采用nRF24xxx收发器的射频遥控器实现方案

二十世纪七十年代末，红外线被创新性地用来控制消费类电子产品，解决了较昂贵的超声波遥控装置在可靠性、遥控范围和复杂性方面的所有问题（这也是超声波遥控器一直努力解决的问题）。实事证明，红外遥控技术的确是如此之好，因为三十年之后，我们仍然使用红外线来控制销往世界各地的大部分消费电子产品。

但是红外遥控的耐久性也是它日渐衰落的原因。在诞生初期，红外线被设计用来实现了一些简单的功能，例如调节音量或者切换电视频道等。人们从来就没有想过用它来应付现代消费电子产品需要的多媒体、多菜单、多功能。

消费者们已经可以使用数量庞大的数字内容，包括几十个有线电视频道、储存在机顶盒硬盘上的视频节目、存放在个人电脑中的音乐和照片，或者存放在远程服务器上的视频电影。将来，内容将通过互联网、局域网或者数字生活网络联盟（DLNA）连接来传送，而不是通过老式广播网络连接。为了迅速、方便地获得数字内容，需要使用遥控器操作的先进导航接口，例如触摸屏、触摸垫、运动传感器、跟踪球或操纵杆。

只有通过射频链路实现的功能，访问这些内容方才实际可行。现在还没有迹象说明红外遥控器会很快消失──对于只需要简单地“点和点击”操作而言，价钱便宜的红外遥控器仍然是最好的解决办法。但是，消费者需要先进的导航功能，因而射频技术是天生的红外技术接替者。

有好几种射频技术（现在已经上市，或者即将投入市场）在射频市场上竞争。这些技术分为两类，一类是专有技术，例如Nordic半导体公司的产品；另一类是标准技术，例如蓝牙低功耗和RF4CE（RF4CE是在IEEE802.15.4媒体存取控制/物理（MAC/PHY）层的基础上发展起来的）。

射频：多媒体时代的遥控技术

就遥控而言，射频并不是新技术。例如，在1903年，Leonardo Torres Quevedo在巴黎科学院发表了他的“Telekino”，后来在法国、西班牙、英国和美国获得专利权。Telekino包括一个遥控机器人，它执行通过无线电传来的命令。

但是红外线成了控制电视机的首选（后来也逐渐成了遥控大多数其他家用电器的首选），因为它简单、低廉而且可靠性高。但是，随着现代消费电子产品的功能增多，红外遥控的弊端日益突出。其中最大的一个弊端也许就是刷新率（重复一个命令所用的时间）比较慢，例如，滚动电子节目指南（EPG）上的节目名单所需的时间较长。在最好的情况下，大约是75毫秒，但在特殊的情况下，如果存在光线干扰，会延长到110毫秒或者更长。

由于刷新速度慢，所以不能将遥控滚轮、跟踪垫或者跟踪球集成到红外遥控器中（这就是红外遥控器往往有很多按钮的原因）。这导致消费电子产品制造商在产品的用户界面（UI）没有太多作为，也是它们仍然只有基本的功能且对用户不是特别友好的原因。

相比之下，现代的2.4GHz短距离无线电信号收发器的刷新率大约是几个毫秒。无线鼠标要求刷新率为8到16毫秒，是这项技术的一个很好例子，它利用低延迟的优势对无线指令迅速、平稳地作出反应。

事实上，更近一步的分析显示，遥控器需要的射频技术，射频在2.4GHz无线鼠标器和键盘中已经使用了多年。为了让遥控器能够支持先进的导航，需要低延迟无线连接（以便迅速地对用户的输入作出响应）、数据完整性（先进的协议保证这点）、低功耗（这样的遥控器可能比传统的遥控器更积极地得到使用），这些要求与无线台式电脑的要求是一致的。

消费电子制造商利用准确无误的导航可以从根本上改变产品的用户界面（UI）。苹果公司的iPod上的滚轮是平稳进行菜单导航和控制音频和视频文件的一个好例子，尽管这不是管理大量内容的唯一方法。利用射频技术，遥控器制造商同样能够把有数十个按键的遥控器，变成一个具有漂亮界面的精巧控制器。

由于峰值电流不是很大，而且99.995%的时间是处在占空比低的闲置状态（在每天按键大约五十次的使用状况下），所以红外遥控器消耗的功率很少，一对AA电池可以用上很多个月。

