt hai chức năng: WLAN chạy trên SDIO 2.0 (các chân giống nhau có thể được cấu hình là GSPI), trong khi Bluetooth chạy trên UART tốc độ cao độc lập với điều khiển luồng phần cứng. Không có gì được chia sẻ nên thông lượng Wi-Fi không cạnh tranh với lưu lượng Bluetooth ở cấp độ bus — nhưng bạn cần tài nguyên SDIO và UART dự phòng trên SoC máy chủ, cộng thêm khoảng 30 chân nữa trên diện tích mô-đun (44 so với 14).

Một quy tắc thực tế: nếu SoC của bạn có cổng máy chủ USB dự phòng và không có bộ điều khiển SDIO trống, hãy sử dụng mô-đun USB; nếu SDIO và UART đã bị hỏng, hãy lấy mô-đun SDIO và giữ hai đường dẫn độc lập.

USB: hai chức năng chia sẻ một bus. SDIO + UART: mỗi chức năng có bus riêng.

2. Chọn cấu hình Bluetooth mà sản phẩm của bạn thực sự gửi đi

Bluetooth là nơi hai mô-đun khác nhau nhiều nhất và là nơi các thông số kỹ thuật thường bị hiểu sai nhất.

BL-R8723BT1 có chế độ kép : Bluetooth Classic v2.1 + EDR cùng với Low Energy v4.0, với Classic hoạt động ở Lớp 1 và LE ở Lớp 1.5. Công suất phát đo được điển hình là 6 dBm (tối đa 8 dBm) đối với BR/EDR và ​​LE, đồng thời độ nhạy thu BR/EDR là -90 dBm ở mức 0,1% BER. Nếu sản phẩm của bạn truyền âm thanh đến loa, ghép nối với phụ kiện điện thoại cũ hoặc cần kênh dữ liệu kiểu SPP thì đây là biến thể nên sử dụng.

BL-M8723CS1 chỉ dành cho BLE, Thông số kỹ thuật cốt lõi v4.1, Loại 1.5, với công suất phát tối đa 3 dBm và 6 dBm điển hình và độ nhạy thu LE điển hình -90 dBm ở mức PER 5%. Không có ngăn xếp Cổ điển và không có đường dẫn âm thanh nào cả. Đó không phải là một hạn chế cần giải quyết - đó là một quyết định về chi phí và sức mạnh. Để cung cấp, kích hoạt OTA, đo từ xa cảm biến hoặc liên kết trạng thái tới ứng dụng điện thoại, BLE 4.1 là đủ và bạn tránh phải trả tiền cho ngăn xếp Cổ điển mà bạn sẽ không bao giờ sử dụng.

Không chỉ định bộ tính năng Bluetooth chỉ từ tổng quan về tiếp thị. Chuỗi phiên bản được sao chép giữa các tài liệu; hãy liên hệ với nhóm của chúng tôi để lấy tài liệu thông số kỹ thuật chính thức và dữ liệu thử nghiệm RF để xác thực.

3. Lập ngân sách cho cây điện dựa trên dòng điện cực đại, không phải dòng điện trung bình

Cả hai mô-đun đều chạy từ đường ray chính 3,3 V ± 0,2 V. BL-R8723BT1 lấy tối đa 400 mA từ đường ray đơn đó; BL-M8723CS1 tiêu thụ tới 450 mA trên đường ray chính và thêm đường ray I/O (VDIO) riêng biệt có thể là 3,3 V ± 0,2 V hoặc 1,8 V ± 0,1 V. Đường ray I/O riêng biệt thực sự hữu ích: bạn có thể duy trì nguồn cung cấp RF 3,3 V trong khi khớp mức trực tiếp với SoC 1,8 V mà không cần bộ dịch bên ngoài trên sáu đường SDIO và UART.

