采用nRF24xxx收發(fā)器的射頻遙控器實現(xiàn)方案

二十世紀(jì)七十年代末，紅外線被創(chuàng)新性地用來控制消費類電子產(chǎn)品，解決了較昂貴的超聲波遙控裝置在可靠性、遙控范圍和復(fù)雜性方面的所有問題（這也是超聲波遙控器一直努力解決的問題）。實事證明，紅外遙控技術(shù)的確是如此之好，因為三十年之后，我們?nèi)匀皇褂眉t外線來控制銷往世界各地的大部分消費電子產(chǎn)品。

但是紅外遙控的耐久性也是它日漸衰落的原因。在誕生初期，紅外線被設(shè)計用來實現(xiàn)了一些簡單的功能，例如調(diào)節(jié)音量或者切換電視頻道等。人們從來就沒有想過用它來應(yīng)付現(xiàn)代消費電子產(chǎn)品需要的多媒體、多菜單、多功能。

消費者們已經(jīng)可以使用數(shù)量龐大的數(shù)字內(nèi)容，包括幾十個有線電視頻道、儲存在機頂盒硬盤上的視頻節(jié)目、存放在個人電腦中的音樂和照片，或者存放在遠(yuǎn)程服務(wù)器上的視頻電影。將來，內(nèi)容將通過互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)或者數(shù)字生活網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（DLNA）連接來傳送，而不是通過老式廣播網(wǎng)絡(luò)連接。為了迅速、方便地獲得數(shù)字內(nèi)容，需要使用遙控器操作的先進(jìn)導(dǎo)航接口，例如觸摸屏、觸摸墊、運動傳感器、跟蹤球或操縱桿。

只有通過射頻鏈路實現(xiàn)的功能，訪問這些內(nèi)容方才實際可行?，F(xiàn)在還沒有跡象說明紅外遙控器會很快消失──對于只需要簡單地“點和點擊”操作而言，價錢便宜的紅外遙控器仍然是最好的解決辦法。但是，消費者需要先進(jìn)的導(dǎo)航功能，因而射頻技術(shù)是天生的紅外技術(shù)接替者。

有好幾種射頻技術(shù)（現(xiàn)在已經(jīng)上市，或者即將投入市場）在射頻市場上競爭。這些技術(shù)分為兩類，一類是專有技術(shù)，例如Nordic半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品；另一類是標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，例如藍(lán)牙低功耗和RF4CE（RF4CE是在IEEE802.15.4媒體存取控制/物理（MAC/PHY）層的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的）。

射頻：多媒體時代的遙控技術(shù)

就遙控而言，射頻并不是新技術(shù)。例如，在1903年，Leonardo Torres Quevedo在巴黎科學(xué)院發(fā)表了他的“Telekino”，后來在法國、西班牙、英國和美國獲得專利權(quán)。Telekino包括一個遙控機器人，它執(zhí)行通過無線電傳來的命令。

但是紅外線成了控制電視機的首選（后來也逐漸成了遙控大多數(shù)其他家用電器的首選），因為它簡單、低廉而且可靠性高。但是，隨著現(xiàn)代消費電子產(chǎn)品的功能增多，紅外遙控的弊端日益突出。其中最大的一個弊端也許就是刷新率（重復(fù)一個命令所用的時間）比較慢，例如，滾動電子節(jié)目指南（EPG）上的節(jié)目名單所需的時間較長。在最好的情況下，大約是75毫秒，但在特殊的情況下，如果存在光線干擾，會延長到110毫秒或者更長。

由于刷新速度慢，所以不能將遙控滾輪、跟蹤墊或者跟蹤球集成到紅外遙控器中（這就是紅外遙控器往往有很多按鈕的原因）。這導(dǎo)致消費電子產(chǎn)品制造商在產(chǎn)品的用戶界面（UI）沒有太多作為，也是它們?nèi)匀恢挥谢镜墓δ芮覍τ脩舨皇翘貏e友好的原因。

