Ještě před samotným návrhem zařízení je nutná důkladná analýza funkcí a následný výběr bezdrátového standardu. Několik bezdrátových standardů pracuje v populárním bezlicenčním 2,4 GHz pásmu. Každý z těchto standardů představuje kompromis mezi dosahem, propustností a spotřebou energie. V dnešní době navrhovat bezdrátovou konektivitu jen pomocí radiofrekvenčního transceiveru a diskrétních součástek není efektivním řešením. Komplikace s návrhem anténní části a časová náročnost s testováním kvůli certifikaci vede k elegantnímu řešení a to použít certifikovaný multi protokolový SoC modul. To eliminuje složitost RF designu s diskrétními součástmi a umožňuje flexibilitu při volbě bezdrátového protokolu.

Tento článek se zabývá výhodami bezdrátového připojení, zabývá se výhodami některých klíčových bezdrátových protokolů 2,4 GHz, stručně analyzuje problémy návrhu hardware a představí RF modul od Würth Elektronik. Článek se také dotkne problematiky certifikačního procesu a představí softwarovou sadu SDK, která celý vývoj zjednoduší.

Výhody multi protokolového SoC modulu

Nelze říci, že ten nebo onen bezdrátový protokol je nejlepší. Výběr vlastností se provádí vždy na základě konkrétní aplikace. Například se zvolí větší dosah nebo propustnost na úkor zvýšené spotřeby energie. Dalšími důležitými faktory, které je dobré vzít v úvahu je odolnost vůči rušení a interoperabilita s internetovým protokolem (IP).

Mezi tři nejvíce používané bezdrátové protokoly krátkého dosahu patří Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE), Zigbee a Thread. Tyto protokoly vychází ze specifikace IEEE 802.15.4, která popisuje fyzickou vrstvu (PHY) a vrstvu MAC (media access control) pro bezdrátové osobní sítě (WPAN) s nízkou datovou rychlostí. Technologie obecně pracují na frekvenci 2,4 GHz, i když existují některé varianty Zigbee pracují v pásmu sub-GHz. Bluetooth LE je vhodný pro aplikace internetu věcí jako jsou inteligentní domácí senzory (obrázek 1). Interoperabilita Bluetooth LE s Bluetooth čipy umístěných uvnitř smartphonů je také velkou výhodou pro spotřebitelské aplikace jako jsou nositelná zařízení. Klíčovou nevýhodou této technologie je nutnost drahé a energeticky náročné brány (gateway) pro připojení ke cloudu.

Obrázek 1: Bluetooth LE se je vhodný pro inteligentní domácí senzory jako jsou kamery a termostaty. Jeho interoperabilita se smartphony zjednodušuje konfiguraci kompatibilních produktů. (Zdroj obrázku: Nordic Semiconductor)

Zigbee je dobrou volbou pro aplikace s nízkou spotřebou a nízkou propustností v průmyslové automatizaci, ale i domácím prostředí. Propustnost je nižší než u Bluetooth LE a dosah i spotřeba jsou na podobné úrovni. Zigbee není interoperabilní se smartphony ani nenabízí nativní IP schopnosti. Klíčová výhoda Zigbee je od základu navržena pro Mesh sítě.

Thread, stejně jako Zigbee, pracuje dle IEEE 802.15.4 PHY a MAC a byl navržena pro podporu velkých Mesh sítí až s 250 zařízeními. Thread se od Zigbee liší tím, že používá 6LoWPAN (kombinace IPv6 a nízkoenergetických WPAN), díky čemuž je konektivita s ostatními zařízeními a cloudem přímočará, i když prostřednictvím síťového Edge zařízení zvaného Border router. (Viz „A Brief Guide to What Matters in Short-Range Wireless Technologies“.)

