EFR32FG14 2400/169 MHz 19 dBm 双频段无线电板及无线入门套件使用指南

在物联网和无线通信的发展浪潮中，一款功能强大且易于使用的无线开发套件对于电子工程师来说至关重要。今天，我们就来详细了解一下 EFR32FG14 2400/169 MHz 19 dBm 双频段无线电板及无线入门套件，看看它能为我们的开发工作带来哪些便利。

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套件概述

该无线入门套件搭配 BRD4258B 无线电板，是熟悉 EFR32™ Flex Gecko 无线片上系统的绝佳起点。BRD4258B 是无线入门套件主板的插件板，为 EFR32FG14 无线片上系统提供了完整的参考设计，具备 19 dBm 输出功率的匹配网络、2.4 GHz PCB 天线以及 169 MHz 频段的 SMA 连接器。而无线入门套件主板则包含了板载 J-Link 调试器、数据包跟踪接口和虚拟 COM 端口，可实现应用开发和调试，同时还配备了传感器和外设，方便展示 EFR32 的多种功能。

无线电板特性

• 芯片规格：采用 EFR32FG14 Flex Gecko 无线片上系统，拥有 256 kB Flash 和 32 kB RAM（型号为 EFR32FG14P233F256GM48）。
• 双频段集成：支持双频段集成无线电收发器，可在 2400 MHz 和 169 MHz 频段工作。
• 高输出功率：具备 19 dBm 的输出功率，能满足不同场景的通信需求。
• 天线配置：配备 2.4 GHz 倒 F 型 PCB 天线和 169 MHz SMA 天线连接器。
• 空中升级：拥有 8 Mbit 低功耗串行闪存，可实现空中升级。

无线入门套件主板特性

• 能源监测：先进的能源监测器（AEM）可实时监测电流和电压。
• 调试接口：数据包跟踪接口（PTI）和虚拟 COM 端口（VCOM），方便调试和通信。
• 板载调试器：SEGGER J-Link 板载调试器，支持多种调试模式。
• 外部设备调试：可对外部设备进行调试。
• 网络连接：支持以太网和 USB 连接。
• 传感器与显示：配备 Silicon Labs Si7021 相对湿度和温度传感器以及低功耗 128x128 像素内存 LCD。
• 用户交互：提供用户 LED 和按钮。
• 扩展接口：20 针 2.54 mm EXP 扩展头和无线片上系统 I/O 引出焊盘。
• 电池支持：支持 CR2032 硬币电池。

软件支持

该套件支持 Simplicity Studio™、Energy Profiler 和 Network Analyzer 等软件工具，为开发提供了强大的软件支持。

订购信息

• SLWSTK6065B：EFR32FG14 2400/169 MHz 无线入门套件，包含 2 块 BRD4001A 无线入门套件主板、2 块 BRD4258B 无线电板、2 根 169 MHz 偶极天线、2 根 USB Type A 转 Mini-B 电缆和 1 块 BRD8010A 调试适配器。
• SLWRB4258B：EFR32FG14 2400/169 MHz 19 dBm 双频段无线电板，包含 1 块 BRD4258B 无线电板和 1 根 169 MHz 偶极天线。

硬件概述

硬件布局

套件的硬件布局合理，各个组件分布清晰，便于使用和调试。无线电板直接插入无线入门套件主板，主板上的各种接口和外设也都有明确的标识。

框图

从套件的框图中可以清晰地看到各个组件之间的连接关系和信号流向，有助于我们理解整个系统的工作原理。

连接器介绍

J-Link USB 连接器

位于无线入门套件主板左侧，是套件的主要 USB 接口。通过该接口可实现目标设备的调试和编程、通过虚拟 COM 端口与目标设备通信以及使用先进能源监测器进行精确电流分析。同时，它也是套件的主要电源来源，建议 USB 主机能够提供至少 500 mA 的电流。

