Опорная разработка автомобильного узла BLE-пеленгации с малым энергопотреблением

17 сентября

системы безопасностиавтомобильная электроникаинтернет вещейTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемыбеспроводные технологии

Проект Texas Instruments реализует автомобильный узел BLE-пеленгации для расчета угла прихода и передачи данных с использованием беспроводного BLE-микроконтроллера и LIN-трансивера.

Данное устройство относится к типу автомобильных систем бесключевого доступа и запуска двигателя, использующих технологию Bluetooth® Low Energy (BLE) для определения пространственного положения брелока. Помимо реализации автомобильного узла пеленгации, в проекте показано, что точный расчет угла направления на источник (АоА – Angle Of Arrival) может быть выполнен с использованием всего двух дипольных антенн, что снижает размеры печатной платы (рисунок 1).

Рис. 1. Две дипольные антенны снижают размеры печатной платы

Рис. 1. Две дипольные антенны снижают размеры печатной платы

Особенности:

  • измерение АоА на основе BLE с использованием всего двух дипольных антенн;
  • общий доступ к информации о BLE-подключении, АоА и RSSI через LIN;
  • малый размер печатной платы: 45,72×76,2 мм;
  • спящий режим с удаленным пробуждением через LIN и потреблением < 25 мкА при 14 В;
  • диапазон питающих напряжений 4,65…40 В DC и допустимое напряжение при сбросе нагрузки до 45 В;
  • совместимость с программным toolbox TI «Real Time Locationing System (RTLS)» для триангуляции и трилатерации BLE-брелока.

Применение:

  • системы бесключевого доступа и запуска двигателя (Passive Entry/Passive Start, PEPS);
  • удаленный бесключевой доступ (Remote Keyless Entry, RKE). 

Описание системы

Данная референсная разработка автомобильного узла BLE-пеленгации предназначена для PEPS-систем доступа к автомобилю, использующих измерение угла прихода сигнала BLE от брелока-метки для определения положения ключа снаружи или внутри автомобиля. Данные узлы должны быть достаточно миниатюрными, чтобы их можно было разместить по внешнему периметру автомобиля, например, в средней стойке кузова или в бампере, а также должны содержать несколько антенн для точного определения угла прихода сигнала. В данном проекте поставленная проблема решается с использованием всего двух дипольных антенн при общем размере печатной платы (антенна + элементы) 45,72×76,2 мм. Более того, выполняется точный расчет и передача данных АоА по LIN с использованием лишь BLE-МК CC2640R2F-Q1 и LIN-трансивера TLIN1029-Q1. Наконец, этот комплект для узла BLE-пеленгации должен работать даже при выключенном двигателе, поэтому общее энергопотребление системы должно быть снижено. В соответствии с этим, в данной опорной разработке применен одиночный LDO TPS7B82-Q1 со сверхмалым током утечки, и реализована функция выхода из спящего режима по LIN, предлагаемая TLIN1029-Q1.

Микроконтроллер с BLE CC2640R2F-Q1 был выбран благодаря его гибкости, а также благодаря тому, что он является программно-управляемым радиоустройством с интегрированной памятью, имеет возможность работать в режиме slave по протоколу LIN, совместим со стандартом Bluetooth 5.0 и допускает применение в автомобильной электронике. CC2640R2F-Q1 обеспечивает мониторинг BLE-соединения между брелоком и центральным модулем BLE, обработку измерений АоА и RSSI, а также работу протокола LIN.

TLIN1029-Q1 LIN был выбран благодаря диапазону рабочего напряжения ±45 В, встроенной защите от скачков напряжения, малому корпусу DFN 3х3 мм, возможности вывода из спящего режима по LIN и возможности применения в автомобильной электронике. Трансивер TLIN1029-Q1 преобразуует сигналы логического уровня UART в сигналы уровня напряжения батареи выходного каскада LIN с открытым стоком. Кроме того, TLIN1029-Q1 может ожидать в спящем режиме сигнала пробуждения от LIN master и, получив его, вывести из режима ожидания CC2640R2F-Q1.

LDO TPS7B82-Q1 был выбран благодаря своему сверхмалому току утечки при малых нагрузках (от 2,7 мкА в номинале до максимального значения 5,0 мкА), 8-выводному корпусу MSOP и автомобильному исполнению. TPS7B82-Q1 формирует стабилизированное напряжение 3,3 В для питания беспроводного МК и обеспечения логического уровня для подтяжки выходов с открытым стоком LIN-трансивера. Малый ток утечки позволяет разработчику получить очень низкий ток утечки всей системы в режимах малого потребления, сохраняя при этом стабильность питающего напряжения. Это важно, так как узлы BLE-пеленгации должны функционировать даже при выключенном двигателе транспортного средства, ввиду чего система питается напрямую от автомобильного аккумулятора на 12 В и должна иметь минимально возможное энергопотребление.

