Новинка от TI: три процессора, DC/DC и радио 868/2400 МГц на одном кристалле

4 марта 2015

Texas InstrumentsстатьяWiFiBLEInternet-of-ThingsBluetoothwirelessZigBee

Как кардинально снизить энергопотребление применяемых в интеллектуальных сетях обмена информацией беспроводных контроллеров, одновременно повысив их производительность? Так, как сделала компания Texas Instruments, представив многоядерную беспроводную систему-на-кристалле где под основные задачи, характерные для беспроводного сетевого приложения, выделены отдельные процессорные ядра.

В настоящее время беспроводные сети и интерфейсы распространены достаточно широко, и области их применения постоянно расширяются. При этом наблюдается экспоненциальный рост количества устройств, имеющих беспроводной интерфейс какого-либо типа. Каждая область применения беспроводных систем характеризуется наличием некоторого количества узлов и предназначена для решения определенного класса задач или предоставления пользователям сервисов.

Беспроводные сети применяются во многих отраслях – мониторинг и управление объектами, сбор, передача и первичная обработка данных и многое другое.

Количество узлов сети может варьироваться от двух штук и до нескольких тысяч, соответственно, различны топологии сетей – от простых типа «точка-точка» или «звезда», характерных для персональных сетей (PAN), до сложных ячеистых сетей в системах сбора данных или управления (LAN, MAN). Мesh используется в PAN и, похоже, не применяется в LAN Ethernet – имеется в виду беспроводная среда в виде Wi-Fi, WiMax, ZigBee. Каждая из топологий требует поддержки в виде сетевого приложения или протокола. В зависимости от задач сети, количества ее узлов, а также условий эксплуатации применяются различные частотные диапазоны и стеки протоколов. При этом узлы сети могут иметь существенные различия по вычислительным, коммуникационным ресурсам и объему доступной памяти.

Основные технологии беспроводных сетей, получившие широкое распространение на текущий момент:

  • Wi-Fi – технология локальных высокоскоростных, преимущественно, офисных, сетей, применяется для интеграции систем автоматизации, управления и сбора и передачи большого объема данных;
  • Bluetooth – стандарт беспроводной передачи данных в диапазоне 2,4 ГГц со скоростями до 3 Мбит/с, наиболее часто используется как высокоскоростной беспроводной интерфейс передачи данных и аудио;
  • Bluetooth Low Energy (BLE) является технологией беспроводной связи для ближних коммуникаций, ориентированной на применение в системах мониторинга, сбора данных, интерфейсных устройствах с автономным питанием: устройствах обеспечения безопасности, управления электроприборами, отображения показаний приборов учета, домашних медицинских приборах, спортивных тренажерах и прочих;
  • 6LoWPAN – открытый стандарт IETF (Internet Engineering Task Force, RFC 4944), определяющий реализацию протокола IPv6 поверх маломощных беспроводных сетей, обеспечивает поддержку адресов IPv6 для всех узлов беспроводной сети ячеистой топологии для организации масштабируемых сетей, а также поддержку маршрутизации и самовосстановления;
  • ZigBee – семейство стандартов одноименного альянса, регламентирующих состав, функции и способы взаимодействия узлов сетей различного назначения – от управления освещением и домашней автоматики до систем автоматизации промышленных и коммерческих объектов: ZigBee Smart Energy™, ZigBee Home Automation™, ZigBee Remote Control™, ZigBee Health Care™, ZigBee Telecom Services™, ZigBee Building Automation™, ZigBee Retail Services™ , ZigBee 3D Sync™, ZigBee Input Device™, ZigBee Light Link™; поддерживает сети различных топологий;
  • ANT – простое решение для организации сетей «точка-точка», «звезда»; является довольно популярной технологией для сбора, автоматической передачи и отслеживания данных датчиков при занятиях спортом, мониторинга состояния здоровья в домашних условиях;
  • WM-Bus – является одним из распространенных протоколов передачи данных для ряда специфических электронных устройств, таких как приборы учета электрической и тепловой энергии, расходомеры воды и газа, некоторые исполнительные устройства.