以太网连接器

提供通过 TCP/IP 访问套件所有开发功能的途径。支持目标设备的调试和编程、通过 TCP/IP 套接字 4901 与目标设备进行虚拟 COM 端口通信、通过 TCP/IP 套接字 4900 进行“VUART”通信、精确电流分析以及数据包跟踪接口的实时无线电数据包和网络分析。需要注意的是，该接口不能为套件供电，使用时需通过 USB 连接器提供电源。

引出焊盘

EFR32 的大部分引脚被路由到无线入门套件主板顶部和底部边缘的引出焊盘上，可焊接 2.54 mm 间距的引脚头，方便访问引脚。具体的引脚映射可参考相关数据手册。

扩展头

位于无线入门套件主板右侧，是一个 20 针的扩展头，用于连接外设或插件板。该连接器包含多个 I/O 引脚，可用于 EFR32 Flex Gecko 的大部分功能，同时还引出了 VMCU、3V3 和 5V 电源轨。其遵循标准设计，确保常用外设如 SPI、UART 和 I2C 总线在固定位置可用，其余引脚用于通用 I/O。由于可用 GPIO 引脚数量有限，部分扩展头引脚与套件功能共享。

调试连接器

根据 Simplicity Studio 中的“调试模式”设置，该连接器具有多种用途。当调试模式设置为“Debug IN”时，可用于将外部调试器连接到无线电板上的 EFR32；设置为“Debug OUT”时，套件可作为调试器用于外部目标；设置为“Debug MCU”（默认）时，连接器与板载调试器和无线电板目标设备隔离。该连接器的引脚布局遵循标准 ARM Cortex Debug + ETM 19 针连接器，但与标准连接器不完全兼容，使用时需注意。

Simplicity 连接器

可将先进的调试功能（如 AEM、虚拟 COM 端口和数据包跟踪接口）应用于外部目标。使用时需注意，从 VMCU 电压引脚汲取的电流包含在 AEM 测量中，而 3V3 和 5V 电压引脚则不包含。为准确监测外部目标的电流消耗，需将无线电板从无线入门套件主板上拔下。

调试适配器

BRD8010A STK/WSTK 调试适配器是一块插件板，直接插入主板上的调试连接器和 Simplicity 连接器，将两者的选定功能组合到一个更小的 10 针连接器上，适用于空间受限的设计。它具有三种不同的 10 针调试连接器：Silicon Labs Mini Simplicity 连接器、ARM Cortex 10 针调试连接器和 Silicon Labs ISA3 数据包跟踪连接器。

电源供应与复位

无线电板电源选择

EFR32 可通过以下三种方式供电：

• 调试 USB 电缆：通过主板上的 USB 接口供电。
• 3 V 硬币电池：使用 CR2032 硬币电池供电。
• 无线电板上的 USB 调节器：仅适用于支持 USB 的设备。

电源选择通过无线入门套件主板左下角的滑动开关进行，不同位置对应不同的电源模式：

• AEM 位置：使用 WSTK 主板上的低噪声 3.3 V LDO 为无线电板供电，该 LDO 由调试 USB 电缆供电，同时先进能源监测器串联连接，可进行精确的高速电流测量和能量调试/分析。
• USB 位置：支持 USB 的无线电板可通过自身的调节器供电，但 BRD4258B 不包含 USB 调节器，设置在此位置会导致 EFR32 无电源供应。
• BAT 位置：使用 CR2032 插槽中的 20 mm 硬币电池为设备供电，此位置无电流测量功能，是使用外部电源为无线电板供电的推荐位置。

主板控制器电源

主板控制器负责调试器和先进能源监测器等重要功能，通过主板左上角的 USB 端口单独供电。该部分位于独立的电源域，可在为目标设备选择不同电源的同时保持调试功能。电源域隔离设计可防止在主板控制器断电时目标电源域的电流泄漏。

EFR32 复位

EFR32 无线片上系统可通过以下几种方式复位：

• 用户按下复位按钮：手动触发复位。
• 板载调试器拉低 #RESET 引脚：通过调试器控制复位。
• 外部调试器拉低 #RESET 引脚：外部设备控制复位。

此外，在主板控制器启动时也会对 EFR32 进行复位。即拔掉 J-Link USB 电缆不会产生复位，重新插入电缆时，随着主板控制器启动，会对 EFR32 进行复位。