Kế hoạch phát đỉnh, không phải thông số kỹ thuật trung bình:

Nguồn: bảng mức tiêu thụ hiện tại từ tài liệu đặc tả mô-đun chính thức, được cung cấp theo yêu cầu. Các giá trị là điển hình/tối đa ở các điều kiện thử nghiệm đã nêu; Số liệu kiểm tra RF, không phải mức trung bình ở cấp độ ứng dụng.

Hai quan sát đáng để thiết kế xung quanh. Đầu tiên, mô-đun SDIO thu được nhiều tín hiệu truyền hơn đáng kể so với mô-đun USB (đỉnh 328 mA so với 255 mA) vì nó chạy ở mức 17 dBm trên tất cả các tốc độ 11b, trong khi mô-đun USB được hiệu chỉnh ở mức 15–17 dBm tùy theo tốc độ. Thứ hai, mô-đun USB có dòng điện nhận là 130–135 mA, gần gấp đôi mô-đun SDIO vì bộ thu phát USB vẫn hoạt động trong khi nghe đài. Trên thiết bị cầm tay chạy bằng pin, sự khác biệt đó không mang tính học thuật.

Hướng dẫn bố trí: đặt một tụ điện số lượng lớn 47–100 µF và một cặp 10 µF cộng với 0,1 µF trong phạm vi vài mm của VDD33, giữ nguồn cấp 3,3 V trên đường hoặc mặt phẳng riêng của nó và không bao giờ dùng chung nhánh với động cơ, rơle hoặc trình điều khiển đèn nền. Bước 328 mA trên đường ray dùng chung sẽ hiển thị dưới dạng sự cố vô nghĩa RF trông giống như lỗi bố cục.

4. Hãy coi miếng đệm ăng-ten là vật dụng có nguy cơ cao nhất trên bo mạch

Cả hai mô-đun đều không bao gồm ăng-ten. Cả hai đều kết nối với ăng-ten bên ngoài thông qua một miếng đệm nửa lỗ (được đúc), với VSWR được chỉ định là 1,7 điển hình và tối đa 2,0 đối với BL-R8723BT1, tối đa 2,1 đối với BL-M8723CS1. VSWR ở mức 2,0 đã phản ánh khoảng 11% công suất được cung cấp; một ăng-ten được điều chỉnh kém sẽ biến công suất dẫn 17 dBm thành công suất bức xạ ít hơn đáng kể và phạm vi phủ sóng bị rút ngắn.

Danh sách kiểm tra thực tế:

• Định tuyến nguồn cấp dữ liệu ăng-ten dưới dạng đường 50 Ω được kiểm soát, ngắn nhất theo thiết kế cơ học cho phép, không có cuống, không có lỗ xuyên trong đường dẫn RF và được nối đất dọc theo cả hai bên.

• Giữ ăng-ten tránh xa pin, nam châm loa, màn hình LCD linh hoạt và bất kỳ kim loại nối đất nào. Ăng-ten 2,4 GHz đặt dựa vào khung kim loại sẽ mất nhiều phạm vi hơn mức mà bất kỳ cài đặt trình điều khiển nào có thể phục hồi.

• Nếu vỏ bọc bằng kim loại, hãy di chuyển ăng-ten ra bên ngoài nó và sử dụng dây nối IPEX-to-SMA — sau đó tính đến tổn thất cáp và đầu nối khi bạn tính toán ngân sách liên kết.

• Xác thực bằng vỏ bọc thực tế chứ không phải bằng mô-đun trên băng ghế. Thử nghiệm bức xạ với việc định tuyến nhựa, pin và cáp cuối cùng là phép đo duy nhất quan trọng.