Для применения в PEPS обычно используются четыре и более узлов BLE-пеленгации, располагаемых по периметру машины, и, как минимум, один узел устанавливается внутри ее кузова для измерения угла прихода и других характеристик сигнала BLE, таких как время прохождения или уровень принятого от брелока сигнала (RSSI). Каждый из этих узлов будет находиться в режиме малого потребления, пока на линии LIN не появится широковещательная передача wake-сообщения при приближении брелока. Данное сообщение о пробуждении формируется LIN master, которым является центральный модуль безопасности. Примером такого узла может служить модуль базовой станции или электронный блок управления бортовыми системами автомобиля (BCM). Центральный модуль будет активировать по одному узлу BLE-пеленгации за раз в индивидуальном порядке. Как только узел BLE-пеленгации выйдет из спящего режима, центральный модуль безопасности сможет получать данные АоА и любую другую необходимую информацию от сателлитного узла по LIN, после чего сможет давать узлу команду на возвращение в режим малого потребления. Все узлы BLE-пеленгации будут измерять угол прихода, или АоА, как и другие показатели BLE (RSSI, ToF), и возвращать эту информацию в центральный узел безопасности по LIN. Последний в свою очередь агрегирует эту информацию и вычисляет триангуляцию и трилатерацию положения брелока для определения дальнейших действий системы, таких как приветственное включение фар и салонного освещения или разблокировка дверей автомобиля.

Давайте рассмотрим применение одиночного узла BLE-пеленгации для связи с брелоком, обеспечивающим поддержку бесключевого удаленного доступа к автомобилю RKE. Радиочастотная 2,4-ГГц составляющая проекта может быть упрощена и сделана более компактной, поскольку в области RKE измерения угла прихода не требуются. Таким образом, нам необходима только одна антенная структура, а РЧ-переключатель может быть исключен. Мало того, дипольные антенны могут быть заменены одиночной, более компактной антенной на 2,4 ГГц для дополнительной экономии места. Основные зарактеристики системы приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные характеристики системы на базе одиночного узла BLE-пеленгации

Характеристика Значение Примечания
Входной источник питания VBATT Автомобильная система с аккумулятором 12 В Раздел «Защита по питанию, фильтрация и регуляция»
Рабочий диапазон входных напряжений VBATT, В 4,65…40 Раздел «Защита по питанию, фильтрация и регуляция»
Максимально допустимый диапазон входных напряжений VBATT, В -40…45 Раздел «Защита по питанию, фильтрация и регуляция»
Стабилизированный источник напряжения, В 3,3 Раздел «Защита по питанию, фильтрация и регуляция»
Среднее потребление тока в активном режиме (оценка), µА 11  
Среднее потребление тока в режиме ожидания, мкА 13,7  
Дальность радиопередачи, м > 30
Рабочая температура, °C -40…105 Раздел «CC2640R2F-Q1»
Форм-фактор Прямоугольный, 45,72×76,2 мм, 6 слоев, слой меди 35 мкм (1 oz), печатная плата Раздел «Файлы проекта»

Обзор системы

Блок-схема TIDA-01632 изображена на рисунке 2.

Рис. 2. Блок-схема TIDA-01632

Рис. 2. Блок-схема TIDA-01632

Проектные требования

Основной частью разработки был антенный узел из двух дипольных антенн, разработанных для измерения угла прихода сигнала BLE 2,4 ГГц. Основным требованием было компактное исполнение антенн, поскольку дипольные антенны ограничивают общий размер и форму платы. В рамках данного проекта дипольные антенны представляют собой оптимальное решение, так как не имеют направленности и хорошо излучают, располагаясь перпендикулярно к плоскости платы.

Для подключения к модулю питания, земли и шины LIN использовалась небольшая клеммная колодка 10х8х5 мм. Размер соединителя также был важным фактором, помогающим упростить компоновку и обеспечить компактность печатной платы. Для удобства отключения и подключения проводов к плате был выбран пружинный разъем. В дополнение к основному разъему (клеммной колодке) для прямого подключения к устройству CC2640R2F-Q1 использовался 6-контактный штыревой разъем. Это позволяет при отладке получать доступ к контактам UART, VDDS и контактам цифрового ввода-вывода DIO 5 и DIO 6 устройства CC2640R2F-Q1.

Еще одним аспектом проектирования был подбор пассивных компонентов. В целом они выбирались на основе требований задачи к характеристикам системы. Что касается активных компонентов, были использованы комплектующие, относящиеся, по AEC-Q100, либо к температурному классу 0, либо к температурному классу 1. Конденсаторы применялись, преимущественно, типа X7R (-55…125°C) или выше. Также критерием выбора конденсаторов было допустимое напряжение. Выбирались те элементы, допустимое напряжение которых превышало максимально возможное для данного устройства и было в два раза выше номинального рабочего напряжения, чтобы избежать эффектов смещения по постоянному току.

