1. Субгігагерцевий діапазон: велика дальність зв'язку при низькій потужності передавача
2. Проблеми, пов'язані з роботою в субгігагерцевом діапазоні
3. CC1350 - двохдіапазонний МК
4. Вбудоване ПЗУ МК CC1350
5. наднизьким споживанням енергії
6. контролер датчиків
7. Просте у використанні ПО і його техпідтримка
8. Варіанти спільного використання субгігагерцевой мережі і з'єднання за протоколами BLE
9. Physical Web компанії Google
10. Маячки з власними протоколами
11. Робота з налагоджувальний набором МК CC1350
12. додаткова інформація
13. Про компанію Texas Instruments

Інженери Texas Instruments розповідають, як на базі нового дводіапазонного мережевого мікроконтролера СС1350 організувати бездротову мережу, що поєднує далекі відстані передачі і ефективну взаємодію з керуючим процесами і відображає інформацію мобільним пристроєм.

У сучасному світі Інтернету речей (IoT) на ринку щодня з'являється безліч нових бездротових додатків, які здійснюють безперервний збір інформації від датчиків і двосторонній обмін даними. З нашого смартфона ми отримуємо інформацію про те, наприклад, які заходи були вжиті в нашій системі безпеки, повідомлення про те, що жодне з вікон в приміщенні не залишилося відкритим. Повідомлення, що надсилаються системою безпеки з використанням бездротових мереж, допомагають зробити нашу щоденну життя комфортним. Тенденція збору все більшої кількості додаткової інформації веде до щоденного взаємодії з різними бездротовими пристроями. Протягом одного дня людина може взаємодіяти з більш ніж 100 пристроями, що використовують кілька бездротових протоколів або стандартів. На сьогоднішній день різні бездротові мережі, наприклад, системи безпеки будинку і автомобільні і офісні мережі дуже мало взаємодіють один з одним. Перемикання між різними діапазонами частот і різними мережами створює деякі незручності, пов'язані з використанням різних інтерфейсів, внаслідок чого виникає питання - як домогтися більш тісної взаємодії між цими мережами? Основна проблема в міжмережевих взаємодіях полягає у відсутності перемикання з діапазону 2,4 ГГц на субгігагерцевий діапазон.

Субгігагерцевий діапазон: велика дальність зв'язку при низькій потужності передавача

Існує дуже багато бездротових пристроїв, для яких дальність зв'язку має набагато більше значення, ніж висока пропускна здатність каналу зв'язку. До подібних пристроїв відносяться, наприклад, інтелектуальні прилади обліку електроенергії, сповіщувачі в системах охоронної сигналізації або датчики температури в системах домашньої автоматизації. У цих додатках субгігагерцевий діапазон ISM (433/868/915 МГц), виділений для промислових, наукових і медичних бездротових пристроїв, забезпечує значно більшу дальність зв'язку, ніж діапазон 2,4 ГГц, що обумовлено фізичними властивостями радіохвиль на більш низьких частотах. Теоретично у вільному просторі при тому ж коефіцієнті посилення антени зменшення робочої частоти вдвічі збільшує дальність зв'язку в два рази. Ще одним важливим фактором є те, що довші радіохвилі мають можливість проходити крізь стіни і огинати перешкоди.

Певну роль у збільшенні дальності зв'язку грає також низька швидкість передачі даних, так як чутливість приймача істотно залежить від цього параметра. Згідно емпіричному правилу, зменшення швидкості передачі в чотири рази збільшує вдвічі дальність зв'язку у вільному просторі. І, нарешті, внаслідок малої тривалості робочого циклу, дозволеної в субгігагерцевом діапазоні, у низькошвидкісних каналів передачі даних менше проблем з порушеннями зв'язку в порівнянні з діапазоном 2,4 ГГц, де вони, в основному, обумовлені роботою пристроїв Wi-Fi®. Більш низькі робочі частоти дозволяють також обмежити струм, що дозволяє продовжити термін служби батареї і використовувати літієві батареї менших розмірів.

