Повітряна акупунктура: мережевий процесор Bluetooth low energy від STMicroelectronics

1. Bluetooth v4.0-процесор від STMicroelectronics
2. Ознайомчий комплект STEVAL-IDB002V1
3. висновок
4. література
5. Про компанію ST Microelectronics

Невелика мережу в межах одного офісу або будинку з можливістю автоматичного відновлення з'єднання, швидкими підключенням і передачею даних - це Bluetooth Low Energy (BLE). А однокристальна бездротова система BlueNRG - це однорежимний мережевий процесор з підтримкою Bluetooth 4.0 від STMicroelectronics для побудови такої мережі.

Об'єднання пристроїв в мережу, як правило, дає на виході щось більше, ніж просто можливість обміну даними між пристроями. Сучасна елементна база дозволяє розширити функції багатьох звичних речей - зробити їх «інтелектуальними». Іноді ці додаткові функції можуть зводитися до простої автоматизації деяких певних дій - наприклад, підтримання необхідної температури води в чайнику, його включення за розкладом або по факту приходу людини з роботи. Таких прикладів можна навести безліч, і вони будуть охоплювати практично всі аспекти діяльності людини - від домашнього затишку до автоматизації робочого місця.

Взаємодія інтелектуальних пристроїв найчастіше має сенс в межах деякої обмеженої просторової області і координується одним або декількома центральними пристроями, що мають інтерфейс з людиною. У світлі масового поширення персональних пристроїв типу мобільних телефонів, смартфонів, планшетів і їм подібних пристроїв, цілком логічно використовувати для зв'язку між ними один з поширених бездротових інтерфейсів. Одним з таких інтерфейсів є Bluetooth.

З появою Bluetooth Smart [1,2] з'являється реальна можливість об'єднання невеликих пристроїв в бездротову мережу. Bluetooth Low Energy з самого початку орієнтований на персональні мережі невеликого радіусу дії з топологиями «точка-точка» і «зірка». Основними областями застосування BLE є пристрої забезпечення безпеки, управління електроприладами і відображення показань, датчики на батарейках, домашні медичні прилади, спортивні тренажери.

Технологію Bluetooth Smart вже почали активно впроваджувати основні виробники мобільних пристроїв і операційних систем, зокрема, вона підтримується останніми версіями операційних систем IOS, Android, Windows Mobile, Samsung OS.

Пристрої BLE працюють в діапазоні 2,4 ГГц. У стандарті визначено 40 частотних каналів з відстанню в 2 МГц між каналами. На фізичному рівні застосована GFSK-модуляція (Gaussian Frequency Shift Keying) з індексом модуляції в межах від 0,45 до 0,55, що дозволяє зменшити пікове споживання енергії. Швидкість передачі на фізичному рівні 1 Мбіт / с. У стандарті BLE чутливість приймача визначена як рівень сигналу на приймачі, при якому частота бітових помилок (Bit Error Rate - BER) досягає рівня 10-3 і повинна бути -70 дБм або краще.

Виділяють два типи каналів - канали оголошення і канали даних. Канали оголошення використовуються для пошуку пристроїв, встановлення з'єднання, широкомовних передач, тоді як канали даних використовуються для двонаправленого обміну даними між пристроями, між якими встановлено з'єднання.

Для каналів оголошення виділено три частотних каналу в центрі смуги, що мінімізує перекриття з каналами 1, 6 і 11 стандарту IEEE 802.11. Решта 37 каналів використовуються для обміну даними. Основні відмінності класичного Bluetooth і Bluetooth Low Energy представлені в таблиці 1.

Таблиця 1. Основні відмінності класичного Bluetooth і Bluetooth Low Energy

ПараметрBluetooth BluetoothLow EnergyБітова швидкість по радіоканалу, Мбіт / с

1, ... 3 1 Швидкість передачі даних, Мбіт / с 0,7 ... 2,1 0,2 Час, необхідний для підключення до мережі і передачі даних, мс 100 <6 Розмір пакету даних, байт <358 8 ... 47 Тип модуляції сигналу GFSK (v1.2), GFSK / 4-DQPSK / 8DPSK (v2 + EDR), 802.11 (v3 + HS) GFSK

Незважаючи на те, що деякі можливості BLE запозичені від класичного Bluetooth, вони не сумісні між собою. Пристрій, що підтримує тільки BLE (однорежимні пристрій - single-mode device або Bluetooth Smart device) не зможе взаємодіяти з пристроєм, що підтримує тільки Bluetooth 2.x / 3.0. Для здійснення взаємодії між ними хоча б один з пристроїв має підтримувати обидва стека протоколів (дворежимні пристрій - dual-mode device або Bluetooth Smart Ready device).