Công suất phát dẫn được hiệu chỉnh theo tốc độ, do đó hiệu suất bức xạ hiệu quả phụ thuộc vào ăng-ten cũng như vào mô-đun. Dự kiến ​​sẽ có 17 dBm trên 802.11b và 802.11g 6 Mbps và 14–15 dBm trên tốc độ MCS7 thông lượng cao trong đó EVM giới hạn đầu ra có thể sử dụng:

Truyền năng lượng ở miếng ăng-ten, theo thông số kỹ thuật chính thức. Độ nhạy tham chiếu: -92 dBm (11b 1 Mbps) và -66 dBm (HT40 MCS7) trên BL-R8723BT1 ; -93 dBm và -66 dBm trên BL-M8723CS1.

Giữ nguồn cấp dữ liệu ngắn và không có hộp kim loại, pin và tấm chắn; thêm tổn thất đuôi lợn vào ngân sách liên kết khi ăng-ten nằm bên ngoài vỏ kim loại.

5. Thiết kế sự chung sống vào ứng dụng chứ không phải vào niềm hy vọng

Mô-đun kết hợp 2,4 GHz có một đài được chia sẻ giữa mạng WLAN và Bluetooth. Trình điều khiển chia thời gian radio giữa hai thiết bị, hoạt động tốt nhưng không rảnh: dưới tải đồng thời, thông lượng WLAN tổng hợp giảm và độ trễ Bluetooth tăng lên. Đó là hành vi bình thường và được mong đợi đối với kiến ​​trúc này, không phải là lỗi.

Phải làm gì với vấn đề này: xác định sớm hồ sơ lưu lượng truy cập và kiểm tra nó. Đối với IPC phát trực tuyến 1080p trong khi điện thoại cung cấp qua BLE, hãy đo mức độ mất khung hình khi cả hai đang chạy chứ không phải từng khung một. Đối với thiết bị đầu cuối POS, hãy kiểm tra giao dịch thanh toán trong khi máy quét BLE được kết nối. Nếu âm thanh là một phần của sản phẩm, hãy đảm bảo liên kết âm thanh và sơ đồ kênh WLAN nhận biết lẫn nhau — kênh 1, 6 và 11 có độ rộng 20 MHz sẽ có nhiều khoảng trống hơn HT40.

Hai lựa chọn kiến ​​trúc giúp giảm thiểu sự cố trước khi sử dụng chương trình cơ sở: sử dụng BLE thay vì Cổ điển trong trường hợp sử dụng cho phép (các sự kiện kết nối theo lịch trình, ngắn hơn) và tránh đặt ăng-ten Wi-Fi và Bluetooth trong cùng một khu vực tránh xa nếu thiết kế cơ học cho phép bạn lựa chọn.

6. Lấy chốt điều khiển và chốt dây đeo ngay trước khi đóng băng bố cục

Đây là nơi các thiết kế dựa trên SDIO thường được quay lại nhiều nhất. Trên BL-M8723CS1, một số chân mang chức năng kép và một chân mang dây đeo bật nguồn:

• CHIP_EN (chân 35) là mức thiết lập lại hoạt động ở mức thấp với lực kéo bên trong 100 kΩ lên VDD33. Để nó có thể truy cập được hoặc điều khiển nó từ GPIO máy chủ với độ trễ bật nguồn được xác định; đừng để nó nổi gần đường ray chuyển mạch.

• WL_DIS# (chân 12) kéo chức năng WLAN xuống và tắt giao diện SDIO khi ở mức thấp - hữu ích cho trạng thái tắt đài cứng. BT_DIS# (chân 34) thực hiện tương tự đối với Bluetooth. Lưu ý sự tương tác của các cờ biểu dữ liệu: nó cũng mô tả trạng thái đặt lại toàn bộ chip khi cả hai chân được xác nhận lại, do đó, hãy đẩy các chân này ra khỏi máy chủ thay vì buộc vĩnh viễn một trong hai chân.

• GPIO1 (chân 25) là một chốt dây đeo, được kéo xuống thấp 100 kΩ bên trong và không được kéo lên cao trong khi bật nguồn. Nếu máy chủ của bạn điều khiển mạng này, hãy giữ nó ở mức Z cao cho đến khi mô-đun khởi động - bộ chuyển mức hoặc bộ kéo lên bên ngoài ở đây sẽ tạo ra lỗi khởi động không liên tục rất khó theo dõi.

