BlueNRG-1 – однокристальное решение для BLE-датчиков Интернета вещей

27 декабря 2016

Беспроводной сетевой процессор BlueNRG-1 производства компании STMicroelectronics расширяет возможности известного сетевого процессора BlueNRG за счет использования встроенного ядра Cortex M0. Это позволяет загружать пользовательские приложения и применять полученное решение в составе Интернета вещей.

Cтандарт Bluetooth зарекомендовал себя как удобная и надежная технология не только в сфере общения и развлечений, но и в системах сбора и передачи данных. Одним из перспективных направлений развития для беспроводного интерфейса Bluetooth сегодня является концепция Интернета вещей, которая объединяет в глобальную сеть датчики, бывшие ранее индивидуальными или работавшие лишь в составе локальной сети. Интеллектуальными способностями с выходом в Интернет сегодня наделяются и многие привычные домашние вещи.

Особенностью работы многих подключенных к сети устройств подобного типа является длительный период эксплуатации в спящем режиме с периодической кратковременной активностью. Учитывая удаленное расположение, затрудняющее замену элементов питания в этих компактных устройствах, одним из основных требований к ним является экономное расходование запасов электроэнергии.

В отношении энергозатрат традиционная технология Bluetooth уступала ряду других беспроводных интерфейсов, созданных позднее и во многом изначально ориентированных на пониженный расход электроэнергии. Однако, отвечая на запросы времени, ассоциация Bluetooth разработала новый вариант технологии – BLE (Bluetooth Low Energy).

Cтандарт BLE и решения STMicroelectronics – BlueNRG и BlueNRG-MS

В модельном ряду компании STMicroelectronics уже не первый год представлены популярные, пользующиеся спросом микросхемы из семейства BlueNRG с поддержкой технологии BLE (рисунок 1).

Рис. 1. Развитие семейства STMicroelectronics BlueNRG

С 2014 года выпускается беспроводной сетевой процессор BlueNRG с поддержкой стандарта BLE 4.0. В 2015 году был налажен выпуск процессоров BlueNRG-MS на основе BLE 4.1. В этом году появились новые чипы BlueNRG-1, обеспечивающие возможность загрузки пользовательского приложения.

BlueNRG-1 – развитие технологии BLE в изделиях STMicroelectronics

В действительности BlueNRG-1 расширяет возможности известного сетевого процессора BlueNRG за счет использования встроенного ядра Cortex M0 для решения ряда задач на уровне приложения (рисунок 2).

Рис. 2. Возможности BlueNRG-1

Областями применения BlueNRG-1 могут быть:

• промышленная и домашняя автоматизация;
• датчики контроля и охраны;
• системы освещения;
• автомобильные устройства;
• «умные» часы;
• приборы для занятий спортом и физическими упражнениями;
• бытовые медицинские приборы;
• приборы дистанционного управления;
• устройства для ухода за пожилыми людьми;
• периферийные устройства мобильной связи;
• компьютерная периферия.

BlueNRG-1, как и другие устройства класса Bluetooth Low Energy, отличается незначительным потреблением энергии от источника питания, при этом на одном кристалле размещены все узлы, необходимые для создания полноценной законченной системы с поддержкой спецификации BLE 4.2.

BlueNRG-1 включает 160 кбайт памяти Flash для программ, 24 кбайт памяти типа RAM (два банка по 12 кбайт) и стандартные интерфейсы SPI, UART и I2C для взаимодействия с внешними устройствами. В составе этой микросхемы имеются сторожевой и два многофункциональных таймера, а также часы реального времени (RTC) и контроллер DMA.

Встроенный АЦП пригодится для взаимодействия с аналоговыми датчиками и для чтения показаний встроенного измерителя уровня напряжения батареи питания. Цифровой фильтр может быть использован для обработки потоков сигналов с модуляцией PDM.

