Действуя на расстоянии: микроконтроллеры TI с беспроводными модулями

27 декабря 2016

телекоммуникациисистемы безопасностипотребительская электроникаответственные примененияинтернет вещейTexas InstrumentsстатьяWiFiМикроконтроллерBluetoothwirelessZigBee

Разнообразные беспроводные устройства выдвигают различные требования к применяемому радиоканалу. В одних случаях требуется максимальная скорость передачи данных, в других ключевым параметром становятся дальность связи или уровень потребления. По этой причине можно наблюдать сосуществование целого ряда различных технологий, например, ZigBee, Wi-Fi, Bluetooth и других. Компания Texas Instruments предлагает широкий выбор решений для наиболее популярных беспроводных технологий, в том числе — уникальные микроконтроллеры семейств CC3xx, CC2xx, CC1xx, CC430 и RF430 со встроенными модулями радиопередатчиков. С их помощью удается максимально упростить процесс разработки и значительно сократить время вывода новых устройств на рынок.

Если среди разработчиков провести опрос о том, какими свойствами, по их мнению, должен обладать идеальный беспроводной канал связи, то наиболее популярными ответами наверняка станут высокая пропускная способность, максимальный радиус действия, малое потребление, высокий уровень безопасности, привлекательная стоимость и простота реализации. К сожалению, объединить все перечисленные качества в одной технологии не получается. Например, Wi-Fi характеризуется отличной скоростью передачи, но имеет значительное потребление.

Еще одним недостатком большинства высокоскоростных технологий является высокая сложность реализации. При этом речь идет не только о создании аппаратной части, но и о написании программного обеспечения, в том числе – коммуникационных протоколов. Многие производители электронных компонентов и микросхем стремятся упростить жизнь разработчиков и предлагают различные готовые решения. Так, один из лидеров отрасли – компания Texas Instruments – выпускает сразу несколько семейств микроконтроллеров со встроенным радиомодулем [1, 2]:

  • CC3xx – для скоростных, защищенных и малопотребляющих Wi-Fi-приложений;
  • CC2xx – для пользовательских решений и популярных технологий с частотами 2,4 ГГц (Bluetooth, BLE, ZigBee, ZigBee RF4CE, 6LoWPAN и других);
  • CC1xx – для устройств с беспроводным радиоканалом субгигагерцевого диапазона <1 ГГц (пользовательские решения, IEEE 802.15.4g, 6LoWPAN, wM-Bus);
  • CC430 – для малопотребляющих пользовательских решений субгигагерцевого диапазона <1 ГГц;
  • RF430 – для NFC-решений.

Рассмотрим наиболее популярные технологии беспроводной передачи данных, а также – краткую характеристику микроконтроллеров со встроенными радиомодулями производства Texas Instruments.

Обзор беспроводных технологий: разные цели – разные решения

В современных беспроводных приложениях к каналу передачи данных предъявляются такие требования как:

  • поддержка одной из популярных топологий сети («точка-точка», «звезда», ячеистая топология);
  • высокая пропускная способность до десятков Мбит/с;
  • максимальный радиус действия от нескольких сантиметров (NFC) до нескольких километров (проприетарные протоколы Sub1GHz);
  • малое потребление (от десятков миллиампер в активном режиме до десятых долей микроампер в режиме сна);
  • высокий уровень безопасности (поддержка шифрования, функций хеширования, протоколов аутентификации и так далее);
  • конкурентная цена (минимальное количество и стоимость компонентов);
  • малые габариты (особенно важно для портативных приложений);
  • простота реализации аппаратной и программной частей.

Большинство требований из вышеприведенного списка противоречит друг другу. По этой причине сейчас применяют различные беспроводные технологии, каждая из которых является оптимальной для конкретного приложения или устройства.

Wi-Fi – наиболее скоростная беспроводная технология с пропускной способностью до 54 Мбит/с. Базируется на стандартах IEEE 802.11a, 802.11b, 802.11g и 802.11n и использует радиоканал 2,4 ГГц и/или 5 ГГц. Wi-Fi применяется в широком спектре приложений, таких как медицинские приборы (системы мониторинга, диагностические установки и так далее), потребительская электроника (планшеты, смартфоны и прочее), промышленная и домашняя автоматика, системы безопасности, видеонаблюдение и тому подобное.

ZigBee – стандарт, применяемый для создания ячеистых сетей малопотребляющих устройств и датчиков. Использует рабочую частоту радиосигнала 2,4 ГГц. ZigBee широко распространен в системах автоматизации в промышленности, медицине, логистике, системах учета потребления энергии и так далее.

ZigBee RF4CE – низкоскоростной малопотребляющий и упрощенный вариант ZigBee. Устройства RF4CE не поддерживают весь функционал, обязательный для узлов ZigBee. С одной стороны это позволяет использовать более простые контроллеры, а с другой – добиваться минимального потребления. RF4CE – идеальная альтернатива инфракрасным системам управления бытовой техникой. Если для ИК-канала необходима прямая видимость, то радиоканал RF4CE позволит включать приборы даже из соседней комнаты. Частотный диапазон сигнала остается тем же, что и у ZigBee – 2,4 ГГц.