Bluetooth Smart-пристрої володіють найменшим споживанням і, в основному, являють собою кінцеві виконавчі пристрої. Bluetooth Smart Ready-пристрої припускають можливість періодичного отримання енергії, розташовуються на різних мобільних виробах, а також можуть функціонувати як звичайні Bluetooth-пристрої. Можливості по взаємодії Bluetooth пристроїв між собою показані на малюнку 1.

Мал. 1. Можливості по взаємодії Bluetooth-пристроїв між собою

У Bluetooth Smart, в порівнянні з класичним Bluetooth, змінений механізм підключення пристроїв один до одного, що дозволяє їм автоматично відновлювати з'єднання навіть через значні проміжки часу і без зовнішнього втручання.

Так само, як і в класичному варіанті Bluetooth, в BLE для встановленого з'єднання один з пристроїв виступає в якості ведучого (master), друге - веденого (slave). В ході процедури встановлення з'єднання - ініціатор і об'явітель, відповідно. Провідний пристрій може підтримувати кілька з'єднань з відомими, в той час як ведене пристрій може мати тільки одне підключення - до ведучого. Таким чином, BLE-пристрій одночасно може належати тільки одній піко-мережі. В цьому криється ще одна відмінність BLE від Bluetooth - в останньому випадку ведене пристрій в свою чергу могло виступати в якості ведучого пристрою своєї власної піко-мережі.

Bluetooth v4.0-процесор від STMicroelectronics

Одним з простих способів забезпечити бездротовий інтерфейс для пристрою з обмеженими обчислювальними і енергетичними ресурсами є застосування спеціалізованого бездротового контролера, відповідального за роботу стека протоколів. Зазвичай такі контролери звуться мережевих процесорів і випускаються виробниками мікроконтролерів серійно. Існують варіанти мережевих процесорів для технологій ANT, ZigBee, WiFi, Bluetooth і, звичайно, для Bluetooth Low Energy.

STMicroelectronics продовжує розширювати асортимент своїх бездротових контролерів, випустивши однорежимний мережевий процесор з підтримкою стандарту Bluetooth 4.0 - BlueNRG [3, 4]. Однокристальная бездротова система BlueNRG може працювати в мережах Bluetooth Low Energy в якості ведучого або веденого пристрою.

Структурна схема BlueNRG представлена ​​на малюнку 2 [3]. До складу системи входять бездротової приймач діапазону 2,4 ГГц і 32-розрядний контролер з архітектурою Cortex-M0. Незалежна флеш-пам'ять дозволяє оновлювати прошивку стека протоколів безпосередньо в кінцевому виробі, в тому числі є т.зв. оновлення «по повітрю». Низьке споживання ядра мікроконтролера, кілька режимів низького енергоспоживання з малим часом зміни режимів в поєднанні з ефективним приемопередатчиком сприяють збільшенню часу роботи пристроїв з BlueNRG від автономного джерела живлення. Піковий струм споживання пристрою складає всього 10 мА при вихідній потужності 1 дБм. Послідовний SPI-інтерфейс до хост-контролера вимагає незначної кількості ліній і може бути реалізований на хост-контролері будь-якого типу. Швидкість обміну BlueNRG з хост-контролером може досягати 8 Мбіт / с. Управління йде за допомогою набору команд Application Controller Interface (ACI), що дозволяє отримати доступ до сервісів вбудованого Bluetooth стека.

Мал. 2. Структурна схема BlueNRG

Підсистема пам'яті включає в себе 64 Кбайт флеш-пам'яті і 12 Кбайт оперативної пам'яті. У тестовому режимі контролер ліній введення-виведення обробляє події на зовнішніх висновках, які можуть або бути налаштовані для використання периферійними пристроями BlueNRG, або управлятися програмно. Інтерфейси JTAG і UART доступні тільки в тестовому режимі і призначені для налагодження програмного забезпечення.

