При створенні пристроїв для Інтернету речей (Internet of Things, IoT) розробникам доводиться вирішувати безліч проблем, основними з яких є мінімізація споживання і скорочення габаритних розмірів. Поява спеціалізованих «систем в корпусі» (Sistem in Pacakge, SiP) дозволяє не тільки вирішити перераховані завдання, але і скоротити час розробки. В якості яскравого докази переваг SiP-систем можна привести мініатюрні Bluetooth-модулі BGM12x від Silicon Labs. Ці модулі мають в своєму складі повноцінний контролер ARM Cortex®-M4 з підтримкою стека Bluetooth 4.2, а також інтегровану антену. При цьому габаритні розміри їх корпусу складають всього 6,5x6,5x1,4 мм (рис. 1)!
Мал. 1. BGM12x - мініатюрні Bluetooth-модулі від Silicon Labs
Якими якостями має володіти пристрій, що працює в Інтернеті речей? У більшості випадків необхідно, щоб воно мало компактні габарити, мінімальне споживання, підтримувало один з популярних комунікаційних інтерфейсів, а також відрізнялося б невисокою вартістю. Найчастіше ці вимоги суперечать один одному.
Якщо, наприклад, поставити перед собою завдання досягнення мінімальної вартості і використовувати не дорогу зовнішню антену, а її друкований варіант, то розмір самої антени виявиться порівнянним з сумарною площею всього пристрою. Так за оцінками інженерів Silicon Labs друкована антена для Bluetooth з радіусом дії 10 метрів матиме розміри 10x10 мм. Для збільшення радіусу дії до 40 метрів буде потрібно антена 20x20 мм. Якщо додати до цього площа інших елементів схеми, то виявиться, що мінімальні габаритні розміри друкованої плати виявляться більш 50x50 мм. При необхідності отримати більш компактне рішення буде потрібно використовувати більш дорогі компоненти.
Ще однією проблемою стає складність самої розробки, адже крім вибору елементної бази необхідно розвести друковану плату. Це не таке просте завдання, особливо для радіопередавальних пристроїв з щільним розташуванням компонентів.
Не варто забувати і про проблему споживання. Чим більше компонентів і мікросхем містить пристрій, тим вище стає ціна і тим вище споживання.
Таким чином, при створенні пристроїв для Інтернету речей розробникам доведеться пройти через наступні етапи:
- пошук мікросхем з мінімальним споживанням / компактні габарити / низькою вартістю;
- розробка складної принципової схеми;
- розрахунок параметрів антени для радіоканалу;
- розводка ВЧ друкованої плати при жорсткому обмеженні за габаритними розмірами;
- написання ПО: комунікаційних протоколів і драйверів для мікросхем.
Однак останнім часом не все виглядає так песимістично. Завдяки розвитку сучасних технологій всі перераховані проблеми можна вирішити без пошуку компромісів. В даному випадку мова йде про спеціалізовані SiP-системах. Яскравим прикладом ефективності SiP-систем є мініатюрні Bluetooth-модулі BGM12x від Silicon Labs.
BGM12x - мініатюрна збірка, яка об'єднує в одному корпусі повноцінний контролер ARM Cortex®-M4 з підтримкою стека Bluetooth 4.2, антену, систему харчування і пасивні компоненти (рис. 2).
Мал. 2. Склад мініатюрних Bluetooth-модулів BGM12x
Модулі BGM12x вирішують всі перераховані вище завдання і дають розробникам додаткові переваги.
По-перше, BGM12x - найбільш компактне рішення на ринку. Габарити мікросхеми становлять всього 6,5x6,5x1,4 мм! Це є рекордом для галузі.
По-друге, всі необхідні для IoT компоненти, в тому числі і антена, розміщені в одному корпусі. З одного боку, це дозволяє розробникам не витрачати час на розрахунок параметрів антени. А з іншого боку, піти від ВЧ-топології друкованої плати. Більш того, в більшості випадків буде достатньо двошарового проводить малюнка. При цьому час на налагодження також значно скорочується, так як найбільш високошвидкісні шини та лінії зв'язку вже реалізовані всередині BGM12x.
По-третє, для обчислень в модулях BGM12x використовується вбудований контроллер з потужним 32-бітовим ядром ARM Cortex®-M4, здатним працювати на частоті до 38,4 МГц. Ядро має апаратну підтримку обчислень з плаваючою точкою (FPU) і контролер прямого доступу до пам'яті (DMA).
Важливою перевагою модулів BGM12x є пряме взаємодія ARM-ядра з Bluetooth-приймачем, яке будується точно так же, як і з іншими периферійними блоками - через шину APB. Говорячи про периферійних блоках, не можна не відзначити наявність розвиненої аналогової системи, в тому числі 12-бітного АЦП, ЦАП з струмовим виходом, компараторів, датчика струму (рис. 3).
Мал. 3. Структура Bluetooth-модулів BGM12x
По-четверте, вбудований приймач дозволяє працювати з вихідною потужністю до 3 дБм (BGM123N256V1) або 8 дБм (BGM121N256V1). При цьому радіус дії досягає 200 м!
По-п'яте, важливою перевагою BGM12x є наявність блоків для захисту інформації. Як відомо, проблеми безпеки починають все гостріше проявлятися в сфері IoT. Розуміючи це, компанія Silicon Labs забезпечила свій продукт не тільки традиційними блоками підрахунку контрольної суми (CRC) і генератором випадкових чисел, але і апаратною підтримкою функцій хешування AES 128/256, SHA-1, SHA-2 (SHA-224 і SHA-256 ) і ECC.