相比之下，現(xiàn)代的2.4GHz短距離無線電信號收發(fā)器的刷新率大約是幾個毫秒。無線鼠標(biāo)要求刷新率為8到16毫秒，是這項技術(shù)的一個很好例子，它利用低延遲的優(yōu)勢對無線指令迅速、平穩(wěn)地作出反應(yīng)。

事實上，更近一步的分析顯示，遙控器需要的射頻技術(shù)，射頻在2.4GHz無線鼠標(biāo)器和鍵盤中已經(jīng)使用了多年。為了讓遙控器能夠支持先進(jìn)的導(dǎo)航，需要低延遲無線連接（以便迅速地對用戶的輸入作出響應(yīng)）、數(shù)據(jù)完整性（先進(jìn)的協(xié)議保證這點）、低功耗（這樣的遙控器可能比傳統(tǒng)的遙控器更積極地得到使用），這些要求與無線臺式電腦的要求是一致的。

消費電子制造商利用準(zhǔn)確無誤的導(dǎo)航可以從根本上改變產(chǎn)品的用戶界面（UI）。蘋果公司的iPod上的滾輪是平穩(wěn)進(jìn)行菜單導(dǎo)航和控制音頻和視頻文件的一個好例子，盡管這不是管理大量內(nèi)容的唯一方法。利用射頻技術(shù)，遙控器制造商同樣能夠把有數(shù)十個按鍵的遙控器，變成一個具有漂亮界面的精巧控制器。

由于峰值電流不是很大，而且99.995%的時間是處在占空比低的閑置狀態(tài)（在每天按鍵大約五十次的使用狀況下），所以紅外遙控器消耗的功率很少，一對AA電池可以用上很多個月。

現(xiàn)代的2.4GHz收發(fā)器——不論是使用專有技術(shù)的收發(fā)器、藍(lán)牙低功耗技術(shù)的收發(fā)器，還是符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器——可以很容易提供這樣的電氣性能。這些收發(fā)器只在很短時間里發(fā)送數(shù)據(jù)，然后盡快回到超低功耗的睡眠模式。傳輸時的峰值電流為幾十毫安，持續(xù)時間只有幾百微秒，大部份時間處于消耗電流僅1微安的睡眠狀態(tài)，因此遙控器的平均電流在微安范圍內(nèi)。這種方法非常省電，足以保證典型的射頻遙控器的電池壽命，和它們要取而代之的紅外線遙控器一樣（或者更好）。

射頻的其他優(yōu)勢不是很明顯，但隨著消費電子產(chǎn)品的發(fā)展，會變得更加重要。舉例來說，今天的用戶一般是坐在電視機前面，這樣當(dāng)他們想掃描電子節(jié)目指南時，可確保與電視機之間的視距遙控，并要求位于短距離范圍內(nèi)。不難想象，在將來，有些方面會有改變。如果要從一個房間里的“媒體中心”把節(jié)目內(nèi)容送往家里的不同的房間，用戶只需要在房間角落里操作一個遙控器（它的遙控范圍為數(shù)十米）。射頻技術(shù)就能夠做到這些。

對于現(xiàn)代多媒體應(yīng)用，雖然射頻遙控器是更好的選擇，但是什么技術(shù)是最好的選擇，并不是那么一目了然。設(shè)計人員可以選擇專有解決方案，例如經(jīng)過實際證明的Nordic公司的2.4GHz收發(fā)器，或者像藍(lán)牙低功耗或者RF4CE這些能互操作的解決方案。

專有的射頻解決方案

從簡單操作的空調(diào)機的射頻遙控器，到控制多媒體消費產(chǎn)品的射頻遙控器，專有收發(fā)器可以為之提供可靠且可縮短開發(fā)時間的的辦法。專有收發(fā)器僅僅是與它們自己通訊，可以把它們設(shè)計成專門滿足具體終端應(yīng)用的要求（而基于標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范則必須設(shè)計成在一個廣泛的應(yīng)用范圍里具有互操作性，這不可避免地帶來的種種折衷），因此專有解決方案已經(jīng)進(jìn)入了射頻遙控器領(lǐng)域。