现代的2.4GHz收发器——不论是使用专有技术的收发器、蓝牙低功耗技术的收发器，还是符合IEEE802.15.4标准的收发器——可以很容易提供这样的电气性能。这些收发器只在很短时间里发送数据，然后尽快回到超低功耗的睡眠模式。传输时的峰值电流为几十毫安，持续时间只有几百微秒，大部份时间处于消耗电流仅1微安的睡眠状态，因此遥控器的平均电流在微安范围内。这种方法非常省电，足以保证典型的射频遥控器的电池寿命，和它们要取而代之的红外线遥控器一样（或者更好）。

射频的其他优势不是很明显，但随着消费电子产品的发展，会变得更加重要。举例来说，今天的用户一般是坐在电视机前面，这样当他们想扫描电子节目指南时，可确保与电视机之间的视距遥控，并要求位于短距离范围内。不难想象，在将来，有些方面会有改变。如果要从一个房间里的“媒体中心”把节目内容送往家里的不同的房间，用户只需要在房间角落里操作一个遥控器（它的遥控范围为数十米）。射频技术就能够做到这些。

对于现代多媒体应用，虽然射频遥控器是更好的选择，但是什么技术是最好的选择，并不是那么一目了然。设计人员可以选择专有解决方案，例如经过实际证明的Nordic公司的2.4GHz收发器，或者像蓝牙低功耗或者RF4CE这些能互操作的解决方案。

专有的射频解决方案

从简单操作的空调机的射频遥控器，到控制多媒体消费产品的射频遥控器，专有收发器可以为之提供可靠且可缩短开发时间的的办法。专有收发器仅仅是与它们自己通讯，可以把它们设计成专门满足具体终端应用的要求（而基于标准的规范则必须设计成在一个广泛的应用范围里具有互操作性，这不可避免地带来的种种折衷），因此专有解决方案已经进入了射频遥控器领域。

此外，专有解决方案的更新比标准技术频繁，标准技术往往“冻结”几年都不会改变，直至更新版本正式被接受才得以改变。因此，在无线链路的关键参数方面，专有技术产品超过所有的标准方案。

例如，Nordic的nRF24LE1是2.4GHz的高斯频移键控（GFSK）单片收发器，它在一个4mm×4mm芯片上，集成了一个收发器内核和一个含闪存的8位混合信号微控制器，是久经考验的专有收发器硬件，适合用于射频遥控器。（图1所示的射频遥控器参考设计采用了nRF24xxx）。

图1：采用nRF24xxx的射频遥控器参考设计。

但是，硬件只是实际可用的射频遥控器的一部分。另一部分是嵌入式软件协议，它负责管理无线电如何发送和接收数据，并管理各种环境因素的干扰，例如工作在附近的其它2.4GHz设备产生的干扰。

用遥控器来进行先进导航要求延迟小（以便对用户输入迅速作出响应）、数据完整性（先进的协议保证了这一点）、低功耗（因为这样的遥控器可能比传统遥控器使用得更频繁）。

Nordic提供现成的经过优化的射频遥控软件，例如该公司的Gazell射频堆栈（用于具有跳频能力的双向通信链路）。它需要的存储空间最少，可设置为低延时模式（即使附近可能存在其他2.4GHz干扰源的情况下，平均延迟为3.5ms，足以实现上面讨论的平稳导航），或者，如果链接的两端都是电池供电，超低功耗模式能够延长链路两端的电池寿命。在这种模式下，可以增加延迟来减少主机（即被控制的设备）平均消耗电流。平均延迟时间可以延长到50毫秒──仍然低于典型红外遥控器的75ms至125ms，从而延长电池寿命。

有趣的是，这些正是多年来对无线鼠标器、键盘、操纵杆这些无线桌面外设的要求。现代娱乐系统提出了同样的要求。鉴于个人电脑作为家庭娱乐中心所起的作用日益明显，而且使用电脑外围设备而不是传统的遥控器来控制消费类设备，也许这不是巧合。

值得注意的是，几种技术正在争夺消费电子产品（CE）设备这个巨大市场的一席之地。但是，目前只有一种技术真正渗透到个人电脑无线外设市场，这就是Nordic的2.4GHz技术。

自2002年以来，Nordic一直是电脑无线外设市场的供应商，每月为电脑外设制造商交付数百万片芯片，它的2.4GHz技术正迅速地把低性能的27MHz技术淘汰掉。

满足对互操作性的需要

专有解决方案的缺点，是它不能保证对不是设计成用它控制的产品进行控制，而且专有解决方案是一家供应商拥有的技术。相反，红外遥控器可以做成用于不同厂家生产的设备的控制器（虽然常常需要消费者花时间用新的命令对遥控器进行“编程”，因而很少这样使用）。