Рис. 1. Структура беспроводных систем-на-кристалле CC13xx-CC26xx

Рис. 1. Структура беспроводных систем-на-кристалле CC13xx-CC26xx

«Internet of Things»

Особенно ценным качеством сети является ее способность интегрировать в себе разнородные устройства с различными функциями и предоставляемыми ресурсами. Суть популярного сегодня понятия «Интернет вещей» (Internet of Things) можно объяснить как возможность объединения сетей разных технологий и осуществления прозрачного и простого доступа к данным и сервисам устройств этих сетей, в том числе и с использованием технологий глобальных сетей. С практической точки зрения удобнее говорить об Intranet of Things – объединении разнородных (чаще всего беспроводных) сетей в рамках решения определенного круга прикладных задач для отдельной организации или пользователя.

Например, пользователь посредством своего смартфона, планшетного или домашнего компьютера может отслеживать состояние электроприборов своего дома, управлять освещенностью, климатом, получать оповещения о статусе безопасности. На сегодняшний день стало ясно, что с помощью одной технологии данную задачу выполнить сложно. Причины этого кроются в различных вкусах и предпочтениях пользователей, в большом разнообразии производителей электроники и затруднительности интеграции их решений в единую систему. Различные части данной задачи проще и эффективнее реализуются на специализированных решениях.

Объединение сетей требует решения двух больших задач – согласования беспроводных сетевых интерфейсов и сетевых протоколов. Программная часть решается относительно просто – путем выполнения единого сетевого протокола на всех узлах сети или на выделенных сетевых шлюзах. Аппаратная часть – по сути, сами шлюзы или межсетевые маршрутизаторы – для своей реализации требует одновременной поддержки, как минимум, уровней PHY и MAC для нескольких беспроводных сетей. Чаще всего при создании такого рода шлюзов приходится ставить несколько микросхем, поддерживающих соответствующие беспроводные сети и их внутренние сетевые протоколы; в лучшем случае, доступны модули, поддерживающие два-три стандарта. Так называемые мультирадио-микросхемы или контроллеры практически недоступны для разработчиков встраиваемой электроники, так как производители мультирадио-решений ориентированы на крупных производителей телефонов, планшетов и аналогичных им устройств и, соответственно, предлагаемые ими решения, в основном, поддерживают набор технологий Wi-Fi, Bluetooth и GPS/GLONASS, что, конечно же, не перекрывает потребностей рынка встраиваемых устройств, особенно устройств с автономными или альтернативными (ветрогенераторы, солнечные батареи и так далее) источниками питания. Программно-аппаратные решения класса «программно-определяемого радио» (SDR) в большинстве своем находятся на стадии экспериментальных проектов на FPGA или же представляют собой закрытые проекты специального или военного назначения. Энергопотребление FPGA также редко приемлемо для автономных устройств с маломощными источниками питания.

Одним из самых критичных требований к беспроводным устройствам является низкое энергопотребление, поскольку большинство узлов в беспроводных сетях имеет автономные источники питания и ограничено в размерах.

Вместе с тем, в соответствии с запросами рынка, возрастает вычислительная нагрузка на отдельные беспроводные узлы – это обслуживание множества внешних датчиков, управление исполнительными устройствами, предоставление информационных сервисов. В связи с этим лидирующую роль при реализации узлов стали играть беспроводные однокристальные микроконтроллеры и связки «контроллер общего назначения + сетевой процессор».

Новая линейка беспроводных решений CC13xx-CC26xx

Как ответ на все эти вызовы, компания Texas Instruments создает революционную линейку решений CC13xx-CC26xx – беспроводные многоядерные контроллеры с программно-конфигурируемым радио и встроенной поддержкой различных стандартов.

CC13xx-CC26xx – линейка бюджетных энергоэффективых беспроводных контроллеров, оптимизированных для операций в субгигагерцевом диапазоне и диапазоне 2,4 ГГц. Высокопроизводительный трансивер управляется выделенным процессорным ядром Cortex-M0, выполняющим прошитые в его ROM низкоуровневые протоколы. Протоколы верхнего уровня выполняются на отдельном ядре Cortex M3 с тактовой частотой до 48 МГц. Опрос датчиков проводится независимым микромощным контроллером, который может работать и с аналоговыми, и с цифровыми датчиками.