此外，專有解決方案的更新比標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)頻繁，標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)往往“凍結(jié)”幾年都不會改變，直至更新版本正式被接受才得以改變。因此，在無線鏈路的關(guān)鍵參數(shù)方面，專有技術(shù)產(chǎn)品超過所有的標(biāo)準(zhǔn)方案。

例如，Nordic的nRF24LE1是2.4GHz的高斯頻移鍵控（GFSK）單片收發(fā)器，它在一個4mm×4mm芯片上，集成了一個收發(fā)器內(nèi)核和一個含閃存的8位混合信號微控制器，是久經(jīng)考驗的專有收發(fā)器硬件，適合用于射頻遙控器。（圖1所示的射頻遙控器參考設(shè)計采用了nRF24xxx）。

圖1：采用nRF24xxx的射頻遙控器參考設(shè)計。

但是，硬件只是實際可用的射頻遙控器的一部分。另一部分是嵌入式軟件協(xié)議，它負(fù)責(zé)管理無線電如何發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并管理各種環(huán)境因素的干擾，例如工作在附近的其它2.4GHz設(shè)備產(chǎn)生的干擾。

用遙控器來進(jìn)行先進(jìn)導(dǎo)航要求延遲小（以便對用戶輸入迅速作出響應(yīng)）、數(shù)據(jù)完整性（先進(jìn)的協(xié)議保證了這一點）、低功耗（因為這樣的遙控器可能比傳統(tǒng)遙控器使用得更頻繁）。

Nordic提供現(xiàn)成的經(jīng)過優(yōu)化的射頻遙控軟件，例如該公司的Gazell射頻堆棧（用于具有跳頻能力的雙向通信鏈路）。它需要的存儲空間最少，可設(shè)置為低延時模式（即使附近可能存在其他2.4GHz干擾源的情況下，平均延遲為3.5ms，足以實現(xiàn)上面討論的平穩(wěn)導(dǎo)航），或者，如果鏈接的兩端都是電池供電，超低功耗模式能夠延長鏈路兩端的電池壽命。在這種模式下，可以增加延遲來減少主機（即被控制的設(shè)備）平均消耗電流。平均延遲時間可以延長到50毫秒──仍然低于典型紅外遙控器的75ms至125ms，從而延長電池壽命。

有趣的是，這些正是多年來對無線鼠標(biāo)器、鍵盤、操縱桿這些無線桌面外設(shè)的要求?，F(xiàn)代娛樂系統(tǒng)提出了同樣的要求。鑒于個人電腦作為家庭娛樂中心所起的作用日益明顯，而且使用電腦外圍設(shè)備而不是傳統(tǒng)的遙控器來控制消費類設(shè)備，也許這不是巧合。

值得注意的是，幾種技術(shù)正在爭奪消費電子產(chǎn)品（CE）設(shè)備這個巨大市場的一席之地。但是，目前只有一種技術(shù)真正滲透到個人電腦無線外設(shè)市場，這就是Nordic的2.4GHz技術(shù)。

自2002年以來，Nordic一直是電腦無線外設(shè)市場的供應(yīng)商，每月為電腦外設(shè)制造商交付數(shù)百萬片芯片，它的2.4GHz技術(shù)正迅速地把低性能的27MHz技術(shù)淘汰掉。

滿足對互操作性的需要

專有解決方案的缺點，是它不能保證對不是設(shè)計成用它控制的產(chǎn)品進(jìn)行控制，而且專有解決方案是一家供應(yīng)商擁有的技術(shù)。相反，紅外遙控器可以做成用于不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備的控制器（雖然常常需要消費者花時間用新的命令對遙控器進(jìn)行“編程”，因而很少這樣使用）。