6LoWPAN – технология для создания ячеистых сетей, в которых каждый узел имеет свой адрес IPv6, что позволяет ему напрямую подключаться к сети Интернет. 6LoWPAN работает совместно с протоколом IEEE 802.15.4 и может быть реализован в полосах частот 1 ГГц и 2,4 ГГц. Области применения 6LoWPAN схожи с областями применения ZigBee.

Bluetooth – одна из наиболее популярных технологий для связи устройств, расположенных на небольших расстояниях вплоть до нескольких сотен метров. Bluetooth позволяет работать как в режиме «точка-точка», так и в режиме «звезда». Тем не менее, этот стандарт чаще всего используется для обмена информацией между двумя устройствами. Для передачи используется диапазон 2,4…2,485 ГГц. Bluetooth применяется в портативной электронике («умные часы», смартфоны и прочее), в датчиках, бытовой электронике, медицинских приборах и так далее.

Bluetooth low energy (BLE) – версия Bluetooth, нацеленная на получение минимального уровня потребления. Между устройствами BLE не устанавливается постоянное соединение, что позволяет активно использовать спящие режимы. В результате приборы могут более года работать в автономном режиме без замены элемента питания (аккумулятора или батарейки). Такие решения востребованы в спортивном инвентаре (тренажеры, беговые дорожки и так далее), медицине.

Near Field Communication (NFC) – беспроводная технология, которая работает на расстоянии до нескольких сантиметров. В NFC используется сигнал 13,56 МГц. Обмен данными происходит между двумя устройствами: инициатором (считывателем) и целью (транспондером). При этом инициатор способен не только передавать и получать данные, но и обеспечивать питание транспондера. По этой причине пассивные NFC-устройства вообще не содержат элемента питания.

Пользовательские радиоканалы. Несмотря на наличие готовых технологий, очень часто разработчики создают собственные протоколы связи, для этого используются открытые радиоканалы субгигагерцевого диапазона и диапазона 2,4 ГГц.

Таким образом, на первом этапе создания беспроводного устройства у разработчиков в распоряжении есть два списка: список требований и список доступных беспроводных технологий. Как правило, именно выбор технологии и определяет дальнейший ход всего процесса разработки. Чтобы подобрать оптимальное решение, следует определиться с базовыми параметрами: топологией сети, радиусом действия, скоростью передачи данных и уровнем потребления [1].

Для начала необходимо выбрать топологию соединений (рисунок 1). Принципиальное отличие многоузловых сетей заключается в наличии или отсутствии мастера/ведущего. Мастер необходим в соединениях типа «звезда» и «дерево». Он единолично определяет, с каким из ведомых устройств производить обмен данными. В ячеистых топологиях все узлы имеют равные права.

Рис. 1. Топологии беспроводных систем

Рис. 1. Топологии беспроводных систем

Все перечисленные выше технологии способны работать по схеме «точка-точка» [1]. Если требуется создать сеть датчиков, то логично использовать топологию типа «звезда». Для промышленных сетей больше подойдет ячеистая топология (например, ZigBee), так как возможность ретрансляции сообщений позволяет добиваться максимальной надежности.

Значительная дальность действия субгигагерцовых решений (рисунок 2) сказывается на скорости передачи данных [1] (рисунок 3). Наибольшей пропускной способностью обладает Wi-Fi, который, вместе с тем, отличается и высоким потреблением.

ris_2 ris_3
Рис. 2. Сравнение дальности действия современных беспроводных технологий Рис. 3. Пропускная способность современных беспроводных технологий

Рис. 4. Потребление современных беспроводных решений

Рис. 4. Потребление современных беспроводных решений

NFC проигрывает всем остальным технологиям по скорости и дальности действия, но берет уверенный реванш по уровню потребления [1] (рисунок 4). NFC-транспондеры могут и вовсе обходиться без собственного элемента питания, используя для работы энергию радиоизлучения ведущего.

При выборе оптимальной технологии необходимо учитывать и такую особенность, как сложность реализации. Например, если речь идет о создании защищенного Wi-Fi-устройства, то разработчики должны иметь достаточно высокую квалификацию. Это относится как к схемотехникам, так и к программистам, на плечи которых ляжет написание соответствующих протоколов. Будем откровенны – далеко не всем под силу справиться с этими задачами. Наличие на рынке готовых решений оказывается настоящей палочкой-выручалочкой для небольших компаний. Например, микроконтроллеры с беспроводными модулями производства компании Texas Instruments не только упрощают создание принципиальной схемы и разводку печатной платы, но и имеют поддержку в виде отладочных наборов, программных библиотек и готовых стеков популярных протоколов (ZigBee, Bluetooth и так далее).