• LPO (chân 24) có thể lấy đồng hồ 32 kHz hoặc RTC bên ngoài để định thời gian tiêu thụ điện năng thấp một cách chính xác; nó được chia sẻ với GPIO6 và ​​đầu ra UART RTS tốc độ cao, vì vậy hãy quyết định sớm xem bạn cần chức năng nào.

• Chân 41 được kết nối bên trong với các chân nối đất khác, do đó, nó có thể không được kết nối hoặc được sử dụng cho UART_CTS trong mạch ứng dụng của bạn mà không ảnh hưởng đến hoạt động bình thường — tiện dụng khi dấu chân 44 chân phải vừa với dãy đệm hiện có.

Mô-đun USB đơn giản hơn: đầu vào xung nhịp công suất thấp 32,768 kHz trên chân 4, cùng với cặp DEVICE_WAKE_HOST và HOST_WAKE_DEVICE được sử dụng để đánh thức từ xa. Nếu sản phẩm của bạn phụ thuộc vào hoạt động đánh thức do máy chủ khởi tạo sau khi tạm dừng, hãy nối dây cả hai và xác nhận cực tính mà trình điều khiển của bạn mong đợi.

Rails trước, sau đó giải phóng CHIP_EN, sau đó để máy chủ liệt kê. Giữ GPIO1 ở mức Z cao thông qua bật nguồn.

7. Phù hợp phạm vi hoạt động với vỏ bọc chứ không phải với căn phòng

BL-M8723CS1 được định mức từ -20 °C đến +70 °C; BL-R8723BT1 được định mức từ -10 °C đến +70 °C. Cả hai đều được chỉ định cho 10–95% RH không ngưng tụ. Sự chênh lệch 10 °C là một thông số kỹ thuật thường loại bỏ một lựa chọn đúng đắn: một camera hành trình gắn trên kính chắn gió ở thị trường có khí hậu lạnh sẽ thấy nhiệt độ dưới -10 °C và biến thể USB nằm ngoài phạm vi định mức của nó ở đó - robot hút bụi hoặc thiết bị đầu cuối POS trong nhà sẽ không bao giờ có.

Giới hạn trên xứng đáng được tôn trọng như nhau. Vỏ camera IP kín dưới ánh nắng trực tiếp hoặc hộp giải mã tín hiệu xếp chồng dưới TV có thể đẩy nhiệt độ xung quanh cục bộ lên trên 40 ° C. Đo nhiệt độ không khí tại mô-đun chứ không phải nhiệt độ phòng và giảm thiết kế nhiệt của bạn so với trần 70 °C bằng một lề thay vì thiết kế theo nó.

8. Khóa phạm vi sản xuất, lưu trữ và chứng nhận

Ba mục xuất hiện muộn trong đặc tả và gây bất ngờ muộn:

Chỉnh lại dòng. Cả hai mô-đun đều chỉ định mức nhiệt độ tối đa là 250 °C và không quá hai lần chỉnh lại dòng. Lần vượt qua thứ ba - phổ biến khi bo mạch được làm lại hoặc bước lắp ráp thứ hai được thêm vào - nằm ngoài thông số kỹ thuật và chế độ lỗi xuất hiện dưới dạng liên kết RF hoặc BLE cận biên vài tháng sau đó, không phải ở giai đoạn thử nghiệm.

Lưu trữ và xử lý. BL-R8723BT1 xác định phạm vi bảo quản -45 °C đến +85 °C, thời hạn 12 tháng kể từ khi đóng gói chân không và thời hạn 72 giờ sau khi mở túi. Nếu chỉ báo độ ẩm đổi màu, hãy nướng ở nhiệt độ 60°C trong 24 giờ một lần trước khi hàn. Cả hai mô-đun đều là thiết bị nhạy cảm với ESD và cần có các biện pháp phòng ngừa xử lý tiêu chuẩn trên dây chuyền.