Используемые компоненты

В опорной разработке автомобильного узла BLE-пеленгации TIDA-01632 представлены следующие три устройства TI автомобильного класса:

  • CC2640R2F-Q1 – беспроводной микроконтроллер SimpleLink™ Bluetooth Low Energy;
  • TLIN1029-Q1 – трансивер локальной соединительной сети (LIN) с таймаутом доминирующего режима и малопотребляющим приемником;
  • TPS7B8233-Q1 – высоковольтный регулятор напряжения с малым падением напряжения (LDO) и сверхмалым током утечки.

Для получения дополнительной информации по каждому из этих устройств, смотрите соответствующее им описание в разделе «Дополнительные документы».

Устройство SimpleLink Bluetooth Low Energy CC2640R2F-Q1 является AEC-Q100-совместимым беспроводным микроконтроллером (МК), предназначенным для задач Bluetooth 4.2 и Bluetooth 5.0 автомобильных применений, таких как PEPS, удаленный бесключевой доступ (RKE), каршеринг, направляемая парковка, замена кабельных соединений и связь со смартфоном.

Микроконтроллер входит в семейство сверхмаломощных высокоэффективных радиочастотных 2,4-ГГц устройств SimpleLink. Очень низкие токи активного режима МК и РЧ-части, а также токи в режиме малого энергопотребления обеспечивают длительный срок службы при работе от батареи, позволяя запитывать устройство даже от небольшого плоского элемента питания. Отличная чувствительность приемника и программируемый уровень выходной мощности обуславливают лучшие в индустрии радиочастотные показатели, столь необходимые для требовательной РЧ-среды автомобиля.

В беспроводном МК CC2640R2F-Q1 в качестве основного процессора системы содержится 32-битный процессор ARM® Cortex®-M3, работающий на частоте 48 МГц., Он имеет в своем составе контроллер Bluetooth 4.2 Low Energy и хост-библиотеки, встроенные в ROM. Данная архитектура позволяет улучшить общую производительность системы и ее энергопотребление, а также освободить значительный объем Flash-памяти для приложения.

Помимо этого, данное устройство, согласно стандарту AEC-Q100, соответствует температурному классу 2 (-40…105ºC) и поставляется в корпусе VQFN 7х7 мм с пазированными торцами (wettable flanks). Пазированные торцы помогают снизить стоимость производства и повысить надежность, делая возможным оптический контроль точек пайки. На рисунке 3 показана блок-схема устройства.

Рис. 3. Блок-схема CC2640R2F-Q1

Рис. 3. Блок-схема CC2640R2F-Q1

Дополнительные особенности:

  • разрешен к применению в автомобильной отрасли;
  • мощное интегрированное ядро ARM Cortex-M3;
  • энергонезависимая память 275 кбайт, включающая в свой состав встроенную программируемую Flash-память 128 кбайт;
  • сверхмаломощный контроллер датчиков;
  • 2,4-ГГц РЧ-трансивер, соответствующий стандартам BLE 4.2 и 5 и совместимый с Worldwide Radio Frequency Regulations;
  • энергетический потенциал линии связи 102 dB для BLE при 1 Мбит/с;
  • эффективная по размеру кода архитектура, в которой драйверы, контроллер Bluetooth Low Energy и загрузчик располагаются в ROM, освобождая Flash-память для потребностей приложения;
  • четыре модуля таймеров общего назначения (восемь 16-битных или четыре 32-битных, каждый – с функцией ШИМ);
  • 12-битный АЦП 200 kSpS, 8-канальный аналоговый мультиплексор;
  • модуль защиты AES-128;
  • RoHS-совместимый корпус автомобильного класса: RGZ VQFN48 7х7 мм с пазированными торцами.

TLIN1029-Q1 – это трансивер физического уровня локальной соединительной сети (LIN) со встроенными функциями защиты и пробуждения, совместимый со стандартами LIN 2.0, LIN 2.1, LIN 2.2, LIN 2.2A и ISO/DIS 17987-4.2. LIN – это двунаправленная однопроводная шина, обычно применяемая в низкоскоростных сетях транспортных средств при скоростях передачи данных до 20 кбит/с.

Устройство TLIN1029-Q1 предназначано для работы с системами 12 В, имеет широкий диапазон рабочих напряжений и дополнительную защиту от ошибок на шине. Приемник LIN поддерживает перепрограммируемые скорости передачи данных до 100 кбит/с. TLIN1029-Q1 преобразует поток данных протокола LIN, поступающих на вход TXD, в сигнал шины LIN, используя формирователь линии с ограничением по току, который позволяет снизить электромагнитные шумы (EME). Приемник преобразует поток данных в сигналы логического уровня, передаваемые в микроконтроллер через вывод RXD с открытым стоком. Сверхнизкого уровня потребления тока можно достичь благодаря использованию спящего режима, из которого можно выходить по сигналу на шине LIN или на входе EN. Встроенный резистор, защита от ESD и ошибок на шине позволяют разработчикам сохранить место на плате для своих устройств.

На рисунке 4 показана блок-схема трансивера.

