新一代射频遥控器设计要点分析

新一代遥控器将是绿色遥控器，其特点是：功耗极低甚至完全没有功耗，可交互，采用射频技术取代红外技术在整个家庭范围内发送数据。新一代遥控器、机顶盒和电视机以及安全监视器、传感器和控制器等大量家用装置将采用 ZigBee RF4CE 标准(用于消费电子的ZigBee 标准) 。该标准最初由四大消费电子厂商 松下(Panasonic)、飞利浦(Philips)、三星(Samsung) 和索尼(Sony)开发，现已移至 ZigBee 联盟旗下，称之为 ZigBee RF4CE。 ZigBee 联盟基于 2.4GHz IEEE 802.15.4 标准将 ZigBee RF4CE 标准扩展到多个终端用户应用领域。这三个采用 RF4CE 的子协议包括 ZigBee 输入设备标准 (ZID)、ZigBee 3D 同步标准(Z3S)以及 ZigBee 遥控器标准(ZRC)。 ZID 标准针对各种笔记本电脑、台式机、电视机、机顶盒等装置的触摸屏、鼠标、键盘、手写笔等设备而开发。由于操作不限制在视线范围内，ZID 协议允许用户从更远的距离甚至是从另一个房间来使用其设备，这明显优于当前广泛使用的红外通信和蓝牙技术。此外，与红外技术相比，ZID 高能效设计可有效延长电池的续航时间，从而大大减少设备使用周期内使用的电池总数。ZID 标准全面支持流行的多点触摸和手势指令，使厂商能够为消费者提供功能多样的产品。该标准还可以定义鼠标、键盘等标准输入装置之外的特殊功能。 Z3S 标准是一个可以更方便、更灵活、更有趣地实现 3D 高清显示的全球标准。与红外技术相比，使用射频技术时，用户在佩戴 3D 眼镜时可以不受干扰地更加自由地移动，头部移动将不再会产生可能发生的显示干扰。由于未采用红外技术，用户还可以最大限度地减少或者消除红外线可能从环境光中引起的干扰，从而使产品能效更高，更环保。借助 Z3S标准，3D 眼镜可以方便地连接到游戏机、蓝光播放机和 3D 高清电视等各种视频源，并且可以确保正确的快门操作。该标准支持可变显示帧速率，确保该标准可与现有和未来的显示技术配合使用。此外，该标准还将支持多种显示模式，当视频内容在 2D 或 3D 之间切换时可自动调整 3D 眼镜。 ZRC 标准是设计用于连接电视、家庭影院设备、DVD、视频播放机、机顶盒和音频设备等消费电子产品射频遥控器的全球标准，工作距离可在视线范围之外，同时还具有双向通信、更广的使用范围和更长的电池续航时间。ZRC 标准还用于连接和监视空调和取暖系统、家庭安防传感器、家庭健康监测等家庭遥感应用。 与红外遥控器不同，ZigBee 遥控器还提供交互能力，这意味着 ZigBee 遥控器支持使用遥器上的显示屏，该显示屏可用来显示受控设备的音量控制、正在收听的电台，甚至可用来设置和管理数字录像机上的电视节目和电影的记录。 ZigBee 遥控器的交互能力支持的另一个有趣的应用就是 Find Me 功能。如果遥控器找不到了，用户只需按一下电视机或者机顶盒上的按钮，遥控器就会发出蜂鸣声并闪烁，这样就很容易找到遥控器。但 ZigBee 遥控器最吸引人之处可能还是其超低的功耗。与采用红外技术相比，采用 ZigBee 技术的遥控器电池具有更长的续航时间。 ZigBee 遥控器可以确保使用几年而无需充电或者更换电池。在实验室测试中，一个手表用电池足以让一个 ZigBee遥控器工作十年以上。 