Popularita těchto tří protokolů krátkého dosahu a jejich flexibilita ztěžují výběr, ​​který by vyhovoval nejširší sadě aplikací. Dříve bylo nutné vybrat jednu bezdrátovou technologii a poté produkt přepracovat, pokud se objevila poptávka po variantě využívající jiný protokol. Jelikož protokoly používají PHY založenou na podobné architektuře a pracují ve frekvenčním pásmu 2,4 GHz jsou k dispozici multi protokolové SoC moduly. Tyto moduly umožňují změnu protokolu nahráním nového firmware. Existují SoC moduly s více softwarovými sadami a přepínání mezi nimi je tak jednoduché a je pod kontrolou mikrokontroleru. Toho se využívá například u inteligentního domácího termostatu, kde se ke konfiguraci využije Bluetooth LE a následně se pak zařízení přepne na Thread a připojí se do sítě.

Nordic Semiconductor nRF52840 SoC podporuje Bluetooth LE, Bluetooth Mesh, Thread, Zigbee, IEEE 802.15.4, ANT+ a proprietární stack 2,4 GHz. Nordic SoC také obsahuje mikrokontroler Arm Cortex-M4, který se stará jak o RF protokol tak i o aplikační software. K dispozici je 1 Mbyte flash a 256 Kbyte RAM paměť. Při provozu v režimu Bluetooth LE nabízí SoC maximální propustnost dat 2 Mbit/s. Vysílací proud odebíraný z jeho 3 V vstupního zdroje je 5,3 mA při 0 dBm výstupního výkonu a odběr přijímacího (RX) proudu je 6,4 mA při rychlosti dat 1 Mbit/s. Maximální vysílací výkon nRF52840 je +8 dBm a jeho citlivost je -96 dBm (Bluetooth LE při 1 Mbit/s).

Kvalitně provedený RF design je základ

I když je Nordic nRF52840 velmi kvalitní modul, stále je nutné mít značné konstrukční dovednosti, aby se dosáhlo maximálního RF výkonu. Musí se správně navrhnout filtrování napájecího zdroje, obvody pro časování externích krystalů, umístění antény a především přizpůsobení impedance. Klíčovým parametrem, který odlišuje dobrý RF obvod od špatného, ​​je jeho impedance (Z). Při vysokých frekvencích jako je 2,4 GHz souvisí impedance v daném bodě na RF cestě a její charakteristické impedanci, která zase závisí na šířce radiové cesty a její vzdálenosti od zátěže a impedanci zátěže.

Ukazuje se, že když je impedance zátěže, kterou pro vysílací systém bude anténa a pro přijímací systém je transceiver SoC, rovna charakteristické impedanci, naměřená impedance zůstane stejná v jakékoli vzdálenosti podél trasy od zátěže. V důsledku toho jsou ztráty ve vedení na minimálních hodnotách a výkon, který je přenášen z vysílače na anténu maximální. Tím se dosáhne vysoké robustnosti a co největšího dosahu. Impedance RF zařízení by měla být rovna charakteristické impedanci RF cesty na desce.(Viz „ Bluetooth 4.1, 4.2 and 5 Compatible Bluetooth Low Energy SoCs and Tools Meet IoT Challenges (Part 2) “).

Přizpůsobovací obvod obsahuje jednu nebo více bočníkových tlumivek a sériových kondenzátorů. Úkolem je vybrat nejlepší topologii obvodu a hodnoty jednotlivých komponent. Výrobci často nabízejí simulační software, který pomáhá s návrhem přizpůsobovacího obvodu, ale i po dodržení návrhových pravidel může výsledný obvod často vykazovat neuspokojivý RF výkon, nedostatečný dosah a spolehlivost. To vede k dalším iteracím návrhu za účelem revize čili odstranění chyb (obrázek 2).