Рис. 4. Блок-схема TLIN1029-Q1

Рис. 4. Блок-схема TLIN1029-Q1

Дополнительные особенности:

  • разрешен к применению в автомобильной отрасли;
  • совместим со стандартами LIN 2.0, LIN 2.1, LIN 2.2, LIN 2.2A и ISO/DIS 17987-4.2;
  • соответствует рекомендуемой реализации LIN SAEJ2602;
  • поддерживает работу в системах 12В;
  • скорость передачи данных: до 20 кбит/с;
  • скорость приема данных: до 100 кбит/с при программировании;
  • спящий режим со сверхмалым энергопотреблением и пробуждением через шину LIN или локально через вход EN;
  • широкий диапазон питающих напряжений 4…36 В;
  • защита от ошибок на шине LIN в широком диапазоне напряжений ±45 В;
  • доступность устройства в 8-выводном корпусе SOIC и безвыводном 8-контактном корпусе VSON с возможностью автоматизированного оптического контроля (AOI)

В автомобильных системах с питанием от аккумулятора необходим малый уровень тока утечки для сохранения энергии и увеличения срока службы батареи. Это особенно важно для невыключаемых систем.

TPS7B82-Q1 – это линейный регулятор с малым значением падения напряжения, разработанный для работы со входным напряжением до 40 В. При номинальном токе утечки, значение которого составляет лишь 2,7 мкА, он является оптимальным решением для питания микроконтроллеров и трансиверов CAN/LIN в дежурных системах.

В устройстве представлена защита от короткого замыкания и перегрузки по току. Регулятор работает при температурах окружающей среды -40…125°C и температурах корпуса -40…150°C. Кроме того, он заключен в термопроводящий корпус для обеспечения стабильного функционирования вне зависимости от рассеиваемой на устройстве мощности. Благодаря этим возможностям устройство хорошо приспособлено для работы в качестве источника питания различных автомобильных систем.

На рисунке 5 показана блок-схема устройства.

Рис. 5. Блок-схема TPS7B8233-Q1

Рис. 5. Блок-схема TPS7B8233-Q1

Дополнительные особенности:

  • разрешено к применению в автомобильной отрасли;
  • диапазон температур корпуса устройства: -40…150°C;
  • широкий диапазон входных напряжений 3…40 В и стойкость к скачку до 45 В;
  • максимальный выходной ток 300 мА;
  • малый ток утечки в выключенном режиме, номинальное значение 300 нА (при низком уровне на EN);
  • малое значение тока утечки на легких нагрузках, номинальное значение 2,7 мкА (при высоком уровне на EN);
  • точность выходного напряжения – 2%;
  • выходной керамический конденсатор емкостью 1…200 мкФ и низкое ESR (0,001…5 Ом) для повышения устойчивости;
  • наличие исполнений для фиксированных напряжений 3,3 и 5 В;
  • встроенная защита от перегрева, короткого замыкания и перегрузки по току;
  • 8-выводной корпус MSOP с термическим сопротивлением (RθJA) 63,9°C/W. 

Теоретическая часть проекта

Данный раздел посвящен теоретической части разработки, в нем рассматриваются все части схемы TIDA-01632 и подробно описывается выбор аппаратной части и реализация.

Защита по питанию, фильтрация и регуляция

На рисунке 6 показана часть схемы с главным трехконтактным разъемом, защитным диодом, диодом предотвращения включения с обратной полярностью, входной сглаживающей емкостью, регулятором с малым падением напряжения (LDO) и его входными/выходными конденсаторами.

Рис. 6. Цепи защиты по питанию, фильтрации и регулировки напряжения

Рис. 6. Цепи защиты по питанию, фильтрации и регулировки напряжения

  • Разъем J8 – трехконтактный винтовой клеммник. Контакт 1 используется для подключения земли, 2 – для подключения интерфейса LIN, 3 – для подачи входного напряжения с батареи машины.
  • Конденсатор C2 – входной конденсатор, размещаемый на минимальном удалении от входного разъема для фильтрации высокочастотного шума по питанию.
  • Диод D9 – диод-супрессор скачков напряжения (TVS) с пиковой мощностью 600 Вт для ограничения разряда электростатического напряжения и скачков напряжения на аккумуляторе автомобиля, с номинальным напряжением пробоя 39 В.
  • Диод D1 – импульсный диод 200 В, 200 мА, используемый для защиты от включения с обратной полярностью.
  • Конденсаторы C3 и C4 – сглаживающий и развязывающий конденсаторы для фильтрации любых изменений напряжения на аккумуляторе, имеющихся во входной цепи питания VSUP.
  • Резистор R1 используется для поддержания LDO во включенном состоянии для обеспечения стабилизированного напряжения 3,3 В на выходе стабилизатора.
  • Микросхема U1 – LDO с широким диапазоном входных напряжений и сверхмалым током утечки, используемая для формирования из напряжения аккумулятора автомобиля чистого напряжения 3,3 В, питающего беспроводной МК и выход с открытым стоком LINRXD. Она имеет компактный корпус MSOP и сертифицирована для применения в автомобильных системах.
  • Конденсатор C1 – выходной конденсатор с малым эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR), обеспечивающим устойчивость TPS7B8233-Q1 при любых скачках нагрузки
  • C4 рекомендуется размещать как можно ближе к U1.