Рис. 2. Организация питания CC13xx/CC26xx

Рис. 2. Организация питания CC13xx/CC26xx

При этом TI удалось добиться впечатляющих результатов в плане производительности, энергопотребления и характеристик радиоканала:

  • энергопотребление:
    • контроллер приложений в активном режиме – 69 мкA/МГц (ARM Cortex M3), в спящем режиме с сохранением содержимого памяти – 0,7 мкA;
    • напряжение питания – 1,65…3,8 В (рисунок 2);
  • радиотракт:
    • при работе в диапазоне 2,4 ГГц – 6,2 мА при приеме и 6,1 мА при передаче (выходная мощность 0 дБм);
    • субгигагерцевый диапазон – 5,5 мА при приеме, 12 мА при передаче (выходная мощность 10 дБм);
    • максимальная выходная мощность для диапазона 2,4 ГГц – до +4 дБм, для диапазона 315…950 МГц – до +14 дБм;
    • поддержка нескольких протоколов;
    • максимальная скорость передачи данных – 4 Мбит/с;
  • микромощный контроллер датчиков;
  • миниатюрные QFN-корпуса (рисунок 3) 4х4…7х7 мм (в зависимости от количества линий ввода-вывода).

Рис. 3. Расположение выводов CC13xx/CC26xx

Рис. 3. Расположение выводов CC13xx/CC26xx

Новые возможности обусловлены передовыми проектными нормами 65 нм и многолетним опытом TI в области радио. Texas Instruments имеет большой стаж реализации беспроводных микросхем по технологическим нормам 65 и 45 нм. Техпроцесс 65 нм обеспечивает снижение стоимости в пересчете на вентиль, низкое энергопотребление (мкА/МГц) и снижение стоимости элементов памяти. Все это позволяет разместить на одном кристалле несколько процессорных ядер со своей памятью и набором периферийных устройств.

Относительно большие объемы встроенной памяти (Flash, оперативной и ПЗУ) совместно с разделением функций на различные процессорные ядра и встроенный приемопередатчик с управляющим ядром Cortex-M0 позволяют поддерживать несколько протоколов в рамках одной микросхемы, включая различные режимы модуляции сигнала.

В серию CC13xx входят беспроводные контроллеры и сетевые процессоры субгигагерцевого диапазона, а также двухдиапазонные беспроводные контроллеры и трансиверы с поддержкой диапазона 2,4 ГГц (таблица 1).

Таблица 1. Параметры микросхем серий CC13xx

Наименование Тип
устройства
Диапазон частот и поддерживаемые типы модуляции Поддерживаемые протоколы Flash, кБайт RAM, кБайт Корпус, мм Количество выводов
CC1310 Беспроводной контроллер Sub-1 GHz: MSK, FSK, GFSK, OOK, ASK, 4GFSK, CPM (shaped 8 FSK) Сети топологии «звезда»: WMBUS, SimpliciTI 128; 64; 32 20; 16; 8 4×4; 5×5; 7×7 10; 15; 31
CC1330 Беспроводной контроллер/Сетевой процессор Sub-1 GHz: MSK, FSK, GFSK, OOK, ASK, 4GFSK, CPM (shaped 8 FSK) Mesh-сети: 6LowPAN, ZigBee 128 20 4×4; 5×5; 7×7 10; 15; 31
CC1350 Беспроводной контроллер Sub-1 GHz и 2.4 GHz: MSK, FSK, GFSK, OOK, ASK, 4GFSK, CPM (shaped 8 FSK) Multi-protocol: BLE (2,4 ГГц), проприетарные протоколы диапазона sub-1 GHz 128 20 4×4; 5×5; 7×7 10; 15; 31

 

Серия СС26хх представлена беспроводными мультипротокольными контроллерами и сетевыми процессорами диапазона 2,4 ГГц (таблица 2).

Таблица 2. Параметры микросхем серий CC26xx

Наименование Тип и наименование устройства Поддерживаемые протоколы Flash, кБайт RAM, кБайт Корпус, мм Количество
выводов
CC2610 Беспроводной
контроллер
Проприетарные
протоколы
128; 64 20 4×4; 5×5; 7×7 10; 15; 31
CC2620 Беспроводной
контроллер
RF4CE 128; 64 20 4×4; 5×5; 7×7 10; 15; 31
CC2630 Беспроводной
контроллер
ZigBee/6LoWPAN 128 20 4×4; 5×5; 7×7 10; 15; 31
CC2640 Беспроводной
контроллер
BLE 128 20 4×4; 5×5; 7×7 10; 15; 31
CC2650 Беспроводной
контроллер
Мультипротокольный 128 20 4×4; 5×5; 7×7 10; 15; 31

 

Сетевые процессоры взаимодействуют с хост-контроллером посредством SPI- или UART-интерфейса. В случае беспроводного контроллера приложение должно быть написано в соответствии с определенными правилами, определяемыми программной платформой стека протоколов. В случае с протоколами Texas Instruments рекомендуется использовать приложения для операционной системы TI RTOS.