Однак отримання даних з субгігагерцевой мережі може виявитися непростим завданням для інтелектуальних пристроїв користувача з огляду на те, що вони, як правило, не охоплюють субгігагерцевий діапазон ISM. З цієї причини Bluetooth® з низьким енергоспоживанням став де-факто стандартом для дводіапазонних МК бездротової мережі, які служать в якості моста між пристроями, що працюють в двох різних діапазонах. В даний час на ринку представлений мікроконтролер CC1350 (Texas Instruments), що працює в субгігагерцевом діапазоні частот і в стандарті Bluetooth з низьким енергоспоживанням (Bluetooth Low Energy, BLE). МК CC1350 здатний передавати сигнал з рівнем +10 дБм, споживаючи при цьому струм до 15 мА, що є допустимим значенням при харчуванні від літієвої батареї. Використовуючи низкоскоростную передачу даних, можна отримати дальність зв'язку по прямої видимості понад 20 км з передавачем, піднятим над поверхнею землі, при цьому струм споживання приймача складе 5,4 мА при харчуванні від літієвої батареї.

Проблеми, пов'язані з роботою в субгігагерцевом діапазоні

Переваги субгігагерцевого діапазону цілком очевидні, однак йому притаманні також певні недоліки. Наприклад, смартфон - одне з основних пристроїв, що використовуються в нашому повсякденному житті - не підтримує субгігагерцевий діапазон. За фактом, смартфони здатні здійснювати зв'язок з бездротовими пристроями, використовуючи ліцензовані діапазони (GPRS, 3G і LTE) для отримання максимальної дальності, однак вони не використовують субгігагерцевий діапазон ISM. Очевидною перевагою технологій Wi-Fi і Bluetooth є те, що вони є у вигляді стандартних функцій в будь-якому смартфоні, представленому на сьогоднішній день на ринку.

Рішенням даної проблеми є об'єднання переваг двох діапазонів - субгігагерцевого для отримання максимальної дальності зв'язку з низьким енергоспоживанням і діапазону 2,4 ГГц з використанням технології Bluetooth з низьким енергоспоживанням для зв'язку зі смартфоном, планшетом і персональним комп'ютером (ПК). Компанія Texas Instruments представляє перший на ринку МК бездротової мережі CC1350, який поєднує на одному кристалі високопродуктивний процесор ARM® Cortex®-M3, контролер датчиків з низьким енергоспоживанням і малопотужний двохдіапазонний трансивер.

CC1350 - двохдіапазонний МК

МК бездротової мережі CC1350 (рисунок 1) являє собою повністю однокристальні пристрій в мініатюрному корпусі QFN з мінімальним посадковим місцем на платі 4х4 мм. При необхідності використання більшого числа портів введення / виводу можна використовувати МК в корпусі QFN розміром 7х7 мм. Процесор додатків ARM Cortex-M3 має в своєму составе128 кбайт Flash-пам'яті програм, 20 кбайт статичного оперативної пам'яті даних (ОЗУ) з наднизьким енергоспоживанням і додатково ОЗУ об'ємом 8 кбайт, що використовується в якості кеш-пам'яті (також може бути використано як звичайне ОЗУ) . Радіочастотний блок МК містить повний тракт приймача, що охоплює субгігагерцевие поддіпазони 315, 433, 470, 868 і 915 МГц, а також діапазон 2,4 ГГц. Радіочастотний блок включає в себе модем з гнучкою програмної налаштуванням конфігурації, що забезпечує швидкість передачі даних від декількох сотень біт / с до 4 Мбіт / с і кілька форматів модуляції від «простий» комутації (вкл-викл), до (G) FSK, (G ) MSK, 4- (G) FSK і CPM (shaped 8-FSK). Основна перевага гнучко програмованого радіочастотного блоку полягає в підтримці великої кількості представлених на ринку субгігагерцевих бездротових пристроїв колишнього покоління, а також в можливості програмної настройки радіочастотного блоку для відповідності існуючим стандартам. Одним з наочних прикладів гнучкого налаштування конфігурації є те, що для роботи МК CC1350 в нових режимах зв'язку великої дальності або максимальну швидкість передачі даних, представленого Bluetooth SIG в червні 2016 г. (Bluetooth 5.0), достатньо всього лише оновити вбудоване програмне забезпечення МК.

Мал. 1. Структурна схема МК CC1350

Вбудоване в радіочастотний блок процесорний ядро ​​ARM Cortex-M0 працює під управлінням програми, записаної в постійному пристрої, що запам'ятовує (ПЗУ), і забезпечує підтримку низькорівневих функцій протоколів Bluetooth і власних протоколів TI для бездротової передачі даних, що дозволяє розвантажити основне процесорний ядро ​​ARM Cortex-M3 від виконання критичних за часом завдань. Система харчування побудована на перетворювачі постійної напруги (DC / DC), тісно інтегрованого зі схемою управління. Перетворювач напруги працює у всіх режимах, включаючи черговий, що забезпечує мале енергоспоживання, а також стабільність характеристик радіозв'язку незалежно від падіння напруги батареї.