Chứng nhận. Phạm vi RF và EMC tùy thuộc vào thị trường bạn giao hàng và vào vùng chứa máy chủ — chứng chỉ mô-đun không tự động áp dụng cho sản phẩm hoàn chỉnh. Liên hệ với chúng tôi để nhận các báo cáo thử nghiệm hiện tại cho kiểu máy và thị trường cụ thể, đồng thời khớp báo cáo với cấu hình chương trình cơ sở và ăng-ten chính xác được sử dụng trong sản xuất. Yêu cầu trong nước và xuất khẩu có thể khác nhau.

Bảng lựa chọn cạnh nhau

Bản tóm tắt từ các tài liệu đặc tả chính thức của chúng tôi, được cung cấp theo yêu cầu.

Bảo hiểm trình điều khiển và nền tảng

Cả hai mô-đun đều được xây dựng trên silicon Realtek với sự hỗ trợ trình điều khiển của nhà cung cấp cho Linux và Android, đây là thứ mà hầu hết các thiết kế IPC, POS và thiết bị thực sự cung cấp. Biến thể USB còn hỗ trợ Windows, hữu ích cho các sản phẩm ngoại vi và kiểu dongle. Trước khi bạn chuyển giao phiên bản kernel, hãy xác nhận gói trình điều khiển chính xác với nhóm FAE của chúng tôi — mức độ sẵn sàng của trình điều khiển, chứ không phải hiệu suất RF, thường là yếu tố di chuyển lịch trình.

Bạn có thể mong đợi sự hỗ trợ nào trước và sau khi giành chiến thắng trong thiết kế

• Các mô-đun tiêu chuẩn với số lượng mẫu, cùng với các tài liệu đặc tả chính thức, định nghĩa chân cắm và sơ đồ tham chiếu theo yêu cầu.

• Đánh giá bố cục về định tuyến SDIO hoặc USB, ngăn chặn ăng-ten và sơ đồ nguồn trước khi bạn tháo bo mạch.

• Phát triển mô-đun tùy chỉnh trên một trong hai chip: sửa đổi chân cắm, thay đổi kích thước vùng phủ sóng, tùy chọn ăng-ten (gốm trên bo mạch, đầu nối IPEX, nửa miếng đệm) và điều chỉnh tham số chương trình cơ sở.

• Hỗ trợ tài liệu cho lộ trình chứng nhận mà bạn đang lên kế hoạch.

Nếu dự án của bạn vẫn đang ở giai đoạn kiến ​​trúc, chúng tôi Tổng quan về nền tảng RTL8723BU-CG và RTL8723CS-CG bao gồm những khác biệt ở cấp độ chip, trường hợp ứng dụng sản xuất hàng loạt và phạm vi phát triển tùy chỉnh; cái Danh mục mô-đun Wi-Fi 2,4 GHz liệt kê các tùy chọn tương thích với chân cắm khác trong loại này.

Câu hỏi thường gặp

Bước tiếp theo

Hãy gửi cho chúng tôi trang sơ đồ của bạn và các giới hạn cơ học — vị trí ăng-ten, vật liệu vỏ, giao diện máy chủ và phạm vi hoạt động mục tiêu — và nhóm ứng dụng của chúng tôi sẽ đưa ra đánh giá phù hợp cho một trong hai mô-đun, bao gồm các thay đổi cấp độ pin cần thiết cho bố cục của bạn. Yêu cầu mẫu, bảng dữ liệu và đánh giá bố cục.

Tất cả dữ liệu hiệu suất trong bài viết này là giá trị điển hình để tham khảo. Tài liệu đặc tả đầy đủ, báo cáo thử nghiệm và tài nguyên thiết kế có sẵn theo yêu cầu.