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).
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).
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.
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.
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
Выводы | Обозначение | Функция | Описание | |
QFN32 | WCSP34 | |||
1 | F1 | DIO10 | I/O | Цифровой ввод/вывод общего назначения (GPIO) |
2 | E1 | DOI9 | I/O | GPIO |
3 | D3 | DIO8 | I/O | GPIO |
4 | D2 | DIO7/загр. | I/O | Вход загрузчика/GPIO |
5 | D1 | DOIO6 | I/O | GPIO |
6 | A3 | VBAT3 | I/O | Подключение батареи питания |
7 | C2 | DIO5 | I/O | GPIO |
8 | C3 | DIO4 | I/O | GPIO |
9 | B1 | DIO3 | I/O | GPIO |
10 | A1 | DIO2 | I/O | GPIO |
11 | B2 | DIO1 | I/O | GPIO |
12 | A2 | DIO0 | I/O | GPIO |
13 | A5 | ANATEST0/DIO14 | O | Аналоговый выход/GPIO |
14 | D4 | ANATEST1 | O | Аналоговый выход |
15 | B4 | ADC1 | I | АЦП, вход 1 |
16 | D5 | ADC2 | I | АЦП, вход 2 |
17 | A6 | FXTAL1 | I | Вывод для кварцевого резонатора 16/32 МГц |
18 | B5 | FXTAL0 | I | Вывод для кварцевого резонатора 16/32 МГц |
19 | – | VBAT2 | VDD | Подключение батареи питания |
20 | C6 | RF1 | I/O | Подключение согласующей цепи антенны |
21 | D6 | RF0 | I/O | Подключение согласующей цепи антенны |
22 | E4 | SXTAL1 | I | Вывод для кварцевого резонатора 32 кГц |
23 | E5 | SXTAL0 | I | Вывод для кварцевого резонатора 32 кГц |
24 | E6 | VBAT1 | VDD | Подключение батареи питания |
25 | B3 | RESETN | I | Системный сброс |
26 | F6 | SMPSFILT1 | I | Выход SMPS к внешнему фильтру |
27 | F4 | SMPSFILT2 | I/O | Выход SMPS к внешнему фильтру/контроль батареи питания |
28 | F3 | VDD1V2 | O | Вывод 1,2 В для цифрового ядра |
29 | – | DIO13 | I/O | GPIO |
30 | F2 | DIO12 | I/O | GPIO |
31 | E3 | TEST | I | Тестовый вывод подключается к GND |
32 | E2 | DIO11 | I/O | GPIO |
– | A4 | GND | GND | Общий вывод |
– | B6 | GND | GND | Общий вывод |
– | C1 | GND | GND | Общий вывод |
– | F5 | GND | GND | Общий вывод |
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Наши информационные каналы