Преимущества микроконтроллеров с беспроводными модулями от Texas Instruments

Компания Texas Instruments является одним из лидеров на рынке микроконтроллеров со встроенными беспроводными модулями. При выборе продуктов компании пользователи также получают доступ к средствам разработки – отладочным наборам, программным библиотекам и примерам, стекам популярных протоколов, руководствам по применению. Использование беспроводных микроконтроллеров от TI дает целый ряд преимуществ.

Упрощение процесса разработки аппаратной части. В случае интегрированного решения все самые сложные цепи, связывающие приемопередатчик и ядро, оказываются скрытыми от разработчика.

Упрощение процесса разработки программного обеспечения. Во-первых, взаимодействие с беспроводным модулем строится точно так же, как и с другими периферийными блоками. Во-вторых, Texas Instruments предлагает бесплатные библиотеки, стеки протоколов и примеры, что значительно упрощает работу программистов.

Сокращение времени на разработку. Данный пункт является следствием двух предыдущих: чем проще становится процесс создания устройства, тем меньше на это уходит времени.

Уменьшение габаритных размеров. Интеграция ключевых компонентов в одном корпусе приводит к снижению площади, занимаемой на плате. Не стоит забывать и о сокращении числа пассивных компонентов, например, конденсаторов фильтров.

Снижение стоимости достигается за счет уменьшения размеров печатной платы и сокращения перечня элементов.

Снижение уровня потребления. Современные контроллеры обладают различными инструментами для оптимизации уровня потребления: режимами пониженного потребления, активным управлением частотой тактирования, использованием низких значений напряжения питания и так далее. В случае использования интегрального решения все это распространяется и на беспроводной модуль.

В настоящий момент компания Texas Instruments предлагает разработчикам более трех десятков микроконтроллеров со встроенными радиомодулями (таблица 1).

Таблица 1. Микроконтроллеры Texas Instruments с беспроводными модулями

Наименование Ядро Стандарт Базовая
частота, МГц
Пропускная способность, кбит/с Безопасность
CC3200 ARM Cortex-M4 Wi-Fi, IEEE 802.11, b/g 2400 20000 AES, DES и 3 DES, SHA2 и MD5, CRD и CRC
CC2620 ARM Cortex-M3 ZigBee RF4CE 2400 250 128-битный AES
CC2630 ARM Cortex-M3 ZigBee, 6LoWPAN, 802.15.4 MAC 2400 250 128-битный AES
CC2640 ARM Cortex-M3 Bluetooth Smart (BLE) 2400 128-битный AES
CC2650 ARM Cortex-M3 Bluetooth Smart (BLE), ZigBee, ZigBee RF4CE, 6LoWPAN, 802.15.4 MAC 2400 5000 128-битный AES
CC2540, CC2540T, CC2541, CC2541-Q1 8051 Bluetooth Smart (BLE) 2400 1000 128-битный AES
CC2543, CC2544, CC2545 8051 Пользовательский
2,4 ГГц
2400 2000 128-битный AES
CC2538 ARM Cortex-M3 ZigBee, 6LoWPAN, 802.15.4 MAC 2400 250 AES128/ 256, SHA2, ECC 128/ 256, RSA
CC2530, CC2531 8051 ZigBee, 6LoWPAN, 802.15.4 MAC 2400 250 128-битный AES
CC2533 8051 2.4-GHz IEEE 802.15.4, ZigBee 2400 250 128-битный AES
CC1110, CC1111 8051 Пользовательский
(Sub 1GHz)
300-348, 391-464, 782-928 до 500 128-битный AES
CC1310 ARM Cortex-M3 IEEE 802.15.4g, 6LoWPAN, wM-Bus 315, 433, 470, 500, 779, 868, 915, 920 до 4000 128-битный AES
RF430CL33xH MSP430 NFC: ISO/IEC 14443B, NFC Tag Type 4B 13,56 848
RF430FRL15xH MSP430 NFC: ISO/IEC 15693 13,56 6,6; 26,5
RF430F5978 MSP430 Пользовательский
(Sub 1GHz) и НЧ
0,1342, 315, 433, 779, 868, 915, 920 500 AES
CC430Fxx MSP430 Пользовательский
(Sub 1GHz)
315, 433, 779, 868, 915, 920 500 AES

Беспроводные микроконтроллеры для Wi-Fi-приложений от Texas Instruments

Рис. 5. Блок-схема сетевого Wi-Fi-процессора CC3200 Texas Instruments

Рис. 5. Блок-схема сетевого Wi-Fi-процессора CC3200 Texas Instruments

Технология Wi-Fi позволяет добиваться максимальной скорости передачи данных. Вместе с тем, традиционные Wi-Fi-устройства имеют целый ряд недостатков – относительно высокое потребление, сложность аппаратной и программной реализации, необходимость создания сложнейших механизмов защиты данных, значительные габариты. Компания Texas Instruments позволяет быстро и просто решать все перечисленные проблемы благодаря новым микроконтроллерам СС3200.

CC3200 – сетевой Wi-Fi-процессор, объединяющий в одном корпусе Wi-Fi-модуль и мощный микроконтроллер с ядром ARM Cortex-M4, доступный для программирования пользователем [3] (рисунок 5, таблица 2).

