Szenzorhálózat kiépítése a Bluetooth All-Electronics segítségével

Az okostelefonok és más mobil eszközök széleskörű támogatásával a Bluetooth egy választott vezeték nélküli technológiává vált, amely összeköti a fogyasztókat személyes elektronikus eszközeikkel, például hordozható és orvosi eszközökkel. A Bluetooth 5 bevezetésével az IoT fejlesztői mindezen előnyök kihasználása mellett biztosíthatják az egyre népszerűbb, magasabb tartományokat és adatsebességeket az érzékelő hálózatokkal és más IoT alkalmazásokkal kapcsolatban.

Kulcsadatok

Az integrált, Bluetooth-képes MCU-k elérhetősége a vezeték nélküli hálózatokhoz elősegítette a fejlesztők számára, hogy ezeket az összetevőket gyorsabban beépítsék terveikbe. A biztonságos Bluetooth-hálózatok megvalósításakor azonban a fejlesztők különféle kihívásokkal néznek szembe a Bluetooth-kompatibilis szolgáltatások létrehozásában és olyan programozásban, amelyek biztonságosan tudják használni ezeket az összetevőket. Ez a cikk bemutatja, hogy a Cypress Semiconductor fejlett Bluetooth-összetevőjével és a hozzá tartozó fejlesztői környezettel a fejlesztők elsajátíthatják őket, és biztonságos hubokat és érzékelőhálózatokat biztosíthatnak Bluetooth-kapcsolattal.

Ezen alkalmazások kialakítása érdekében a fejlesztőknek egyre nagyobb választéka áll rendelkezésre a Bluetooth 5-re képes komponensekről. Ezek a komplett RF alrendszerrel és processzormaggal rendelkező alkatrészek képesek végrehajtani a Bluetooth kommunikációhoz kapcsolódó alacsony szintű tranzakciókat. A szükséges alacsony energiafogyasztás és a biztonságos csatlakozás az IoT-hálózatokban azonban bonyodalmakhoz vezethet, amikor ezekben az alkalmazásokban biztosítja a Bluetooth szolgáltatást.

Integrált megoldás Bluetooth-tal

A Cypress Semiconductor a CYW20719 MCU-t kifejezetten azért fejlesztette ki, hogy kielégítse az IoT, a hordozható eszközök, a személyes elektronika és más alacsony fogyasztású alkalmazások akkumulátorral működő Bluetooth formatervezése iránti növekvő igényt. Az energiatakarékos funkciók mellett a Bluetooth 5 funkciók támogatása, például az adaptív frekvenciaugrás módja jelentős előnyt jelent az ezen alkalmazásokkal kapcsolatban erősen használt rádiókörnyezetekben.

Az alkatrész fel van szerelve alacsony energiafogyasztású Bluetooth rádió alrendszerrel, ARM-Cortex-M4-CPU lebegőpontos egységgel (FPU, lebegőpontos egység) és számos perifériás blokkkal (1. ábra). Ezenkívül a chipbe integrált biztonsági motor felgyorsítja a titkosítást nyilvános kulcsokkal, és olyan titkosítási funkciókat kínál, amelyek elengedhetetlenek a biztonságos Bluetooth folyamatokhoz. A chipbe integrált energiagazdálkodási egység (PMU, Power Management Unit) biztosítja az energiahatékony működést, amelyet sok gyártó egyre inkább követel a Bluetooth-kompatibilis alkatrészek után.

A CYW20719 rádió alrendszere teljes 2,5 GHz-es RF jelutakat tartalmaz az elküldéshez (Tx) és a vételhez (Rx). Az Rx jelút esetében az alkatrész sávon kívüli jeleket csillapít. Így elérheti a -95,5 dBm Rx érzékenységet, és lehetővé teszi a fejlesztők számára, hogy szükség esetén az alkatrészt további szűrők nélkül használják. A Tx jelútban van egy integrált teljesítményerősítő (PA, Power Amplifier), amelyet a Cypress a konfigurálható átviteli teljesítményszintek számára fejlesztett ki -24 dBm és maximum +4 dBm között. Az integrált fizikai réteg (PHY) mellett a chipen lévő alkatrésznek van egy Bluetooth 5 MAC rétege is (Medium Access Control). Az optimalizált Rx és Tx jelutaknak köszönhetően az alkatrész csak 5,9 mA Rx áramot és 5,6 mA Tx áramot fogyaszt.

1. ábra: A Cypress Semiconductor CYW20719-je egyesíti az Arm Cortex-M4 CPU-t, a teljes Bluetooth alrendszert és az integrált szoftver szolgáltatásokat, és így egy komplett, 5-ös Bluetooth-képes vezeték nélküli MCU-t képvisel az energiatakarékos tervezéshez.