Максимальное падение напряжения на TPS7B8233-Q1 составляет 350 мВ при выходном токе 100 мА, а последовательный диод защиты от переполюсовки характеризуется падением 1 В при токе нагрузки 100 мА. Таким образом, минимальное входное рабочее напряжение TIDA-01632 может быть вычислено, исходя из суммы желаемого стабилизированного выходного напряжения (3,3 В), падения 350 мВ на LDO и последовательного прямого напряжения на блокирующем диоде (1 В). Этим обусловлено минимальное входное напряжение 4,65 В, при котором устройство поддерживает стабилизированное выходное напряжение 3,3 В. Однако TPS7B8233-Q1 сохраняет способность регулировать выходное напряжение и при входе до 40 В.

Наконец, 3,3 В LDO сконфигурирован для постоянной работы, что позволяет системе пробуждаться от сообщений BLE или от широковещательных сигналов пробуждения на шине LIN. Для дальнейшего снижения минимально допустимого рабочего напряжения TIDA-01632 диод D1 может быть заменен диодом Шоттки, имеющим меньшее прямое падение напряжения.

Беспроводной SimpleLink™ Bluetooth®-микроконтроллер с малым энергопотреблением

На рисунке 7 изображен беспроводной МК и внешняя схемотехника его подключения. Также показан отладочный интерфейс UART, дискретный балун и часть схемы с РЧ-фильтром.

Рис. 7. Схема подключения беспроводногоSimpleLink™ BLE МК

Рис. 7. Схема подключения беспроводногоSimpleLink™ BLE МК

  • Конденсаторы C7, C8, C9, C10, C11, C12, C13 и C25 – развязывающие конденсаторы емкостью 100 нФ для каждого входа питания CC2640R2F-Q1.
  • Индуктивность L2 и конденсатор C14 – выходной LC-фильтр с номиналами согласно описанию понижающего импульсного регулятора из состава CC2640R2F-Q1.
  • Соединитель J3 – 6-контактный штыревой разъем с шагом 2,54 мм, содержащий сигналы TX и RX UART, цепи питания VDDS и земли, DIO5 и DIO
  • Кварцевый резонатор Y1 – источник тактового сигнала 24 МГц для CC2640R2F-Q1.
  • Кварцевый резонатор Y2 и конденсаторы C18 и C19 – источник тактового сигнала 32,768 кГц с рекомендованными по документации нагрузочными конденсаторами по 12 пФ.
  • Индуктивности L4 и L5 и конденсаторы C22, C23 и C24 – радиочастотная цепь фильтрации и согласования сигнала. C22 – это блокировочный конденсатор, формирующий фильтр верхних частот, тогда как индуктивности L4, L5 и конденсаторы C23 и C24 представляют собой фильтр нижних частот. В совокупности два данных фильтра образуют полосовой фильтр с нижней частотой среза 3,55 ГГц, что чуть выше рабочей частоты Bluetooth.
  • Индуктивности L3, L6 и конденсаторы C17, C21 и C26 – компоненты, формирующие дискретный балун, преобразующий РЧ-сигнал из однополярного в дифференциальный или из дифференциального – в однополярный. Например, принятый с РЧ-переключателя сигнал является однополярным, а соответствующий вход CC2640R2F-Q1 – дифференциальным. Для дальнейшего улучшения размеров РЧ-части на плате может быть использован интегральный согласованный балун с полосовым фильтром типа Johanson Technology 2450BM14G0011 с общим размером посадочного места 1,6х0,9 мм.

Автомобильный LIN-трансивер в корпусе DFN 3х3 мм

На рисунке 8 показана часть схемы TIDA-01632 с интерфейсом LIN.

Рис. 8. Схема включения автомобильного трансивера LIN

Рис. 8. Схема включения автомобильного трансивера LIN

  • Конденсаторы C6 – развязывающие конденсаторы емкостью 100 нФ у каждого вывода питания TLIN1029-Q1 в соответствии с документацией.
  • Резистор R5 необходим для обеспечения режима малого энергопотребления TLIN1029-Q1, когда на входе EN_LIN отсутствует активный уровень (высокоимпедансное состояние).
  • Резистор R2 – это внешний подтягивающий резистор, необходимый для выхода RXD приемника LIN с открытым стоком. Данный резистор необходим для подтяжки цепи RXD_LIN к питанию, когда выход с открытым стоком находится в высокоимпедансном состоянии.
  • Диод D2 и резисторы R3 и R4 – это компоненты, необходимые для работы в режиме LIN master. Для конфигурации в режиме slave данные компоненты могут не устанавливаться, освобождая место на плате.
  • Конденсатор C5 на шине физического уровня LIN требуется для фильтрации высокочастотного шума и переходных процессов, а его номинал соответствует рекомендуемому значению по стандарту LIN и составляет 220 пФ.