В номенклатуре Texas Instruments также присутствует сопроцессор CC3100, который, в отличие от CC3200, не имеет встроенного программируемого ядра.

Таблица 2. Характеристики сетевого процессора CC3200

Наименование Ядро Fраб, МГц Flash, кбайт ОЗУ, кбайт GPIO Интерфейсы ADC 16-бит
таймеры
Безопасность Tраб, °С Корпус
CC3200 ARM
Cortex-M4
80 256 27 I2C SPI UART I2S 12 бит,
4 канала
4 AES, DES и 3 DES, SHA2 и MD5, CRD и CRC -40…85 9×9 (VQFN)

CC3200 выпускается в корпусном исполнении 9×9 мм QFN-64. Совмещение процессора и беспроводного модуля в одном малогабаритном корпусе значительно упрощает создание принципиальной схемы и решает проблему с ограничением свободного места на плате.

Контроллер, интегрированный в CC3200, может похвастать следующими характеристиками [4]:

  • ядро ARM Cortex-M4 с рабочей частотой до 80 МГц;
  • память: 256 кбайт ОЗУ, SPI для подключения внешней Flash;
  • 32 канала прямого доступа к памяти (DMA);
  • модули шифрования: AES, DES и 3DES;
  • четыре 16-битных таймера с ШИМ;
  • 12-битный четырехканальный АЦП;
  • интерфейсы: последовательный аудиопорт, 1xSD/MMC, 1xSPI, 1xI2C, 2xUART.

Вопросы потребления достаточно критичны для мобильных устройств и IoT-приложений, так как большая часть из них является автономными устройствами. Уровень потребления CC3200 выглядит достаточно привлекательно. При приеме данных по Wi-Fi ток достигает 59 мА, а при передаче 229 мА. В режиме ожидания ток опускается до уровня 825 мкА, а в состоянии глубокого сна составляет 4 мкА. Такие показатели располагают к использованию этих процессоров в спящем режиме с редкими пробуждениями. В этом случае большую часть времени они находятся либо в режиме ожидания, либо в режиме сна, пробуждаясь только на время обмена данными по сети Wi-Fi.

В микроконтроллерах CC3200 встроенный Wi-Fi-модуль подключается напрямую к матрице Multi-Layer AHB Bus Matrix. Это дает возможность рассматривать этот блок как стандартный периферийный модуль, который способен напрямую взаимодействовать с памятью и ядром, что позволяет достигать максимальных скоростей обмена данных и даже сокращать нагрузку на ядро за счет контроллера прямого доступа к памяти. Максимальная скорость при работе с протоколом UDP достигает 16 Мбит/с, а при работе со стеком TCP – до 12 Мбит/с.

Чрезвычайно важным достоинством CC3200 является наличие удобного прикладного интерфейса API для взаимодействия с Wi-Fi-сетью и поддержка широкого спектра механизмов безопасности (таблица 3). При этом все самые сложные части кода – организация соединений по Wi-Fi и использование протоколов защиты (TLS/SSL) – оказываются скрытыми от пользователя [4].

Таблица 3. Алгоритмы шифрования, поддерживаемые CC3100/CC3200

Криптографический алгоритм Протокол Назначение Разрядность ключа шифрования, бит
RC4 WEP, TKIP Кодирование данных 128
AES WPA2 Кодирование данных, аутентификация 256
DES Кодирование данных 56
3DES Кодирование данных 56
SHA1 EAP-SSL/TLS Аутентификация 160
SHA256 EAP-SSL/TLS Аутентификация 256
MD5 EAP-SSL/TLS Аутентификация 128
RSA EAP-SSL/TLS Аутентификация 2048
DHE EAP-SSL/TLS Аутентификация 2048

Обзор микроконтроллеров SimpleLink CC2x для приложений 2,4 ГГц (Bluetooth, ZigBee, 6LoWPAN)

Семейство беспроводных микроконтроллеров SimpleLink™ CC2x позволяет создавать устройства для популярных технологий, работающих с частотным диапазоном 2,4 ГГц (Bluetooth® Smart, ZigBee®, 6LoWPAN), а также реализовывать частные пользовательские протоколы 2,4 ГГц (таблица 4).