Вбудоване ПЗУ МК CC1350

Вбудоване ПЗУ МК CC1350 має обсяг понад 200 кбайт і підтримує такі функції:

• операційну систему (ОС) реального часу TI-RTOS;
• бібліотеку низькорівневих драйверів SPI, UART і інших пристроїв;
• функції шифрування;
• функції низького рівня і деякі функції високого рівня стека протоколів Bluetooth.

Необхідно відзначити, що програмне забезпечення ПЗУ може бути модифіковано c допомогою механізму програмної корекції (патчів) з функцій у Flash-пам'яті.

наднизьким споживанням енергії

МК CC1350 забезпечує надмалих струм споживання в усіх режимах роботи як процесорного ядра, так і радіочастотного блоку, що ілюструє рисунок 2.

Мал. 2. надмалих струм споживання в усіх режимах роботи CC1350

контролер датчиків

Контролер датчиків являє собою вбудований в пристрої серії CC13xx невеликий оптимізований по енергоспоживанню 16-розрядний МК з інтерфейсами для обробки сигналів малопотребляющіх аналогових і цифрових датчиків. Програмування контролера датчиків здійснюється за допомогою програмного середовища Sensor Controller Studio, в якій користувач може самостійно вибрати заздалегідь певні функції для різних периферійних пристроїв. Дана програмне середовище надає також приклади програмної підтримки інтерфейсів датчиків загального застосування - роботу з АЦП (потокове читання, протоколювання, функція двухпорогового компаратора) і роботу з цифровими датчиками по інтерфейсів I2C / SPI. На малюнку 3 показаний приблизний вигляд вікна програми Sensor Controller Studio.

Мал. 3. Вікно програми Sensor Controller Studio

Просте у використанні ПО і його техпідтримка

Для малопотребляющего МК CC2540 з підтримкою Bluetooth компанія TI випустила один з перших сертифікованих стеків протоколів BLE. Програмний стек отримав подальший розвиток для підтримки з'явилася в 2015 р платформи CC26xx . В даний час програмний стек доступний також для МК CC1350 і володіє тими ж функціями, що і Bluetooth 4.2 - від застосування в вигляді «простих» маячків до повнофункціонального двостороннього з'єднання. Всі програмні стеки компанії TI, що підтримують пристрої бездротових мереж, використовують вільно поширювану операційну систему (ОС) реального часу TI-RTOS, також розроблену компанією TI. ОС TI-RTOS поширюється відповідно до п. 3 ліцензії BSD (програмна ліцензія університету Берклі), що означає надання повного доступу до вихідного коду. Для прискорення розробки програмного забезпечення компанія TI розробила великий набір драйверів периферійних пристроїв, в тому числі - драйверів, що оптимізують роботу радіочастотного блоку МК, що дозволяє розробникам зосередитися виключно на вирішенні завдань, пов'язаних з роботою програми. Для МК серій CC13xx і CC26xx, що працюють під управлінням TI-RTOS, компанія TI пропонує комплекти розробки програмного забезпечення (SDK), що включають в себе велику кількість прикладів для швидкого освоєння програмних продуктів. Приклади реалізації бездротових додатків представлені з метою демонстрації можливостей використання різних драйверів з оптимізованої продуктивністю і є гарною відправною точкою для розробки власних бездротових систем. При розробці нових систем, які не потребують підтримки пристроїв попереднього покоління, відмінним рішенням є новий програмний стек TI-15.4, що є реалізацією стандарту IEEE 802.15.4g / e і підтримує мережеві топології типу «зірка». Стек TI-15.4 поширюється безкоштовно в двох версіях:

• в версії, оптимізованої відповідно до нормативних документів ЄС (ETSI) і використовує швидку перебудову частоти і технологію LBT (прослуховування каналу перед включенням передавача);
• в версії, оптимізованої відповідно до нормативних документів США (FCC) і використовує стрибкоподібне зміна частоти для отримання максимальної вихідної потужності.

Варіанти спільного використання субгігагерцевой мережі і з'єднання за протоколами BLE

Робота МК CC1350 в субгігагерцевом діапазоні і підтримка протоколів BLE відкриває багато можливостей, основні з яких перераховані нижче.

