Воздушная акупунктура: сетевой процессор Bluetooth low energy от STMicroelectronics

25 февраля 2014

STM_life_logo

Небольшая сеть в пределах одного офиса или дома с возможностью автоматического восстановления соединения, быстрыми подключением и передачей данных – это Bluetooth Low Energy (BLE). А однокристальная беспроводная система BlueNRG это однорежимный сетевой процессор с поддержкой Bluetooth 4.0 от STMicroelectronics для построения такой сети.

Объединение устройств в сеть, как правило, дает на выходе нечто большее, чем просто возможность обмена данными между устройствами. Современная элементная база позволяет расширить функции многих привычных вещей – сделать их «интеллектуальными». Иногда эти дополнительные функции могут сводиться к простой автоматизации некоторых определенных действий – например, поддержание необходимой температуры воды в чайнике, его включение по расписанию или по факту прихода человека с работы. Таких примеров можно привести великое множество, и они будут охватывать практически все аспекты деятельности человека – от домашнего уюта до автоматизации рабочего места.

Взаимодействие интеллектуальных устройств чаще всего имеет смысл в пределах некоторой ограниченной пространственной области и координируется одним или несколькими центральными устройствами, имеющими интерфейс с человеком. В свете массового распространения персональных устройств типа мобильных телефонов, смартфонов, планшетов и им подобных устройств, вполне логично использовать для связи между ними один из распространенных беспроводных интерфейсов. Одним из таких интерфейсов является Bluetooth.

С появлением Bluetooth Smart [1,2] появляется реальная возможность объединения небольших устройств в беспроводную сеть. Bluetooth Low Energy изначально ориентирован на персональные сети небольшого радиуса действия с топологиями «точка-точка» и «звезда». Основными областями применения BLE являются устройства обеспечения безопасности, управления электроприборами и отображения показаний, датчики с батарейным питанием, домашние медицинские приборы, спортивные тренажеры.

Технологию Bluetooth Smart уже начали активно внедрять основные производители мобильных устройств и операционных систем, в частности, она поддерживается последними версиями операционных систем IOS, Android, Windows Mobile, Samsung OS.

Устройства BLE работают в диапазоне 2,4 ГГц. В стандарте определено 40 частотных каналов с расстоянием в 2 МГц между каналами. На физическом уровне применена GFSK-модуляция (Gaussian Frequency Shift Keying) с индексом модуляции в пределах от 0,45 до 0,55, что позволяет уменьшить пиковое потребление энергии. Скорость передачи на физическом уровне 1 Мбит/с. В стандарте BLE чувствительность приемника определена как уровень сигнала на приемнике, при котором частота битовых ошибок (Bit Error Rate – BER) достигает уровня 10-3 и должна быть -70 дБм или лучше.

Выделяют два типа каналов – каналы объявления и каналы данных. Каналы объявления используются для поиска устройств, установления соединения, широковещательных передач, тогда как каналы данных используются для двунаправленного обмена данными между устройствами, между которыми установлено соединение.

Для каналов объявления выделено три частотных канала в центре полосы, что минимизирует перекрытие с каналами 1, 6 и 11 стандарта IEEE 802.11. Остальные 37 каналов используются для обмена данными. Основные различия классического Bluetooth и Bluetooth Low Energy представлены в таблице 1.

Таблица 1. Основные различия классического Bluetooth и Bluetooth Low Energy

Параметр Bluetooth Bluetooth Low Energy
Битовая скорость по радиоканалу, Мбит/с 1…3 1
Скорость передачи данных, Мбит/с 0,7…2,1 0,2
Время, необходимое для подключения к сети и передачи данных, мс 100 <6
Размер пакета данных, байт <358 8…47
Тип модуляции сигнала GFSK(v1.2), GFSK/4-DQPSK/8DPSK (v2+EDR), 802.11 (v3+HS) GFSK

 

Несмотря на то, что некоторые возможности BLE заимствованы от классического Bluetooth, они не совместимы между собой. Устройство, поддерживающее только BLE (однорежимное устройство – single-mode device или Bluetooth Smart device) не сможет взаимодействовать с устройством, поддерживающим только Bluetooth 2.x/3.0. Для осуществления взаимодействия между ними хотя бы одно из устройств должно поддерживать оба стека протоколов (двухрежимное устройство – dual-mode device или Bluetooth Smart Ready device).