BlueNRG-1 демонстрирует превосходные радиочастотные характеристики, при этом встроенный высокоэффективный DC/DC обеспечивает сверхнизкое потребление энергии батареи. Незначительный расход энергии позволяет использовать микросхемы BlueNRG даже в устройствах с питанием от компактных литиевых батарей типа CR2032.

Внутренние цепи питания BlueNRG-1 включают линейный стабилизатор с низким падением напряжения (LDO), а также еще более эффективный понижающий конвертор DC/DC. Диапазон напряжений батареи питания — в пределах 1,7…3,6 B.

Основные характеристики Blue­NRG-1:

• совместимая со спецификацией Bluetooth Low Energy однокристальная система с поддержкой режимов «ведущий/ведомый» и нескольких рабоч­их профилей;
• напряжение питания: 1,7…3,6 В;
• интегрированный линейный регулятор напряжения питания и понижающий конвертор DC/DC;
• высокопроизводительное энергоэкономичное ядро Cortex-M0 на базе 32-битной архитектуры;
• 160 кбайт программируемой памяти Flash;
• 24 кбайт RAM (два банка по 12 кбайт);
• интерфейсы: UART, SPI, I2C (2 шт.);
• 14 или 15 портов общего назначения;
• два многофункциональных таймера;
• 10-разрядный АЦП;
• сторожевой таймер и RTC;
• контроллер DMA;
• потоковый процессор PDM;
• кварцевый генератор на 16 или 32 MГц;
• встроенный генератор на 32 кГц;
• кольцевой генератор на 32 кГц;
• встроенный датчик температуры и контроль напряжения батареи питания;
• выходная мощность до +8 дБм (на разъеме антенны);
• энергетический баланс радиоканала до 96 дБ;
• калиброванный RSSI для контроля уровня принимаемого сигнала;
• потребление тока В режиме TX до 8,2 мА (0 дБм, 3 В);
• пониженный до 1 мкА ток питания с активным стеком BLE (спящий режим);
• соответствие радиочастотным нормам ETSI EN 300 328, EN 300 440, FCC CFR47 часть 15, ARIB STD-T66;
• предварительное программирование с помощью загрузчика через UART;
• корпус QFN32 и WCSP34;
• специальное исполнение в корпусе QFN для использования в автомобилях;
• рабочая температура -40…105°C.

Микросхемы BlueNRG-1 расширяют возможности сетевых процессоров предыдущего поколения BlueNRG, позволяют использовать встроенное ядро Cortex M0 как для управления блоком радиосвязи, так и для исполнения кода пользовательского приложения. Внутренняя структура BlueNRG-1 представлена рисунке3. К внутренней шине АНВ подключены: ядро СМО, программируемая Flash-память (160 кбайт), 24 кбайт быстрой статической памяти RAM, контроллер DMA, радиомодуль на 2,4 ГГц, RNG (генератор случайных чисел) и АЦП.

Рис. 3. Внутренняя архитектура BlueNRG-1

Шина АНВ имеет через мост связь с шиной АРВ, к которой подключены цифровые выводы общего назначения для входа и выхода (GPIO), часы реального времени (RTC), сторожевой таймер (WDT) и два многофункциональных таймера (MFT), а также последовательные интерфейсы SPI, UART и I2C для соединения с внешней периферией.

Микросхемы BlueNRG-1 включают стек библиотек программного обеспечения на языке С, которые обеспечивают:

• поддержку режимов «ведущий» и «ведомый»;
• профиль GAP: режим центрального, периферийного, наблюдающего или вещательного узла;
• профиль ATT/GATT: клиент и сервер;
• SM: приватность, аутентификация и авторизация;
• L2CAP (управление логическими связями и протокол адаптации);
• слой Link Layer: шифрование и дешифрование AES128.

Упрощенная версия графа переходов между рабочими режимами BlueNRG-1 показана на рисунке 4. В состоянии Preactive микросхема оказывается после первоначальной подачи напряжения питания и сброса. В этом состоянии задействованы все цифровые цепи. Тактовые импульсы высокой частоты (16 МГц) генерируются с помощью встроенного RC-генератора. Другой встроенный RC-генератор обеспечивает синхроимпульсы с частотой 32,768 кГц. При переходе в активное состояние используется более точный кварцевый источник тактовой частоты 16 или 32 МГц.