Obrázek 2: Nordic nRF52840 vyžaduje externí obvody jako je filtr vstupního napětí, podpora pro externí krystaly a přizpůsobovací impedanční obvody mezi SoC a anténou. (Zdroj obrázku: Nordic Semiconductor)

Výhody SoC modulu

Návrh bezdrátového obvodu s krátkým dosahem a s použitím diskrétních komponent má určité výhody, a to nižší náklady a úsporu místa. I když se budeme řídit referenčním návrhem, radiofrekvenční výkon může dramaticky ovlivnit kvalita a tolerance součástek, rozložení desky a materiál i tvar výsledného zařízení. Řešením je použití kompletního bezdrátového SoC modulu ve variantě tzv. „drop-in“. Tyto moduly jsou většinou již certifikovány, a to ušetří čas a peníze potřebné k absolvování RF certifikace pro různé trhy.

Jedním z příkladů, které využívají Nordic nRF52840, je rádiový modul 2611011024020 Setebos-I 2,4 GHz od Würth Elektronik. Kompaktní modul má rozměry 12 x 8 x 2 mm, má vestavěnou anténu, kryt pro minimalizaci elektromagnetického rušení (EMI) a je dodáván s firmwarem pro podporu Bluetooth 5.1 i proprietárních 2,4 GHz protokolů (obrázek 3). SoC v srdci modulu je také schopen podporovat Thread a Zigbee, a to pouhou změnou firmware.

Obrázek 3: Rádiový modul Setebos-I 2,4 GHz je dodáván v kompaktním provedení, má vestavěnou anténu a je dodáván s krytem pro snížení EMI. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

Modul je napájen z 1,8 až 3,6 V a v režimu spánku odebírá pouze 0,4 µA. Jeho pracovní frekvence je ISM pásmo 2,44 GHz (2,402 až 2,480 GHz). V ideálních podmínkách s výstupním výkonem 0 dBm je dosah mezi vysílačem a přijímačem až 600 metrů a maximální propustnost Bluetooth LE je 2 Mbit/s. Modul je vybaven vestavěnou anténou se čtvrtvlnovou délkou (3,13 cm). Dosah lze zvýšit připojením externí antény k pinu ANT (obrázek 4). 

Obrázek 4: Rádiový modul Setebos-I 2,4 GHz obsahuje pin ANT pro externí anténu k rozšíření dosahu. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

Tabulka 1 uvádí funkce jednotlivých pinů modulu. Piny „B2“ až „B6“ jsou programovatelné GPIO, které mohou sloužit pro připojení senzorů teploty, vlhkosti, kvality vzduchu a mnoho dalších.

Tabulka 1: Označení pinů rádiového modulu Setebos-I 2,4 GHz. LED výstupy mohou být použity pro indikaci rádiového vysílání a příjmu. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

Certifikace bezdrátového produktu s krátkým dosahem

Zatímco pásmo 2,4 GHz je bezlicenční, rádiová zařízení provozovaná v tomto pásmu musí splňovat předpisy FCC (Federální komunikační komise USA nebo CE (Evropské prohlášení o shodě či TELEC (Telecom Engineering Center v Japonsku). Schválení předpisů vyžaduje předložení reportů z testování a certifikaci. Pokud RF produkt neuspěje v kterékoli části testu, musí být celý proces absolvován znova, a to stojí čas a peníze. Pokud modul používá Bluetooth, je vyžadována také registrace nazývaná „Bluetooth listing“ od Bluetooth Special Interest Group (SIG).

Certifikace modulu automaticky neznamená získání certifikace výsledného produktu. Obvykle se však certifikace pro výsledný produkt proměňuje spíše v papírování než v rozsáhlé opakované testování. Totéž obecně platí i při získávání Bluetooth registrace. Po certifikaci jsou produkty využívající modul opatřeny ID štítkem označujícím FCC, CE a další identifikační údaje (obrázek 5).

Obrázek 5: Příklad ID štítku modulu, který ukazuje, že prošel certifikací CE a FCC RF. Konečná certifikace se změní na papírování. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

Výrobci modulů obvykle certifikují své moduly pro regiony, ve kterých je zamýšlen prodej. Moduly prošli certifikací s továrním firmware. Pokud budeme výsledný produkt papírově certifikovat, musíme doložit, že výsledný produkt bude používat sadu nRF Connect SDK a stack Nordic S140 Bluetooth LE. Firmware Würth a Nordic je robustní a osvědčený pro jakoukoli aplikaci. Pokud je v modulu použit program s otevřeným standardem Bluetooth LE nebo proprietárním stackem 2,4 GHz nebo jiná alternativa, celá certifikace bude muset začít od počátku čili testování a čas.