Az energiafogyasztás további minimalizálása érdekében az alkatrész több energiafogyasztási módot kínál, amelyeket egy integrált PMU kezel. A PMU külön RF és digitális áramköröket működtet, és tartalmaz egy integrált buck szabályozót, egy alacsony feszültségű mártásszabályozót (LDO szabályozó) a digitális áramkörökhöz és egy külön LDO szabályozót az RF áramkörökhöz (2. ábra). Ezenkívül a PMU egy külön bypass LDO szabályozót (BYPLDO) kínál, amely automatikusan megkerüli a visszalépést és ellátja az LDO szabályozókat a digitális és a HF áramkörökhöz, ha a VBAT tápfeszültség 2,1 volt alá esik.

Működés közben a PMU a tápfeszültség áramköröket a kiválasztott módnak megfelelően állítja be. A rendelkezésre álló módok teljesen aktív, készenléti és három különböző alvási mód. A legkisebb energiafogyasztású üzemmódban, az SDS módban (kikapcsolt alvó üzemmód) a PMU az összes komponens blokkot átkapcsolja, az I/O áram, a valós idejű óra (RTC) és a dedikált energiatakarékos kivételével. Oszcillátor (LPO), amelyet egyes blokkok és az ébresztési időzítő forrásaként használnak.

2. ábra: A Cypress CYW20719 PMU-ja különálló áramellátási áramköröket kezel, amelyeket különféle energiatakarékos módokban szelektíven lehet inaktiválni annak érdekében, hogy az energiatakarékos kivitelekben csökkenjen az energiafogyasztás. Cypress Semiconductor

A CYW20719 még ezen minimális erőforrások mellett is képes kapcsolatot fenntartani egy másik, korábban párosított Bluetooth-alkatrésszel SDS módban, ehhez kevesebb mint 70 mikroampuszt (μA) fogyasztva. A memória azonban ebben a módban nem használható. Ezért az összetevőt újra kell indítani, mielőtt bonyolultabb műveleteket hajthatna végre újra. A komponens egy kicsit aktívabb a két másik üresjárati módban, a kikapcsolási alvás (PDS) és az alvó üzemmódban. Többek között a memória továbbra is használható ezekben a módokban. Ez a villamosenergia-fogyasztás megfelelő, fokozatos növekedésével jár. A nagyon korlátozott energiaköltségvetésű fejlesztők akkor is használhatják a PDS módot a Bluetooth Low Energy és az aktív kapcsolatok hirdetési csatornáihoz. Az alkatrész energiafogyasztási módjainak kezelésével a fejlesztők rendkívül energiatakarékos működést tehetnek lehetővé anélkül, hogy kompromisszumokat kellene kötniük a funkcionalitás terén.

Rendszerintegráció

Rugalmas működési módjai és a funkciók széles skálája ellenére a CYW20719 néhány további alkatrészt igényel a hardver rendszerbe történő integrálásának befejezéséhez. Mivel a fontos alkatrészek már integrálva vannak a chipbe, a fejlesztőknek csak néhány ellenállást, kapcsoló kondenzátort, 2,2 µH induktivitást kell hozzáadniuk, mint például a Murata LQH2MCN2R2M52L és ferrit gyöngyöket, például a Murata BLM15AG601SN1D (3. ábra). A harmonikusok csökkentése érdekében továbbra is célszerű sávszűrőt elhelyezni a CYW20719 és az antenna megfelelő alkatrészei között.

3. kép: Mivel az összes fontos funkció már integrálva van a Cypress CYW20719-ben, a fejlesztők kiegészíthetik a hardverintegrációt néhány további összetevővel, például egy ajánlott sávszűrővel a harmonikusok csökkentése érdekében. Cypress Semiconductor

Hasonló módon az összetevő megkönnyíti a szoftverintegrációt chip-memóriájával, beleértve 1 MB Flash-t, 512 KB RAM-ot és 2 MB ROM-ot. Míg a Flash és a ROM tárhelyet kínál a fejlesztőknek alkalmazásaihoz, a chipen lévő ROM az alkatrész firmware és a Bluetooth profilok számára van fenntartva. Az alkatrész javító RAM-mal rendelkezik a szükséges firmware-frissítések támogatásához. Ez egy olyan terület a RAM-ban, amely a javítás vezérlési logikáján keresztül kapcsolódik össze. Végül az alkatrésznek állandóan aktív memóriaterülete is van, amely lehetővé teszi az adatok energiatakarékos módokban történő mentését is.

Bár a chipbe integrált RAM és flash memóriák nem feltétlenül pazarak a többi modern alkatrészhez képest, a ROM-ba integrált kiterjedt szoftveres támogatás biztosítja, hogy mindig elegendő memória álljon rendelkezésre a tipikus alkalmazásokhoz. A Cypress egy átfogó szoftverköteggel konfigurálja a chipen lévő ROM-ot, amely mindent lefed a legalacsonyabb hardverabsztrakciós rétegtől (HAL) az alkalmazás-programozási felületig (API) a költséges környezethez (Vezeték nélküli internet-kapcsolat beágyazott eszközökhöz) (ábra 4).