Таблица 4. Беспроводные микроконтроллеры семейства SimpleLink™ CC2x

Наименование Стандарт передачи данных Пропускная способность, кбит/с Ядро Fраб, МГц Flash, кбайт ОЗУ, кбайт Uпит, В Потреб-ление (прием), мА Мин. потреб-ление, мкА Tраб, °С Мин. габариты, мм
CC2620 ZigBee RF4CE 250 ARM Cortex-M3 48 128 20+2+8 1,8…3,8 5,9 0,1 -40…85 4×4 (VQFN)
CC2630 ZigBee, 6LoWPAN, 802.15.4 MAC 250 ARM Cortex-M3 48 128 20+2+8 1,8…3,8 5,9 1 -40…85 4×4 (VQFN)
CC2640 Bluetooth Smart (BLE)  — ARM Cortex-M3 48 128 20+2+8 1,8…3,8 5,9 1 -40…85 5×5 (VQFN)
CC2650 Bluetooth Smart (BLE), ZigBee, ZigBee RF4CE, 6LoWPAN, 802.15.4 MAC 5000 ARM Cortex-M3 48 128 20+2+8 1,8…3,8 5,9 1 -40…85 4×4 (VQFN)
CC2540T Bluetooth Smart (BLE) 1000 8051 32 128, 256 8 2…3,6 19,6 0,4 -40…125 6×6 (VQFN)
CC2543 Пользовательский 2,4 ГГц 2000 8051 32 32 1 2…3,6 21,2 0,4 -40…85 5×5 (VQFN)
CC2541-Q1 Bluetooth Smart (BLE) 2000 8051 32 128, 256 8 2…3,6 17,9 0,5 -40…105 6×6 (VQFN)
CC2540 Bluetooth Smart (BLE) 1000 8051 32 128, 256 8 2…3,6 19,6 0,4 -40…85 6×6 (VQFN)
CC2538 ZigBee, 6LoWPAN, 802.15.4 MAC 250 ARM Cortex-M3 24 до 512 до 32 2…3,6 Нет данных 0,4 -40…125 8×8 (QFN)
CC2541 Bluetooth Smart (BLE) 2000 8051 32 128, 256 8 2…3,6 17,9 0,5 -40…85 6×6 (VQFN)
CC2530 ZigBee, 6LoWPAN, 802.15.4 MAC 250 8051 24 до 256 8 2…3,6 20,5 0,4 -40…125 6×6 (VQFN)
CC2545 Пользовательский 2,4 ГГц 2000 8051 32 32 1 2…3,6 20,8 0,4 -40…85 7×7 (VQFN)
CC2531 ZigBee, 6LoWPAN, 802.15.4 MAC 250 8051 24 до 256 8 2…3,6 20 0,4 -40…125 6×6 (VQFN)
CC2533 2.4-GHz IEEE 802.15.4, ZigBee 250 8051 24 до 96 до 6 2…3,6 20 0,4 -40…125 6×6 (VQFN)
CC2544 Пользовательский 2,4 ГГц 2000 8051 32 32 2 2 22,5 0,4 -40…125 5×5 (VQFN)

Сейчас семейство объединяет полтора десятка микроконтроллеров, которые можно разделить на две группы: CC25xx и CC26xx.

Базовая линейка CC25xx построена на базе 8-битного процессорного ядра 8051 и характеризуется большим объемом памяти до 512 к,айт. CC25xx используется для относительно простых приложений с минимальным потреблением в режимах сна от 400 нА. Среди представителей данной линейки стоит выделить следующие модели:

  • CC2540T – микроконтроллер для BLE-устройств с расширенным температурным диапазоном -40…125°С;
  • CC2541-Q1 – микроконтроллер для автомобильных BLE-устройств;
  • CC2538, CC2544, CC2540 и CC2531 – микроконтроллеры со встроенным USB-интерфейсом;
  • CC2545 и CC2543 – наиболее подходящее решение для беспроводных клавиатур и мышек.

Рис. 6. Блок-схема микроконтроллеров CC26xx

Рис. 6. Блок-схема микроконтроллеров CC26xx

Высокопроизводительная линейка CC26xx построена на базе современного 32-битного ядра ARM

Cortex-M3 [5, 6]. Важно отметить, что данная линейка отличается богатой цифровой и аналоговой периферией, а также дополнительным 32-битным ядром ARM Cortex-M0 для беспроводного модуля (рисунок 6).

Важным достоинством CC26xx является минимальный уровень потребления. В режиме приема значения питающих токов начинаются всего от 5,9 мА.

Микроконтроллеры CC26xx находят применение в самых разнообразных областях: от автоматизации до создания систем освещения [5]. Отдельно стоит отметить наличие в большинстве моделей I2S-интерфейса, что делает эти микроконтроллеры весьма привлекательными для создания аудиоприложений.

Субгигагерцевые микроконтроллеры семейства SimpleLink CC1x от TI

Семейство микроконтроллеров SimpleLink™ CC1x предназначено для создания субгигагерцевых приложений и включает две линейки (таблица 5).

Таблица 5. Семейство микроконтроллеров SimpleLink™ CC1x

Наименование Стандарт передачи данных Диапазон частот, МГц Fраб, МГц Flash, кбайт ОЗУ, кбайт Uпит, В Потреб-ление (прием), мА Мин. потреб-ление, мкА Tраб, °С Мин. габариты, мм
CC1110, CC1111 Пользовательский (Sub 1GHz) 300…348, 391…464, 782…928 24 до 32 до 4 2…3,6 16,2 0,3 -40…85 6×6 (VQFN)
CC1310 IEEE 802.15.4g, 6LoWPAN, wM-Bus 315, 433, 470, 500, 779, 868, 915, 920 48 128 до 20 1,8…3,8 5,5 0,6 -40…85 4×4 (VQFN)

Рис. 7. Блок-схема микроконтроллера CC1310

Рис. 7. Блок-схема микроконтроллера CC1310

Микроконтроллеры CC1110/CC1111 строятся на базе скромного 8-битного ядра 8051 с рабочей частотой до 24 МГц. Данная линейка идеально подходит для создания самых простых пользовательских решений (беспроводные мышки, клавиатуры и так далее). Особо стоит отметить наличие в них USB-интерфейса.