外设介绍

按钮和 LED

套件配备两个用户按钮 PB0 和 PB1，直接连接到 EFR32，通过 RC 滤波器进行消抖处理，时间常数为 1 ms，分别连接到引脚 PF6 和 PF7。同时，还配备两个黄色 LED LED0 和 LED1，由 EFR32 的 GPIO 引脚控制，采用高电平有效配置，分别连接到引脚 PF4 和 PF5。

内存 LCD - TFT 显示屏

套件上配备 1.28 英寸 SHARP 内存 LCD - TFT 显示屏，分辨率为 128x128 像素，功耗极低。它是反射式单色显示屏，每个像素只能显示亮或暗，在正常日光条件下无需背光。数据存储在玻璃上的像素中，无需持续刷新即可保持静态图像。显示屏接口包括一个 SPI 兼容的串行接口和一些额外的控制信号，像素不能单独寻址，数据以每行 128 位的方式发送到显示屏。该显示屏与套件主板控制器共享，用户应用通过 DISP_ENABLE 信号控制显示屏的所有权：DISP_ENABLE 为低电平时，主板控制器控制显示屏；DISP_ENABLE 为高电平时，用户应用（EFR32）控制显示屏。

串行闪存

BRD4258B 无线电板配备 8 Mbit Macronix MX25R SPI 闪存，直接连接到 EFR32。MX25R 系列是超低功耗串行闪存设备，无需单独的启用开关来降低电流消耗。但在不使用时，必须将闪存置于深度掉电模式，通过 SPI 接口发送命令实现。在深度掉电模式下，MX25R 通常会为无线电板电流消耗增加约 100 nA。

Si7021 相对湿度和温度传感器

Si7021 I2C 相对湿度和温度传感器是一款单片 CMOS IC，集成了湿度和温度传感器元件、模数转换器、信号处理、校准数据和 I2C 接口。采用行业标准的低 K 聚合物电介质进行湿度传感，具有低功耗、低漂移和滞后以及出色的长期稳定性。传感器经过工厂校准，校准数据存储在片上非易失性存储器中，确保传感器可完全互换，无需重新校准或软件更改。该传感器采用 3x3 mm DFN 封装，可回流焊接，可作为现有 3x3 mm DFN - 6 封装的 RH/温度传感器的硬件和软件兼容升级产品，具有更宽范围的精确传感和更低的功耗。可选的工厂安装盖板可在组装（如回流焊接）和产品整个生命周期内保护传感器，防水和防尘。Si7021 为测量湿度、露点和温度提供了准确、低功耗、工厂校准的数字解决方案，适用于从 HVAC/R 和资产跟踪到工业和消费平台等各种应用。用于 Si7021 的 I²C 总线与扩展头共享，温度传感器通常与 I²C 线隔离，使用时需将 SENSOR_ENABLE（PD15）设置为高电平，启用后，传感器的电流消耗包含在 AEM 测量中。

虚拟 COM 端口

该端口为异步串行连接，用于在主机 PC 和目标 EFR32 之间传输应用数据，无需外部串行端口适配器。它由目标设备和主板控制器之间的物理 UART 以及主板控制器中的逻辑功能组成，通过 USB 或以太网将串行端口提供给主机 PC。UART 接口包括四个引脚和一个使能信号，可通过管理控制台配置串行端口的参数，如波特率和流控制。默认设置取决于与无线入门套件主板一起使用的无线电板。需要注意的是，虚拟 COM 端口仅在主板控制器供电时可用，即需要插入 J-Link USB 电缆。

主板控制器

管理控制台

管理控制台是套件主板控制器的命令行界面，可用于配置套件行为、获取配置和操作参数。要使用管理控制台，需通过主板左上角的以太网连接器将无线入门套件连接到以太网，然后通过 Telnet 连接到套件的 IP 地址和端口号 4902。成功连接后，会显示 WSTK> 提示符。管理控制台具有内置的帮助系统，可通过 help 命令查看所有顶级命令列表，也可与任何顶级命令结合使用以获取子命令列表和描述。