许多制造商并不关心互操作性，因为他们设想他们的遥控器只用于使用这种控制器的产品。这些制造商通常关心的是在某个价格下的最佳性能。这是专有解决方案的长处，因为可以针对特定的任务对它进行优化，所以专有解决方案将继续在遥控器市场上成功地占据一席之地。

不过，一些消费电子产品制造商在寻找受到开放标准保证的具有互操作性并有多家厂商供货的方案。

如果射频遥控器遵守开放的标准，只要做一个简单的操作，花费几秒钟时间，就能够与许多不同的消费设备“配对”使用。每个配对是唯一的，因此“立即”（在30毫秒内）可以对电视机、DVD播放机、高保真音响或者游戏机进行遥控。这些都是用户想要控制的设备。（它们不需要“可互操作”的红外遥控器的那些繁琐编程。）放在普通消费者客厅里小茶几上的六、七个体积不小的遥控器，将被一个漂亮的遥控器取而代之。

蓝牙SIG与RF4CE联盟正在用各自的可互通低功耗射频规范来回应市场的需要。任何芯片供应商（如果它加入相应的组织）都可以以它为基础来设计射频遥控器芯片。

2009年12月，人们采用蓝牙低功耗标准作为蓝牙核心规范4.0版本的一部分。Nordic半导体在这个规范的制定中发挥了重要作用，并且为这项规范的制定中献出了大量的超低功耗无线设计知识。

目前的规范并不意味着芯片供应商就可以开始为客户提供芯片，因为它只规定了底部三层的结构。然而，只要半导体公司的芯片满足这个早期版本规范的要求，就可以选择一些客户，把样品和开发工具交给他们，以便他们探索这项新技术可能做些什么。

蓝牙低功耗技术是一种2.4GHz短距离无线技术（具有超低功耗和轻量级协议栈），有希望与蓝牙无线技术进行无缝通信。（不过，重要的是要注意到蓝牙低功耗技术不能与传统的蓝牙芯片通信，包括目前的蓝牙2.1+EDR和蓝牙3.0标准的芯片）。

在通信方面，现有的蓝牙芯片需要加以修改，把蓝牙4.0版中详细介绍的“双模式”电路和软件加进去，确保与蓝牙低功耗技术的兼容性。预计这个修改仅需增加很少设计工作量、成本以及很小的芯片面积。

双模式蓝牙低功耗芯片能够与配备了“单模式”蓝牙低功耗器件的任何产品通信。后者将在功耗和成本方面进行优化，以便提供尺寸小、成本低的超低功耗（ULP）收发器，并提供一个符合可互操作通用遥控器的消费产品行业要求的软件堆栈规范（图2）。其他早期的应用则包括用于人机接口设备（HID）的其他内容，以及用于类似手表和手提电话的产品。蓝牙低功耗技术可以作为开放标准，鼓励多家厂商制造这种芯片，确保有多个货源。

图2：蓝牙低功耗无线技术有双模式和单模式两种实现方案。

蓝牙SIG指出，这个标准可以允许遥控器被设计成为一个低成本、无智能的外设。目标接收器产品，例如电视机、DVD播放机、机顶盒，或者媒体播放器，都可以控制遥控器的操作，让它学会与用户购买的每个新设备一起工作。蓝牙低功耗控制器与红外遥控器不同，它采用了一个安全、快速的双向链路与受控设备通信。

Nordic半导体公司是蓝牙SIG的准成员。该公司计划率先推出们满足蓝牙4.0版本的单模式蓝牙低功耗芯片，并在最近发布了μBlue（MicroBlue）的产品样品和原型开发工具（图3给出了芯片堆栈的原理图）。

图3：NordicμBlue系列的nRF8001是适用于手表、传感器和遥控器的单模式从芯片。

μBlue是单模式蓝牙低功耗收发器，它用小型钮扣电池供电时可以工作几个月或几年（取决于应用）。Nordic的μBlue系列的第一个产品包括nRF8001，它是一个单模式从芯片，适合手表、传感器和遥控器使用。

ZigBee方案

松下、飞利浦、三星和索尼公司在2008年年中成立RF4CE联盟，目的是“解决对不断增强的先进功能的需要，而这些功能用红外无线技术或其他专有无线技术还不能做到”。2009年3月，RF4CE与ZigBee联盟合作（ZigBee联盟是推动ZigBee无线技术发展的组织）。

