Возможности масштабирования беспроводных функций в «умных» сенсорных устройствах

Карл Торвмарк (Karl Torvmark), Жанна Копли (Jeanna Copley)

Имеется несколько аспектов масштабируемости микроконтроллеров общего назначения (MCUs). Дополнительно к необходимой стандартной периферии семейство продуктов, как правило, предлагает разработчикам целый ряд параметров устройства по быстродействию, памяти, линиям ввода/вывода общего назначения (GPIO) и типам корпусов. С возрастанием требований к возможностям связи, которые стимулируются «Интернетом вещей» (IoT), необходим новый аспект масштабируемости: технология беспроводной связи.

Одна из задач производителей, разрабатывающих «умные» подключаемые устройства, особенно на потребительском и промышленном рынках, — решить, какой беспроводной стандарт будет принят в конкретном устройстве. На многих рынках технология устройств таких типов ещё только развивается. Например, в такой категории продуктов, как «умные» осветительные лампы, на рынке имеется множество видов беспроводной связи. К другим применениям, требующим выбора радиосвязи, относятся дистанционное управление, автоматизация дома/здания, «умные» счётчики, устройства для медицины и здоровья, носимые устройства, сигнализация безопасности, маяки и многое другое. Поскольку радиомодуль -это основной компонент в «умных» сенсорных устройствах, разработчики всегда должны были решать уже на раннем этапе конструирования, какой стандарт беспроводной связи следует принять. Обычно производители сначала выбирали беспроводной компонент, а затем на его основе строили конструкцию. После принятия решения многие аспекты оказывались жёстко заданными, например технология приёмопередатчика, размещение на печатной плате, программный стек, аналого-цифровой преобразователь (API) для доступа к радиомодулю.

Рассмотрим производителя, выбравшего технологию ZigBee® для своего устройства. В процессе конструирования могут произойти изменения на рынке, которые существенно расширят целевой рынок для данного устройства при использовании стандарта Bluetooth® Smart. Замена стандарта радиосвязи на данном позднем этапе — непростое дело. Например, для радиомодуля Bluetooth® Smart может потребоваться другой поставщик. Вероятнее всего, всю конструкторскую разработку для исходного радиомодуля придётся выбросить. Кроме того, нужно будет само устройство согласовать с новым стеком и API. Действительно, для изменения радиомодуля разработчик берёт за основу почти законченный проект. Даже если возможно приобрести радиомодуль Bluetooth® Smart от того же поставщика, что и исходный радиомодуль ZigBee, эти стандарты основаны на совершенно различных технологиях. Такие различия строго ограничивают возможности использования готовой конструкции под новый радиомодуль. В любом случае завершение конструирования и вывод продукта на рынок займут долгое время. Также следует принять во внимание дополнительные расходы на проект.

Решение по изменению основного принципа конструкции всегда было трудным. Изготовители находятся перед выбором между своевременным предложением не самого лучшего продукта на рынок или повторным проектированием продукта с опасностью потерять место на рынке.

Ответ на изменение потребностей рынка: SimpleLink™

В корпорации Texas Instruments понимают, что маневренность играет главную роль при вступлении на новые рынки и запуске новых технологий. Отсутствие гибкости может привести к провалу продукта на рынке, а способность к изменению конфигурации на должном уровне способствует успеху продукта. Отвечая на потребность изготовителей в большей гибкости при выборе беспроводных технологий, TI создала SimpleLink™ — беспроводную платформу микроконтроллера (MCU) со сверхнизким энергопотреблением. Её архитектура основана на ARM® Cortex®-M3 и сейчас предлагает конфигурации с flash-памятью от 32 до 128 кбайт. Она обеспечивает достаточную процессорную мощность, чтобы служить автономным MCU для широкого выбора «умных» сенсорных устройств. Уникальность платформы SimpleLink™ заключается в возможности масштабирования беспроводных технологий. Устройства поддерживают ряд различных радиомодулей с корпусами, совместимыми по контактным штырькам, в том числе Bluetooth® Smart, Sub-1 ГГц, ZigBee, 6LoWPAN, IEEE 802.15.4, RF4CE™ и собственные режимы со скоростью до 5 Мбайт/с.

С точки зрения аппаратных компонентов, используемый радиомодуль заменяется просто. Все технологии с 2,4 ГГц и все технологии Sub-1 ГГц совместимы по контактным штырькам. Кроме того, все другие периферийные модули одинаковы для устройств SimpleLink™. Таким образом, изготовителям предоставляются гибкие возможности в выборе вида радиомодуля на позднем этапе конструирования.

Данная платформа также совместима по кодам с каждым из разнообразных поддерживаемых ею протоколов. Однако переключение радиомодуля оказывает некоторое влияние на программное обеспечение устройства. Это вытекает из различий в стеках радиомодуля, которые должны поддерживаться устройством. Например, взаимодействие со стеком 6LoWPAN происходит через IP-сообщения. В стандарте Bluetooth® Smart устройство читает или изменяет различные атрибуты. Эти различия охватываются в API, которые корпорация TI поставляет вместе с каждым беспроводным MCU SimpleLink™.