Рис. 4. Режимы работы STMicroelectronics BlueNRG-1

В дежурном режиме (Stanby) питание необходимо лишь для памяти RAM. Переход в активное состояние возможен по прерыванию от выводов 9, 10, 11, 12 и 13, которые должны быть заранее запрограммированы соответствующим образом.

Встроенный контроллер DMA позволяет передавать различные комбинации данных между памятью и периферией без участия вычислительного ядра микросхемы. В таблице 1 представлено назначение всех выводов микросхем BlueNRG-1 для исполнений в корпусах QFN32 и WCSP34, которые имеют цифровое или буквенно-цифровое обозначение.

Таблица 1. Назначение выводов BlueNRG-1

Рис. 5. Схема на основе BlueNRG-1 с активным конвертором DC-DC в корпусе QFN32

Рис. 6. Слои ПО для однокристальной системы
на базе BlueNRG-1

На рисунке 5 представлен пример схемы беспроводного устройства на базе процессора BlueNRG-1, которое кроме микросхемы процессора включает лишь несколько конденсаторов и катушек индуктивности в цепях питания и фильтре согласования с антенной, а также два кварцевых резонатора XTAL1 и XTAL2.

Особенностью BlueNRG-1 является чрезвычайно простое подключение внешних датчиков различного типа, а наличие готовых программно-аппаратных решений и примеров еще более ускоряет процесс разработки.

BlueNRG-1 может быть сконфигурирован для поддержки приложения на базе однокристальной системы (рисунок 6) или как отдельный сетевой процессор в приложении, где пользовательский код исполняется на другом процессоре (рисунок 7).

В первой конфигурации BlueNRG-1 действует как единое устройство для управления стеком Bluetooth Low Energy и кодом приложения. При этом стек BLE представлен в виде файла единой библиотеки, в то время как профили GATT представлены в виде объектного кода в других библиотеках.

Для сконфигурированного и используемого в качестве сетевого сопроцессора BlueNRG-1 предусмотрено специальное программное обеспечение для поддержки интерфейса с процессором внешнего приложения. В данном случае весь стек BLE работает с BlueNRG-1, а профили GATT предусмотрены для выполнения уже в другом процессоре совместно с кодом приложения.

Рис. 7. Слои ПО для сетевого процессора на базе BlueNRG-1

Средства разработки BlueNRG-1

Оценочная плата STEVAL-IDB007V1

Упростить процесс освоения BlueNRG-1 и сократить время разработки новых устройств позволяет специальная платформа STEVAL-IDB007V1 (рисунок 8), которая предоставляет набор аппаратных ресурсов для реализации широкого спектра сценариев применения датчиков цифровых данных (акселерометр, датчики давления и температуры) и пульты дистанционного управления (кнопки и светодиоды). Также она обеспечивает контроль отладки через виртуальный COM-порт в интерфейсе USB.

Рис. 8. Плата STEVAL-IDB007V1

Особенности STEVAL-IDB007V1:

• плата на основе однокристальной системы BlueNRG-1 BLE;
• в комплекте имеется программный пакет разработки на основе BlueNRG-1, включая встроенное программное обеспечение и документацию;
• выходная мощность радиопередатчика на разъеме антенны: до +8 дБм;
• превосходная чувствительность приемника: -88 дБм;
• очень малое потребление тока: 7,7 мA в режиме приема и 8,2 мA в режиме передачи с уровнем +0 дБм;
• совместимость с BLE 4.1, поддержка режимов «ведущий», «ведомый» и одновременно «ведущий/ведомый»;
• интегрированные цепи согласования с антенной;
• разъем SMA для подключения антенны или измерительного оборудования;
• три светодиода для индикации;
• две кнопки управления;
• цифровой акселерометр и цифровой гироскоп в формате 3D;
• датчик давления типа MEMS с встроенным измерителем температуры;
• держатель батареи;
• отладочный разъем JTAG;
• мост между USB и последовательными каналами ввода/вывода через BlueNRG-1;
• соответствие требованиям RoHS.

