物聯網的發展,豐富了生活,也極大的推動了社會科技的創新與人類社會的發展。與此同時,有關物聯網的連接協議也層出不窮,如WiFi、BLE、Zigbee、LoRa、NB-IOT等,毫無疑問的是,wifi是連接協議中產品種類最豐富、發展最好的一個。WiFi芯片平臺也是種類眾多,如TI的CC3200、高通QCA4004、MTK的MT7688、樂鑫的ESP8266、瑞昱的RTL8710等;眾多的芯片方案在選擇的時候也會工程師帶來困擾。
USR-C322是有人物聯網推出的一款采用TI的CC3200方案的wifi模塊,其最大的特色在于其業界最低的功耗和TI作為全球工業半導體領導者的強大實力。下面,我們就從我司如何研發選型、到生產兩個方面,來一起目睹USR-C322的誕生。
wifi芯片到wifi模組的四個階段
整體導圖如下
由上圖可知,在研發過程中,主要涉及硬件設計和軟件設計兩個方面。
1、方案選型
在方案選型中,TI的CC3200方案wifi芯片是非常強大的,主頻高達80MHz,在網待機功耗卻可低至3.5mA,深度休眠模式可低至25uA,串口波特率最高支持到3Mbps,開放SDK,小尺寸,安全性強……并且因為TI是國際工業半導體的龍頭企業,其供貨量也會非常穩定。這款業界功耗最低的wifi芯片,具備了一切wifi模塊該有的亮點,當然,其價格也是最高的。在綜合考慮后,有人物聯網決定做一款可以完美應用此方案的wifi模塊,因此選擇了TI的CC3200方案。
通用的來說,選擇一個合適的方案主要是要考慮功能、供貨和價格。經過市場分析,從wifi模塊的功能考量、傳輸速率和功能接口出發,進行選擇。接著考慮原廠,在這一點上,大家似乎都有一種共識,優先選擇歐美芯片方案,歐美的芯片廠商歷史悠久,研發實力強勁,在供貨上也非常穩定。就目前市場來看,低價的、不穩定的wifi模塊居多,何不考慮一下價格稍微高一點的方案,開發出更好的wifi模塊。
2、原理圖設計
在選擇好芯片方案后,就就要進行模組開發設計。模組研發設計最先做的工作就是,設計原理圖。
穩定性:根據芯片廠商提供的芯片資料,按照規格要求設計出穩定性高的原理圖。
成本優勢: 原理圖有多種設計方案,但是不能忽視對成本考量。如兩層電路板設計,四層電路板設計都可以使用,四層電路板也更優,但是價格就更貴。當然這只是成本考慮的一個方面而已。
兼容設計:原理圖設計時的電磁兼容設計考慮,就是要考慮模組在各種電磁環境中仍能夠協調、有效地進行工作。目的就是確保模組既能抑制各種外來的干擾,使模組在特定的電磁環境中能夠正常工作,同時又能減少模組本身對其它電子設備的電磁干擾。電磁兼容設計考慮,涉及到整個模塊的穩定性和性能。
量產難易程度:原理圖設計還要考慮日后是否方便加工,好加工也就意味著加工費用少。如果設計的原理圖致使實際加工的良品率低的話,同樣會造成成本增加。
3、繪制PCB板
原理設計圖做好之后,就開始畫PCB圖了。繪制PCB板用什么程序和方法,在產品資料下載中都有詳述,這里就不具體說了。
4、PCB打樣
PCB稱為”印刷電路板”,由環氧玻璃樹脂材料制成,有不同信號層數,而芯片等貼片元件就貼在PCB上。
廠商選擇:對于PCB打樣,模組廠商如果尋找外部廠商,通常需要考慮這些廠商是否有模組PCB打樣經驗,廠商的設備是否滿足需要,廠商管理是否過硬等等。
工藝要求:如果模組PCB要多層打樣,就要找有多層PCB打樣經驗的廠家。
5、PCBA打樣
也就是說PCB空板經過SMT上件,再經過DIP插件的整個制程,簡稱PCBA,可能理解其為成品線路板。
6、調試
對于模組的調試,主要在于硬件電路調試和軟件調試。
一般WiFi產品的射頻部分由幾大部分組成,藍色的虛線框內統一看成是功率放大器部分。無線收發器一般是一個設計的核心器件之一,除了與射頻電路的關系比較密切以外,一般還會與CPU有關,這里我們只關注其與射頻電路相關的一些內容。發送信號時,收發器本身會直接輸出小功率的微弱的射頻信號,送至功率放大器進行功率放大,然后通過收發切換器經由天線輻射至空間。接收信號時,天線會感應到空間中的電磁信號,通過切換器之后送至低噪聲放大器進行放大,這樣放大后的信號就可以直接送給收發器進行處理,進行解調。
硬件調試主要涉及射頻電路、功能電路調試。射頻調試包括發送和接收兩個大的方面,其中發送又包括了發送功率、相位誤差調試等,接收包括靈敏度、接收電平等。而功能電路調試更多的涉及到具體的某項硬件功能模塊的電路調試。
射頻參數的調試,發射TX方面主要為功率Power、誤差向量幅度EVM、以及頻偏Freq;在接收RX方面主要是接收靈敏度Sensitivity,這些參數影響著WiFi數據信號傳輸是否穩定;需要專門的儀器來測試。比如LitePointd的IQ2010、極致匯儀的WT-200; 目前,該行業RFsister開放實驗室提供這些方面測試服務。
另外,軟件調試主要在于穩定性、功能的完整性調試。一般而言,只是單一,或者部分功能進行的具體調測,下一步則需要進行更全面的測試。
7、測試
所謂電子電路的測試,是以達到電路設計指標為目的而進行的一系列的測量、判斷、調整、再測量的反復進行過程。
功能測試:根據模塊支持的特性、操作描述和用戶方案,測試該模塊的特性和可操作行為以確定其是否滿足設計需求。
性能測試:主要涉及測試模塊各個功能電路,以及信號的傳輸距離等還其他參數。
穩定性測試:對涉及模塊的實際傳輸速率、實際功耗、吞吐量 、無線連接等穩定性方面測試。
老化測試: 就是對模組壽命和在使用過程中能達到最佳效果而進行的一項測試。因系統長時間的處于工作狀態,在其工作時對各器件進行負荷運轉,只要在這些條件下能保證設備的性能穩定,那么在正常環境下工作模組的使用壽命就會更久。
認證測試:某些產品必須經相關國家指定的認證機構認證合格,取得相關證書并加施認證標志后,方能出廠、進口、銷售和在經營服務場所使用,尤其是通信類產品,而國際比較普及的認證如FCC(美國)、CE(歐洲)、RoHS(歐洲)等。