eng
DOI: 10.22184/1992-4178.2021.208.7.120.123
Компания Texas Instruments предлагает ряд продуктов для сетей Bluetooth, позволяющих создать оптимальное решение для широкого спектра приложений. В статье рассмотрены основные сведения о технологии Bluetooth, эволюции этого стандарта, особенностях изделий компании TI, предназначенных для реализации этой технологии.
Компания Texas Instruments предлагает ряд продуктов для сетей Bluetooth, позволяющих создать оптимальное решение для широкого спектра приложений. В статье рассмотрены основные сведения о технологии Bluetooth, эволюции этого стандарта, особенностях изделий компании TI, предназначенных для реализации этой технологии.
Теги: bluetooth low energy piconet processor core rf core system in package transceiver wireless wireless microcontroller беспроводная связь беспроводной микроконтроллер пикосеть процессорное ядро радиочастотное ядро система в корпусе трансивер
Решения Texas Instruments для беспроводных сетей Bluetooth
Д. Садеков
Технология беспроводной связи на небольшие расстояния (до 100 м) Bluetooth нашла сегодня широкое распространение, в первую очередь, в гражданской электронике. Эта универсальная и недорогая технология подходит для организации обмена данными между мобильными устройствами, персональными медицинскими приборами, в автомобильных системах, бытовой электронике, сетях датчиков и т. д. Компания Texas Instruments предлагает ряд продуктов для сетей Bluetooth, позволяющих создать оптимальное решение для широкого спектра приложений. В статье рассмотрены основные сведения о технологии Bluetooth, эволюции этого стандарта, особенностях изделий компании TI, предназначенных для реализации этой технологии.
Для работы сетей Bluetooth выделен частотный диапазон от 2,402 до 2,480 ГГц. В основе технологии – адаптивная скачкообразная перестройка частоты (Adaptive Frequency Hopping). Для исключения взаимного влияния данный диапазон поделен на 79 каналов шириной 1 МГц (или 40 каналов шириной 2 МГц для варианта Bluetooth Low Energy). Участвующие в соединении устройства меняют частоту 1600 раз в секунду, причем это происходит случайным, известным только этим устройствам, способом. Поэтому очень мала вероятность того, что два или более одновременно активных соединений будут работать на одной и той же частоте в одно и то же время.
По дальности действия Bluetooth-устройства делятся на устройства первого класса (дальность на открытом пространстве более 100 м), второго класса (более 10 м) и третьего класса (1 м).
Bluetooth объединяет устройства в так называемые пикосети (piconet), то есть небольшие по количеству и расстоянию между устройствами беспроводные сети передачи данных.
В простейшем случае пикосеть – это два связанных между собой Bluetooth-устройства. Устройство, которое инициирует и поддерживает соединение, является ведущим (master), а другое – ведомым (slave). Ведущее устройство может организовать до семи соединений с ведомыми устройствами. Общая суммарная скорость передачи данных не может превышать максимум для данной технологии. Bluetooth предусматривает работу различных пикосетей в одном и том же пространстве и на одной и той же частоте. Таких сетей может быть несколько, и соединения не создают помех друг другу.
В зависимости от реализуемой версии стандарта Bluetooth-устройства значительно отличаются по своим характеристикам. Устройства стандарта Bluetooth 2.1 и более ранних версий ориентированы на передачу значительных объемов информации, при этом их энергопотребление может составлять десятки или сотни мВт. Устройства, реализующие спецификацию Bluetooth 4.0 и выше, называемые также Bluetooth Low Energy (BLE), отличаются существенно более низким энергопотреблением, что обеспечивает их работу от батарей на протяжении нескольких лет. При этом скорость передачи и дальность действия таких модулей также значительно ниже по сравнению с модулями стандартов Bluetooth 3, Bluetooth 2.1, которые относят к категории Bluetooth Classic.
На сегодняшний день последней спецификацией стандарта является версия Bluetooth 5.2, которая была опубликована группой Special Interest Group (SIG) 6 января 2020 года. Эта группа, в которую сейчас входит около 14000 компаний, занимается развитием стандарта Bluetooth. Cпецификация Bluetooth 5 была опубликована в конце 2016 года и стала наиболее кардинальным изменением стандарта с момента появления Bluetooth Low Energy. Ее основные особенности:
Компания Texas Instruments предлагает линейку продуктов для реализации связи по протоколу Bluetooth, в состав которой входят трансиверы, беспроводные микроконтроллеры и модули на их основе (табл. 1).