Серед додаткових приємних моментів в BlueNRG можна відзначити наявність вбудованих стабілізаторів напруги харчування - лінійного LDO-стабілізатора і керованого імпульсного понижуючого DC / DC-перетворювача.

Передавач в BlueNRG працює в двох режимах - звичайному, забезпечуючи вихідну потужність сигналу до 5 дБм, і в режимі підвищеної вихідної потужності - до 8 дБм. При активному що знижує DC / DC-перетворювачі струм споживання в режимі передачі на максимальній потужності не перевищує 15 мА. При відключеному перетворювачі максимальний струм споживання на передачу становить приблизно 29 мА.

Вбудований АЦП також володіє малим енергоспоживанням, може працювати з однополярним сигналами і з диференціальними сигналами. АЦП може працювати і в зв'язці з вбудованим датчиком температури і датчиком рівня батарейного живлення.

У систему тактирования BlueNRG входять два низькочастотних генератора і два високочастотних. Низькочастотні генератори використовуються в режимі низького енергоспоживання Low Power - в даному випадку може бути задіяний генератор із зовнішнім кварцовим 32 кГц резонатором (точність ходу може бути до ± 50 ppm) або кільцевої генератор, який не потребує зовнішніх елементів, з точністю ± 500 ppm.

Тактирование контролера здійснюється високочастотним генератором із зовнішнім кварцовим резонатором на 16 або 32 МГц. У моменти запуску даного генератора тактирование системи йде від вбудованого 12 МГц кільцевого генератора.

Основні апаратні можливості BlueNRG:

• напруга живлення від 2,0 до 3,6 В;
• максимальний струм споживання при передачі - 8,2 мА (при 0 дБм вихідний потужності, напрузі живлення 3 В);
• максимальна вихідна потужність до 8 дБм (діапазон вихідної потужності -18 ... + 8 дБм);
• бюджет каналу зв'язку до 96 дБм;
• індикатор рівня сигналу (RSSI) для оптимізації споживаної потужності при обміні даними;
• вбудований АЦП;
• криптографічний AES-співпроцесор;
• підсистема управління живленням;
• мінімальний струм споживання при роботі стека BLE - 1,7 мкА;
• SPI-інтерфейс з хост-процесором (рисунок 3);
• вбудовані генератори на 12 МГц і на 32 кГц;
• генератори із зовнішнім резонатором на 16/32 МГц і на 32 кГц;
• робочий температурний діапазон -40 ... 85 ° С;
• компактний корпус для поверхневого монтажу QFN32 (5 × 5 мм).

Мал. 3. Схема взаємодії BlueNRG і керуючого хост-контролера

Підтримка стека протоколів Bluetooth 4.0 (Bluetooth Low Energy) в BlueNRG включає в себе:

• повну підтримку режимів ведучого і веденого пристрою;
• повну підтримку протоколів BLE (рисунок 4) [3]:
  • GAP;
  • ATT / GATT: клієнт і сервер;
  • SM: приватність, аутентифікація, авторизація;
  • L2CAP;
  • підтримка протоколів канального рівня;
  • шифрування AES128;
• підтримку фізичного рівня BLE.

Мал. 4. Вбудований стек протоколів мережевого процесора BlueNRG

Програмне забезпечення для BlueNRG включає в себе також приклад Simple BlueNRG HCI з вигляді вихідних текстів. За допомогою Simple BlueNRG HCI можна здійснювати управління BlueNRG і відстежувати події, пов'язані з його роботою.

Схема включення BlueNRG досить проста і включає в себе кілька розв'язують конденсаторів по харчуванню, кварцові резонатори з типовою обв'язкою (фільтруючі конденсатори) і радіочастотну ланцюг з виходом на антену (малюнок 5). У тому випадку, якщо задіяний вбудований імпульсний DC / DC-перетворювач, між висновками SMPSFLT1 і SMPSFLT2 включається індуктивність, а висновок NO_SMPS підключається до загального проводу. При роботі з внутрішнім LDO-стабілізатором індуктивності не потрібно, висновок NO_SMPS підключається до шини харчування, а висновок SMPSFLT1 залишається незадіяним.

