Многопротокольный Bluetooth 5-модуль RSL10 со сверхнизким энергопотреблением

Компания On Semiconductor выпустила модуль Bluetooth 5 RSL10 — многопротокольную, сертифицированную Bluetooth 5 радиосистему на кристалле (SoC) с самым низким энергопотреблением в отрасли. Модуль разработан для использования в устройствах с высокой производительностью, минимальными размерами и максимальным временем автономной работы [1, 2]. Встроенная антенна расширяет функциональные возможности устройства. Кроме модуля, компания поставляет комплект разработки программного обеспечения (SDK) для RSL10, который содержит прошивки, программное обеспечение, примеры проектов, документацию и средства разработки ON Semiconductor на базе Eclipse. Интегрированная среда разработки (IDE) предлагается для бесплатной загрузки с дополнительной поддержкой Arm Keil, mVision и IAR Embedded Workbench.

Основные характеристики модуля:

• полностью сертифицирован по международным стандартам связи;
• сертификация Bluetooth 5;
• поддержка функций Bluetooth 5: LE 2-Мбит PHY (High Speed), а также обратная совместимость и поддержка более ранних версий Bluetooth с низким энергопотреблением;
• самое низкое в отрасли энергопотребление в режиме глубокого сна (62,5 нВт) и в режиме приема (7 мВт);
• лучшие в отрасли результаты по тесту EEMBC ULPMark (1090 ULPMark CP при 3 В; 1260 при 2,1 В);
• чувствительность приемника –94 дБм (режим Bluetooth с низким энергопотреблением, скорость передачи данных 1 Мбит/с и использование встроенной антенны);
• скорость передачи данных: 62,5–2000 кбит/с;
• мощность передатчика: –17…+6 дБм;
• пиковый ток потребления в режиме приема:
  • 5,6 мА (при напряжении питания 1,25 В),
  • 3 мА (при напряжении питания 3 В);
• пиковый ток потребления в режиме передачи при мощности передатчика 0 дБм:
  • 8,9 мА (при напряжении питания 1,25 В),
  • 4,6 мА (при напряжении питания 3 В);
• ток потребления при передаче и приеме потокового аудио с полосой 7 кГц не более 1,8 мА при напряжении питания 1,25 В и не более 0,9 мА при напряжении питания 3 В;
• ток потребления в режиме глубокого сна при напряжении питания 1,2 В:
  • 50 нА (входы/выходы в дежурном режиме),
  • 300 нА (ОЗУ в режиме хранения);
• ток потребления в режиме глубокого сна при напряжении питания 3 В:
  • 25 нА (входы/выходы в дежурном режиме),
  • 100 нА (ОЗУ в режиме хранения);
• встроенная антенна;
• поддержка перепрограммирования по радиоканалу (FOTA);
• встроенная система управления питанием;
• двухъядерная архитектура;
• диапазон напряжения питания: 1,1–3,3 В;
• процессор Arm Cortex-M3 с тактовой частотой до 48 МГц;
• LPDSP32: 32-битное ядро ​​Dual Harvard DSP, поддерживающее аудиокодеки, необходимые для беспроводной аудиосвязи;
• 384 кбайт флэш-памяти, 76 кбайт памяти программ, 88 кбайт памяти данных;
• функция защиты содержимого флэш-памяти;
• аппаратный блок шифрования AES128, настраиваемые алгоритмы безопасности и защиты кода с доступом к порту отладки с аутентификацией (блокировка JTAG);
• настраиваемые аналоговые и цифровые интерфейсы датчиков (GPIO, LSAD, I²C, SPI, PCM);
• диапазон рабочих температур: –40…+85 °C;
• корпус: WLCSP51 (2,325×2,364×0,35 мм) и QFN48 (6×6×0,8 мм);
• соответствие директивам RoHS.

На рис. 1 показан модуль RSL10 в корпусе WLCSP51.

Рис. 1. Модуль RSL10 в корпусе WLCSP51

На рис. 2 приведена структура модуля RSL10.

Рис. 2. Структура модуля RSL10

Более полную информацию о модуле RSL10 дает его архитектура, приведенная на рис. 3.

Рис. 3. Архитектура модуля RSL10

Рассмотрим основные особенности узлов RSL10.

Блок управления питанием

Блок управления питанием RSL10 предотвращает отключение модуля при падении напряжения батареи ниже допустимого значения, необходимого для надежной работы, и возможное повреждение при установке или извлечении батареи питания. Это достигается за счет непрерывного контроля напряжения питания и использования внутренних стабилизаторов и преобразователя напряжения.

Возможность работы в широких диапазонах изменения температуры и напряжения питания при низком энергопотреблении обеспечивается встроенным DC/DC-преобразователем (при напряжении источника питания более 1,4 В) и внутренним стабилизатором LDO (при напряжении питания V_BAT ниже 1,4 В).