Поддерживаемые линейкой протоколы:

  • IEEE 802.15.4g/e TI MAC;
  • 6LoWPAN;
  • Bluetooth Low Energy;
  • wM-Bus;
  • SimpliciTI.

Беспроводной контроллер CC1350 поддерживает стандарты BLE диапазона 2,4 ГГц и 802.15.4 в субгигагерцевом диапазоне. Это делает его практически идеальным для построения межсетевых шлюзов для отображения данных узлов субгигагерцевых сетей и устройств сбора данных. Управление субгигагерцовыми сетями становится возможным с помощью стандартных гаджетов с поддержкой BLE, например, смартфонов или планшетных компьютеров.

Во многих случаях применение СС1350 позволит отказаться от наличия устройств индикации: эта функция перенесется на пользовательское устройство – достаточно принять данные по BLE специальным приложением. Пользовательское устройство, как правило, с графическим сенсорным экраном, большим объемом памяти и доступом в Интернет, дает существенно больше возможностей по управлению полученными данными, их анализом, отображением, хранением.

Схемотехническое решение выглядит достаточно просто – широкополосный согласующий фильтр, СВЧ-переключатель и две антенны. Пример двухдиапазонного узла на базе СС1350 представлен на рисунке 4.

Рис. 4. Пример двухдиапазонного узла на базе СС1350

Рис. 4. Пример двухдиапазонного узла на базе СС1350

Пример топологии печатной платы беспроводного двухдиапазонного узла на СС1350 представлен на рисунке 5.

Рис. 5. Пример двухдиапазонного узла (2,4 ГГц и 868/915 МГц) на базе СС1350

Рис. 5. Пример двухдиапазонного узла (2,4 ГГц и 868/915 МГц) на базе СС1350

Серии CC13xx и CC26xx повыводно и программно совместимы. Небольшие отличия между сериями заключаются в аналоговой части радиотракта (смеситель, LNA) и синтезаторе частоты (PLL).

Ключевые характеристики семейства:

  • пиковый ток потребления: прием – 6,1 мA, режим прослушивания – 0,95 мA;
  • 20 мA при передаче (при +14 дБм выходной мощности);
  • поддержка частотных диапазонов sub-1 GHz и 2,4 ГГц;
  • скорость передачи данных до 4 Мбит/с;
  • чувствительность – 121 дБм (2,4 кбит/с), – 111 дБм при 50 кбит/с и модуляции GFSK;
  • 61 мкA/МГц в активном режиме Cortex M3;
  • 8,2 мкA/МГц в активном режиме сенсорного контроллера;
  • ток потребления в режиме сна – 0,7 мкA;
  • объемы памяти до 128 кбайт Flash-памяти/20 кбайт ОЗУ;
  • 210 кбайт встроенной ROM;
  • встроенный DC/DC-преобразователь.

Основными целевыми приложениями для СС13хх являются:

  • системы учета расхода ресурсов с батарейным питанием;
  • системы охранно-пожарной сигнализации;
  • системы автоматизации зданий и домашняя автоматика;
  • приложения класса Internet of Things.

СС26хх ориентированы на носимые устройства (wearables) с батарейным питанием, медицинские устройства, аксессуары для мобильных телефонов, системы освещения – датчики присутствия, управляемые светильники, устройства удаленного управления.

CC13xx…CC26xx – что внутри?

Рис. 6. Структура радиоядра семейства

Рис. 6. Структура радиоядра семейства

Радиочастотный блок (RFcore) линейки CC13xx…CC26xx наследует лучшие качества предшественников – трансиверов серий СС11хх и СС2хх, но благодаря техпроцессу 65 нм он выходит на новый уровень по энергоэффективности.

Основные параметры встроенного трансивера:

  • высокая чувствительность и селективность;
  • чувствительность – 121 дБм при 2,4 кбит/с, – 111 дБм при 50 кбит/с и модуляции GFSK;
  • поддержка модуляций MSK, FSK, GFSK, OOK, ASK, 4GFSK, CPM (shaped 8 FSK);
  • программируемая выходная мощность до + 14 дБм;
  • поддержка нескольких антенн;
  • программируемое усиление аналогового тракта;
  • соответствие требованиям регламентирующих документов:
    • в диапазоне Sub-1 ГГц: ETSI EN 300 220 (EU); FCC CFR47 Part 15; ARIB STD-T108;
    • в диапазоне 2,4 ГГц: ETSI EN 300 328 (EU); ETSI EN 300 440 class 2 FCC CFR47 Part 15 (US)
    • ARIB STD-T66 (Japan).