Мал. 5. Типова схема включення BlueNRG (DC / DC-перетворювач активний) [3]

Ознайомчий комплект STEVAL-IDB002V1

Мал. 6. Зовнішній вигляд ознайомчого комплекту STEVAL-IDB002V1

Для оцінки можливостей і знайомства з BlueNRG STMicroelectronics пропонує недорогий ознайомлювальний комплект STEVAL-IDB002V1 [5, 6]. До складу STEVAL-IDB002V1 входять дві плати (рисунок 6). Перша - невелика плата BlueNRG з усіма необхідними ланцюгами харчування та узгодження родючості і з виходом на SMA-коннектор для підключення зовнішньої антени. Друга плата містить керуючий контролер STM32L ( STM32L152VBT6 ). Плати з'єднуються між собою роз'ємами з SPI-інтерфейсом і інтерфейсом налагодження JTAG. STEVAL-IDB002V1 живиться за допомогою miniUSB-роз'єму (від ПК або блоку зарядного пристрою смартфона) або від двох батарей (тип АА), роз'єм для підключення яких також встановлено на основній платі, яка входить до складу комплекту.

Крім керуючого контролера на основній платі розташовані кнопки скидання, одна призначена для користувача кнопка, джойстик, п'ять світлодіодів, датчик прискорення LIS3DH , Датчик температури STML75.

Демонстраційне додаток, що дозволяє підключити комплект по Bluetooth до смартфону, попередньо прошито в хост-контролері STM32L152VBT. В даному випадку STEVAL-IDB002V1 визначається як датчик і дозволяє отримувати значення з сенсорів, встановлених на платі з керуючим контролером.

Додатково до STEVAL-IDB002V1 після реєстрації на сайті STMicroelectronics є програмне забезпечення для настройки і роботи з BlueNRG - BlueNRG GUI (Рисунок 7). Утиліта дозволяє посилати стандартні HCI-команди, відслідковувати події, пов'язані з роботою стека протоколів BLE, аналізувати вміст отриманих і відправлених пакетів. Є можливість редагування будь-яких полів посилаються HCI-команд. BlueNRG GUI дозволяє досить ефективно працювати з BlueNRG на низькому рівні - зберігається історія команд, отримані і передані пакети, різні форми подання інформації.

Мал. 7. Основне вікно програми BlueNRG GUI

Управління BlueNRG на більш високому рівні здійснюється за допомогою прикладного програмного інтерфейсу ACI, що є розширенням стандартного інтерфейсу Bluetooth HCI.

До складу програмного забезпечення, що встановлюється спільно з BlueNRG GUI, входить С-бібліотека для хост-контролера STM32, що містить всі необхідні функції для настройки BlueNRG.

висновок

Мережевий процесор BlueNRG може бути з успіхом застосований в системах домашніх та офісних автоматики, для автоматизації особистого простору, організації зв'язку між ношеними датчиками, передачі показників датчиків витрати ресурсів.

Даний мережевий процесор відрізняє широкий діапазон вихідних потужностей і низький струм споживання навіть в режимі передачі на максимальній потужності. Невелике число необхідних пасивних компонентів дозволяє економити місце на друкованій платі і скоротити витрати на комплектуючі.

література

1. Low Energy Bluetooth Technology Website >>>
2. Bluetooth Smart Devices Bluetooth Technology Website >>>
3. DS9877: Bluetooth® low energy wireless network processor >>>
4. BlueNRGBluetooth® low energy wireless network processor >>>
5. STEVAL-IDB002V1 Bluetooth ® SMART board based on the BlueNRG low energy network processor - STMicroelectronics >>>
6. UM1686 - BlueNRG development kit >>> .

Отримання технічної інформації, замовлення зразків, поставка - e-mail: [email protected]

Про компанію ST Microelectronics

Компанія STMicroelectronics є №1 виробником електроніки в Європі. Компоненти ST широко представлені в оточуючих нас споживчих товарах - від iPhone до автомобілів різних марок. Лідери індустріального ринку вибирають компоненти ST за їх надійність і видатні технічні параметри. У компанії ST працює 48 000 співробітників в 35 країнах. Виробничі потужності розташовані в 12 країнах світу. Понад 11 тисяч співробітників зайняті дослідженнями і розробками - інноваційне лідерство ... читати далі