Эти блоки обеспечивают работу других узлов питания:

• программируемого регулятора напряжения для питания цифрового ядра (VDDC);
• программируемого регулятора напряжения для питания памяти (VDDM);
• зарядового насоса, питающего аналоговые узлы и флэш-память (VDDA);
• программируемого регулятора напряжения для питания внешнего радиоинтерфейса (VDDRF);
• программируемого регулятора напряжения для подачи питания на узлы аудиоинтерфейса (VDDPA), который используется только при выходной мощности 6 дБм или при выходной мощности 3 дБм и напряжении батареи менее 1,4 В.

Регулятор VDDPA можно отключить (если RSL10 не должен работать при мощности более 0 дБм) и использовать только VDDRF.

Генераторы тактовых сигналов и часы реального времени

Сигналы системной тактовой частоты и времени RSL10 (SYSCLK) могут формироваться, используя различные источники. К этим источникам относятся:

• кварцевый генератор с частотой 48 МГц, используемый при нормальной работе;
• внутренний подстраиваемый RC-генератор, обеспечивающий формирование сигналов частотой 3–12 МГц, используемых при запуске системы;
• часы реального времени, используемые в режиме ожидания, формирующие сигналы от одного из генераторов:
  • RC-генератора 32 кГц,
  • кварцевого генератора 32 кГц,
  • внешнего генератора, сигнал которого подается на один из входов DIO0–DIO3;
• часы JTAG, используемые в режиме отладки;
• внешний источник синхронизации, сигнал которого подается на вход EXTCLK.

Все сигналы синхронизации, генерируемые в системе, можно отключить, когда они не используются. Кроме того, у каждого из таких генераторов есть связанный настраиваемый предварительный делитель частоты, предназначенный для минимизации рассеиваемой мощности.

Блок детектора сигналов синхронизации может использоваться для мониторинга работы генераторов и часов реального времени в спящем и ждущем режимах. В случае падения тактовой частоты ниже определенного порога модуль RSL10 IC будет сброшен. Порог обнаружения отклонения частоты установлен по умолчанию равным 2 кГц. Этот блок и запускаемый им сброс включен по умолчанию. При необходимости он может быть отключен.

Узел интерфейса радиосвязи (Radio Front End)

Интерфейс радиосвязи RSL10 2,4 ГГц реализует физический слой для стандарта технологии Bluetooth с низким энергопотреблением и другие стандартные и специальные протоколы. Диапазон рабочих частот 2,4–2,4835 ГГц. Модуль поддерживает:

• сертифицированный Bluetooth 5 с поддержкой LE 2M PHY;
• пользовательский аудиопротокол ON Semiconductor и другие настраиваемые протоколы.

Узел интерфейса радиосвязи RSL10 включает необходимое оборудование для поддержки следующих стандартов и протоколов. Приемный тракт построен по супергетеродинной схеме с низкой промежуточной частотой. Вход приемника несимметричный, входное сопротивление 50 Ом. На входе приемника установлен малошумящий усилитель высокой частоты и смеситель. Усилитель мощности передатчика обеспечивает мощность 3 дБм в режиме Bluetooth и для приложений стандарта 802.15.4 (физический слой и управление доступом к среде для беспроводных персональных сетей с низким уровнем мощности сигнала, включая ZigBee и Thread) с модуляцией OQPSK, а также до 6 дБм с отдельным источником питания усилителя мощности. Модуль содержит встроенный синтезатор частоты с малым временем установления, позволяющий осуществлять прямую модуляцию сигнала и узел контроля мощности принимаемого сигнала, а также полностью интегрированный модем на основе модуляции FSK с программируемой формой импульса, скоростью передачи данных и индексом модуляции.

Модуль позволяет программировать скорость передачи данных в диапазоне 62,5 кбит/с — 2 Мбит/с и автоматически осуществлять обработку пакетов данных:

• автоматически вставлять преамбулу и синхронизирующие слова;
• автоматически обрабатывать длину пакета;
• базовую проверку адреса;
• автоматический расчет и проверку CRC с программируемым полиномом;
• поддержку нескольких кадров.

На рис. 4 и 5 приведены типовые схемы включения модуля при напряжении питания 1,25 В и напряжении более 1,4 В.

Рис. 4. Типовая схема включения модуля RSL10 при напряжении питания 1,25 В

Рис. 5. Типовая схема включения модуля RSL10 при напряжении питания 1,4–3,6 В

Кроме модуля RSL10, компания On Semiconductor выпускает модуль RSL10 SIP (System-In-Package), показанный на рис. 6 [3].

Рис. 6. Модуль RSL10 SIP

Кроме модуля RSL10, система RSL10 SIP имеет встроенную антенну и все необходимые пассивные компоненты для минимизации общего размера системы. Этот модуль полностью соответствует требованиям FCC, CE и другим стандартам, устраняет необходимость по конструированию дополнительной антенны и сертификации радиочастотной части.

