Модули Bluetooth и Wi-Fi производства GlobalTop Technology

Модуль Orchid 1 Bluetooth 4.0 BLE с низким энергопотреблением

Модуль Orchid 1 (внутрифирменное название BCS-U1623) представляет собой законченный Bluetooth 4.0 Low Energy Profile (BLE) модуль на базе чипа CSR1010. Модули Orchid 1 работают в диапазоне открытых частот ISM: 2402–2480 МГц.

Спецификация с низким энергопотреблением Bluetooth BLE 4.0 разработана между­народным объединением SIG (Bluetooth Special Interest Group) специально для использования в батарейных устройствах, в которых требуется продолжительная автономная работа без подзарядки. Благодаря использованию специального алгоритма работы, при котором передатчик включается только на время передачи данных, в модуле Orchid 1 удалось достигнуть энергопотребления <5 мкА.

В спецификации Bluetooth 4.0 предусмотрено два типа устройств: Single -mode и Dual-mode. Базовые чипсеты Singlemode поддерживают работу только в соответствии со спецификацией 4.0. Чипсеты Dual-mode могут работать как с поддержкой Bluetooth 3.0, так и с поддержкой Bluetooth 4.0.

Рис. 1. Внешний вид модуля BCS-U1623

Модуль Orchid 1 относится к категории Single-mode. Устройства этого типа предназначены прежде всего для беспроводных портативных электронных устройств, использующихся в телемедицине, персональных трекерах, миниатюрных промышленных сенсорах и других аналогичных устройствах. BLE-модуль Orchid 1 является законченным, полнофункциональным устройством Bluetooth и содержит чипсет CSR1010, периферийные блоки и интерфейсы, а также встроенные программные стеки различных протоколов, позволяющие создавать потребительские приложения [1]. Встроенная антенна, стек Bluetooth-протоколов, гибкие аппаратные интерфейсы позволяют легко интегрировать модули в существующее оборудование.

Питание модуля Orchid 1 может быть реализовано от стандартных батарей или аккумуляторов с напряжением 2,5–3,6 В. В модуле предусмотрен режим максимального энергосбережения, при котором ток потребления составляет всего 5 мкА. Чтобы привести модуль в рабочее состояние, требуются десятые доли миллисекунды.

Модуль выполнен в конструктиве для печатного монтажа. Все интерфейсные группы выведены на контактные площадки корпуса. Габаритные размеры 16×23×2,3 мм. Внешний вид модуля показан на рис. 1.

Структурная схема и описание

Блок-схема модуля Orchid 1 показана на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема модуля BCS-U1623

Основой модуля Orchid 1, определяющей его архитектуру и отличительные особенности, является базовый чипсет CSR1010 [2]. Он содержит на одном кристалле элементы, необходимые для создания устройств с поддержкой технологии Bluetooth 4.0.

Управление модулем осуществляется через порт UART (Tx, Rx). В спящем режиме максимальная скорость передачи составляет 2400 бит/с. Максимальная скорость передачи в обычном режиме работы — 2 Мбит/c. Интерфейс UART может быть использован для перезагрузки модуля. Так, например, при подаче длительного сигнала логического нуля на вход UART_RX модуль будет перезагружаться.

Двухпроводной интерфейс I2C имеет две линии — I2C serial clock line и I2C serial data line — и может быть использован для связи с внешней EEPROM или другими периферийными устройствами или датчиками. В этом интерфейсе поддерживаются скорости 100 и 400 кГц.

SPI используется как двухпроводной последовательный интерфейс для внутрисхемной отладки и перепрограммирования чипсета. Через этот интерфейс можно программировать весь объем Flash-памяти, останавливать и запускать выполнение пользовательских программ, выполнять инструкции по обслуживанию ядра. Кроме того, через отладочный интерфейс осуществляется управление кварцевыми генераторами частоты.

Память ROM/RAM предназначена для записи и хранения данных. Это специально разработанная модель с ультранизким энергопотреблением. Она сохраняет работоспособность, когда цифровая часть модуля отключена.

Модуль имеет пять цифровых программируемых пользовательских вводов/выводов GPIO и три аналоговых ввода/вывода AIO. Цифровые вводы/выводы GPIO включают пять двунаправленных, программируемых линий, поддерживающих сигналы в диапазоне 1–3,6 В. Вводы/выводы GPIO могут конфигурироваться с помощью внутреннего программного обеспечения с таким расчетом, чтобы работать в качестве повышающей (pull-up) или понижающей (pull-down) линий. Аналоговые вводы/выводы, поддерживающие сигналы в диапазоне 0–1,35 В, могут быть сконфигурированы как входы АЦП чипа CSR. Кроме того, эти линии можно использовать для вывода аналогового сигнала.

