CC3100MOD：物联网应用中的Wi-Fi模块解决方案

在物联网（IoT）蓬勃发展的今天，为低成本、低功耗微控制器（MCU）添加Wi-Fi功能变得至关重要。CC3100MOD作为一款出色的Wi-Fi模块，为物联网应用提供了便捷、高效的解决方案。今天就和大家详细探讨一下CC3100MOD的特点、应用、技术参数等方面的内容。

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一、CC3100MOD概述

CC3100MOD是一款Wi-Fi模块，由CC3100R11MRGC Wi-Fi网络处理器和电源管理子系统组成。它完全集成了所有必需的时钟、串行外设接口（SPI）闪存和无源元件，采用1.27毫米间距、63引脚、20.5毫米×17.5毫米的LGA封装，便于组装和进行低成本的印刷电路板（PCB）设计，工作温度范围为 -20°C至 +70°C。

二、主要特性

（一）认证与兼容性

该模块具有模块化的FCC、IC、TELEC和CE认证，这为客户节省了大量的精力、时间和资金。同时，它还是Wi-Fi CERTIFIED™模块，Wi-Fi联盟成员还能申请证书转移。

（二）网络处理器子系统

• 高性能电路：具备Wi-Fi Internet-on-a chip™电路，拥有专用的Arm®微控制器（MCU），能完全将Wi-Fi和互联网协议从外部MCU中卸载，其ROM中包含Wi-Fi驱动程序和多种互联网协议。
• 支持多种协议和模式：支持802.11 b/g/n无线标准，包含无线电、基带和媒体访问控制（MAC），以及Wi-Fi驱动程序和客户端，具备TCP/IP堆栈，使用行业标准的BSD套接字应用程序编程接口（APIs）。支持站（Station）、接入点（AP）和Wi-Fi Direct®模式，以及WPA2个人和企业安全标准。

（三）集成组件

模块集成了40.0-MHz晶体（带内部振荡器）、32.768-kHz晶体（RTC）、8-Mbit SPI串行闪存、RF滤波器和无源元件，为开发者提供了一个完整的解决方案。

（四）通信能力

支持8个同时的TCP或UDP套接字，其中8个套接字中的2个可以是TLS和SSL套接字，拥有强大的加密引擎，支持256位AES加密，确保Wi-Fi和互联网连接的快速和安全。

（五）Wi-Fi配置与性能

• 便捷的配置技术：支持SmartConfig™技术、AP模式和WPS2，方便灵活地进行Wi-Fi配置。
• 出色的发射和接收性能：发射功率方面，1 DSSS时为17 dBm，11 CCK时为17.25 dBm，54 OFDM时为13.5 dBm；接收灵敏度方面，1 DSSS时为 -94.7 dBm，11 CCK时为 -87 dBm，54 OFDM时为 -73 dBm；应用吞吐量方面，UDP可达16 Mbps，TCP可达13 Mbps。

（六）主机接口与电源管理

• 灵活的接口：具备宽范围的电源供应（2.3至3.6 V），可通过SPI或UART接口与8位、16位和32位MCU或ASIC进行接口通信，主机驱动程序占用空间小（小于6KB），支持实时操作系统（RTOS）和非操作系统（no-OS）应用。
• 低功耗设计：电源管理子系统集成了DC-DC转换器，支持宽范围的电源电压，可直接连接电池（2.3 V至3.6 V）。在3.6 V电压下，休眠模式（带实时时钟RTC）电流仅为7 μA，待机模式为140 μA，接收流量（54 OFDM）为54 mA，发射流量（54 OFDM）为223 mA。

三、应用领域

CC3100MOD适用于众多物联网应用场景，如云计算连接、互联网网关、家庭自动化、家用电器、访问控制、安全系统、智能能源、工业控制、智能插头和计量、无线音频、IP网络传感器节点以及可穿戴设备等。它的低功耗和高性能特点，使其能够在各种设备中稳定运行，为物联网应用提供可靠的Wi-Fi连接。

