【Tutorial】解析支援 LoRa 的 Sertek 版 Quark SE C1000 開發板

Posted By 陸向陽 on 11 月 9, 2017 in Intel, 教學文, 案例研究, 開發套件 | 0 comments

作者：陸向陽

Intel Quark SE C1000的體驗開發評估上，除了Intel自己官方的開發板外，Sertek也有推出自己的版本。Sertek版在週邊晶片及感測器的配置上，幾乎都比Intel更完整，其中又以具備LoRa收發器晶片模組為其特點，這是Intel版缺乏的部份。

因此，筆者以下針對LoRa收發器方面，進行更多的硬體層面探索了解，希望讓其他對Sertek版Quark SE C1000開發板，以及LoRa晶片技術有興趣的人，多一些參考資訊。

Sertek版的Quark SE C1000開發板中，最上層為無線收發器模組板，板上有藍牙（BLE）收發器模組與LoRa收發器模組。

LoRa模組特性

首先，Sertek並非直接使用LoRa的收發器晶片，而是向台灣的環天世通科技（GlobalSat WorldCom Corporation）購買收發器模組，模組內的主體除了晶片外，也包含其他搭配的電子元件。

模組的編號為LM-230H，其實還有一款為LM-230L，差別只在於運作頻率，前者在於410MHz~525MHz頻段，後者為862MHz~1020MHz頻段，不同的頻段主要在適應不同的國區，目前低於1GHz（Sub-1GHz）的頻段，各國法規的開發尺度不一，例如美國只准用915MHz，歐洲則准用868MHz。LM-230H內的LoRa收發器晶片是美國Semtech公司的SX127x（x=6/7/8/9）。

SX127x晶片的發送功率最高100mW（毫瓦），發送距離則在1公里～10公里。在收發到信號後，是透過UART介面（晶片本身可選擇用I2C、SPI或UART等介面，但模組設計上預設選定UART）傳送給其他晶片，而其UART支持多種傳輸率（更正規說是鮑率baud rate），包含1200/2400/4800/9600/19200/38400/57600bps等，預設值是9600bps

LoRa定位是低功耗無線廣域網路（Low-Power Wide Area Network, LPWAN），因此不需要太高的資料傳輸量。除了傳輸率外，在傳輸的同位查核校驗上則支援8N1、8E1、8O1等格式。也因為是LPWAN，所以LoRa收發器晶片SX127x強調長距離、高覆蓋傳輸，最遠可達10公里，但這也必須付出僅有0.81kbps資料傳輸量的代價。

同理，傳輸距離能很遠，是因為接收端的靈敏度較高，在相同發送功率下（各國多有規範，不允許晶片無限上綱地加大發送功率，以免影響環境與生物），自然可以傳輸較遠，同樣是0.81kbps的極低傳輸率時，SX127x 也可以有-132dBm的接收靈敏度。

接腳配置說明

進一步說明，SX127x晶片共有28支接腳，但由於環天已將晶片包裝成模組，許多接腳的對應電路已經實現，真正顯露到模組外的剩14支接腳。

在14支接腳中，有些只單純的供電需求，如VCC、GND接腳；有的是天線接腳（模組本身提供IPEX天線連接器，而Sertek板子上還備有同軸的RF連接器）；有的只是保留而尚未定義或者是重置（Reset/RST，Semtech官方資料寫NRESET，模組技術資料則是寫NRST）接腳等；真的與外部MCU晶片有關的接腳只有5支：RXD、TXD、BZ、P1、P2。

LoRa收發器模組的兩個天線位置

圖右為LM-230模組，圖左為模組外的MCU微控制器晶片，在本文即是指Quark SE C1000。

其中RXD、TXD即是UART介面，用來傳輸資料用的，若與其他MCU微控制器晶片連接，即是RXD接TXD，TXD接RXD。而BZ接腳是對外輸出用的，告知外部晶片目前收發器晶片的運作狀態，筆者推測此應該是指忙碌（Busy）狀態輸出，對應到Semtech官方資料中的RXTX/RF_MOD狀態輸出接腳。

收發模組運作模式

所以真正需要了解的只有P1、P2接腳，是對模組進行運作模式設定的接腳，透過外部MCU來操控這兩支接腳，賦予收發模組不同的運作模式。

1. Normal Mode

第一種模式是正常模式（Normal Mode），P1接腳、P2接腳均為0（低電位、接地等），這模式下UART開啟、無線通道（Wireless Channel）也是開啟，可進行收發。

2. Wake-Up Mode

第二種模式是喚醒模式（Wake-Up Mode），MCU晶片須對P1接腳輸出0，對P2接腳輸出1（高電位）。這個模式與正常模式相同，無論UART或無線通道都是開啟著的，差別是喚醒模式的前導信號時間比較長，讓接收端有較足夠的時間從省電模式脫離，進入正常收發模式。

提醒各位，接收端無論是在哪一種模式，都可以被遠端的收發器給喚醒，接收端會自動在接收資料的最後加上RSSI（Received Signal Strength Indicator）接收信號強度指示的資訊。

3. Power-Saving Mode

第三種是省電模式（Power-Saving Mode），UART介面關閉，無線通道處於省電模式中，開發者可以設定0.5秒～5秒的間隔時間來喚醒，檢查是否有遠端來的前導信號，如果有就會啟動UART，並通知MCU準備處理收發資料，當收發結束後就會重新回返到省電模式，並維持規律的間隔時間偵測。

4. Setup Mode

第四種是設定模式（Setup Mode），這時UART跟無線通道都是關閉著的，這個模式一般情況下不使用，只有在對收發晶片進行組態設定時才會使用。

說明四種模式後，其中P1、P2、BZ是如何與MCU連接的呢？在Sertek板子上當然是與Intel Quark SE C1000晶片連接，而無論Intel版或Sertek版，都是採行相容Arduino Uno R3的I/O接腳排列。因此P1、P2、BZ是動用A1、A2、A3接腳來連接，不過在這裡不把這些接腳當ADC（類比數位轉換）的輸入接腳來用，只純當一般I/O接腳（GPIO），其中與P1、P2連接的設定為輸出，與BZ連接的設定為輸入。

這些連接工作，再配搭上Sertek的收發器電路板後就完成了。程式規劃與撰寫時，要知道實際上用及這些接腳，進而方便變數宣告與操控。不過一般情況下是使用正常模式，如此直接把P1、P2接腳接地即可，不用再行操控。

LM-230模組與Quark SE C1000晶片間的對應連接腳位。

直接將模組的P1、P2接腳接地（低電位）設定成正常模式，這會比喚醒模式、省電模式來的耗電些。

小結

概略了解Sertek為Quark SE C1000提供的LoRa模組後，其實同一片板子上還有一個藍牙收發模組，該模組透過UART、SPI、I2C等介面與C1000晶片連接，其中UART部份有一組與LoRa重疊，若想同時使用兩種通訊，則有必要避開。而有關藍牙的部份，與Intel官方板完全相同，在此就不重複贅述。希望本文能對Quark SE C1000與LoRa有興趣的人有一點幫助。

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