Два кварцевых генератора с частотами 32,768 кГц и 16 МГц предназначены для работы модуля в различных режимах энергосбережения. Таймер режима «сна» (SM) также является специально разработанным устройством со сверхнизким током потребления. Встроенный сторожевой таймер предназначен для перезагрузки модуля в случае «зависания» программного обеспечения.

Встроенная антенна модуля гарантирует высокую эффективность приема сигнала при работе на открытом воздухе в зоне прямой видимости. Однако следует учитывать, что эффективность чип-антенны очень сильно зависит от деталей и материалов, экранирующих антенну, а также от источников радиочастотных помех. Этому вопросу нужно уделить особое внимание при проектировании конечного оборудования. При неправильном размещении модуля со встроенной антенной на печатной плате или в корпусе прибора эффективность действия антенны может составлять всего несколько процентов.

Технические характеристики модуля BCS-U1623 (Orchid 1) приведены в таблице 1.

Встроенные стеки

Модули серии Orchid 1 имеют встроенный стек протоколов, обеспечивающий полную функциональность работы в соответствии со стандартом Bluetooth v4.0 Low Energy.

Для реализации пользовательских приложений компанией GlobalTop разработаны и бесплатно предоставляются следующие профили:

• Proximity (измерение удаленности до объекта);
• Find me (определение местонахождения объекта);
• SPP (беспроводной последовательный порт);
• Lightning (управление освещением).

Отладочный набор

Рис. 3. Внешний вид отладочной платы Orchid 1 Development Kit

Для настройки оборудования, разрабатываемого на базе модулей BCS-U1623, можно использовать отладочный комплект Orchid 1 Development kit [3]. В его состав входят: плата с модулем BCS-U1623, отладочные кабели, блок питания. Отладочная плата позволяет в кратчайшие сроки оценить возможности модуля Orchid 1. Внешний вид отладочного набора для Orchid 1 показан на рис. 3.

По оценкам специалистов, продукция с поддержкой Bluetooth 4.0 BLE в ближайшие годы займет лидирующее место на рынке бытовых беспроводных устройств. Как показывает практика, наибольшее распространение модули Orchid 1 могут получить в таких областях, как управление освещением, медицинское оборудование, портативное и переносное оборудование.

Wi-Fi-модуль Ivy 1

Ivy 1 (внутреннее название WRM-U2535) представляет собой законченный Wi-Fi-модуль, изготовленный на основе чипа Ralink RT5350 (Ralink Technology Corp) [4].

Основным преимуществом Wi-Fi перед другими технологиями (Bluetooth, ZigBee) является высокая скорость передачи и совместимость с бытовым оборудованием, таким как планшетные компьютеры и смартфоны. Так, например, максимальная скорость передачи данных, которую может поддерживать Ivy 1, достигает 150 Мбит/с. Благодаря такой высокой скорости, миниатюрным размерам (25×35×4,8 мм) и низкой цене модуль Ivy 1 найдет применение во многих отраслях.

Модуль Ivy 1 предназначен для организации высокоскоростных, беспроводных локальных сетей для выхода в Интернет, систем беспроводной передачи видеоинформации, промышленной телеметрии, бытовой техники и многих других аналогичных приложений (рис. 4).

Рис. 4. Внешний вид модуля Ivy 1

Модуль Ivy 1 поддерживает стандарты 802.11b/g/n на центральной частоте 2,4 ГГц. Выбор режима работы реализуется с помощью программного обеспечения Ralink [5]. Структурная схема модуля показана на рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема модуля Ivy 1

Базовый чип Ralink RT5350 полностью соответствует всем требованиям стандарта IEEE 802.11n. Встроенный процессор с ядром MIPS24KEc обеспечивает высокопроизводительную обработку данных и управление Wi-Fi-приложениями с частотой 360 МГц.

Поскольку RT5350 содержит на одном кристалле практически все необходимые составные части, то для реализации законченного модуля WRM-U2535 потребовалось всего несколько дополнительных блоков: система электро­питания, память (Flash/SDRAM) и контроллеры интерфейсов. Для работы модуля в минимальной конфигурации достаточно подать на него питание и подключить линии UART.

Полоса частот и подчастоты для устройств стандарта 802.11 выделяются и регламентируются в каждой конкретной стране. В Российской Федерации в соответствии с действующими нормативами разрешена эксплуатация всех вариантов стандартов 802.11a/b/g/n на всех базовых частотах.

Модуль Ivy 1 может работать с использованием 13 европейских каналов в диапазоне частот 2412–2472 МГц. Также модуль может работать в японских и американских диапазонах частот.