РЧ-переключатель для коллинеарных антенн

Для вычисления угла прихода сигналов автообъявлений BLE необходимы две или более коллинеарные антенны. Для каждой антенны фиксируется фаза принимаемого сигнала, и по данным о фазах вычисляется угол прихода. Чтобы реализовать наиболее компактное решение, для переключения между антеннами была использована минимальная конфигурация из двух дипольных антенн и однополюсного двухпозиционного РЧ-переключателя (SPDT) с согласованным импедансом. На рисунке 9 показан РЧ-переключатель и его внешние компоненты.

Рис. 9. Схема подключения РЧ-переключателя с согласованным импедансом

Рис. 9. Схема подключения РЧ-переключателя с согласованным импедансом

Пары компонентов R6 и C15, R7 и C16 представляют собой фильтры нижних частот по двум входам управления радиочастотного SPDT-переключателя. Они обеспечивают отсутствие шумов по управляющим входам, способным привести к случайному переключению антенн.

На рисунках 10 и 11 показаны печатные дипольные антенны, реализованные в разработке. На рисунке 10 изображены две структуры коллинеарных дипольных антенн, находящихся на третьем слое платы, а на рисунке 11 – PCB-балун, используемый для преобразования дифференциального сигнала с дипольных антенн в однополярный сигнал, подаваемый на РЧ-переключатель (U4). Более подробно эта тема рассмотрена в разделе «Особенности трассировки антенны». 

Рис. 10. Слой печатной платы с дипольными антеннами

Рис. 10. Слой печатной платы с дипольными антеннами

Рис. 11. PCB-балун

Рис. 11. PCB-балун

Интерфейс программирования JTAG и светодиоды индикации состояния

Программирование и внутрисхемная отладка устройства осуществляются через разъем J2, имеющий соответствующие контакты интерфейса compact Joint Test Action Group (cJTAG) IEEE 1149.7 или JTAG IEEE 1149.1. Схема показана на рисунке 12.

Рис. 12. Цепи интерфейса отладки и программирования JTAG

Рис. 12. Цепи интерфейса отладки и программирования JTAG

  • Разъем J2 – это штыревой разъем 5х2 с шагом 1,27 мм для работы со внешним устройством отладки и программирования USB-JTAG XDS110.
  • Переключатель S1 является опциональной кнопкой, которая может быть использована для ручного сброса беспроводного микроконтроллера CC2640R2F-Q1 либо убрана из проекта для экономии площади печатной платы.
  • Резистор R13 – это обязательный подтягивающий резистор, который обеспечивает подтяжку цепи nReset к линии питания, когда отладочный инструмент не подключен. Необходимость данного резистора обусловлена тем, что вход RESET_NCC2640R2F-Q1 не имеет встроенного подтягивающего резистора или источника тока.
  • Конденсатор C27 используется для фильтрации выходного сигнала от кнопки.

Также в проект были добавлены пять светодиодов индикации состояния для упрощения оценки и мониторинга в процессе тестирования. На рисунке 13 изображена часть схемы с индикаторными светодиодами. Выбор последовательных резисторов осуществлялся таким образом, чтобы согласовать яркость свечения всех пяти светодиодов и ограничить номинальный ток на уровне 5 мА для каждого из них. Это позволяет осуществлять управление ими напрямую от выводов GPIO беспроводного МК CC2640R2F-Q1.

Рис. 13. Цепи светодиодов индикации состояния

Рис. 13. Цепи светодиодов индикации состояния

В целях экономии места на печатной плате конечного решения для подключения по JTAG вместо разъема J2 могут быть использованы контрольные точки, а переключатель S1, индикация и токоограничивающие резисторы могут быть удалены.

Оборудование, программное обеспечение, требования к тестированию и результаты теста

В данном разделе приведен обзор платы TIDA-01632, внешних подключений и оборудования, необходимых для оценки референсной разработки.

Для того чтобы собрать и проверить устройство, требуется следующая аппаратура:

  1. Две платы опорной разработки BLE-сателлитов TIDA-01632. Одна плата была сконфигурирована в качестве LIN master с установленными компонентами D2, R3 и R4, а другая – в качестве LIN slave, без данных компонентов.
  2. Комплект разработки с беспроводным МК SimpleLink Bluetooth Low Energy CC26xx LaunchPad™. Верхняя часть платы LaunchPad была использована в качестве интерфейса программирования и отладки.
  3. Комплект разработки с беспроводным МК SimpleLink Bluetooth Low Energy CC2640R2F LaunchPad™. CC26xx LaunchPad™ был запрограммирован в качестве автомобильного брелока сигнализации, посылающего пакеты BLE для определения угла прихода. Сигналы принимались платой TIDA-01632 для вычисления AoA и RSSI.
  4. Плоский кабель MIKROE-1766 1,27 мм использовался для соединения разъема программирования «XDS110 Out» CC2640R2F с разъемом программирования JTAG платы TIDA-01632.