Монтаж, введення в експлуатацію, технічне обслуговування та діагностика субгігагерцевих мереж. На етапі монтажу та введення в експлуатацію велика дальність зв'язку пристроїв субгігагерцевого діапазону може виявитися недоліком, так як користувачу необхідно налаштувати вузли тільки своєї мережі, не захоплюючи при цьому сусідню мережу, яка може використовувати той же набір пристроїв. Використання смартфона з меншою дальністю зв'язку, але значно більш високою швидкістю передачі даних по протоколу Bluetooth, а також наявність екрану великого розміру в смартфоні набагато спрощують настройку вузлів в мережі (малюнок 4). За допомогою смартфона, підключеного до мережі Інтернет, простіше завантажувати нове програмне забезпечення в кінцеві бездротові пристрої, а також здійснювати збір діагностичної інформації. Такі дії можуть здійснюватися в бездротових системах, встановлених спеціалізованими компаніями, а також виконуватися користувачем самостійно, наприклад:

• користувач придбав два комплекти димових сповіщувачів, попередньо сконфігурованих для спільної роботи в бездротовій мережі субгігагерцевого діапазону, а потім виявив, що йому необхідно ще один пристрій, який він хотів би підключити до тієї ж мережі.
• іншим прикладом є установка користувачем або спеціалізованою компанією системи охоронної сигналізації або системи домашньої автоматизації.

Програмне забезпечення Bluetooth: стек двостороннього з'єднання. Програмне забезпечення субгігагерцевой мережі: стек протоколу TI 15.4 або протоколів попереднього покоління

Оновлення програмно-апаратних засобів. Для забезпечення оптимальної роботи протягом усього терміну служби виробу в мережі вирішальне значення має можливість віддаленого оновлення вбудованого програмного забезпечення за технологією OTA (Over-the-air). Оновлення програмно-апаратних засобів дозволяє також додавати нові функції вже встановленим на об'єктах мережевих пристроїв. Завдяки більш високій швидкості передачі даних, що здійснюється по Bluetooth, оновлення вбудованого програмного забезпечення може бути зроблено набагато швидше. Система може включати в себе пристрої, в яких програмне забезпечення оновлюється по субгігагерцевой мережі або за допомогою з'єднання по Bluetooth з низьким енергоспоживанням, що дає велику гнучкість для користувачів. Одним із прикладів поновлення за технологією OTA з використанням Bluetooth може бути наступний сценарій: пристрій отримує команду через інтерфейс субгігагерцевой мережі переключитися в режим BLE, далі користувач підключається до пристрою по інтерфейсу Bluetooth і, після встановлення з'єднання, завантажує в пристрій нове програмне забезпечення (рисунок 5 ). Далі пристрій перезавантажується з оновленою програмою.

Мал. 5. Програмне забезпечення Bluetooth: повнофункціональний Bluetooth-стек. Програмне забезпечення для роботи на частотах до 1 ГГц: стек протоколів TI 15.4-Stack або драйвер для сумісності з попередніми поколіннями радіочастотних приймачів

Використання смартфона в якості віддаленого дисплея. Створення зручних у використанні готових виробів має велике значення як для споживчих, так і для спеціалізованих товарів. Однак кольорові дисплеї з гарним дизайном є дорогими в розробці і виробництві, часто мають недостатню механічну міцність і збільшують струм, споживаний пристроєм. У багатьох випадках можна значно спростити інтерфейс або додати нові функції наявними пристроїв, використовуючи смартфон в якості дисплея. Наприклад, бездротової димовий пожежний сповіщувач може використовувати смартфон для відображення стану батареї або часу, що пройшов з моменту останнього спрацьовування. В принципі, будь-яка мережа датчиків, що має дані для відображення, може використовувати смартфон в якості віддаленого дисплея замість стандартного РК-дисплея (рисунок 6).

Мал. 6. Програмне забезпечення Bluetooth: стек двостороннього з'єднання. Програмне забезпечення субгігагерцевой мережі: стек протоколу TI 15.4 або протоколів попереднього покоління

Управління данімі, переданої прістроєм BLE в режімі маячка. Одним з основних перевага использование субгігагерцевой мережі є велика дальність зв'язку при тій же віхідній потужності передавача. При оновленні інформації великої кількості пристроїв Bluetooth з низьким енергоспоживанням, що працюють в режимі маячків, фізичний доступ до кожного маячки може виявитися нездійсненним завданням. В цьому випадку субгігагерцевая мережу може бути використана для підключення до маячки і завантаження в нього нової інформації, яку він буде передавати через Bluetooth (малюнок 7). В даному розділі описано кілька варіантів використання такої системи.