四、功能框图与硬件软件概述

文档中提供了CC3100MOD的功能框图、硬件概述和软件概述的相关图片。这些图片有助于开发者更清晰地了解模块的内部结构和工作原理，为设计和开发提供了有力的参考。

五、技术参数详解

（一）绝对最大额定值

各项参数都有明确的限制范围，如VBAT和VIO相对于GND的电压范围为 -0.5至3.8 V，数字IO为 -0.5至VBAT +0.5 V，RF引脚（Pin 31）和模拟引脚为 -0.5至2.1 V，工作温度范围为 -40至85°C，存储温度范围为 -55至125°C，结温不超过104°C。超出这些范围可能会对模块造成永久性损坏，影响其长期可靠性。

（二）ESD评级

该模块的人体模型（HBM）ESD评级为±1000 V，带电设备模型（CDM）所有引脚为±250 V，这表明它在静电防护方面具有一定的能力，但在使用过程中仍需注意静电防护措施，以避免对模块造成损坏。

（三）上电时间（POH）

在20%活动模式和80%睡眠模式下，环境温度最高为85°C时，CC3100MOD设备可可靠运行17500小时（相当于10年），且假设TX占空比（功率放大器开启时间）为设备POH的10%，其余90%时间设备可处于任何其他状态。

（四）推荐工作条件

为确保模块的正常运行和长期可靠性，推荐的VBAT和VIO电压范围为2.3至3.6 V，工作温度范围为 -20至70°C，环境热变化率为 -20至20°C/分钟。同时，为保证WLAN性能，电源供应的纹波必须小于±300 mV，且不应使电源低于欠压电压。

（五）功耗总结

在不同的工作模式和速率下，模块的功耗有所不同。例如，发射（TX）时，不同调制方式和功率级别下的电流不同；接收（RX）时，1 DSSS和54 OFDM速率下电流约为53 mA；空闲连接时电流约为0.715 mA；低功耗深度睡眠（LPDS）模式下约为0.140 mA；休眠模式下为7 μA。

（六）发射功率与电源电流关系

文档中给出了不同调制方式（1 DSSS、6 OFDM、54 OFDM）下发射功率（TX Power）和电源电流（IBAT）与发射功率级别设置的关系图。在较低范围要求（13-dBm输出功率）时，推荐使用TX功率级别4以降低电流。

（七）欠压和失压条件

当输入电压低于欠压电压（VBROWNOUT = 2.1 V）时，模块进入欠压状态，此时除了休眠模块外，所有部分（包括32-kHz RTC）都会关闭，该状态下电流可达约400 µA；当电压低于失压电压（Vblackout = 1.67 V）时，相当于硬件复位事件，模块内所有状态丢失。在设计电源供应线路时，尤其是使用电池供电时，必须考虑这些情况。

（八）电气特性

包括引脚电容、输入输出电压、电流等参数，如引脚电容（CIN）为4 pF，高电平输入电压（VIH）为0.65xVDD至VDD +0.5V，低电平输入电压（VIL）为 -0.5至0.35xVDD等。

（九）WLAN RF特性

• 接收器特性：在不同速率下有不同的灵敏度和最大输入电平要求，如1 DSSS速率下灵敏度为 -94.7 dBm，802.11b的最大输入电平为 -3.0 dBm。
• 发射器特性：不同速率下的最大RMS输出功率不同，如1 DSSS时为17 dBm，54 OFDM时为13.5 dBm，且发射中心频率精度为 -20至20 ppm。

（十）复位要求

nRESET引脚必须保持在0.6 V以下才能使模块进行复位，操作模式电平（VIH）为0.65xVBAT，关闭模式电平（VIL）为0至0.6 V，nReset低电平的最小时间为5 ms，上升和下降时间为20 μs。