Структура так называемого радиоядра представлена на рисунке 6. В дополнение к трансиверу, сочетающему в себе прецизионную аналоговую часть и цифровую обработку сигналов, радиомодуль содержит процессорное ядро Cortex M0 и выделенный таймер. Это позволяет легко обрабатывать несколько протоколов PHY-уровня, осуществлять управление модемом, заниматься формированием пакетов. Основной процессор обращается к сервисам радиоядра посредством API-команд.

Радиоядро работает автономно, выполняя критически важные моменты работы протоколов обмена данными, освобождая ресурсы основного ядра для пользовательских приложений. RF-ядро выполняет код, находящийся в ROM, но имеет также несколько блоков ОЗУ, что позволяет запускать загружаемый извне код.

Беспроводные системы семейства CC13xx…CC26xx требуют всего лишь несколько внешних элементов в типовой схеме включения. Возможные варианты организации радиотракта двухдиапазонного контроллера СС1350 представлены на рисунке 7, принципиальные электрические схемы – на рисунке 8.

Рис. 7. Варианты организации радиотракта двухдиапазонного контроллера СС1350

Рис. 7. Варианты организации радиотракта двухдиапазонного контроллера СС1350

Первый, представленный на рисунке 7, вариант двухдиапазонного тракта предусматривает наличие раздельных фильтрующих цепей для каждого из диапазонов. Он рассчитан на применение антенн с одной точкой запитки (например, штыревых), требует дополнительных пассивных элементов, площади печатной платы и соблюдения необходимой топологии разводки цепей, но дополнительного управления или переключения с одной антенны на другую не требуется.

Рис. 8. Принципиальные электрические схемы радиотракта СС13хх

Рис. 8. Принципиальные электрические схемы радиотракта СС13хх

Второй вариант использует общий для двух диапазонов широкополосный согласующий фильтр и управляемый радиочастотный ключ, переключающий выход согласующего фильтра между раздельными выходными цепями субгигагерцевого диапазона и диапазона 2,4 ГГц. Данный вариант позволяет добиться хорошего согласования антенн и тракта трансивера.

Третий вариант использует общие согласующие цепи антенного тракта. Параметры рассчитываются на диапазон <1 ГГц, как на наиболее критичный, но при этом остается возможность передавать данные и на 2,4 ГГц, правда, на небольших расстояниях (не более нескольких метров при прямой видимости).

Для расширения радиуса действия в субгигагерцевом диапазоне возможна интеграция с популярным усилителем СС1190 (рисунок 9), для диапазона 2,4 ГГц – с усилителями серий CC259x.

Рис. 9. Пример подключения СС13хх к усилителю СС1190

Рис. 9. Пример подключения СС13хх к усилителю СС1190

Трансивер линейки выигрышно смотрится даже по сравнению с последними сериями субгигагерцевых трансиверов Texas Instruments (таблица 3) и однокристальными беспроводными системами диапазона 2,4 ГГц. Например, энергопотребление для устройства Bluetooth Low Energy на чипе СС2640 снижается на 72%, по сравнению с микросхемой СС2541 (рисунок 10).

Рис. 10. Профили энергопотребления СС2541 и СС2640

Рис. 10. Профили энергопотребления СС2541 и СС2640

Таблица 3. Сравнительные характеристики трансиверов СС110L, CC1200 и CC13хх

Параметр CC110L CC1200 CC13xx
Напряжение питания, В 1,8…3,8 2,0…3,8 1,65…3,8
Температурный диапазон, °C -40…85 -40…85 -40…85
Чувствительность 10 Кбит/с, дБм -110 -115 -115
Чувствительность 50 Кбит/с, дБм -104 -110 -110
Максимальная выходная мощность при 868 МГц, дБм 12 14 14
Максимальная ширина полосы пропускания на приеме, кГц 800 160 400
Минимальная ширина полосы пропускания на приеме, кГц 58 9,5 40
Скорость передачи данных, кбит/с 600 1000 4000
Ток потребления в режиме покоя с запущенным таймером, мкА 0,2 (RF) 0,3 (RF) 0,7 (MCU+RF)

 

Основное контроллерное ядро ARM® Cortex™ M3 (CM3)

Приложения пользователя и верхние уровни стека протоколов (сам стек протоколов в случае сетевого процессора) выполняются на 32-битном процессорном ядре ARM® Cortex™ M3 (СМ3).