По-шосте, інтеграція всіх функціональних блоків в одному корпусі є ідеальним рішенням з точки зору мінімізації рівня споживання (рис. 4). На цю особливість BGM12x варто зупинитися докладніше.
Мал. 4. Bluetooth-модулі BGM12x: рекордні низькі розміри і споживання
Харчування системи здійснюється від одного базового зовнішнього джерела 2,4 ... 3,8 В. При цьому для отримання робочої напруги 1,8 В використовує вбудований DC-DC-регулятор. Якщо ж розробник захоче оптимізувати втрати, то цілком може скористатися зовнішнім перетворювачем. В цьому випадку базовий джерело живлення використовується тільки для аналогової частини схеми, а діапазон вхідних напруг може бути розширений до 1,85 ... 3,8 В.
Споживання приймача BGM12x становить 9,0 мА, а споживання передавача 8,2 мА (0 дБм). До цього необхідно додати питома живить струм ядра мікроконтролера в активному режимі 63 мкА / МГц. При частоті 38 МГц він буде споживати майже 2,4 мА. У результаті сумарне значення перевищує 10 мА, що має велике значення. Однак, це компенсується можливістю роботи в імпульсному режимі.
У реальних IoT додатках контролер і приймач знаходяться в активному стані досить рідко. Велику частину часу вони перебувають у сплячці, для цього використовуються різні режими зниженого споживання. У випадку з BGM12x таких режимів шість. В режимі глибокого сну майже всі блоки відключені (рис. 5). При знаходженні в режимі очікування споживання становить всього 2,1 мкА.
Мал. 5. Активність функціональних блоків BGM12x в режимі з мінімальним споживанням
Ще однією важливою перевагою модулів BGM12x є наявність програмних і апаратних засобів розробки і налагодження. Програмні утиліти Simplicity Studio, Energy Profiler, BGScript допоможуть не тільки спростити створення ПО, почати роботу зі стеком Bluetooth, а й навіть підрахувати термін роботи акумулятора при заданих режимах роботи мікросхеми.
Апаратні засоби розробки представлені стартовим набором Blue Gecko Bluetooth® Smart Module Wireless Starter Kit (найменування SLWSTK6101C). Основа набору - материнська плата з комунікаційними інтерфейсами USB і Ethernet, на якій також розміщені датчики (температури, вологості, прискорення), джойстик, дисплей, кнопки, світлодіоди (рис. 6). Крім того, в комплект поставки входять два модулі приймачів на базі BGM121.
Мал. 6. Зовнішній вигляд стартового набору SLWSTK6101C
Нові мініатюрні Bluetooth-модулі BGM12x від Silicon Labs дозволяють перевести пристрої Інтернету речей, а також процес їх створення, на якісно новий рівень за всіма ключовими параметрами:
- мінімальні габарити;
- мінімальне споживання;
- максимальна простота створення кінцевих додатків як з точки зору програмного забезпечення, так і з точки зору апаратної реалізації;
- низька вартість за рахунок спрощення топології друкованої плати і скорочення переліку елементів;
- наднизькі витрати часу і коштів на етапі розробки.
Всі ці переваги роблять модулі BGM121 / BGM123 ідеальним вибором не тільки для IoT, але і для різних портативних пристроїв (смартфони, розумні годинник і т. Д.), Медичних приладів, систем промислової і домашньої автоматизації.
Характеристики мініатюрних Bluetooth-модулів BGM123N256V1 / BGM121N256V1:
- процесорний ядро: 32-бітове ARM Cortex®-M4 з робочою частотою 38,4 МГц;
- пам'ять: 256 кбайт FLASH, 32 кбайт ОЗУ;
- робоча частота радіопередавача: 2,4 ГГц;
- потужність передавача: 3 дБм (BGM123N256V1) або 8 дБм (BGM121N256V1);
- споживання передавача: 8,2 мА (0 дБм);
- споживання приймача: 9,0 мА;
- споживання: 63 мкА / МГц в активному режимі, 2,1 мкА в режимі глибокого сну;
- підтримувані протоколи: Bluetooth;
- захист інформації: CRC, генератор випадкових чисел, AES 128/256, SHA-1, SHA-2 (SHA-224 і SHA-256) і ECC;
- периферія контролера: 12-бітний АЦП, ЦАП, до 30 портів введення-виведення, 8 каналів DMA, 16-бітові таймери, компаратори і т. д .;
- комунікаційні інтерфейси: UART, SPI, I2C;
- діапазон напруг живлення: 2,4 ... 3,8 В (1,85 ... 3,8 В без використання DC-DC);
- діапазон робочих температур: -40 ... + 85 ° C;
- корпус: 6,5x6,5x1,4 мм.
Склад і характеристики стартового набору SLWSTK6101C:
- материнська плата з вбудованими компонентами: датчики (температури, вологості, прискорення), джойстик, дисплей, кнопки, світлодіоди;
- BRD4300A - плата інтелектуального Bluetooth-модуля BGM111 Blue Geck module;
- BRD4302A - sip-інтелектуального Bluetooth-модуля BGM121 Blue Geck module;
- батарейка Coin Cell;
- харчування: USB або зовнішній блок живлення.