（十一）热阻特性

对于MOB封装，给出了不同情况下的热阻参数，如结到外壳（ROJC）为9.08°C/W，结到板（ROJB）为10.34°C/W等，这些参数对于模块的散热设计非常重要。

（十二）时序和开关特性

• 唤醒序列：首次上电和复位移除的时序要求包括电源稳定时间（T1）、硬件唤醒时间（T2）和初始化时间（T3），其中初始化时间包括32-KHz XTAL稳定时间、固件初始化时间和无线电校准时间。
• 从休眠中唤醒：nHIB信号的最小低电平持续时间（Thib_min）为10 ms，从休眠中唤醒的硬件唤醒时间加上固件初始化时间（Twake from hib）约为50 ms，如果温度变化超过20°C，由于无线电校准，初始化时间可能会增加200 ms。
• 接口时序：
  • Host SPI接口：时钟频率在VBAT = 3.3V时为20 MHz，VBAT ≤ 2.1V时为12 MHz，时钟周期（tck）为50 ns，占空比（D）为45%至55%，RX数据设置时间（tis）和保持时间（tIH）为4 ns，TX数据输出延迟（top）为20 ns，保持时间（toH）为24 ns。同时，要确保nCS（低电平有效信号）在时钟切换前10 ns被置位，在时钟边沿后10 ns可取消置位。
  • SPI主机接口：CC3100设备通过SPI与外部主机接口，可使用HOST_INTR线中断主机以发起数据传输，最高速度可达20 MHz。
  • 主机UART：支持特定的UART配置，如波特率为115200 bps（可由主机通过特殊命令更改至最高3 Mbps），数据位为8位，流控制为CTS/RTS，无校验位，停止位设置，最低有效位（LSB）优先，主机中断极性为高电平有效，中断模式为上升沿或电平1，仅支持小端字节序。还介绍了5线、4线和3线UART拓扑结构及其适用条件。

六、详细功能描述

（一）WLAN功能

• 无线标准支持：集成802.11 b/g/n无线电、调制解调器和MAC，支持在2.4-GHz ISM频段以CCK和OFDM速率进行WLAN通信。
• 自动校准与天线连接：自动校准的无线电具有单端50-Ω接口，便于连接天线，无需专业的无线电电路设计知识。
• 智能连接管理：先进的连接管理器可将多个用户可配置的配置文件存储在非易失性存储器（NVMEM）中，实现自动、快速连接到接入点，无需用户或主机干预。
• 安全模式支持：支持所有常见的Wi-Fi安全模式，包括个人和企业网络，具备片上安全加速器。
• SmartConfig技术：通过一步式、一次性的过程，可将支持CC3100MOD的设备连接到家庭无线网络，减少对主机MCU I/O能力的依赖，适用于深度嵌入式应用。
• 收发模式：802.11收发器模式可通过套接字传输和接收专有数据，无需添加MAC或PHY头部，并可选择工作信道、速率和发射功率，接收器模式可与过滤选项配合使用。

（二）网络栈功能

• 协议集成：集成了IPv4、IPv6和TCP/IP栈，提供BSD套接字API，便于与任何MCU、微处理器或ASIC进行简单的互联网连接。
• 多套接字支持：支持8个同时的TCP、UDP或RAW套接字。
• 网络协议支持：内置ARP、ICMP、DHCP客户端和DNS客户端等网络协议，方便连接到本地网络和互联网。
• 服务发现：支持多播DNS服务发现，允许客户端在无需中央服务器的情况下宣传其服务，连接到接入点后，CC3100MOD可提供设备名称、IP、供应商和端口号等关键信息。

（三）主机接口和驱动

• 接口方式：可通过4线SPI与任何MCU或处理器以20 MHz的时钟速度进行接口，也可通过UART与任何MCU以最高3 Mbps的波特率进行接口。
• 低占用驱动：为TI MCUs提供低占用驱动，并且易于移植到任何处理器或ASIC。
• 简单API：简单的API便于与任何单线程或多线程应用集成。