許多制造商并不關(guān)心互操作性，因為他們設(shè)想他們的遙控器只用于使用這種控制器的產(chǎn)品。這些制造商通常關(guān)心的是在某個價格下的最佳性能。這是專有解決方案的長處，因為可以針對特定的任務(wù)對它進(jìn)行優(yōu)化，所以專有解決方案將繼續(xù)在遙控器市場上成功地占據(jù)一席之地。

不過，一些消費電子產(chǎn)品制造商在尋找受到開放標(biāo)準(zhǔn)保證的具有互操作性并有多家廠商供貨的方案。

如果射頻遙控器遵守開放的標(biāo)準(zhǔn)，只要做一個簡單的操作，花費幾秒鐘時間，就能夠與許多不同的消費設(shè)備“配對”使用。每個配對是唯一的，因此“立即”（在30毫秒內(nèi)）可以對電視機、DVD播放機、高保真音響或者游戲機進(jìn)行遙控。這些都是用戶想要控制的設(shè)備。（它們不需要“可互操作”的紅外遙控器的那些繁瑣編程。）放在普通消費者客廳里小茶幾上的六、七個體積不小的遙控器，將被一個漂亮的遙控器取而代之。

藍(lán)牙SIG與RF4CE聯(lián)盟正在用各自的可互通低功耗射頻規(guī)范來回應(yīng)市場的需要。任何芯片供應(yīng)商（如果它加入相應(yīng)的組織）都可以以它為基礎(chǔ)來設(shè)計射頻遙控器芯片。

2009年12月，人們采用藍(lán)牙低功耗標(biāo)準(zhǔn)作為藍(lán)牙核心規(guī)范4.0版本的一部分。Nordic半導(dǎo)體在這個規(guī)范的制定中發(fā)揮了重要作用，并且為這項規(guī)范的制定中獻(xiàn)出了大量的超低功耗無線設(shè)計知識。

目前的規(guī)范并不意味著芯片供應(yīng)商就可以開始為客戶提供芯片，因為它只規(guī)定了底部三層的結(jié)構(gòu)。然而，只要半導(dǎo)體公司的芯片滿足這個早期版本規(guī)范的要求，就可以選擇一些客戶，把樣品和開發(fā)工具交給他們，以便他們探索這項新技術(shù)可能做些什么。

藍(lán)牙低功耗技術(shù)是一種2.4GHz短距離無線技術(shù)（具有超低功耗和輕量級協(xié)議棧），有希望與藍(lán)牙無線技術(shù)進(jìn)行無縫通信。（不過，重要的是要注意到藍(lán)牙低功耗技術(shù)不能與傳統(tǒng)的藍(lán)牙芯片通信，包括目前的藍(lán)牙2.1+EDR和藍(lán)牙3.0標(biāo)準(zhǔn)的芯片）。

在通信方面，現(xiàn)有的藍(lán)牙芯片需要加以修改，把藍(lán)牙4.0版中詳細(xì)介紹的“雙模式”電路和軟件加進(jìn)去，確保與藍(lán)牙低功耗技術(shù)的兼容性。預(yù)計這個修改僅需增加很少設(shè)計工作量、成本以及很小的芯片面積。

雙模式藍(lán)牙低功耗芯片能夠與配備了“單模式”藍(lán)牙低功耗器件的任何產(chǎn)品通信。后者將在功耗和成本方面進(jìn)行優(yōu)化，以便提供尺寸小、成本低的超低功耗（ULP）收發(fā)器，并提供一個符合可互操作通用遙控器的消費產(chǎn)品行業(yè)要求的軟件堆棧規(guī)范（圖2）。其他早期的應(yīng)用則包括用于人機接口設(shè)備（HID）的其他內(nèi)容，以及用于類似手表和手提電話的產(chǎn)品。藍(lán)牙低功耗技術(shù)可以作為開放標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵多家廠商制造這種芯片，確保有多個貨源。