Cortex M3 отвечает требованиям к высокой производительности, высокой плотности кода, малому времени реакции на прерывания при небольшом числе внешних выводов, низкой стоимости и энергопотреблению.

Основные возможности ядра Cortex M3:

  • набор инструкций Thumb®-2 – (16- и 32-битные) обеспечивает малые объемы кода, соизмеримые с 8-, 16-битными контроллерами при значительно большей производительности;
  • однотактные инструкции, включая деление и умножение, набор битовых операций, ЦОС-инструкции;
  • побайтовый доступ к данным в памяти (нет необходимости выравнивать данные на границы двух или четырех байт);
  • высокая производительность допускает работу на пониженных частотах;
  • гарвардская архитектура, характеризующаяся раздельными шинами для данных и команд при едином адресном пространстве;
  • последовательный отладочный интерфейс, поддерживаются стандарты cJTAG (IEEE 1149.7) и JTAG (IEEE 1149.1);
  • производительность 1,25 DMIPS/МГц;
  • несколько режимов энергопотребления.

Flash-память предназначена для хранения прикладных программ и может быть перезаписана, в том числе и в готовом устройстве. В оперативной памяти могут располагаться и выполнимый код, и данные. Оперативная память разделена на блоки по 4 кбайта, для снижения энергопотребления неиспользуемые блоки памяти можно отключать (с потерей данных).

В ROM-памяти прошито программное обеспечение Tiva-Ware™ и стеки протоколов 802.15.4 MAC и Bluetooth Low Energy Controller. В постоянной памяти располагается начальный загрузчик, позволяющий перепрограммировать устройство посредством SPI или UART.

Для оптимизации энергопотребления предусмотрено несколько режимов питания (таблица 4).

Таблица 4. Режимы энергопотребления семейства CC13xx…CC26xx

Режим Активный LPM0 LPM1 LPM3 LPM4.5 Reset
CPU Active Idle Idle Idle Off Off
FLASH On On Off Off Off Off
SRAM On On On On Off Off
Radio Off Off Off Off Off Off
Supply System On On On Power Down Off Off
Current, мкA 800 + 44 мкА/МГц 800 500 0,7 0,1 0,1
Wake-up Time to CPU Active, мс 1 10 135 700 700
Register Retention Полное Полное Полное Полное Нет Нет
SRAM Retention Полное Полное Полное Полное Нет Нет
High Speed Clock XOSC или RCOSC XOSC или RCOSC XOSC или RCOSC Отключено Отключено Отключено
Low Speed Clock XOSC или RCOSC XOSC или RCOSC XOSC или RCOSC XOSC или RCOSC Отключено Отключено
Peripherals Доступно Доступно Доступно Недоступно Недоступно Недоступно
SPI Slave Доступно Доступно Доступно Доступно Недоступно Недоступно
Sensor Controller Доступно Доступно Доступно Доступно Недоступно Недоступно
Wake-up on RTC Доступно Доступно Доступно Доступно Недоступно Недоступно
Wake-up on Pin Level Доступно Доступно Доступно Доступно Доступно Недоступно
Wake-up on Reset Pin Доступно Доступно Доступно Доступно Доступно Доступно

Активный режим предусматривает нормальное выполнение процессором операций и работу всех разрешенных периферийных устройств, тактирование возможно от любого доступного устройства.

В режимах ожидания (Idle) активные периферийные устройства тактируются, однако процессорное ядро и память остановлены, по любому из событий или прерываний процессор и память выходят в активный режим.

В режиме пониженного потребления (Power-down mode) активен только домен питания AON и разрешенные периферийные устройства домена AUX. Внешнее событие или прерывание от таймера реального времени выводит контроллер из данного режима. Все периферийные устройства вне пределов доменов питания AON и AUX, а также процессорное ядро, проходят при выходе из режима Power-down стартовую последовательность, как и при включении, выполняя код с заданного пользователем адреса. В том случае, если оперативная память не была отключена полностью (с сохранением данных), возможно восстановить состояние, используя данные в памяти.