Трансиверы серии CC2564x – двухрежимные устройства, с поддержкой как базовой (Basic Rate – BR), так и повышенной скорости передачи (Enhanced Data Rate – EDR), а также Bluetooth Low Energy. Архитектура устройства основана на однопроцессорном ядре ARM7TDMI. В состав устройства входит периферия для связи с хост-системой.
Предусмотрено несколько режимов работы с пониженным потреблением. Трансиверы отвечают спецификации Bluetooth 5.1, работают вплоть до уровня HCI (Host Controller Interface), что обеспечивает удвоенную пропускную способность и возможность использования различных стеков протоколов Bluetooth, совместимых со многими микроконтроллерами и микропроцессорами. Для этих устройств TI предлагает бесплатный программный стек Bluetooth со множеством профилей и приложений для различных платформ, включая микроконтроллеры Arm Cortex-M4. Ключевые приложения для микросхем серии CC2564x: беспроводные гарнитуры и аудиоколонки; информационно-развлекательные системы и системы экстренного вызова; портативные медицинские приборы; ресиверы цифрового телевидения; сети датчиков; поддержка устаревших устройств с Bluetooth Classic и др.
Беспроводные микроконтроллеры CC2640x семейства SimpleLink на базе 32‑разрядного ядра Arm Cortex-M3 представляют собой законченные решения Bluetooth Low Energy, оснащенные флеш-памятью объемом 128 кбайт и ОЗУ объемом 28 кбайт. Они содержат встроенный 8‑канальный 12‑битный АЦП, 8‑битный ЦАП, два компаратора, а также набор интерфейсов: UART, два канала SPI, I2C, I2S. Встроенный контроллер датчиков способен выполнять автономный сбор данных, пока остальные блоки устройства находятся в режиме сна, что обеспечивает максимальный срок службы батареи. Эти микросхемы подходят для широкого спектра приложений, включая бытовую технику, автоматизацию зданий, медицинское оборудование.
Более производительные микроконтроллеры CC2642x отвечают спецификации Bluetooth 5.2 и построены на базе 32‑разрядного ядра Arm Cortex-M4F. Они содержат флеш-память объемом 352 кбайт и ОЗУ объемом 88 кбайт, а также полный набор периферии, как и микроконтроллеры семейства CC2640x. Они походят для приложений, требующих больший объем встроенной памяти. Для этих микроконтроллеров TI предлагает гибкий бесплатный программный стек, который, в отличие от трансиверов серии CC2564x, интегрирован в микросхему.
Texas Instruments предлагает также беспроводной микроконтроллер и модуль семейства CC2650x с поддержкой различных стандартов связи в диапазоне частот 2,4 ГГц. Эта мультистандартная платформа поддерживает несколько технологий беспроводной передачи данных: Bluetooth, ZigBee, 6LoWPAN и ZigBee RF4CE для пультов дистанционного управления. Микроконтроллер построен на базе 32‑разрядного ядра ArmCortex-M3 с рабочей частотой до 48 МГц. Чрезвычайно малый ток потребления микроконтроллера и радиочастотного блока в активном режиме и в режиме пониженного потребления обеспечивает длительное время работы устройства от одноэлементной аккумуляторной батареи таблеточного типа или от схемы накопления энергии из окружающей среды.
Контроллер Bluetooth Low Energy (BLE) и контроллер доступа к среде IEEE 802.15.4 работают под управлением отдельного процессора Arm Cortex-M0. Такая архитектура улучшает общую производительность системы и снижает ее энергопотребление, а также освобождает флеш-память для исполнения прикладных задач. Стеки протоколов Bluetooth Smart и ZigBee можно бесплатно скачать с сайта компании TI.
В микроконтроллер встроена флеш-память объемом 128 кбайт и ОЗУ объемом 28 кбайт, в устройстве реализована функция обновления встроенного программного кода по радиочастотному каналу (OTA). В состав периферии входят четыре модуля таймеров (8 × 16 бит или 4 × 32 бит), каждая линия цифрового периферийного блока может быть выведена на любой порт ввода / вывода общего назначения. Микроконтроллер оснащен модулем шифрования AES‑128, генератором действительно случайных чисел (TRNG). Предусмотрены 10, 15 или 31 линия ввода / вывода общего назначения в зависимости от типа корпуса и поддержка до восьми емкостных сенсорных кнопок. В устройство встроен датчик температуры.