Практичнее всего конструировать радиоинтерфейс в виде модулей. Вместо предоставления устройству прямого доступа к радиомодулю можно отделить беспроводной API, если устройство будет посылать данные на функцию радиомодуля. Затем эта функция обработает передаваемые или принятые данные, как требуется, с помощью собственного API. Эффект заключается в том, что для изменения радиомодуля в конце процесса проектирования только эта функция радиомодуля потребует переноса.

Гибкость через масштабируемость

С помощью архитектуры SimpleLink™ корпорация TI даёт возможность изготовителям откладывать выбор протокола беспроводной связи на поздний этап конструирования. Действительно, разработчики могут проектировать одновременно несколько стандартов радиосвязи, потому что после встраивания первого радиомодуля вставка альтернативного радиомодуля потребует лишь небольшой доработки. Поскольку проекты могут быть легко перенесены с одной технологии радиосвязи на другую, у изготовителей также есть выбор поддержки нескольких радиомодулей на одной базовой конструкции. Это позволяет изготовителям не только делать ставки на разные технологии радиосвязи, которые может выбрать рынок, но и обеспечивать альтернативные возможности экономичным способом.

Первые два устройства, доступные на платформе SimpleLink™ со сверхнизким энергопотреблением, — это CC2640 для Bluetooth® Smart и CC2630, поддерживающий 6LоWPAN и ZigBee. Дополнительно эта платформа поддерживает работу с устройством ZigBee RF4CE на основе CC2620 и устройством CC1310 (Sub-1 ГГц), ожидаемым в 2015 г. (рисунок 1). Каждое из этих устройств оптимизировано для сверхнизкого энергопотребления и может работать несколько лет от «кнопочной» батарейки (литиевой батарейки размером с монету) или даже без неё — с накопителем энергии, предоставляя разработчикам гибкость и новые идеи для подключения множества датчиков и принадлежностей.

 Беспроводная платформа MCU SimpleLink со сверхнизким энергопотреблением

Рисунок 1. Беспроводная платформа MCU SimpleLink со сверхнизким энергопотреблением — это первое семейство устройств в данной отрасли, которые обеспечивают масштабируемость беспроводных функций для «умных» сенсорных устройств. Каждое технологическое предложение было оптимизировано по стоимости и энергопотреблению, предоставляя изготовителям гибкость и конкурентную себестоимость компонентов устройства

Для максимальной гибкости TI также объявляет о выпуске устройства CC2650 с поддержкой нескольких стандартов. Такое устройство с «расширенным комплектом» можно динамически конфигурировать аппаратно и программно, для поддержки одного из нескольких различных радиомодулей на 2,4 ГГц. Конструкции, построенные с CC2650, могут выходить в производство без необходимости выбора радиомодуля, а конфигурироваться во время их установки на месте. Это позволяет изготовителям откладывать решение о применении того или иного радиомодуля буквально до последней минуты, не изменяя конструкции антенны.

CC2650 также позволяет приложениям поддерживать несколько радиомодулей на одной микросхеме, поскольку можно заменять радиомодуль, который поддерживает устройство. Таким образом, после перепрограммирования CC2650 на месте система сможет связываться с модулями на основе как ZigBee®, так и Bluetooth®.

Эффективность микропроцессора для пониженного энергопотребления

Многие «умные» сенсорные устройства должны действовать многие годы в режиме постоянного включения только от одной «кнопочной» батарейки. Некоторые конструкции не содержат батарейки и поэтому должны работать на ограниченной мощности по технологии накопителя энергии. Особенно требовательны к потреблению энергии носимые устройства.

Частью инноваций в платформе SimpleLink™ является объединение нескольких процессоров для обеспечения различных уровней вычислительной мощности, требуемой для разных задач, которые выполняет «умное» сенсорное устройство. Используя подходящий процессор для конкретной задачи, беспроводные MCU SimpleLink способны работать при минимально возможной мощности:

  • Процессор устройств. ARM® Cortex®-M3 служит как главный процессор платформы SimpleLink™ со сверхнизким энергопотреблением. Он обеспечивает производительность, чтобы служить как автономный MCU, который может интеллектуально управлять системой на основе датчиков. Cortex®-M3 полностью обеспечивает процессорную мощность для управления устройством и обработки стеков высокого уровня и обладает высокой энергоэффективностью при вычислительной мощности 48 млн команд в секунду (MIPS). Согласно тестированию EEMBC ULPBench, платформа CC26xx/CC13xx имеет лучшую в своём классе оценку энергопотребления 143.
  • Процессор радиомодуля. Платформа SimpleLink™ также интегрирует Cortex®-M0, предназначенный для управления задачами низкого уровня радиомодуля в системе. Это разгружает главный процессор от критичных ко времени задач.
  • Контроллер датчиков. Этот интегрированный MCU со сверхнизким энергопотреблением быстро и эффективно обслуживает мониторинг датчиков. Он сконструирован как раз для обеспечения уровня обработки, требуемого для данных замеров датчиков и принятия простых решений. Кроме того, у него ограниченная память и нет внешней периферии. Поэтому у контроллера высокая энергоэффективность в таких задачах, как регулярный опрос выходных сигналов от датчиков и определение наступления пороговых событий во избежание напрасного запуска главного процессора, когда этого не требуется.