Bluetooth Smart-устройства обладают наименьшим потреблением и, в основном, представляют собой конечные исполнительные устройства. Bluetooth Smart Ready-устройства предполагают возможность периодического получения энергии, располагаются на различных мобильных изделиях, а также могут функционировать как обычные Bluetooth-устройства. Возможности по взаимодействию Bluetooth устройств между собой показаны на рисунке 1.

Возможности по взаимодействию Bluetooth-устройств между собой

Рис. 1. Возможности по взаимодействию Bluetooth-устройств между собой

В Bluetooth Smart, по сравнению с классическим Bluetooth, изменен механизм подключения устройств друг к другу, что позволяет им автоматически восстанавливать соединение даже через значительные интервалы времени и без внешнего вмешательства.

Так же, как и в классическом варианте Bluetooth, в BLE для установленного соединения одно из устройств выступает в качестве ведущего (master), второе – ведомого (slave). В ходе процедуры установления соединения – инициатор и объявитель, соответственно. Ведущее устройство может поддерживать несколько соединений с ведомыми, в то время как ведомое устройство может иметь только одно подключение – к ведущему. Таким образом, BLE-устройство одновременно может принадлежать только одной пико-сети. В этом кроется еще одно отличие BLE от Bluetooth – в последнем случае ведомое устройство в свою очередь могло выступать в качестве ведущего устройства своей собственной пико-сети.

 

Bluetooth v4.0-процессор от STMicroelectronics

Одним из простых способов обеспечить беспроводной интерфейс для устройства с ограниченными вычислительными и энергетическими ресурсами является применение специализированного беспроводного контроллера, ответственного за работу стека протоколов. Обычно такие контроллеры носят название сетевых процессоров и выпускаются производителями микроконтроллеров серийно. Существуют варианты сетевых процессоров для технологий ANT, ZigBee, WiFi, Bluetooth и, конечно, для Bluetooth Low Energy.

STMicroelectronics продолжает расширять ассортимент своих беспроводных контроллеров, выпустив однорежимный сетевой процессор с поддержкой стандарта Bluetooth 4.0 – BlueNRG [3, 4]. Однокристальная беспроводная система BlueNRG может работать в сетях Bluetooth Low Energy в качестве ведущего или ведомого устройства.

Структурная схема BlueNRG представлена на рисунке 2 [3]. В состав системы входят беспроводной приемопередатчик диапазона 2,4 ГГц и 32-разрядный контроллер с архитектурой Cortex-M0. Энергонезависимая флеш-память позволяет обновлять прошивку стека протоколов непосредственно в конечном изделии, в том числе доступно т.н. обновление «по воздуху». Низкое потребление ядра микроконтроллера, несколько режимов низкого энергопотребления с малым временем смены режимов в сочетании с эффективным приемопередатчиком способствуют увеличению времени работы устройств с BlueNRG от автономного источника питания. Пиковый ток потребления устройства составляет всего 10 мА при выходной мощности 1 дБм. Последовательный SPI-интерфейс к хост-контроллеру требует незначительного количества линий и может быть реализован на хост-контроллере любого типа. Скорость обмена BlueNRG с хост-контроллером может достигать 8 Мбит/с. Управление идет посредством набора команд Application Controller Interface (ACI), позволяющего получить доступ к сервисам встроенного Bluetooth стека.

Структурная схема BlueNRG

Рис. 2. Структурная схема BlueNRG

Подсистема памяти включает в себя 64 Кбайт флеш-памяти и 12 Кбайт оперативной памяти. В тестовом режиме контроллер линий ввода-вывода обрабатывает события на внешних выводах, которые могут либо быть сконфигурированы для использования периферийными устройствами BlueNRG, либо управляться программно. Интерфейсы JTAG и UART доступны только в тестовом режиме и предназначены для отладки программного обеспечения.