Новинками продуктовой линейки TI являются микроконтроллеры и модули семейства CC2652x (рис. 1). В отличие от семейства СС2650х, новые устройства построены на 32‑разрядном ядре Cortex-M4F (48 МГц) и оснащены увеличенным объемом флеш-памяти (352 кбайт) и ОЗУ (88 кбайт), а микроконтроллеры серии CC2650x7 содержат еще больший объем памяти – 704 и 152 кбайт, соответственно. Семейство включает в себя однодиапазонные (только SuB1GHz или 2,4 ГГц) и двухдиапазонные решения (Sub1GHz + 2,4 ГГц), предназначено для работы с беспроводными протоколами BLE 5.2, Zigbee 3.0, IEEE 802.15.4g, 6LoWPAN, Thread и др. Максимальной дальности связи удалось добиться благодаря тому, что цепи радиотракта выполнены раздельно для каждого диапазона. Также расширен набор периферии – разработчик получает в свое распоряжение два UART, два компаратора, 8‑канальный 12‑разрядный АЦП, два интерфейса SPI, I2C, I2S, восемь таймеров и пр. Микросхемы совместимы по выводам с семейством СС2650x в корпусах 7 × 7 мм, а единая структура ПО позволяет разработчику мигрировать между различными беспроводными протоколами и добавлять новые стандарты в существующие изделия без обновления аппаратной части выпускаемой продукции.
Для реализации различных беспроводных протоколов в микросхемах предусмотрено специальное ядро Cortex-M0, которое обеспечивает исполнение низкоуровневых радиопротоколов непосредственно из ПЗУ, что освобождает флеш-память для пользовательских приложений. При этом специальное ПЗУ радиоядра позволяет
реализовывать дополнительные протоколы без выпуска новых версий устройства.
Микроконтроллеры CC2652x предназначены для широкого спектра применений в гражданской электронике: детекторы движения, системы кондиционирования и видеонаблюдения, интеллектуальные счетчики, коммуникационное оборудование, медицинские приборы, бытовая электроника и др.
В рамках семейства CC2652x TI предлагает систему в корпусе CC2652PSIP с интегрированными компонентами для DC / DC-преобразователя, кварцевым генератором и усилителем мощности. Эта СвК позволяет реализовать готовые решения для различных приложений гражданской электроники.
* * *
Продукцию компании Texas Instruments в Россию поставляет независимый дистрибьютор – холдинг «Золотой Шар» (www.zolshar.ru), один из ведущих поставщиков импортных и отечественных электронных компонентов. ●
Д. Садеков
Технология беспроводной связи на небольшие расстояния (до 100 м) Bluetooth нашла сегодня широкое распространение, в первую очередь, в гражданской электронике. Эта универсальная и недорогая технология подходит для организации обмена данными между мобильными устройствами, персональными медицинскими приборами, в автомобильных системах, бытовой электронике, сетях датчиков и т. д. Компания Texas Instruments предлагает ряд продуктов для сетей Bluetooth, позволяющих создать оптимальное решение для широкого спектра приложений. В статье рассмотрены основные сведения о технологии Bluetooth, эволюции этого стандарта, особенностях изделий компании TI, предназначенных для реализации этой технологии.
Для работы сетей Bluetooth выделен частотный диапазон от 2,402 до 2,480 ГГц. В основе технологии – адаптивная скачкообразная перестройка частоты (Adaptive Frequency Hopping). Для исключения взаимного влияния данный диапазон поделен на 79 каналов шириной 1 МГц (или 40 каналов шириной 2 МГц для варианта Bluetooth Low Energy). Участвующие в соединении устройства меняют частоту 1600 раз в секунду, причем это происходит случайным, известным только этим устройствам, способом. Поэтому очень мала вероятность того, что два или более одновременно активных соединений будут работать на одной и той же частоте в одно и то же время.
По дальности действия Bluetooth-устройства делятся на устройства первого класса (дальность на открытом пространстве более 100 м), второго класса (более 10 м) и третьего класса (1 м).
Bluetooth объединяет устройства в так называемые пикосети (piconet), то есть небольшие по количеству и расстоянию между устройствами беспроводные сети передачи данных.
В простейшем случае пикосеть – это два связанных между собой Bluetooth-устройства. Устройство, которое инициирует и поддерживает соединение, является ведущим (master), а другое – ведомым (slave). Ведущее устройство может организовать до семи соединений с ведомыми устройствами. Общая суммарная скорость передачи данных не может превышать максимум для данной технологии. Bluetooth предусматривает работу различных пикосетей в одном и том же пространстве и на одной и той же частоте. Таких сетей может быть несколько, и соединения не создают помех друг другу.