Микроконтроллеры CC1310 строятся на базе современного ядра ARM Cortex-M3 и имеют поддержку 6LoWPAN. По своей структуре и характеристикам CC1310 практически идентичны представителям семейства CC26xx: они так же отличаются богатой периферией и дополнительным 32-битным сопроцессором ARM Cortex-M0 для беспроводного модуля [6, 7] (рисунок 7).

Минимальное потребление микроконтроллера CC1310 позволяет использовать его в том числе в системах с питанием от солнечных батарей [8]. C другой стороны современное ядро и высокая производительность позволяют создавать и мощные сетевые решения [9].

Семейство микроконтроллеров СС430 для пользовательских субгигагерцевых решений

Семейство CC430 объединяет более десятка беспроводных микроконтроллеров (таблица 6). Все они идеально подходят для создания пользовательских субгигагерцевых приложений, в том числе – с использованием популярных нелицензируемых диапазонов 433 МГц и 868 МГц.

Таблица 6. Семейство микроконтроллеров CC430

Наименование Диапазон частот, МГц Ядро Fраб, МГц Flash, кбайт ОЗУ, кбайт NVM, кбайт Uпит, В Потреб-ление (прием), мА Мин. потребление, мкА Tраб, °С Мин. габариты, мм
CC430F5147 0,1342; 315; 433; 779; 868; 915; 920 MSP430 20 32 4 32 1,8…3,6 15 2 -40…85 9×9 (VQFN)
CC430F5137 315; 433; 779; 868; 915; 920 MSP430 20 32 4 32 1,8…3,6 15 2 -40…85 7×7 (VQFN)
CC430F6127 315; 433; 779; 868; 915; 920 MSP430 20 32 4 32 1,8…3,6 15 2 -40…85 7×7 (VQFN)
CC430F6135 315; 433; 779; 868; 915; 920 MSP430 20 16 2 16 1,8…3,6 15 2 -40…85 9×9 (VQFN)
CC430F6147 315; 433; 779; 868; 915; 920 MSP430 20 32 4 32 1,8…3,6 15 2 -40…85 9×9 (VQFN)
CC430F5133 315; 433; 779; 868; 915; 920 MSP430 20 8 2 8 1,8…3,6 15 2 -40…85 9×9 (VQFN)
CC430F5145 315; 433; 779; 868; 915; 920 MSP430 20 16 2 16 1,8…3,6 15 2 -40…85 7×7 (VQFN)
CC430F5123 315; 433; 779; 868; 915; 920 MSP430 20 8 2 8 1,8…3,6 15 2 -40…85 7×7 (VQFN)
CC430F5125 315; 433; 779; 868; 915; 920 MSP430 20 16 2 16 1,8…3,6 15 2 -40…85 7×7 (VQFN)
CC430F5143 315; 433; 779; 868; 915; 920 MSP430 20 8 2 8 1,8…3,6 15 2 -40…85 7×7 (VQFN)
CC430F6143 315; 433; 779; 868; 915; 920 MSP430 20 8 2 8 1,8…3,6 15 2 -40…85 9×9 (VQFN)
CC430F6145 315; 433; 779; 868; 915; 920 MSP430 20 16 2 16 1,8…3,6 15 2 -40…85 9×9 (VQFN)

Среди отличительных черт CC430 стоит отметить:

  • производительное и малопотребляющее ядро MSP430 с рабочей частотой до 20 МГц;
  • объем Flash-памяти до 32 кбайт, ОЗУ – до 4 кбайт;
  • широкий диапазон напряжений питания 1,8…3,6 В;
  • минимальное потребление от 1 мкА.

Преимуществом CC430 является широкий выбор встроенной периферии и коммуникационных интерфейсов (рисунок 8). Особенно стоит выделить модели CC430F6143, CC430F6145 и CC430F6147 со встроенным ЖК-контроллером.

Система-на-кристалле СС430 находит практическое применение в таких областях как [10]:

Рис. 8. Блок-схема микроконтроллеров CC430

Рис. 8. Блок-схема микроконтроллеров CC430

  • автоматизация зданий: отопление, вентиляция, кондиционирование;
  • домашняя автоматизация: пульты управления телевидением, портативные устройства, управление бытовыми приборами;
  • медицина: биодатчики, диагностика пациента, тревожные кнопки;
  • периферия ПК: клавиатура, мышь, джойстик;
  • промышленное управление и мониторинг: удаленный контроль оборудования, промышленная автоматика;
  • ЖКХ, управление освещением: мониторинг систем, учет электроэнергии, воды, отопления;
  • системы безопасности: датчики, контроль доступа, контроль помещений.