Среди дополнительных приятных моментов в BlueNRG можно отметить наличие встроенных стабилизаторов напряжения питания – линейного LDO-стабилизатора и управляемого импульсного понижающего DC/DC-преобразователя.

Передатчик в BlueNRG работает в двух режимах – обычном, обеспечивая выходную мощность сигнала до 5 дБм, и в режиме повышенной выходной мощности – до 8 дБм. При активном понижающем DC/DC-преобразователе ток потребления в режиме передачи на максимальной мощности не превышает 15 мА. При отключенном преобразователе максимальный ток потребления на передаче составляет примерно 29 мА.

Встроенный АЦП также обладает малым энергопотреблением, может работать с однополярными сигналами и с дифференциальными сигналами. АЦП может работать и в связке со встроенным датчиком температуры и датчиком уровня батарейного питания.

В систему тактирования BlueNRG входят два низкочастотных генератора и два высокочастотных. Низкочастотные генераторы используются в режиме низкого энергопотребления Low Power – в данном случае может быть задействован генератор с внешним кварцевым 32 кГц резонатором (точность хода может быть до ±50 ppm) или кольцевой генератор, не требующий внешних элементов, с точностью ±500 ppm.

Тактирование контроллера осуществляется высокочастотным генератором с внешним кварцевым резонатором на 16 или 32 МГц. В моменты запуска данного генератора тактирование системы идет от встроенного 12 МГц кольцевого генератора.

 

Основные аппаратные возможности BlueNRG:

  • напряжение питания от 2,0 до 3,6 В;
  • максимальный ток потребления при передаче – 8,2 мА (при 0 дБм выходной мощности, напряжении питания 3 В);
  • максимальная выходная мощность до 8 дБм (диапазон выходной мощности -18…+8 дБм);
  • бюджет канала связи до 96 дБм;
  • индикатор уровня принимаемого сигнала (RSSI) для оптимизации потребляемой мощности при обмене данными;
  • встроенный АЦП;
  • криптографический AES-сопроцессор;
  • подсистема управления питанием;
  • минимальный ток потребления при работе стека BLE – 1,7 мкА;
  • SPI-интерфейс с хост-процессором (рисунок 3);
  • встроенные генераторы на 12 МГц и на 32 кГц;
  • генераторы с внешним резонатором на 16/32 МГц и на 32 кГц;
  • рабочий температурный диапазон -40…85°С;
  • компактный корпус для поверхностного монтажа QFN32 (5×5 мм).

Схема взаимодействия BlueNRG и управляющего хост-контроллера

Рис. 3. Схема взаимодействия BlueNRG и управляющего хост-контроллера

Поддержка стека протоколов Bluetooth 4.0 (Bluetooth Low Energy) в BlueNRG включает в себя:

  • полную поддержку режимов ведущего и ведомого устройства;
  • полную поддержку протоколов BLE (рисунок 4) [3]:
    • GAP;
    • ATT/GATT: клиент и сервер;
    • SM: приватность, аутентификация, авторизация;
    • L2CAP;
    • поддержка протоколов канального уровня;
    • шифрование AES128;
  • поддержку физического уровня BLE.

Встроенный стек протоколов сетевого процессора BlueNRG

Рис. 4. Встроенный стек протоколов сетевого процессора BlueNRG

Программное обеспечение для BlueNRG включает в себя также пример Simple BlueNRG HCI с виде исходных текстов. При помощи Simple BlueNRG HCI можно осуществлять управление BlueNRG и отслеживать события, связанные с его работой.

Схема включения BlueNRG достаточно проста и включает в себя несколько развязывающих конденсаторов по питанию, кварцевые резонаторы с типовой обвязкой (фильтрующие конденсаторы) и радиочастотную цепь с выходом на антенну (рисунок 5). В том случае, если задействован встроенный импульсный DC/DC-преобразователь, между выводами SMPSFLT1 и SMPSFLT2 включается индуктивность, а вывод NO_SMPS подключается к общему проводу. При работе с внутренним LDO-стабилизатором индуктивности не требуется, вывод NO_SMPS подключается к шине питания, а вывод SMPSFLT1 остается незадействованным.