Предусмотрены три варианта питания платы STEVAL-IDB007V1 (только USB, батарея, внешний блок питания и USB) для разработки прикладного программного обеспечения и обеспечения расширенных возможностей тестирования.

Пакет ПО STSW-BLUENRG1-DK

Пакет специального ПО для разработки STSW-BLUENRG1-DK поддерживает платформу BlueNRG-1 (рисунок 9). Он обеспечивает библиотеку двоичных кодов для Bluetooth Low Energy с полным набором API и соответствующие функции обратного вызова для событий, позволяющие взаимодействовать с обеспечиваемыми устройством BlueNRG-1 компонентами BLE. Кроме того, пакет ПО обеспечивает набор демонстрационных приложений, позволяя показать некоторые типичные рабочие сценарии BLE. Каждое демонстрационное приложение имеет полный набор заголовочных файлов и исходного кода.

Рис. 9. Пакет ПО STSW-BLUE NRG1-DK для разработки на основе BlueNRG-1

Программный пакет разработки STSW-BLUENRG1-DK содержит полный набор периферийных драйверов (заголовочные и исходные файлы), позволяющих взаимодействовать с периферийными устройствами (АЦП, GPIO, I2C, RTC, SPI, таймеры, UART, WDG, RTC). Имеется и полный набор соответствующих демонстрационных приложений (заголовочные и исходные файлы). Состав и структура пакета BlueNRG-1 DK представлены на рисунке 10.

Рис. 10. Структура пакета BlueNRG-1 DK

Специальная программа «Навигатор BlueNRG-1» обеспечивает интерактивный простой и наглядный интерфейс доступа к ресурсам для разработки на основе BlueNRG-1 (рисунок 11). Основной функцией навигатора является выбор и запуск демонстрационного приложения в удобной для пользователя форме. Навигатор также обеспечивает прямой доступ к документации демонстрационных приложений и описанию аппаратных ресурсов платформы разработки BlueNRG-1.

Рис. 11. Графический интерфейс, позволяющий контролировать BlueNRG-1

Включенная в данный пакет ПО утилита BlueNRG-1 Flasher запускается на компьютере и позволяет программировать устройства на базе BlueNRG-1, используя для этого загрузчик UART.

Особенности комплекта ПО для разработки STSW-BLUENRG1-DK:

• пакет ПО Bluetooth SMART с поддержкой однокристальных систем BlueNRG-1 BLE;
• запускаемый на компьютере навигатор BlueNRG-1;
• запускаемая на компьютере утилита BlueNRG-1 Flasher;
• библиотека стека двоичных протоколов и API для Bluetooth Low Energy, интерфейс обратного вызова событий;
• демонстрационные приложения BlueNRG-1 BLE;
• файлы CMSIS для BlueNRG-1;
• драйверы для периферии BlueNRG-1 и соответствующие примеры;
• комплект ПО для разработки и драйверы HAL для BlueNRG-1;
• поддержка платформ для разработок на базе BlueNRG-1.

Заключение

Усовершенствованный вариант беспроводного сетевого процессора STMicroelectronics BlueNRG-1 обладает всеми достоинствами прежних моделей семейства сетевых процессоров и включает возможность исполнения программного кода пользователя.

Совместно с процессорами BlueNRG-1 компания STMicroelectronics предоставляет разработчикам все необходимое для ускоренного освоения новых микросхем и создания на их базе целого ряда компактных и экономичных беспроводных BLE-устройств.

Обладая пониженным энергопотреблением и повышенными радиочастотными характеристиками интегрированного приемопередатчика, микросхемы BlueNRG-1 оптимально подходят для использования в составе устройств Интернета вещей.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.