Интересный практический опыт по применению микроконтроллеров CC430F5137 существует и у отечественных разработчиков [11].

Обзор микроконтроллеров RF430 для NFC-приложений

Семейство микроконтроллеров RF430 объединяет две линейки: RF430CL33 и RF430FRL15xH (таблица 7). Обе линейки максимально упрощают создание NFC-транспондеров. Для считывателей используется трансивер TRF79xx (рисунок 9).

Таблица 7. Семейство микроконтроллеров RF430

Параметр Наименование
RF430CL330H-Q1 RF430CL330H RF430CL331H RF430FRL154H RF430FRL152H RF430FRL153H RF430F5978
Стандарт передачи данных NFC: ISO/IEC 14443B, NFC Tag Type 4B NFC: ISO/IEC 14443B, NFC Tag Type 4B NFC: ISO/IEC 14443B, NFC Tag Type 4B NFC: ISO/IEC 15693 NFC: ISO/EC 15693 NFC: ISO/IEC 15693 Пользовательский (Sub 1GHz)
Пропускная способность, кбит/с 848 848 848 6.6, 26.5 6.6, 26.5 6.6, 26.5 500
Диапазон частот, МГц 13,56 13,56 13,56 13,56 13,56 13,56 315; 433; 779; 868; 915; 920
Ядро MSP430 MSP430  MSP430 MSP430 MSP430 MSP430 MSP430
Fраб, МГц 2 2 2 20
FRAM, кбайт 0 0 0 2 2 2 0
ОЗУ, кбайт 3 3 3 4 4 4 4
NVM, кбайт 0 0 2 2 2 32
Uпит, В 3…3,6 2…3,6 2…3,6 1,45…1,65 1,45…1,65 1,45…1,65 1,8…3,6
Потребление ядра, мкА/МГц 140 140 140 160
Потребление (прием), мА 0,04 0,04 0,04 0,25 0,25 0,25 15
Мин. потребление, мкА 10 10 10 16 16 16 2
Tраб, °С -40…105 -40…85 -40…85 0…70 0…70 0…70 -40…85
Рис. 9. Структура беспроводного канала NFC на базе решений от Texas Instruments Рис. 10. Блок-схема микроконтроллеров RF430CL330

RF430CL330H – динамический NFC-интерфейс, позволяющий обеспечивать взаимодействие между NFC-считывателем и датчиками. Датчики подключаются к RF430CL330H с помощью SPI или I2C (рисунок 10). Этот контроллер не требует для работы собственного элемента питания и получает энергию от радиочастотного поля считывателя. Это делает RF430CL330H идеальным решением для наиболее малопотребляющих приложений, систем закрывания дверей, медицинских приложений и других.

RF430FRL15xH – транспондер 13,56 МГц со встроенным программируемым 16-битным процессором MSP430. Для хранения памяти программ и данных используется малопотребляющая FRAM-память. Подключение датчиков осуществляется по SPI или I2C. Кроме того, на борту у RF430FRL15xH имеется собственный 14-битный сигма-дельта-АЦП, а также датчик температуры.

Средства разработки и отладки для беспроводных микроконтроллеров Texas Instruments

Одним из основных преимуществ беспроводных микроконтроллеров производства компании Texas Instruments является наличие развитой системы средств разработки и отладки (http://www.ti.com/lsds/ti/microcontrollers_16-bit_32-bit/wireless_mcus/tools_software.page#). Даже для краткого описания этих инструментов потребуется отдельная статья [12]. Так, например, только отладочных наборов и модулей для беспроводных микроконтроллеров производства Texas Instruments насчитывается около двух десятков:

  • мини-наборы Mini Development Kit (DK-MINI);
  • наборы разработчиков Development Kit (DK);
  • оценочные наборы Evaluation Module Kit (EMK);
  • USB-модули USB Evaluation Module;
  • наборы для разработки устройств ZigBee и RF4CE ZigBee & RF4CE Development Kits;
  • стартовые наборы LaunchPad.

Еще большим разнообразием отличается перечень программных средств разработки. Это библиотеки, примеры, стеки протоколов, утилиты и интегрированные среды разработки. Дадим краткую характеристику только специализированным библиотекам и утилитам, предназначенным для беспроводных микроконтроллеров производства Texas Instruments [1].

SmartRF Studio – программа для настройки и управления работой радиочастотных приборов с ПК (http://www.ti.com/tool/smartrftm-studio).

SmartRF Flash Programmer – утилита для перепрограммирования микроконтроллеров отладочных наборов по радиоканалу (http://www.ti.com/tool/flash-programmer).

CC3200 Software Development Kit (SDK) – программный пакет, включающий драйверы для CC3200, более 40 примеров, утилиты для перепрограммирования и конфигурации сетевых параметров (http://www.ti.com/tool/cc3200sdk). Используется совместно с набором SimpleLink Wi-Fi CC3200 LaunchPad.

SimpleLink™ Wi-Fi® Starter – программа, позволяющая обмениваться информацией и настраивать процессоры SimpleLink CC3xx (http://www.ti.com/tool/wifistarter).