ZigBee 遥控器标准的秘诀 基于 ZRC 标准建构系统时，可以对 ZRC 进行技术改进，以便在保持与 ZigBee 建立的标准的兼容性和互操作性时，进一步提高耐用性和降低功耗。 作为 Wi-Fi 标准的最初开发者，GreenPeak 公司的工程师凭借经验开发出特有的方法来提高 ZRC 芯片对蓝牙和 Wi-Fi 等 2.4GHz 网络的抗干扰能力。与标准 ZigBee RF4CE 相比，通过使用两个独立的天线来避免典型的室内波消除，可以获得 30dB(1000 倍) 的更优的抗干扰能力。随着越来越多的电视和机顶盒提供 Wi-Fi 上网功能，这种稳定的分集式天线将成为高效的 ZigBee 遥控器解决方案的基本组件。 新型芯片架构满足低功耗需求 采用基于通信控制器(而非微控制器 )的芯片设计，以及“同步唤醒”技术，可以进一步将ZigBee RF4CE 的总功耗降低 65%或更多。 由于大多数基于低功耗处理器的射频设计需要微控制器来处理收发器的所有数据，因此微控制器需要总是处于唤醒状态，这就需要额外的功耗。而采用能效更高的通信控制器技术时，收发器可以独立地传送和接收来自微处理器的数据。因此仅在需要进一步处理数据时才唤醒和使用微处理器。 同步唤醒意味着通信控制器确定何时唤醒和查看消息。该器件在多数时候处于关断状态，因此可以显著减少总能耗。这对于各种家用环境传感器、安防传感器和位置传感器来讲特别有效。由于通信控制器内部的调度器和同步器，系统仅唤醒很短一段时间来查看是否有消息，然后再返回休眠状态。 通过在芯片内部使用硬件调度器和同步器，射频系统仅在需要时唤醒，以查看是否有数据需要发送。如果没有，则返回休眠状态。如果有数据需要发送，控制器将唤醒微控制器。然后芯片传递信息，再返回休眠状态，直到下次安排的唤醒时间。1 万次中有 9,999 次没有消息需要发送，控制器不需要为微控制器提供能量。每次发送数据时，芯片还会发送同步消息，以确保它们在下个工作周期时全部一起唤醒。 图 4 说明了通过让通信控制器确定何时唤醒以查看是否有信息可以显著减少总能耗。 图 4：让微处理器在不需要时处于休眠状态可以节省 65%以上的能耗。管理导通和关断，降低峰值电流 图 5 介绍了常用无线传感器平台的三种典型的传感器节点状态下的电流消耗。在第一种状态中，微处理器和收发器处于休眠状态(10?A)。在第二种状态中，微处理器在收发器休眠(10mA)时导通。在第三种状态中，收发器和微处理器都处于唤醒状态(27mA)。 图 5：三种无线节点状态和典型的功耗。仔细地研究电路的功耗行为后发现，最初像一个扁平电流的曲线实际上更像一个有山峰和山谷的山脉。当某些功能块处于活动状态时，它们汲取峰值电流。当两个功能块同时导通时，峰值振幅翻倍。减少峰值功率的秘诀在于仔细地管理关键功能的导通和关断时间，以避免峰值翻倍。预集成芯片的优势 使用针对特定应用模式的预集成 ZigBee RF4CE 芯片可以快速而方便地开发低成本且耐用的 ZigBee RF4CE 遥控器应用。由于目前产业仍处在红外技术与射频技术的过渡期内，因此比较有意义的做法是在传统的产品设计中包含完整的红外功能，并在遥控器中包含嵌入式键盘扫描仪。 用于遥控器的 ZigBee RF4CE 芯片需要具有最佳的功率优化，而用于机顶盒或电视机的ZigBee 芯片不需要优化功率，但是这种芯片需要提供适当的接口，以方便集成。对于电视机而言，UART 接口是首选接口，对于机顶盒而言， SPI/TWI 接口是首选接口。 将每个应用的完整 RF4CE 功能整合到单个设备中可以实现低成本的可靠射频遥