В зависимости от реализуемой версии стандарта Bluetooth-устройства значительно отличаются по своим характеристикам. Устройства стандарта Bluetooth 2.1 и более ранних версий ориентированы на передачу значительных объемов информации, при этом их энергопотребление может составлять десятки или сотни мВт. Устройства, реализующие спецификацию Bluetooth 4.0 и выше, называемые также Bluetooth Low Energy (BLE), отличаются существенно более низким энергопотреблением, что обеспечивает их работу от батарей на протяжении нескольких лет. При этом скорость передачи и дальность действия таких модулей также значительно ниже по сравнению с модулями стандартов Bluetooth 3, Bluetooth 2.1, которые относят к категории Bluetooth Classic.
На сегодняшний день последней спецификацией стандарта является версия Bluetooth 5.2, которая была опубликована группой Special Interest Group (SIG) 6 января 2020 года. Эта группа, в которую сейчас входит около 14000 компаний, занимается развитием стандарта Bluetooth. Cпецификация Bluetooth 5 была опубликована в конце 2016 года и стала наиболее кардинальным изменением стандарта с момента появления Bluetooth Low Energy. Ее основные особенности:
- двукратное увеличение скорости передачи (2 Мбит / c вместо 1 Мбит / c в предыдущих версиях), что, помимо увеличения пропускной способности, также обеспечивает снижение энергопотребления устройств за счет сокращения времени передачи пакетов;
- четырехкратное увеличение дальности действия (передача может осуществляться не только на повышенной скорости 2 Мбит / с, но и на пониженных скоростях 125 и 500 кбит / с;
- увеличивается чувствительность устройств и, соответственно, радиус действия);
- восьмикратное увеличение емкости передаваемых пакетов (полезная нагрузка пакетов увеличивается с 31 до 255 байтов).
Компания Texas Instruments предлагает линейку продуктов для реализации связи по протоколу Bluetooth, в состав которой входят трансиверы, беспроводные микроконтроллеры и модули на их основе (табл. 1).
Трансиверы серии CC2564x – двухрежимные устройства, с поддержкой как базовой (Basic Rate – BR), так и повышенной скорости передачи (Enhanced Data Rate – EDR), а также Bluetooth Low Energy. Архитектура устройства основана на однопроцессорном ядре ARM7TDMI. В состав устройства входит периферия для связи с хост-системой.
Предусмотрено несколько режимов работы с пониженным потреблением. Трансиверы отвечают спецификации Bluetooth 5.1, работают вплоть до уровня HCI (Host Controller Interface), что обеспечивает удвоенную пропускную способность и возможность использования различных стеков протоколов Bluetooth, совместимых со многими микроконтроллерами и микропроцессорами. Для этих устройств TI предлагает бесплатный программный стек Bluetooth со множеством профилей и приложений для различных платформ, включая микроконтроллеры Arm Cortex-M4. Ключевые приложения для микросхем серии CC2564x: беспроводные гарнитуры и аудиоколонки; информационно-развлекательные системы и системы экстренного вызова; портативные медицинские приборы; ресиверы цифрового телевидения; сети датчиков; поддержка устаревших устройств с Bluetooth Classic и др.
Беспроводные микроконтроллеры CC2640x семейства SimpleLink на базе 32‑разрядного ядра Arm Cortex-M3 представляют собой законченные решения Bluetooth Low Energy, оснащенные флеш-памятью объемом 128 кбайт и ОЗУ объемом 28 кбайт. Они содержат встроенный 8‑канальный 12‑битный АЦП, 8‑битный ЦАП, два компаратора, а также набор интерфейсов: UART, два канала SPI, I2C, I2S. Встроенный контроллер датчиков способен выполнять автономный сбор данных, пока остальные блоки устройства находятся в режиме сна, что обеспечивает максимальный срок службы батареи. Эти микросхемы подходят для широкого спектра приложений, включая бытовую технику, автоматизацию зданий, медицинское оборудование.
Более производительные микроконтроллеры CC2642x отвечают спецификации Bluetooth 5.2 и построены на базе 32‑разрядного ядра Arm Cortex-M4F. Они содержат флеш-память объемом 352 кбайт и ОЗУ объемом 88 кбайт, а также полный набор периферии, как и микроконтроллеры семейства CC2640x. Они походят для приложений, требующих больший объем встроенной памяти. Для этих микроконтроллеров TI предлагает гибкий бесплатный программный стек, который, в отличие от трансиверов серии CC2564x, интегрирован в микросхему.