圖2：藍(lán)牙低功耗無線技術(shù)有雙模式和單模式兩種實現(xiàn)方案。

藍(lán)牙SIG指出，這個標(biāo)準(zhǔn)可以允許遙控器被設(shè)計成為一個低成本、無智能的外設(shè)。目標(biāo)接收器產(chǎn)品，例如電視機、DVD播放機、機頂盒，或者媒體播放器，都可以控制遙控器的操作，讓它學(xué)會與用戶購買的每個新設(shè)備一起工作。藍(lán)牙低功耗控制器與紅外遙控器不同，它采用了一個安全、快速的雙向鏈路與受控設(shè)備通信。

Nordic半導(dǎo)體公司是藍(lán)牙SIG的準(zhǔn)成員。該公司計劃率先推出們滿足藍(lán)牙4.0版本的單模式藍(lán)牙低功耗芯片，并在最近發(fā)布了μBlue（MicroBlue）的產(chǎn)品樣品和原型開發(fā)工具（圖3給出了芯片堆棧的原理圖）。

圖3：NordicμBlue系列的nRF8001是適用于手表、傳感器和遙控器的單模式從芯片。

μBlue是單模式藍(lán)牙低功耗收發(fā)器，它用小型鈕扣電池供電時可以工作幾個月或幾年（取決于應(yīng)用）。Nordic的μBlue系列的第一個產(chǎn)品包括nRF8001，它是一個單模式從芯片，適合手表、傳感器和遙控器使用。

ZigBee方案

松下、飛利浦、三星和索尼公司在2008年年中成立RF4CE聯(lián)盟，目的是“解決對不斷增強的先進(jìn)功能的需要，而這些功能用紅外無線技術(shù)或其他專有無線技術(shù)還不能做到”。2009年3月，RF4CE與ZigBee聯(lián)盟合作（ZigBee聯(lián)盟是推動ZigBee無線技術(shù)發(fā)展的組織）。

RF4CE是建立在IEEE 802.15.4的2.4GHz無線傳輸技術(shù)（MAC/PHY）的基礎(chǔ)之上，它也是ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的硬件基礎(chǔ)。RF4CE協(xié)議的上層是專門為遙控器而制定。有幾家芯片制造商已經(jīng)制造出802.15.4無線電器件，這些器件能夠用作遙控器的硬件，平均電流為微安級，符合延長電池壽命的要求。

ZigBee聯(lián)盟計劃把RF4CE規(guī)范1.0版納入它的全球傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)解決方案之中。這個規(guī)范是針對范圍很寬的產(chǎn)品而制定，包括家庭娛樂設(shè)備、車庫開門器和無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)。第一個規(guī)范是為了雙向互動和控制家庭娛樂設(shè)備而制定，按IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的器件采用直接序列擴頻（DSSS）技術(shù)來抗干擾。RF4CE協(xié)議可以從ZigBee聯(lián)盟的網(wǎng)站免費下載。

誰是最佳方案

射頻遙控比紅外遙控具有優(yōu)勢，因此，毫無疑問所有的遙控器都會選擇射頻技術(shù)，除了最便宜的遙控器以外。但是，哪一種技術(shù)將最成功地取代紅外技術(shù)仍沒有答案。毫無疑問，專有解決方案將在性能和成本為首要需求而互操作性居次市場，開辟一片寬廣的天地。但在對互操作性有較高要求的領(lǐng)域，前景就不那么確定了。

理論上，藍(lán)牙SIG和RF4CE聯(lián)盟都有很棒的技術(shù)。RF4CE的硬件已經(jīng)立足于現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，也許在早期已經(jīng)領(lǐng)先，而藍(lán)牙SIG藍(lán)牙SIG仍然在解決藍(lán)牙低功耗技術(shù)復(fù)雜性的問題。RF4CE還有一些有名消費電子產(chǎn)品供應(yīng)商的支持，而且許多廠商在制造硬件。例如，索尼已經(jīng)提供IEEE802.15.4遙控器（使用該公司自己的專有協(xié)議），用于它的高檔液晶電視。盡管如此，IEEE802.15.4技術(shù)一直在努力，以便達(dá)到預(yù)測的市場滲透水平。射頻市場是不是一場激戰(zhàn)，還要看一看。