Корпорация TI упростила конструкции с использованием беспроводных MCU SimpleLink™, предоставив программы для управления и интерфейса с беспроводным радиомодулем. Это до такой степени упрощает конструирование радио, что разработчики могут выбрать подходящий блок SimpleLink™ и быстро начать использование радиомодуля без длительного конфигурирования или настройки. Для этого контроллер радиомодуля оснащён кодом при производстве, который был оптимизирован для достижения самого эффективного действия радиомодуля. Поскольку контроллер датчиков должен за ними следить, принимать решения и выполнять действия на конкретном устройстве, разработчикам нужна возможность конфигурации его действий. Корпорация TI предоставила средство разработки программ — Sensor Controller Studio, которое позволяет пользователям конфигурировать контроллер датчиков. Возможна конфигурация контроллера датчиков на выполнение обычных задач без написания какого-либо кода, а для приложений, требующих особого кода, он поддерживается через Си-подобный язык сценариев. Средство Sensor Controller Studio ускоряет разработку, используя контроллер датчиков для функций тестирования и отладки. Это допускает текущую визуализацию данных датчика и проверку алгоритма.

Ещё одно важное преимущество контроллера датчиков в том, что он интегрирован с главным процессором. Обычно контроллеры датчиков реализуются с использованием второго, менее мощного MCU для разгрузки главного процессора устройства. Основное преимущество вытекает из того факта, что процессор устройства может перейти в режим сна, оставляя контроллер с большей энергоэффективностью следить за датчиками и управлять ими. Поскольку эти вторичные MCU находятся вне процессора приложения, разработчики должны проектировать и управлять связью между процессорами. Они также должны реализовать возможность прерываний, если контроллеру необходимо пробудить процессор приложения.

Платформа SimpleLink™ уникальна в способе интеграции контроллера датчиков (рисунок 2). Он обеспечивает все преимущества энергоэффективности без недостатков усложнённой конструкции. Поскольку контроллер датчиков, MCU радиомодуля и процессор устройства интегрированы на одном кристалле кремния, проектирование аппаратной и программной части значительно упрощается. Также возможно повышение энергоэффективности. Конечно, разработчикам предоставлен полный доступ к программируемым функциям Cortex®-M3 для разработки их устройства. TI также предоставляет API для каждой из технологий радиомодулей, чтобы разработчики могли быстро реализовать функцию беспроводной связи в своих устройствах с минимальным циклом обучения.

 Интеграцией контроллера датчиков, радиомодуля и MCU в одном корпусе

Рисунок 2. Интеграцией контроллера датчиков, радиомодуля и MCU в одном корпусе аппаратная конструкция значительно упрощается, и достигается повышение энергоэффективности

Целью TI было создание беспроводного MCU, который легко программируется и освобождён от проблем, связанных с попытками интеграции физических уровней и стеков.

Код приложения функционирует на ARM® Cortex®-M3, стандартном MCU, с которым многие проектировщики уже знакомы. Конструкции РЧ и антенны также были упрощены без ухудшения их надёжности и характеристик. Встроена надёжная система безопасности, а стеки протоколов готовы к производству.

Платформа SimpleLink™ также крайне проста для использования и проектирования с расширенными средствами разработки от корпорации TI и экосистемами от компаний-партнеров. Разработчики могут выбирать полнофункциональную среду разработки, такую как Code Composer Studio™ Integrated Development Environment или IAR Embedded Workbench. Кроме того, доступны всесторонние оценочные наборы, которые можно использовать для начала проектирования.

Беспроводные MCU SimpleLink™ будут поставляться с разными размерами корпусов, чтобы они соответствовали параметрам ввода/вывода каждого устройства. Устройства в корпусе 4×4 мм содержат 10 универсальных входов/выходов, а корпуса 5×5 мм содержат 15 универсальных входов/выходов. Для устройств с большим числом связей корпус 7×7 мм содержит 31 универсальный вход/выход.

Корпорация TI создала единственную в своём классе платформу беспроводного микроконтроллера с несколькими стандартами, которая является наиболее энергоэффективной и удобной для проектирования. Появление платформы MCU, в которой масштабируются функции беспроводных технологий, приносит совершенно новое измерение рыночной маневренности для производителей. Оно основано на гибкости выбора оптимального объёма памяти, числа универсальных входов/выходов и корпуса устройства, что способствует снижению энергопотребления и стоимости.

Платформа беспроводного MCU SimpleLink™ со сверхнизким энергопотреблением от корпорации TI позволяет разработчикам выбирать стандарт радиосвязи, поддерживаемый в их системах, на поздних этапах проектирования. Это даёт производителям больше времени и небывалую гибкость для ориентации в текущей рыночной конъюнктуре. Предлагая оптимизированную производительность и потребление энергии устройств конкретного приложения, платформа SimpleLink™ со сверхнизким энергопотреблением помогает разработчикам лучше соответствовать строгим требованиям многих «умных» сенсорных устройств.

Дополнительную информацию можно получить на сайте: www.ti.com/simplelinkulp