（四）系统功能

• 电源供应：可使用预调节的电源供应，也可直接连接电池。
• 低功耗特性：禁用（休眠模式）时具有超低泄漏电流，RTC运行时电流小于7 µA。
• 时钟源集成：集成了时钟源。

七、应用、实现与布局

（一）参考原理图

文档提供了CC3100MOD模块的参考原理图，可从http://www.ti.com/lit/zip/swrc293下载完整原理图。在设计时，如果MCU的GPIO在MCU进入低功耗时可能浮空，可考虑在板上添加下拉电阻以避免浮空；同时，建议使用100-kΩ上拉电阻在休眠状态下节省数十微安的电流。

（二）设计要求

列出了一个典型应用使用CC3100设备的物料清单，包括CC3100MOD模块、2.45-GHz天线、电容和电感等元件。

（三）布局建议

• RF部分：无线设备的RF部分在布局中具有最高优先级，正确的布局对于确保设备的最佳性能至关重要。不良的布局可能导致输出功率低、误差矢量幅度（EVM）下降、灵敏度下降和频谱掩模违规等问题。
• 天线布局：天线用于将PCB迹线上的导波转换为自由空间电磁辐射，其放置和布局是增加射程和数据速率的关键。建议将天线放置在PCB的边缘或角落，确保所有层上都没有信号穿过天线元件，清除内层的接地，为天线预留匹配组件的位置并在完整电路板组装时进行调谐，确保天线阻抗为50 Ω，考虑印刷天线的焊料掩模进行仿真，确保天线具有近全向模式，根据特定天线数据手册对天线馈电点进行接地，如需使用模块的FCC认证可参考相关wiki页面。
• 传输线考虑：RF信号通过接地共面波导（CPW-G）结构路由到天线，该结构能提供最大程度的隔离和最佳的屏蔽效果。除了L1层的接地，沿线放置接地过孔也可提供额外的屏蔽。文档还给出了2层和4层PCB的推荐参数值。

八、环境要求与规格

（一）温度要求

• PCB弯曲：PCB弯曲规格要求在厚度小于0.1 mm时保持平整度。

  （二）处理环境

• 终端处理：产品通过焊盘网格阵列（LGA）与主板安装，为防止焊接不良，请勿用手触摸LGA部分。
• 防掉落：产品掉落或跌落可能会损坏安装的组件，导致产品故障。

  （三）存储条件

• 防潮袋未开封：防潮袋应存储在温度低于30°C、湿度低于85% RH的环境中，干燥包装产品的保质期从袋子密封日期起计算为12个月。
• 防潮袋已开封：湿度指示卡必须为蓝色，湿度小于30%。

  （四）烘烤条件

  如果湿度指示卡读数大于30%，或者在温度低于30°C、湿度低于70% RH的环境下超过96小时，产品在安装前需要进行烘烤，烘烤条件为90°C，12 - 24小时，烘烤次数为1次。

  （五）焊接和回流条件

• 加热方法：采用传统对流或红外对流加热方式。
• 温度测量：使用直径为0.1 - 0.2 mm的热电偶在焊接部位进行温度测量，或采用等效方法。
• 焊膏成分：焊膏成分为Sn/3.0 Ag/0.5 Cu。
• 允许的回流焊接次数：根据回流焊接曲线，允许进行2次回流焊接，峰值温度为245°C。

九、设备与文档支持

（一）设备支持

• 开发支持：德州仪器（TI）提供了丰富的开发工具，包括评估处理器性能、生成代码、开发算法实现以及全面集成和调试软硬件模块的工具。支持CC3100MOD应用开发的产品有Code Composer Studio™集成开发环境（IDE）、Real-Time Foundation Software（DSP/BIOS™）等软件开发工具，以及Extended Development System（XDS™）仿真器等硬件开发工具。