Vývojové nástroje pro rádiový modul Setebos-I

K dispozici je kompletní softwarová knihovna Nordic nRF Connect SDK pro vytváření aplikačního software běžící na nRF52840 SoC. Rozšíření nRF Connect for VS Code je doporučeným integrovaným vývojovým prostředím (IDE), ve kterém lze spouštět nRF Connect SDK. Je také možné použít nRF Connect SDK k nahrání alternativního protokolu Bluetooth LE nebo 2,4 GHz proprietárního protokolu do nRF52840. ( Pak je ale nutné výsledný produkt certifikovat testováním – nestačí již jen papírování).

nRF Connect SDK spolupracuje s vývojovou sadou nRF52840 DK (obrázek 6). Hardware obsahuje nRF52840 SoC a podporuje vývoj a testování prototypu. Jakmile je aplikační software připraven, může nRF52840 DK fungovat jako programátor J-LINK pro nahrávání kódu do paměti flash rádiového modulu Setebos-I nRF52840 prostřednictvím pinů „SWDCLK“ a „SWDIO“.

Obrázek 6: Nordic nRF52840 DK lze použít k vývoji a testování aplikačního software. Vývojový kit pak lze použít k programování dalších SoC nRF52840, jako je ten, který je použit na modulu Setebos-I. (Zdroj obrázku: Nordic Semiconductor)

Aplikační software vytvořený pomocí vývojových nástrojů Nordic je navržen tak, aby běžel na integrovaném MCU Arm Cortex-M4 nRF52840. Může se však stát, že výsledný produkt je již vybaven jiným mikrokontrolerem například STM32F429ZIY6TR od STMicroelectronics. Tento mikrokontroler je také založen na jádru Arm Cortex-M4. Aby mohl externí hostitelský mikroprocesor spouštět aplikační software a dohlížet na nRF52840 SoC, Würth Elektronik nabízí sadu Wireless Connectivity SDK.

Wireless Connectivity SDK je sada softwarových nástrojů, která umožňuje rychlou softwarovou integraci bezdrátových modulů s mnoha populárními procesory, včetně STM32F429ZIY6TR. SDK se skládá z ovladačů a příkladů komunikace přes rozhraní UART, SPI nebo USB. Tyto rozhraní se používají pro komunikaci s připojeným rádiovým modulem (obrázek 7). Přenést SDK C kód do jiného hostitelského mikrokontroleru je jednoduchou záležitostí. To výrazně zkracuje čas potřebný k návrhu softwarového rozhraní pro rádiový modul.

Obrázek 7: Ovladač Wireless Connectivity SDK Driver usnadňuje ovládání rádiového modulu Setebos-I přes port UART pomocí externího hostitelského mikroprocesoru. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

Rádiový modul Setebos-I používá „příkazové rozhraní“ pro konfigurační a provozní úlohy. Toto rozhraní poskytuje až 30 příkazů, které plní úkoly jako je aktualizace, přenos a příjem dat a uvedení modulu do jednoho z různých režimů nízké spotřeby. Aby bylo možné používat sadu Wireless Connectivity SDK, musí připojené rádiové zařízení běžet v příkazovém režimu.

Závěr

Není jednoduché se rozhodnout pro jeden bezdrátový protokol. Rádiový modul Setebos-I od Würth Elektronik nabízí nejen flexibilitu při volbě protokolu, ale nabízí také řešení pro připojení typu drop-in. Navíc modul splňuje regulační požadavky v různých zemích. Modul Sebetos-1 je dodáván se sadou Würth Wireless Connectivity SDK, která umožňuje snadno a rychle ovládat modul pomocí hostitelského mikrokontroleru.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com