Чувствительность приемника составляет –86 дБм (опорный уровень на милливатт). Максимальная мощность передатчика в режимах 802.11b/g/n составляет соответственно 18, 15 и 13 дБм.

Питание модуля 3,3 В. Максимальное пиковое значение тока потребления составляет 500 мА по входу 3,3 В и 600 мА по входу 1,2 В. Реальный средний ток потребления значительно меньше и зависит от режима работы модуля.

Модуль Ivy 1 имеет двухпроводной интерфейс UART (Tx/Rx). Этот интерфейс предназначен для обмена данными со внешними устройствами по последовательному порту. Этот интерфейс позволяет передавать данные со скоростями до 345 600 бит/с. Данный интерфейс может быть также использован для конфигурирования модема.

В том случае когда модуль WRM-U2535 подключен по последовательному порту к другому внешнему устройству, задействованы будут два сигнала UART_Rx и UART_Tx, обеспечивающие передачу данных между двумя устройствами. Аппаратная часть UART выполнена с использованием TTL-логики.

Программное обеспечение модуля позволяет менять базовые параметры UART, например такие, как скорость передачи, формат пакета и др. Следует обратить внимание на то, что для работы с внешним ПК на максимальных скоростях необходимо использовать дополнительный адаптер последовательного порта.

Для высокоскоростной передачи данных можно использовать встроенный интерфейс USB 2.0. Он поддерживает скорость передачи данных до 480 Мбит/c. USB интерфейс поддерживает режимы host и device. Для подключения используются линии USB_DP и USB_DN, которые соединены непосредственно с базовым чипом RT5350.

В модуле Ivy1 имеется два физических порта Ethernet. Для полноценной реализации интерфейса связи по технологии Ethernet требуется подключить внешние трансформаторы.

Базовый чип RT5350 поддерживает два порта SPI, предназначенные для отладки и программирования, а также замены прошивки модуля. Этот порт используется для конфигурирования PSKEY. При подключении SPI используются стандартные выводы MOSI, MISO, CSB, CLK.

Порт I²C модуля поддерживает сигнальные линии I²C Clock, I2C Data и обеспечивает скорости передачи в диапазоне 100–400 кГц. Эти последовательные шины данных используются для соединения низкоскоростных периферийных компонентов с базовым чипом.

В модуле WRM-U2535 поддерживаются три конфигурируемых ввода/ввода (GPIO#17, 18, 19 — Pin 21, 19, 17). Эти линии могут быть использованы в качестве вводов/выводов общего назначения, аналоговых вводов, а также в качестве исполнительных вводов встроенных функций. Выводы конфигурируются с помощью прикладного программного обеспечения. При этом одни и те же выводы могут быть использованы для реализации различных интерфейсов.

В модуле WRM-U2535 в цифровом аудиоинтерфейсе I2S (Integrated Inter-chip Sound) поддерживается четыре сигнала:

• I2SCLK (Pin1) — тактовый сигнал аудиоформата;
• Digital audio format _I2S Clock
• I2SWS (Pin3) — конфигурирование каналов аудиоформата;
• I2SSDO (Pin 5) — сигнал передаваемых данных аудиоформата;
• I2SSDI (Pin7) — сигнал принимаемых данных аудиоформата.

Интерфейс I2S может быть настроен на прием или передачу в режимах Master/Slave и обеспечивает оцифровку по 16 разрядам со скоростями 8, 16, 22,05, 441,1, 48 кГц. Интерфейс поддерживает передачу стереозвука в режиме 32-byte FIFO.

Модуль Ivy 1 оснащен также современным цифровым аудиоинтерфейсом с поддержкой импульсно-кодовой модуляциии (Pulse Code Modulation Interface, PCM). Цифровой PCM-интерфейс поддерживает четыре сигнала (PCMFS, PCMCLK, PCMDRX, PCMDTX) с частотой дискретизации 256 кГц и обеспечивает перечисленные ниже параметры:

• 16 бит — линейность;
• 8 кГц — частота семплирования;
• 2 PCM-канала (4×128 слота), поддерживающих передачу низких и ультранизких диапазонов;
• программируемая продолжительность формирования кадра;
• общая синхронизация для приема и передачи.

Технические характеристики модуля WRM-U2535 приведены в таблице 2.

Модуль выполнен как законченное устройство. Все интерфейсные группы выведены на два стандартных штыревых разъема. Для подключения антенны используется стандартный разъем типа I-PEX. Размеры платы и интерфейсных разъемов показаны на рис. 6.

Рис. 6. Размеры платы и интерфейсных разъемов модуля WRM-U2535