На рисунке 14 показаны все перечисленные компоненты.

Рис. 14. Стартовый набор устройств

Рис. 14. Стартовый набор устройств

Модуль CC2640R2F был запрограммирован на мониторинг BLE-соединения между центральным устройством BLE (им является модуль базовой станции) и BLE-периферией (которой является автобрелок) и на вычисление угла прихода сигнала, получаемого от автобрелока с BLE. Как только вычисляется угол прихода, его значение передается центральному модулю управления по LIN. Вся разработка ПО начиналась с SDK SimpleLink™ CC2640R2, модифицированного под конкретную распиновку платы и коммуникации по LIN. На рисунке 15 представлена алгоритмическая схема программного обеспечения.

Рис. 15. Алгоритмическая схема ПО CC2640R2F-Q1

Рис. 15. Алгоритмическая схема ПО CC2640R2F-Q1

CC2640R2F-Q1 находится в режиме ожидания до тех пор, пока не получит сигнал пробуждения от LIN master (что снижает общий ток потребления системы доступа к автомобилю). При получении запроса на пробуждение по шине LIN устройство выйдет из ждущего режима и получит данные о BLE-соединении: каналы, адрес доступа и тайминги событий соединения BLE. Как только информация получена, CC2640R2F-Q1 начинает мониторинг BLE-соединения между модулем LIN master (он же – центральный модуль BLE) и периферией BLE (автобрелоком) на основе информации, получаемой с приемника LIN. После приемки пакета AoA CC2640R2F-Q1 вычислит угол прихода сигнала и отправит его значение модулю LIN master. CC2640R2F-Q1 будет непрерывно получать пакеты AoA, вычислять угол прихода и передавать его ведущему LIN-устройству до тех пор, пока оно не отправит запрос на перевод CC2640R2F-Q1 в ждущий режим.

Дополнительная информация о реализации метода угла прихода изложена в разделе «Угол прихода» руководства пользователя по стеку BLE SimpleLink CC2640R2 для Bluetooth 4.2 «SimpleLink CC2640R2 BLE-Stack User’s Guide for Bluetooth 4.2». Дополнительную информацию о реализации стека BLE на CC2640R2F-Q1 и начале работы с SDK  смотрите в вышеназванном документе, а также на SimpleLinkAcademy CC2640R2 SDK.

Тестирование и результаты

В TIDA-01632 оценке подвергались следующие функции:

  • измерение угла прихода сигнала;
  • передача значений угла прихода и RSSI по LIN.

Для выполнения проверки угла прихода использовалась безэховая камера с механическим манипулятором внутри. На рисунках 16 и 17 изображена камера и манипулятор.

Рис. 16. Безэховая камера

Рис. 16. Безэховая камера

Рис. 17. Установка с механическим манипулятором

Рис. 17. Установка с механическим манипулятором

Манипулятор использовался для поворота антенны АоА с шагом в 1 градус. Он способен вращать узел BLE как вокруг оси x, так и вокруг оси z. В рамках тестирования для проверки угла прихода было необходимо вращение только вокруг оси x. Металлическая пластина толщиной 0,8 мм выполняла роль несущей конструкции для крепления платы, а также имитировала ее расположение в металлическом корпусе реального автомобиля (рисунки 18а и 18б). Также между платой и металлом были добавлены панели поглощения ЭМП (электромагнитных помех) в форме X-волны.

Рис. 18. Печатная плата на металлической установке: а) вид спереди; б) вид сзади

Рис. 18. Печатная плата на металлической установке: а) вид спереди; б) вид сзади

На рисунке 19 показаны результаты расчета угла прихода.

График на рисунке 19 отображает результат усреднения по 13 различным каналам BLE. Черная линия соответствует идеальному результату, при котором измеренный угол прихода равняется реальному, а зеленая показывает среднее значение измерений АоА по 13 разным каналам. На рисунке 20 показана ошибка измерения АоА относительно реального угла прихода.

Рис. 19. Результат измерения АоА относительно реального угла прихода

Рис. 19. Результат измерения АоА относительно реального угла прихода

Рис. 20. Ошибка измерения АоА

Рис. 20. Ошибка измерения АоА

В разработке достигается ошибка менее 10° в диапазоне ±80°.

Измеренные значения AoA и RSSI передаются по LIN. На рисунке 21 показано окно инструмента последовательной отладки LIN с анализом данных LIN. ПО разрабатывалось для демонстрации возможностей обмена по LIN.

Рис. 21. Окно инструмента последовательной отладки LIN с анализом данных LIN

Рис. 21. Окно инструмента последовательной отладки LIN с анализом данных LIN

Первый и второй байты соответствуют вычисленному углу, третий байт – измеренному RSSI, а четвертый и пятый байты содержат время выполнения.

Файлы проекта

Для загрузки схем и спецификации (BOM) перейдите к файлам проекта по ссылке TIDA-01632.