Типовая схема включения BlueNRG (DC/DC-преобразователь активен)

Рис. 5. Типовая схема включения BlueNRG (DC/DC-преобразователь активен) [3]

 

Ознакомительный комплект STEVAL-IDB002V1

Внешний вид ознакомительного комплекта STEVAL-IDB002V1

Рис. 6. Внешний вид ознакомительного комплекта STEVAL-IDB002V1

Для оценки возможностей и знакомства с BlueNRG STMicroelectronics предлагает недорогой ознакомительный комплект STEVAL-IDB002V1 [5, 6]. В состав STEVAL-IDB002V1 входят две платы (рисунок 6). Первая – небольшая плата BlueNRG со всеми необходимыми цепями питания и согласования радиочасти и с выходом на SMA-коннектор для подключения внешней антенны. Вторая плата содержит управляющий контроллер STM32L (STM32L152VBT6). Платы соединяются между собой разъемами с SPI-интерфейсом и интерфейсом отладки JTAG. STEVAL-IDB002V1 запитывается посредством miniUSB-разъема (от ПК или блока зарядного устройства смартфона) или от двух батареек (тип АА), разъем для подключения которых также установлен на основной плате, входящей в состав комплекта.

Помимо управляющего контроллера на основной плате расположены кнопки сброса, одна пользовательская кнопка, джойстик, пять светодиодов, датчик ускорения LIS3DH, датчик температуры STML75.

Демонстрационное приложение, позволяющее подключить комплект по Bluetooth к смартфону, предварительно прошито в хост-контроллере STM32L152VBT. В данном случае STEVAL-IDB002V1 определяется как датчик и позволяет получать значения с сенсоров, установленных на плате с управляющим контроллером.

Дополнительно к STEVAL-IDB002V1 после регистрации на сайте STMicroelectronics доступно программное обеспечение для настройки и работы с BlueNRG – BlueNRG GUI (рисунок 7). Утилита позволяет посылать стандартные HCI-команды, отслеживать события, связанные с работой стека протоколов BLE, анализировать содержимое полученных и отправленных пакетов. Есть возможность редактирования любых полей посылаемых HCI-команд. BlueNRG GUI позволяет достаточно эффективно работать с BlueNRG на низком уровне – сохраняется история команд, полученные и переданные пакеты, различные формы представления информации.

Основное окно приложения BlueNRG GUI

Рис. 7. Основное окно приложения BlueNRG GUI

Управление BlueNRG на более высоком уровне осуществляется при помощи прикладного программного интерфейса ACI, являющегося расширением стандартного интерфейса Bluetooth HCI.

В состав программного обеспечения, устанавливаемого совместно с BlueNRG GUI, входит С-библиотека для хост-контроллера STM32, содержащая все необходимые функции для настройки BlueNRG .

 

Заключение

Сетевой процессор BlueNRG может быть с успехом применен в системах домашней и офисной автоматики, для автоматизации личного пространства, организации связи между носимыми датчиками, передачи показаний датчиков расхода ресурсов.

Данный сетевой процессор отличает широкий диапазон выходных мощностей и низкий ток потребления даже в режиме передачи на максимальной мощности. Небольшое число требуемых пассивных компонентов позволяет экономить место на печатной плате и сократить расходы на комплектующие.

 

Литература

  1. Low Energy Bluetooth Technology Website >>>
  2. Bluetooth Smart Devices Bluetooth Technology Website >>>
  3. DS9877: Bluetooth® low energy wireless network processor >>>
  4. BlueNRGBluetooth® low energy wireless network processor >>>
  5. STEVAL-IDB002V1 Bluetooth ® SMART board based on the BlueNRG low energy network processor – STMicroelectronics >>>
  6. UM1686 – BlueNRG development kit >>>.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка – e-mail: wireless.vesti@compel.ru

ST_NE_01_14

•••

Наши информационные каналы

О компании STMicroelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее

Товары
Наименование
BLUENRGQTR (ST)
STEVAL-IDB002V1 (ST)
STM32L152VBT6TR (ST)
STM32L152VBT6 (ST)
LIS3DHTR (ST)
LIS3DH (ST)
CC2541F256RHAT (TI)
CC2541DK-SENSOR (TI)