簡報筆的進化 (一)

去年剛加入 AppWorks 時，我為了解決在大場地辦活動時 2.4GHz 簡報遙控器不靈光的問題，用 433MHz 的 OOK 發射/超外差接收模組做了土砲的簡報遙控器。詳情記錄在簡報筆的故事這兩篇文章中。

雖然我用稍大的 RF 功率解決了射程的問題，但用這種遙控器的固定編碼 IC 加上學習型解碼 IC 做的簡報遙控器，有一個很困擾我們的問題: 它的反應有點慢。

以我上次做簡報筆用的發射編碼器 PT2264 來說，它有一個用電阻控制頻率的 RC 振盪器，做為編碼的時基。它每一個 bit 的時間是震盪器週期的 32 倍，資訊是載在波型的 duty cycle 上。每一個 word 有 12 個 bit 及一個長度為 4 bit 時間的同步記號，一個 frame 有 4 個 words。因此一個 frame 的長度就是 (12+4) * 4 = 64 bits。

我買到的發射器板子上都打了 3.3M ohm 的震盪電阻，震盪器頻率大概是 10KHz，週期是 0.1ms。64 個 bit 的時間就是:

0.1ms * 32 * 64 = 204.8ms

差不多是 0.2 秒。

也就是說，要完整傳送一個鍵的資料並讓接收器正確解碼，至少需要 0.2 秒。

雖然 0.2 秒聽起來不長，但站在臺上簡報的人本來就渡日如年，這個 “必需要按住按鍵達 0.2 秒之久才能換頁” 的特性常常讓他們以為簡報筆壞掉了，或是覺得簡報遙控器好像要按住兩秒才能換下一頁，相當令人困擾。

我有試著更換電組來修改振盪器的頻率，增快它編碼的速度，但大概當速度變成原來的 1.5 倍時，學習型解碼器就取樣不到了，因此這個速度太慢的問題沒辦法用改振盪器頻率的方法簡單解決。

於是我決定捲土重來，這次一定要徹底解決簡報筆的問題。

Packet Radio

要做到低延遲，又要可靠，我第一個想到的就是用 packet radio 的 IC 來做。

Packet radio 是以數位封包的方式在無線通道上傳送資料的技術，依據不同的頻帶、頻寬、調變技術和錯誤率，可以用數 Kbps 到 數 Mbps 不等的速度傳送資料。主流的 Bluetooth、Wi-Fi 等消費型無線通訊技術對通訊協定和應用有完整的定義，但 packet radio 只建立傳送資料的通道，至於要在通道上傳送什麼、做什麼應用，則由設計的人來決定。

由於半導體製程的進步，這些 packet radio 晶片的整合度都很高，從 RF 前端、PLL、ADC 到 modem 應有盡有，有的甚至還有 MAC。而且它們的 modem 常用 FSK 或 GFSK 這種 frequency domain 的調變方法，可靠度遠高於 ASK 或 OOK，有的上面還有 data link layer 幫你算 CRC、檢查資料的正確性，以及 network layer 處理定址的問題。

這裡面最常用的大概就是 Nordic 的 nRF2401L，它是一顆 2.4GHz 的 packet radio IC，用 GFSK 調變，頻道寬度 1MHz，速度最快可以到 1Mbps，整合度超高，只要加上 crystal 跟電源就可以工作 (當然還要天線的 matching network 啦)。nRF2401 很常用在物聯網的最後一段，用以連接裝置與 gateway。但很可惜的是它工作在非常吵雜的 2.4GHz band，我們說好不用 2.4GHz 的。出局。

我沒有堅持一定要用 430MHz 或 315MHz 的 RF 系統，但 GHz 以上的 RF 系統穿透力都相對弱，雖然波長短的系統天線會比較好設計，但在簡報筆這種應用上我還是偏好 sub-GHz 的系統。

Si4432

我想到 Silicon Labs 有一整個系列的 EZRadio 跟 EZRadioPRO 產品，都工作在 sub-GHZ band。我以前用過其中一顆 Si4432 設計無線的資料收集系統，對它還算熟，就決定用它了。

Si4432 也是一顆整合度很高的 packet radio SoC，它裡面有完整的 MAC、modem、頻率範圍超寬廣的 PLL、以及最大 20dBm 輸出的 PA。雖然 20dBm，也就是 100mW 聽起來好像不大，但它的接收感度高達 -121dBm，如果配上 FSK 或 GFSK 這種可靠度高的調變方法，再把 data rate 放慢，傳個幾百公尺一點都不是問題。

這是 Si4432 的 block diagram，是一個很典型的 RF transceiver。收到的訊號經過 LNA 放大後，與 local oscillator 產生的 I/Q 震盪訊號混合後降到中頻並分離 I/Q。分離後的 I/Q 訊號就直接送往 ADC 進入 digital domain 了。

根據 datasheet 上的說法，Si4432 的中頻是 crystal 頻率的 1/32，937.5KHz，在進入接收模式的時候 PLL 的頻率會自動往下偏移一個中頻的頻率，以確保混頻器的輸出含有正確的中頻頻率。

但其實 Si4432 支援的三種調變方法 OOK/FSK/GFSK 都不是 complex modulation，其實不一定要用 I/Q demodulation。在很多 FSK 或 GFSK 的接收晶片上也很常用 frequency detector 來處理。