В выключенном состоянии (Shutdown) устройство полностью выключено, в том числе домены AON и AUX, выводы находятся в том состоянии, в котором они были на момент перехода в режим Shutdown. Изменение уровня на любом из выводов, настроенных как линия пробуждения (wake from Shutdown pin) активирует работу контроллера, срабатывая как сигнал сброса. Читая данные регистра статуса сброса, контроллер имеет возможность определить причину сброса – был ли это сброс по включению питания или срабатывание одной из линий пробуждения. В режиме Shutdown сохраняется только состояние внешних выводов и содержимое Flash-памяти.

СС13хх поддерживает два внешних и два внутренних источника тактовых сигналов. Внешний кварцевый резонатор 24 МГц необходим в качестве источника тактовых импульсов для радиочасти. Сигнал с генератора удваивается для получения частоты 48 МГц. Внешний резонатор 32 кГц не является необходимым и применяется только при работе с протоколом Bluetooth Low Energy, для которого требуются низкочастотные тактовые импульсы с точностью более ±500 ppm. Существует возможность использования высокочастотного кварцевого резонатора 24 МГц в качестве источника низкочастотного тактового сигнала 32 кГц. Для этого задействуется специальная схема деления частоты, но при этом потребление возрастет примерно на 30…40 мкА.

Встроенный высокочастотный генератор 24 МГц может быть использован для тактирования процессорного ядра. Низкочастотный внутренний генератор 32 кГц также может быть использован в качестве источника тактового сигнала.

Контроллерное ядро Cortex M3 имеет богатый набор периферийных устройств и содержит:

  • датчик температуры;
  • четыре таймерных модуля общего назначения (2×16- или 1×32 бит с режимом ШИМ);
  • 8-канальный 12-битный АЦП (до 200 квыб/с);
  • сторожевой таймер;
  • аналоговый компаратор;
  • UART, I2C;
  • три SPI (один из них – микромощный);
  • AES-модуль;
  • 10…31 линий ввода-вывода (в зависимости от текущей конфигурации и корпуса);
  • поддержку до восьми емкостных кнопок.

Контроллер ввода-вывода позволяет настраивать функции ввода-вывода, в том числе и для выполнения альтернативных функций. Каждый из выводов может служить источником прерывания или пробуждения контроллера. Пять линий имеют выходной ток, достаточный для управления светодиодом.

Последовательные интерфейсные модули SSI могут быть настроены в режим SPI- или MICROWIRE-интерфейсов.

UART представляет собой универсальный асинхронный последовательный интерфейс, поддерживает диапазон скоростей обмена вплоть до 3 Мбит/с и совместим со спецификациями Bluetooth HCI.

I2C-интерфейс поддерживает режимы ведущего и ведомого устройств, его максимальная тактовая частота – до 1 МГц.

32-канальный контроллер прямого доступа к памяти позволяет осуществлять передачу данных между периферийными устройствами и памятью, а также между периферийными устройствами без участия процессорного ядра.

В домен питания AON входят:

  • таймер реального времени;
  • микромощный SPI-интерфейс, работающий только в режиме ведомого и предназначенный, в первую очередь, для применения в режиме сетевого процессора;
  • датчики уровня батарейного питания и температуры.

ULP Sensor Controller

Рис. 11. Структурная схема контроллера датчиков ULP Sensor Controller

Рис. 11. Структурная схема контроллера датчиков ULP Sensor Controller

Контроллер датчиков (ULP Sensor Controller) является процессором, отвечающим за управление периферийными устройствами в домене питания AUX независимо от основного контроллера (Cortex M3). Периферийные устройства, подключенные к данному домену, могут быть сконфигурированы таким образом, что они будут активны даже в режиме Power-down. Контроллер датчиков представляет собой специализированный малопотребляющий 16-разрядный RISC-процессор, способный работать от 32 кГц, пока остальная система находится в спящем режиме или режиме ожидания. В активном режиме он может быть тактирован и от генератора 24 МГц. ULP Sensor controller освобождает основной контроллер от задач опроса датчиков, что позволяет сохранять общее малое потребление при одновременном выполнении задач сбора данных. Структура контроллера датчиков представлена на рисунке 11. В его состав входит несколько аналоговых и цифровых узлов:

  • аналоговые узлы:
    • восьмиканальный 12-битный АЦП (200 квыб/с), FIFO-буфер на 4 слова;
    • два компаратора – микромощный и высокоскоростной;
    • программируемый источник тока 0,25…20 мкА;
  • цифровые узлы:
    • преобразователь «время-код»;
    • два 8-битных таймера с предделителями;
    • 16 линий ввода-вывода;
    • SPI- и I2C-интерфейсы.