Bluetooth® Low Energy Software Stack and Tools – бесплатный стек и утилиты для протокола Bluetooth Low Energy. Работает с микроконтроллерами CC2540 и CC2541 (www.ti.com/blestack).

Z-Stack™ Software Stack – стек протоколов для ZigBee-приложений на базе CC2530, CC2531 и CC2538 (http://www.ti.com/tool/z-stack)

RF4CE Compliant Protocol Stack – стек протоколов для RF4CE-приложений на базе CC2620, CC2650, CC2530, CC2531 (USB), CC2533 RF SoC и CC259x RF (http://www.ti.com/tool/remoti).

NFCLink NFC/HF RFID Firmware – программная библиотека для создания NFC- и RFID-приложений (http://www.ti.com/tool/nfclink).

SimpliciTI – фирменный протокол Texas Instruments, предназначенный для создания небольших беспроводных сетей по топологиям «звезда», «звезда с ретрансляцией» и «точка-точка» на базе микроконтроллеров и приемопередатчиков разных частотных диапазонов [13] (http://www.ti.com/tool/SimpliciTI). В настоящий момент протокол поддерживает контроллеры семейств CC1xxx/CC25xx/CC430. Для большинства отладочных наборов предоставляются готовые примеры, использующие SimpliciTI.

TIMAC – реализация стандарта IEEE802.15.4 Medium Access Control (MAC) (http://www.ti.com/tool/timac). Стандарт определяет физический слой и управление доступом к среде для беспроводных персональных сетей с низким уровнем скорости. TIMAC реализует топологии «точка-точка», «звезда» и «звезда с ретрансляцией данных». В настоящий момент поддерживает микроконтроллеры различных семейств: CC2630, CC2538, CC2530, CC2531, CC2592, CC2590.

TI-15.4 MAC – программное обеспечение для беспроводных микроконтроллеров CC1310, позволяющее создавать беспроводные сети с топологией «звезда» в диапазоне 868 МГц (Sub-1 GHz). ПО TI-15.4 MAC имеет ряд преимуществ перед другими сетевыми протоколами – большую дальность действия и устойчивость к помехам – благодаря использованию технологии «прыгающих частот» (frequency hopping). Программное обеспечение предоставляется без лицензионных отчислений и предназначено для работы на линейке беспроводных систем-на-кристалле SimpleLink Sub-1 GHz CC1310 wireless MCU.

Заключение

Компания Texas Instruments предлагает более трех десятков беспроводных микроконтроллеров для наиболее популярных технологий – 6LoWPAN, NFC, Wi-Fi, устройств Bluetooth и BLE, ZigBee и ZigBee RF4CE. Кроме того, разработчики могут создавать и свои собственные протоколы на базе субгигагерцевых радиоканалов и радиоканалов 2,4 ГГц.

Использование микроконтроллеров со встроенным беспроводным модулем значительно упрощает процесс разработки. Такое решение позволяет снизить потребление, габариты, стоимость и время вывода конечного устройства на рынок.

Важным достоинством микроконтроллеров производства компании Texas Instruments является наличие развитой системы средств разработки: отладочных наборов, программных библиотек и утилит, готовых стеков протоколов.

Литература

  1. Wireless Connectivity Guide. Texas Instruments, 2014.
  2. SWRB035. Wireless Connectivity Solutions. Texas Instruments, 2015.
  3. Chris A. Ciufo. TI emphasizes “KISS” in new Wi-Fi ICs. 2014, http://eecatalog.com.
  4. CC3100/CC3200 SimpleLink™ Wi-Fi® Interneton-a-Chip User’s Guide. 2016, Texas Instruments.
  5. Михаил Чигарев. Беспроводное управление LED-освещением? – Простое решение на CC1110 и CC2510. Новости Электроники №4, 2011.
  6. Александр Калачев. Новинка от TI: три процессора, DC/DC и радио 868/2400 МГц на одном кристалле. Новости Электроники №2, 2015.
  7. Александр Калачев. Быстрый старт разработки беспроводного канала 868 МГц на CC1310. Новости Электроники №3, 2016.
  8. Вячеслав Морозов. Беспроводной датчик с питанием от солнечной батареи: типовой проект от Texas Instruments. Новости Электроники №7, 2016.
  9. Олег Пушкарев. Превращение контроллера в сетевой процессор: Как управлять CC1310 с помощью АТ-команд. Новости Электроники №3, 2016.
  10. Сергей Игнатов. Система на кристалле СС430: вычислительная мощь плюс радиочастотный канал. Новости Электроники №11, 2010.
  11. Александр Калачев. Создание беспроводной системы мониторинга – первые шаги «Бекаса». http://www.compel.ru.
  12. Александр Калачев. Отладочная плата устройств Internet of Things – SimpleLink SensorTag – CC2650STK. Часть 1 – теория. http://www.compel.ru.
  13. Протокол SimplciTI. Новости Электроники №14, 2008.
  14. http://www.ti.com/.

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 компонен ...читать далее