В разделе «Трассировка печатной платы» освещаются следующие аспекты:

  • особенности трассировки цепей беспроводного BLE-микроконтроллера;
  • особенности трассировки антенны;
  • особенности трассировки LIN-трансивера;
  • особенности трассировки LDO;
  • стек печатной платы;
  • проводящий рисунок топологии.

Более подробные рекомендации по трассировке цепей беспроводного BLE-микроконтроллера находятся в разделе «Application, Implementation, andLayout» документа «CC2640R2F-Q1 SimpleLink™ Bluetooth® Low Energy Wireless MCU for Automotive». В разделе «Дополнительные документы» содержатся ссылки на описания ко всем устройствам и микросхемам, использованным в данном проекте.

Для определения угла прихода сигнала, были разработаны две дипольные четвертьволновые антенны. Диполи составляют 30,8 мм в длину с зазором между двумя антеннами в 4,2 мм. Применение четвертьволновых дипольных антенн в данном проекте обусловлено требованием, чтобы центры фаз двух антенн находились на расстоянии не более половины длины волны друг от друга. В данном случае, межцентровое расстояние составляет 35 мм, что составляет менее половины длины волны 2,4 ГГц (62,5 мм).

Более подробные рекомендации по трассировке LIN-трансивера изложены в разделе «Layout» описания «TLIN1029-Q1 Local Interconnect Network (LIN) Transceiver with Dominant State Timeout». В разделе «Дополнительные документы» содержатся ссылки на документацию ко всем устройствам и микросхемам, использованным в данном проекте.

Более подробные рекомендации по трассировке LDO изложены в разделе «Layout» описания «TPS7B82-Q1 300-mA High-Voltage Ultralow-IQ Low-Dropout Regulator». В разделе «Дополнительные документы» содержатся ссылки на документацию ко всем устройствам и микросхемам, использованным в данном проекте.

Плата референсной разработки TIDA-01632 была создана с использованием шести слоев. Верхний и нижний слои содержат и сигнальные, и силовые цепи, однако основную часть нижнего слоя занимает большой низкоомный план земли. В таблице 2 приведен стек платы. Печатная плата имеет габариты 45,72х76,2 мм, 6 слоев, слои меди в 35 мкм и с покрытие 70 мкм на верхнем и нижнем слоях. Суммарная толщина платы составляет около 0,9 мм.

Таблица 2. Стек платы TIDA-01632

Название слоя Тип Материал Толщина,мм Диэлектрик Диэлектрическая постоянная
Topoverlay Шелкография
Topsolder Паяльная маска Поверхностный материал 0,4 Паяльный резист
Toplayer Сигнальный Медь 1,9
Dielectric 1 Диэлектрик Ядро 4,2 FR-4 4,1
Layer 2 Сигнальный Медь 0,7
Dielectric 2 Диэлектрик Ядро 8,0 FR-4 4,1
Layer 3 Сигнальный Медь 0,7
Dielectric 3 Диэлектрик Ядро 3,8 FR-4 4,1
Layer4 Сигнальный Медь 0,7
Dielectric4 Диэлектрик Ядро 8,0 FR-4 4,1
Layer5 Сигнальный Медь 0,7
Dielectric5 Диэлектрик Ядро 4,2 FR-4 4,1
Bottomlayer Сигнальный Медь 1,9
Bottomsolder Паяльная маска Поверхностный материал 0,4 Паяльный резист
Bottomoverlay Шелкография

Для загрузки проводящих рисунков,  файлов проекта Altium Designer®, Gerber-файлов, монтажных чертежей перейдите к файлам проекта по ссылке TIDA-01632.

Список литературы

  1. Texas Instruments, «CC2640R2F-Q1 SimpleLink™ Bluetooth® low energy Wireless MCU for Automotive»/Беспроводной маломощный автомобильный SimpleLinkBluetooth® микроконтроллер CC2640R2FQ1.
  2. Texas Instruments, «TLIN1029-Q1 Local Interconnect Network (LIN) Transceiver with Dominant State Timeout» / Трансивер локальной соединительной сети (LIN) TLIN1029-Q1 с таймаутом доминирующего режима.
  3. Texas Instruments, «TPS7B82-Q1 300-mA High-Voltage Ultralow-IQ Low-Dropout Regulator» / Регулятор напряжения TPS7B82-Q1 с выходным током до 300 мА со сверхнизким током утечки и высоким входным напряжением.

Оригинал статьи

Перевел Вячеслав Семенов по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее

Товары
Наименование
CC2640R2FTWRGZRQ1 (TI)
CC2640R2FTWRGZTQ1 (TI)
TLIN1029DRBTQ1 (TI)
TLIN1029DRQ1 (TI)
TLIN1029DQ1 (TI)
TLIN1029MDRBRQ1 (TI)
TLIN1029DRBRQ1 (TI)
TPS7B8233QDGNRQ1 (TI)
TPS7B8233QDRVRQ1 (TI)
TPS7B8250QDGNRQ1 (TI)
TPS7B8250QDRVRQ1 (TI)