虚拟 UART

虚拟 UART 接口基于 SEGGER 的实时传输（RTT）技术，提供高性能的应用数据接口，除调试接口外无需额外的 I/O 引脚。它使用串行线输出（SWO）从设备获取应用数据，并通过共享内存接口将数据发送到目标应用。无线入门套件在 TCP/IP 端口 4900 上提供虚拟 UART 接口。

先进能源监测器

简介

对于嵌入式开发者来说，需要工具来快速发现运行应用中的能源效率问题。Simplicity Energy Profiler 就是为此设计的，它可以实时绘制和记录电流随时间的变化，并将其与 EFR32 上运行的实际目标应用代码相关联。

工作原理

主板上的先进能源监测器（AEM）电路能够测量 0.1 µA 至 95 mA 范围内的电流信号，动态范围接近 120 dB，同时保持约 10 kHz 的电流信号带宽。这通过高性能电流感测放大器、多个增益级和套件主板控制器内的信号处理实现。电流感测放大器测量小串联电阻上的电压降，增益级通过两种不同的增益设置进一步放大该电压，以获得两个电流范围，过渡点约为 250 µA。利用 ARM CoreSight 调试架构的特性，将电流信号与目标处理器的程序计数器（PC）采样相结合。ITM（仪器跟踪宏单元）块可编程为以周期性间隔（50 kHz）采样 MCU 的 PC，并通过 SWO 引脚输出。将这两个数据流融合并与运行应用的内存映射相关联，可构建准确的统计分析，实时显示运行应用的能源效率。在套件上电或电源循环时，会自动进行 AEM 校准，以补偿电流感测放大器中的任何偏移误差。

精度和性能

AEM 能够测量 0.1 µA 至 95 mA 范围内的电流。对于 250 µA 以上的电流，精度在 0.1 mA 以内；对于 250 µA 以下的电流，精度提高到 1 µA，并且能够检测到小至 100 nA 的电流消耗变化。AEM 的电流采样率为 10 kHz。需要注意的是，AEM 电路仅在套件供电且电源开关位于 AEM 位置时工作。

使用方法

AEM 数据由主板控制器收集，可通过 Simplicity Studio 中的 Energy Profiler 显示。通过 Energy Profiler，可实时测量电流消耗和电压，并将其与 EFR32 上运行的实际代码相关联。

板载调试器

主机接口

无线入门套件支持通过以太网或 USB 连接到板载调试器。许多工具支持通过 USB 或以太网连接到调试器，通过 USB 连接时，套件通过其 J-Link 序列号识别；通过以太网连接时，通常通过其 IP 地址识别。部分工具也支持在通过以太网连接时使用序列号，但这通常要求计算机和套件在同一子网内，以便发现协议（使用 UDP 广播数据包）正常工作。

• USB 接口：当主板左侧的 USB Mini - B 连接器连接到计算机时可用。
• 以太网接口：当主板左上角的以太网连接器连接到网络时可用。通常，套件会从本地 DHCP 服务器获取 IP 地址，并在 LCD 显示屏上显示。如果网络没有 DHCP 服务器，则需要通过 USB 连接到套件，并使用 Simplicity Studio、Simplicity Commander 或 J-Link Configurator 手动设置 IP 地址。为使以太网连接正常工作，套件仍需通过 USB Mini - B 连接器供电。
• 序列号识别：所有 Silicon Labs 套件都有一个唯一的 J-Link 序列号，用于识别套件到 PC 应用程序。该序列号为 9 位，通常形式为 44xxxxxxx，通常印在套件 LCD 显示屏底部。

调试模式

编程外部设备可通过将目标板连接到提供的 Debug IN/OUT 连接器，并将调试模式设置为 [Out] 来完成。同样的连接器也可用于将外部调试器连接到套件上的 EFR32 无线片上系统，只需将调试模式设置为 [In]。选择活动调试模式可在 Simplicity Studio 中完成，具体模式包括：

• Debug MCU：在此模式下，板载调试器连接到套件上的 EFR32。
• Debug OUT：在此模式下，板载调试器