Микромощный компаратор может быть использован для вывода системы из режимов пониженного потребления. Также выход компаратора может запускать преобразование в АЦП. Высокоскоростной компаратор применяется для работы сигналами в широкой полосе частот.

Преобразователь «время-код» в связке с источником тока могут составить емкостной датчик. Источниками запуска преобразования АЦП могут служить таймеры, события на линиях ввода-вывода, программный запуск, аналоговый компаратор, таймер реального времени.

Контроллер датчиков может быть настроен на ПК при помощи программы Sensor Controller Studio. Типовые задачи, выполняемые контроллером датчиков:

  • опрос аналоговых датчиков;
  • опрос цифровых датчиков посредством линий ввода-вывода и интерфейсов I2C, SPI;
  • реализация емкостных датчиков;
  • генерация сигналов;
  • калибровка генераторов;
  • квадратурный декодер датчиков угла поворота;
  • датчики движения;
  • сканеры клавиатуры и так далее.

Средства разработки

Средства разработки и отладки для семейства СС13хх/СС26хх включают в себя отладочные платы и наборы, опорные решения, сертифицированные согласно документам FCC и ETSI, а также программные продукты:

  • Packet Sniffer PC software – анализатор пакетов для стандартных и фирменных сетевых протоколов – SimpliciTI, TIMAC, ZigBee, RemoTI, позволяет прослушивать сеть на выбранной частоте и частотном канале;
  • SmartRF™ Studio – приложение для ПК, позволяющее пользователю выставить необходимые настройки для выбранного устройства – частоту передачи данных, канал, скорость передачи, выходную мощность и ряд других, предоставляет простые инструменты тестирования беспроводного канала – проверку возможности приема-передачи данных, пакетов, измерение качества канала связи;
  • SmartRF™ Flash Programmer используется для обновления прошивки отладочных модулей, программирования Flash-памяти контроллеров и систем-на-кристалле;
  • Firmware configurator for the Sensor processor – утилита для задания программы работы сенсорного контроллера.

Разработка программного обеспечения для семейства СС13хх/СС26хх может вестись в следующих средах:

  • IAR Embedded Workbench® for ARM;
  • Code Composer Studio;
  • GCC.

Рис. 12. Внешний вид отладочного набора CC13xx Development Kit

Рис. 12. Внешний вид отладочного набора CC13xx Development Kit

Отладочный набор CC13xx Development Kit (рисунок 12) включает в себя:

  • две оценочные платы SmartRF06 Evaluation Boards (SRF06EB);
  • две платы CC13xxEM (7×7 DIFF 779…930 MГц);
  • штыревые антенны W5017 Pulse.

CC13xx Development Kit позволяет оценить возможности СС13хх при передаче данных с различными скоростями и типами модуляции радиосигнала, дальность связи, энергопотребление.

 

Заключение

Изюминкой линейки CC13xx/CC26xx является выделение под основные задачи, характерные для беспроводного сетевого приложения, отдельных процессорных ядер – для управления PHY-, MAC- и LLC-уровнями, для приложения и выполнения операций сетевого уровня и для работы с внешними датчиками. Безусловно, переход на многоядерные однокристальные системы открывает новый этап развития малопотребляющих беспроводных систем и в плане изящного решения, и в плане подхода к разработке сетевых приложений.

Целевые приложения семейства – это беспроводные системы для работы в условиях зашумленного или плотно используемого частотного диапазона, интеллектуальные сети распределения и учета электроэнергии и системы учета расхода ресурсов, автоматизация зданий и помещений, системы безопасности, системы промышленного мониторинга и управления, беспроводные сенсорные сети, активные RFID-системы, беспроводные малопотребляющие сетевые шлюзы, объединяющие сети различных технологий и протоколов.

 

Литература

  1. www.u-blox.com
  2. www.avnet-memec.eu
  3. volansys.com
  4. www.uni-wuerzburg.de
  5. www.ti.com/wirelessconnectivity
  6. CC13xx. Sub-1 GHz and 2.4 GHz Multi-standard RF IC Family
  7. CC13xx Introduction Ultra Low Power Sub-1GHz platform
  8. Karl Torvmark, Svein Vetti. CC13xx/CC26xx Product Specifications
  9. CC13xx Development Kit Quick Start Guide.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

•••

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