RF4CE是建立在IEEE 802.15.4的2.4GHz无线传输技术（MAC/PHY）的基础之上，它也是ZigBee标准的硬件基础。RF4CE协议的上层是专门为遥控器而制定。有几家芯片制造商已经制造出802.15.4无线电器件，这些器件能够用作遥控器的硬件，平均电流为微安级，符合延长电池寿命的要求。

ZigBee联盟计划把RF4CE规范1.0版纳入它的全球传感器和控制网络解决方案之中。这个规范是针对范围很宽的产品而制定，包括家庭娱乐设备、车库开门器和无钥匙进入系统。第一个规范是为了双向互动和控制家庭娱乐设备而制定，按IEEE802.15.4标准设计的器件采用直接序列扩频（DSSS）技术来抗干扰。RF4CE协议可以从ZigBee联盟的网站免费下载。

谁是最佳方案

射频遥控比红外遥控具有优势，因此，毫无疑问所有的遥控器都会选择射频技术，除了最便宜的遥控器以外。但是，哪一种技术将最成功地取代红外技术仍没有答案。毫无疑问，专有解决方案将在性能和成本为首要需求而互操作性居次市场，开辟一片宽广的天地。但在对互操作性有较高要求的领域，前景就不那么确定了。

理论上，蓝牙SIG和RF4CE联盟都有很棒的技术。RF4CE的硬件已经立足于现有的标准，也许在早期已经领先，而蓝牙SIG蓝牙SIG仍然在解决蓝牙低功耗技术复杂性的问题。RF4CE还有一些有名消费电子产品供应商的支持，而且许多厂商在制造硬件。例如，索尼已经提供IEEE802.15.4遥控器（使用该公司自己的专有协议），用于它的高档液晶电视。尽管如此，IEEE802.15.4技术一直在努力，以便达到预测的市场渗透水平。射频市场是不是一场激战，还要看一看。

相比之下，拥有13，000个会员的蓝牙SIG也许不能最快地发布它的标准，然而它们在承诺互操作性方面确实有很好的声誉。蓝牙SIG以前的标准（蓝牙1.0、2.0、2.1、2.1+EDR和3.0+HS版本）都被证明是可靠的无线连接产品，它们由数百家不同的制造厂生产（蓝牙SIG组织的 “unplugfests”经过几个月beta测试的结果）。没有理由认为4.0版会有所不同。

不过，蓝牙超过其竞争对手的主要优势，可能是它令人羡慕的在用户数量──这是ZigBee永远没有希望赶上的。用于移动电话、耳机和PC这些产品的蓝牙无线电收发器芯片数量，在2006年超过10亿，并很快会达到20亿。

这意味着蓝牙低功耗技术将能够与几十种产品通信，而这些产品有可能转到使用双模式蓝牙芯片，不仅仅限于移动电话。而蓝牙在其他便携式产品，例如PDA和笔记本电脑的普及，为利用蓝牙低功耗技术，把遥控器从专用设备变成现有便携式产品非常有用的附加功能，提供了一个平台。换句话说，它有望改变人们使用遥控器的方式（图4）。

图4：蓝牙低功耗技术有望改变人们使用遥控器的方式。

例如，想象一下一部具备移动浏览功能的智能电话。这种智能电话将不可避免地由传统的蓝牙连接转到使用双模式芯片，这样就能够直接与单模式芯片沟通。不难想象，如果一个用户在浏览网页，同时赶着回去看他们最喜爱的电视节目，那么，当他用回到家里，只要按一个按钮，移动电话中的蓝牙双模式芯片就会和机顶盒或者电视机中的单模式芯片进行无线连接，这星期收视的节目就将自动按计划播放。如果用户要修改他们的选择，不必使用用放在沙发上的传统遥控器，用户只需要在移动电话上直接控制电子节目指南，就可以修改。

第二个例子考虑一个由一只CR2032型3V纽扣电池供电的运动手表（采用蓝牙低功耗芯片的运动手表），除了能够连接到一系列外围设备上，例如心率监视器或者速度和距离显示器，它也将可以作为遥控器使用，控制蓝牙移动电话、MP3播放器、便携式电脑或者消费电子产品。在日本，手表制造商对此感到非常兴奋。

尽管如此，RF4CE联盟可能还有一些大家还不知道的技术，因此，在现阶段不可能预料哪一种技术将最终取胜。比较肯定的一点是，遥控器的未来是射频遥控器，而红外遥控器将会很快成为一个美好而暗淡的回忆，就像VHS视频播放器、盒式录音机和黑白电视机一样。