Texas Instruments предлагает также беспроводной микроконтроллер и модуль семейства CC2650x с поддержкой различных стандартов связи в диапазоне частот 2,4 ГГц. Эта мультистандартная платформа поддерживает несколько технологий беспроводной передачи данных: Bluetooth, ZigBee, 6LoWPAN и ZigBee RF4CE для пультов дистанционного управления. Микроконтроллер построен на базе 32‑разрядного ядра ArmCortex-M3 с рабочей частотой до 48 МГц. Чрезвычайно малый ток потребления микроконтроллера и радиочастотного блока в активном режиме и в режиме пониженного потребления обеспечивает длительное время работы устройства от одноэлементной аккумуляторной батареи таблеточного типа или от схемы накопления энергии из окружающей среды.
Контроллер Bluetooth Low Energy (BLE) и контроллер доступа к среде IEEE 802.15.4 работают под управлением отдельного процессора Arm Cortex-M0. Такая архитектура улучшает общую производительность системы и снижает ее энергопотребление, а также освобождает флеш-память для исполнения прикладных задач. Стеки протоколов Bluetooth Smart и ZigBee можно бесплатно скачать с сайта компании TI.
В микроконтроллер встроена флеш-память объемом 128 кбайт и ОЗУ объемом 28 кбайт, в устройстве реализована функция обновления встроенного программного кода по радиочастотному каналу (OTA). В состав периферии входят четыре модуля таймеров (8 × 16 бит или 4 × 32 бит), каждая линия цифрового периферийного блока может быть выведена на любой порт ввода / вывода общего назначения. Микроконтроллер оснащен модулем шифрования AES‑128, генератором действительно случайных чисел (TRNG). Предусмотрены 10, 15 или 31 линия ввода / вывода общего назначения в зависимости от типа корпуса и поддержка до восьми емкостных сенсорных кнопок. В устройство встроен датчик температуры.
Новинками продуктовой линейки TI являются микроконтроллеры и модули семейства CC2652x (рис. 1). В отличие от семейства СС2650х, новые устройства построены на 32‑разрядном ядре Cortex-M4F (48 МГц) и оснащены увеличенным объемом флеш-памяти (352 кбайт) и ОЗУ (88 кбайт), а микроконтроллеры серии CC2650x7 содержат еще больший объем памяти – 704 и 152 кбайт, соответственно. Семейство включает в себя однодиапазонные (только SuB1GHz или 2,4 ГГц) и двухдиапазонные решения (Sub1GHz + 2,4 ГГц), предназначено для работы с беспроводными протоколами BLE 5.2, Zigbee 3.0, IEEE 802.15.4g, 6LoWPAN, Thread и др. Максимальной дальности связи удалось добиться благодаря тому, что цепи радиотракта выполнены раздельно для каждого диапазона. Также расширен набор периферии – разработчик получает в свое распоряжение два UART, два компаратора, 8‑канальный 12‑разрядный АЦП, два интерфейса SPI, I2C, I2S, восемь таймеров и пр. Микросхемы совместимы по выводам с семейством СС2650x в корпусах 7 × 7 мм, а единая структура ПО позволяет разработчику мигрировать между различными беспроводными протоколами и добавлять новые стандарты в существующие изделия без обновления аппаратной части выпускаемой продукции.
Для реализации различных беспроводных протоколов в микросхемах предусмотрено специальное ядро Cortex-M0, которое обеспечивает исполнение низкоуровневых радиопротоколов непосредственно из ПЗУ, что освобождает флеш-память для пользовательских приложений. При этом специальное ПЗУ радиоядра позволяет
реализовывать дополнительные протоколы без выпуска новых версий устройства.
Микроконтроллеры CC2652x предназначены для широкого спектра применений в гражданской электронике: детекторы движения, системы кондиционирования и видеонаблюдения, интеллектуальные счетчики, коммуникационное оборудование, медицинские приборы, бытовая электроника и др.
В рамках семейства CC2652x TI предлагает систему в корпусе CC2652PSIP с интегрированными компонентами для DC / DC-преобразователя, кварцевым генератором и усилителем мощности. Эта СвК позволяет реализовать готовые решения для различных приложений гражданской электроники.
* * *
Продукцию компании Texas Instruments в Россию поставляет независимый дистрибьютор – холдинг «Золотой Шар» (www.zolshar.ru), один из ведущих поставщиков импортных и отечественных электронных компонентов. ●
Отзывы читателей