Миниатюрные размеры и низкое энергопотребление позволяют использовать этот модуль в таких приложениях, как:

• фитнес-трекеры/мониторы активности;
• «умные» часы;
• слуховые аппараты и наушники;
• мониторы сердечного ритма;
• мониторы глюкозы в крови (BGM);
• непрерывные мониторы глюкозы в крови (CGM);
• пульсоксиметры;
• бытовая техника (кондиционеры, вентиляторы и др.);
• «умные» замки;
• системы освещения;
• автомобильные приложения.

Комплект разработчика программного обеспечения RSL10 (SDK) позволяет быстро разрабатывать приложения Bluetooth со сверхнизким энергопотреблением [4].

В состав программного обеспечения входят:

• бесплатная IDE ON Semiconductor на основе Eclipse плюс поддержка Keil uVision и IAR Embedded Work Bench;
• полный стек протоколов Bluetooth Low Energy;
• ПО для ячеистой сети Bluetooth с низким энергопотреблением с приложением Android;
• FOTA (прошивка по радиоканалу) с приложениями для Android и iOS;

Кроме модулей RSL10 и RSL10 SIP, компания On Semiconductor предлагает несколько отладочных плат [5].

RSL10-SIP-001GEVB: RSL10 SIP Development Board

Основные характеристики платы (рис. 7):

• встроенная антенна (входит в состав RSL10 SIP);
• встроенный 4-битный преобразователь уровня для преобразования интерфейса отладки LPDSP32 при низком напряжении в отладчик JTAG 3,3 В;
• доступ ко всем периферийным устройствам RSL10 SIP через стандартные заголовки;
• альтернативный встроенный интерфейс SWJ-DP (последовательный провод и / или JTAG) для отладки процессора Arm Cortex-M3;
• встроенный адаптер J-link обеспечивает интерфейс SWJ-DP (JTAG), который позволяет осуществлять отладку платы, используя USB-соединение с ПК;
• соответствие форм-фактору Arduino.

Рис. 7. Отладочная плата RSL10-SIP-001GEVB

RSL10-USB001GEVK: RSL10 USB Dongle

Основные характеристики платы (рис. 8):

• сертифицирована в соответствии с международными правилами беспроводной связи;
• программное обеспечение Bluetooth low-energy explorer;
• сертификация Bluetooth 5, совместимость с одним режимом (Bluetooth с низким энергопотреблением);
• поддерживает режимы Master и Slave;
• поддерживает до четырех подключений;
• хост-интерфейсы;
• диагностика соединений Bluetooth Low Energy во время разработки приложений;
• мощность передачи: +6 дБм;
• чувствительность приемника: –94 дБм;
• USB (эмуляция виртуального COM-порта).

Рис. 8. Отладочная плата RSL10-USB001GEVK

RSL10-002GEVB

Основные характеристики платы RSL10-002GEVB [6] (рис. 9):

• соответствие форм-фактору Arduino;
• поддержка PMOD (например, J4 — стандартный разъем);
• встроенная функция J-Link для простой отладки;
• альтернативный встроенный SWJ-DP (JTAG) для отладки процессора ARM Cortex-M3;
• доступ ко всем периферийным устройствам RSL10 через стандартные заголовки;
• встроенный 4-битный преобразователь уровня для преобразования интерфейса отладки LPDSP32 при низком напряжении в отладчик JTAG 3,3 В;
• цепь согласования и фильтр антенн;
• встроенная антенна на печатной плате.

Рис. 9. Отладочная плата RSL10-002GEVB

В [2] приведена подробная инструкция по работе с этой платой с различным программным обеспечением [8], даны примеры кода, позволяющие ускорить разработку различных приложений.

ON Semiconductor Bluetooth IoT Development Kits

ON Semiconductor Bluetooth IoT Development Kits [7] — это комплексная платформа для подключения узлов к облаку и модульная платформа IoT, которая позволяет разрабатывать различные сценарии использования на основе BLE (рис. 10). Комплект разработки IoT построен с помощью сертифицированной системы на кристалле (SoC) с низким энергопотреблением RSL10 Bluetooth 5, которая служит базовой платой для комплекта разработчика. Комплект для разработки Bluetooth IoT отличается оптимизированным энергопотреблением, готовым к использованию образцом кода и модульным оборудованием, состоящим из датчиков и исполнительных механизмов. Образец кода присутствует в пакете CMSIS программного обеспечения для разработки и предоставляет несколько вариантов использования. Этот комплект разработки поставляется с мобильным приложением, которое позволяет осуществлять взаимодействие с исполнительными механизмами и датчиками. Плата обеспечивает простое подключение к другим платам комплекта разработчика IoT.

Рис. 10. Отладочная плата Bluetooth IoT Development Kits

Более подробно с параметрами модуля можно ознакомиться в [1], а с его программированием — в [2].