而發射的部分就完全沒有 I/Q modulator 的影子，不管是 OOK 還是 FSK/GMSK 都可以直接控制 VCO 的輸出有無或頻率偏移來完成。

實戰

為了快速建立一個可以做實驗的系統，我去淘寶上買了 433MHz 的 Si4432 模組。Si4432 支援的頻率非常廣，從 240MHz 到 960MHz，工作在不同頻段時 antenna matching network 的設計需要跟著改變，因此買模組時要指定頻段。

市場上大部分的 RF 模組為了自動組裝方便，都會做成郵票孔的 SMD 模組，但我為了做實驗方便，特別去找了帶排針的模組。這個模組上除了 Si4432 跟 crystal 外，還有完整的 matching network 跟 antenna switch，只要焊上天線加上電源就可以動了。

這是 datasheet 中 Si4432 的參考線路。Si4432 的接收跟發射 port 是分開的，因此需要外加 antenna switch。而且它的接收 port 是 differential 的，因此跟 single-end 的 antenna switch 連接時還需要一個 balun 電路做平衡到不平衡的轉換。圖中的 C4、L4、C5 就是這個 discrete balun。

要怎麼控制它呢 ? Si4432 用 SPI 介面跟 MCU 溝通，除了標準的 4 隻 SPI 接腳外，Si4432 還提供了 interrupt 的輸出，讓 MCU 可以用 ISR 來處理各種通訊時的事件。當然你也可以用 polling SPI 暫存器的方法來做到同樣的事，只是程式會比較難寫。

站在巨人的肩膀上

Si4432 的功能非常強大，但控制起來也很複雜，它裡面足足有 128 個控制用的暫存器，如果要全部從頭自己寫程式來控制，會是非常大的工程。

做事情要懂得站在巨人的肩膀上。幾年前我用 Si4432 設計資料收集系統時，曾經用過一個叫做 RF22 的 library。這個 library 本來是設計給一個叫 RFM22 的 RF module，而 RFM22 上面那顆 RF 晶片剛好跟 Si4432 pin-to-pin、register-to-register 相容，不知道是誰抄誰。

當我再度造訪 RF22 的網站時，發現這個 library 已經停止開發，並且整併到一個叫 RadioHead 的 library 裡了。RadioHead 是一個包山包海的 packet radio library，除了 Si4432 外還支援一大堆其它的 RF 晶片，像 Nordic 的 nRF905、Semtech 的 SX1231 LoRa 晶片、和前面提過的 nRF2401L 等。

這個 library 是為 Arduino 開發的，但由於它並沒有用到什麼 Arduino 特有的功能，而且底層就只靠 SPI 跟 Si4432 溝通，因此可以輕易移植到其它處理器上執行。

不過我還是決定偷懶用 Arduino 做。

Si4432 只支援 3.3V，而我手上大部分的 Arduino 板子，不管是大片的 Uno 或是小片的 Pro Mini、Pro Micro 都是 5V 的版本。為了避免另外加 level shifter 的麻煩，我先用 ESP8266 來做實驗。

我拿了兩片 NodeMCU 跟 Si4432 模組，各接七條線把它們連起來，就可以開始做實驗了。

做通訊系統最麻煩的地方就是所有的東西都要做兩套。不管是做單工的的系統 (一端發射一端接收)，或是雙工的系統 (兩端都能發射和接收)，都要做兩套。

雖然簡報遙控器理論上用單工的系統就做得到，但為了讓這個系統更可靠，我決定要讓接收器在收到訊號後送一個 acknowledment 出來給發射器，並在發射器上透過某些使用者介面讓簡報的人收到一些回饋。Si4432 本身就是半雙工的發射、接受器，因此可以輕易做到這一點。

RadioHead 的 library 附了不少範例，包括了簡單的 client/server 通訊、可定址的 mesh network，以及更複雜的 routable network 等。但其實做簡報遙控器只需要用到 client/server 的範例，於是我就開了這兩個範例，照著 ESP8266 SPI 介面的規格修改了兩隻 I/O 腳的設定，就可以跑了。

RadioHead 的 library 在不同的處理器上執行時，需要修改兩隻腳的設定：SPI 的 CS 以及 IRQ 腳。

它的物件是這樣宣告的:

RH_RF22 object(CS, IRQ);

RadioHead 預設透過 Arduino 的標準 SPI library 使用 CPU 本身的硬體 SPI 介面，但如果硬體 SPI 有其它用途的話，它也有內建一個 bit-bang 的 SPI module，不過速度會比 native 的 SPI 慢很多。至於 SPI 的 CS 腳，本來就是軟體定義，因此可以指定到任何一隻腳。

比較特殊的是 IRQ 腳，對大部分 ATmega-based 的 Arduino 板子來說，能當 interrupt 輸入的接腳是有限制的，因此在設定 RadioHead 時，IRQ 腳就只能設定給可以接受中斷輸入的接腳。比如說在 Pro Micro 上，就只有 0、1、2、3、7 可以接受中斷輸入，如果把 IRQ 設定給這幾隻以外的接腳，RadioHead 就沒辦法正確動作。不過 ESP8266 的每一隻 I/O 腳都可以接受中斷輸入，因此做實驗時沒有甚麼限制。

總之，沒有什麼意外地，我成功地讓兩片 ESP8266 透過 Si4432 用 2.4Kbps 的速度互傳訊息了。接下來，就可以做板子了。

(未完待續)