相比之下，擁有13，000個會員的藍(lán)牙SIG也許不能最快地發(fā)布它的標(biāo)準(zhǔn)，然而它們在承諾互操作性方面確實有很好的聲譽。藍(lán)牙SIG以前的標(biāo)準(zhǔn)（藍(lán)牙1.0、2.0、2.1、2.1+EDR和3.0+HS版本）都被證明是可靠的無線連接產(chǎn)品，它們由數(shù)百家不同的制造廠生產(chǎn)（藍(lán)牙SIG組織的 “unplugfests”經(jīng)過幾個月beta測試的結(jié)果）。沒有理由認(rèn)為4.0版會有所不同。

不過，藍(lán)牙超過其競爭對手的主要優(yōu)勢，可能是它令人羨慕的在用戶數(shù)量──這是ZigBee永遠(yuǎn)沒有希望趕上的。用于移動電話、耳機和PC這些產(chǎn)品的藍(lán)牙無線電收發(fā)器芯片數(shù)量，在2006年超過10億，并很快會達(dá)到20億。

這意味著藍(lán)牙低功耗技術(shù)將能夠與幾十種產(chǎn)品通信，而這些產(chǎn)品有可能轉(zhuǎn)到使用雙模式藍(lán)牙芯片，不僅僅限于移動電話。而藍(lán)牙在其他便攜式產(chǎn)品，例如PDA和筆記本電腦的普及，為利用藍(lán)牙低功耗技術(shù)，把遙控器從專用設(shè)備變成現(xiàn)有便攜式產(chǎn)品非常有用的附加功能，提供了一個平臺。換句話說，它有望改變?nèi)藗兪褂眠b控器的方式（圖4）。

圖4：藍(lán)牙低功耗技術(shù)有望改變?nèi)藗兪褂眠b控器的方式。

例如，想象一下一部具備移動瀏覽功能的智能電話。這種智能電話將不可避免地由傳統(tǒng)的藍(lán)牙連接轉(zhuǎn)到使用雙模式芯片，這樣就能夠直接與單模式芯片溝通。不難想象，如果一個用戶在瀏覽網(wǎng)頁，同時趕著回去看他們最喜愛的電視節(jié)目，那么，當(dāng)他用回到家里，只要按一個按鈕，移動電話中的藍(lán)牙雙模式芯片就會和機頂盒或者電視機中的單模式芯片進(jìn)行無線連接，這星期收視的節(jié)目就將自動按計劃播放。如果用戶要修改他們的選擇，不必使用用放在沙發(fā)上的傳統(tǒng)遙控器，用戶只需要在移動電話上直接控制電子節(jié)目指南，就可以修改。

第二個例子考慮一個由一只CR2032型3V紐扣電池供電的運動手表（采用藍(lán)牙低功耗芯片的運動手表），除了能夠連接到一系列外圍設(shè)備上，例如心率監(jiān)視器或者速度和距離顯示器，它也將可以作為遙控器使用，控制藍(lán)牙移動電話、MP3播放器、便攜式電腦或者消費電子產(chǎn)品。在日本，手表制造商對此感到非常興奮。

盡管如此，RF4CE聯(lián)盟可能還有一些大家還不知道的技術(shù)，因此，在現(xiàn)階段不可能預(yù)料哪一種技術(shù)將最終取勝。比較肯定的一點是，遙控器的未來是射頻遙控器，而紅外遙控器將會很快成為一個美好而暗淡的回憶，就像VHS視頻播放器、盒式錄音機和黑白電視機一樣。