Мал. 7. Програмне забезпечення Bluetooth: маячок (стек двостороннього з'єднання не потрібно). Програмне забезпечення субгігагерцевой мережі: стек протоколу TI 15.4 або протоколів попереднього покоління

Physical Web компанії Google

У концепції Physical Web виробництва компанії Google маячки використовуються для передачі адреси URL, який відкривається в стандартному веб-браузері. Перевагою цього рішення є простота використання, так як для нього не потрібно ніяких спеціальних додатків: досить створити веб-сторінку, на яку буде вказувати маячок Bluetooth. Управління маячком полягає, в основному, в зміні посилання на веб-сторінку і здійснюється по субгігагерцевой мережі.

Google Physical Web використовує специфікацію Eddystone з відкритим вихідним кодом, що визначає кілька різних форматів кадру маячка Bluetooth з низьким енергоспоживанням:

• URL передає стандартна адреса URL;
• TLM використовується для передачі даних телеметрії, наприклад, рівня заряду акумулятора, часу з моменту перезавантаження і тому подібного;
• UDI передає унікальний ідентифікатор пристрою, який використовується для геолокації (наприклад, всередині будівель).

Приклад реалізації системи: кінотеатр оголошує наступний фільм за допомогою маячків Bluetooth, розташованих в декількох місцях навколо кінотеатру. Субгігагерцевая мережу використовується для оновлення «цифрових плакатів» кожен раз, коли готується показ нового фільму.

Маячки з власними протоколами

У тих випадках, коли не потрібно взаємодіяти з іншими додатками, розробник може використовувати свій власний формат кадру BLE-маячка, одним із прикладів якого є набір додатків SensorTag для мережі SimpleLink компанії TI, який здійснює зв'язок смартфона з кінцевими пристроями за допомогою власного формату кадру, розробленого компанією TI (рисунок 8).

Мал. 8. Набір додатків SensorTag

Робота з налагоджувальний набором МК CC1350

Установча версія програмного забезпечення МК CC1350 дозволяє продемонструвати більшість варіантів використання, описаних в даній статті. Налагоджувальний набір LaunchPad ™ на основі дводіапазонного МК CC1350 поставляється з попередньо запрограмованим стеком TI BLE, що дозволяє підключитися до пристрою, використовуючи додаток SensorTag iOS / Android, встановлене на смартфоні. Після підключення до смартфону МК CC1350 забезпечує той же набір функцій, що і оцінний набір LaunchPad на основі МК CC2650, що підтримує декілька стандартів тільки в діапазоні 2,4 ГГц. Завдяки можливості роботи в двох радіочастотних діапазонах, МК CC1350 може бути переведений за допомогою віддаленого програмування за технологією OTA з режиму BLE в режим датчика мережі субгігагерцевого діапазону. Покрокове керівництво показує, як завантажити новий додаток для створення невеликої бездротової мережі датчиків. Мережа датчиків включає в себе концентратор, який приймає дані в діапазоні 868 МГц від кінцевих вузлів мережі. Пристрої, які посилають дані концентратора, можуть «на ходу» перебудувати радіочастотний блок для передачі пакетів оголошень по протоколу BLE в діапазоні 2,4 ГГц.

додаткова інформація

Налагодження набори для розробників:

• оцінний набір LaunchPad на основі дводіапазонного МК CC1350 LAUNCHXL-CC1350;
• демонстраційний комплект SensorTag на основі МК CC1350 CC1350STK;
• комплект LaunchPad на основі МК CC1310 (тільки субгігагерцевий діапазон) LANUCHXL-CC1310.

Програмне забезпечення:

• комплект розробки програмного забезпечення TI BLE-Stack;
• приклади програм з використанням ОС TI-RTOS для МК серій CC13xx / CC26xx;
• комплект розробки програмного забезпечення з використанням стека протоколів TI-15,4;
• програмне середовище SmartRF ™ Studio;
• програматор SmartRF Flash Programmer.

технічна підтримка:

• форуми спільноти TI E2E ™.

Про компанію Texas Instruments

В середині 2001 р компанії Texas Instruments і КОМПЕЛ уклали офіційну дистриб'юторську угоду, яке стало результатом тривалої і успішної роботи КОМПЕЛ в якості офіційного дистриб'ютора фірми Burr-Brown. (Як відомо, Burr-Brown увійшла до складу TI так само, як і компанії Unitrode, Power Trend і Klixon). З цього часу компанія КОМПЕЛ отримала доступ до постачання всієї номенклатури вироблених компанією TI компонентів, технологій та налагоджувальних засобів, а також ... читати далі