A HAL-ra építve a ROM firmware integrált valós idejű operációs rendszert futtat, és átveszi a CYW20719 hardverével folytatott összes interakciót. Ugyanakkor a ROM firmware a Bluetooth szolgáltatási rétegek széles skáláját tartalmazza, beleértve azokat, amelyek támogatják a Bluetooth számára elengedhetetlen Generic Attribute Profile (GATT) és az Általános Access Profile (GAP).

4. ábra: A Cypress CYW20719 2 MB ROM firmware-je komplett szoftverköteget kínál, amely valós idejű operációs rendszert is tartalmaz, csökkentve a fejlesztő alkalmazáskódjának összetettségét és lábnyomát. Cypress Semiconductor

A tipikus alkalmazásokban a rendszer a fejlesztői kódot RAM-ból hajtja végre, a rendszer pedig a Wiced API-kat használja a valós idejű operációs rendszer, a perifériák és más összetevőfunkciók eléréséhez. Bár a RAM igények jelentősen változhatnak, a CYW20719 alkalmazáskódjának nagy része általában elegendő szabad RAM-ot hagy az adatokhoz vagy a memóriához.

Különösen nagy kódbázissal rendelkező alkalmazásoknál a programozók használhatják a CYW20719 alkalmazáskód-feldolgozási képességét. Ebben az esetben a költséges környezet a fejlesztő által megadott kódot és csak olvasható adatterületeket tölti be a chipen lévő flashbe, a többi részt pedig a RAM-ba. Ez a megközelítés csökkenti az alkalmazás RAM alapterületét, de befolyásolhatja a teljesítményt. Következésképpen a fejlesztőknek körültekintően kell eljárniuk az XIP-kód területeinek megadásakor, és biztosítaniuk kell, hogy a rendszer időérzékeny funkciókat töltsön be a RAM-ba.

alkalmazásfejlesztés

Bár a CYW20719 egyszerűsíti a tervezés integrációját, a biztonságos, energiatakarékos Bluetooth-alkalmazásokat kereső fejlesztők továbbra is jelentős késéseket tapasztalhatnak a hardvertervezés és az alkalmazásfejlesztés befejezésében. A Cypress CYW920719Q40EVB-01 kiértékelő készlete a Wiced szoftverkörnyezetet felhasználva referenciatervet és átfogó fejlesztési platformot kínál a Bluetooth 5.0 kompatibilis IoT alkalmazások létrehozásához.

5. ábra: A CYW920719Q40EVB-01 kiértékelő készlet egy hordozómodulon található CYW20719-et több alapkártya-alkatrésszel kombinál egy tipikus IoT-alkalmazás támogatásához. Cypress Semiconductor

Az kiértékelő készlet egy hordozómodul köré épül, amely tartalmazza a CYW20719-et (3. ábra) és a Torex Semiconductor XC6119N feszültségérzékelőjét, amely a CYW20719 RST_N csatlakozójához van csatlakoztatva a visszaállítás elvégzéséhez. A hordozó modul rá van forrasztva a készlet alapkártyájára, amelyen található egy 9 tengelyes LSM9DS1TR mozgásérzékelő az ST Microelectronics-tól, egy NTC termisztor az NCU sorozatból a Muratától, a CYW20719 GPIO portjai, hibakereső csatlakozás, Arduino-kompatibilis A bővítmények fejlécei, valamint a kapcsolók és a LED-ek egyszerű felhasználói felületként találhatók (5. ábra).

A Cypress példaprogramja a CYW20719-et és más összetevőket használja a biztonságos Bluetooth-kapcsolat átfogó bemutatására egy reprezentatív IoT-hálózatban, amely több érzékelő-komponenst és egy központi hubot tartalmaz (6. ábra). Ezzel a mintaalkalmazással a fejlesztők megvizsgálhatják az érzékelő komponens és a hub összekapcsolásának különböző biztonsági szintjeit, és értékelhetik ezeknek a különböző biztonsági szinteknek az adatcserére gyakorolt hatásait.

Az alkalmazás hardveréhez a fejlesztők külön CYW920719Q40EVB-01 készletet használnak, amely biztonságos hubként van konfigurálva, valamint további készleteket, amelyek egyedi érzékelőként vannak konfigurálva a hálózatban. Az egyes készletekhez soros kapcsolaton keresztül csatlakoztatott számítógép konzolként működik a paraméterek beállításához, az adatok megtekintéséhez, a hibakeresési üzenetek kinyomtatásához és a minta alkalmazással való egyéb interakciókhoz.

A Cypress a CYW20917 BLE Secure Hub C nyelvi csomagjában mellékelte a mintaalkalmazáshoz szükséges szoftvert WICED fejlesztői környezetéhez. Ebben az esetben a csomag két projektet tartalmaz a minta alkalmazás két külön szerepéhez. A biztonságos hubként megadott készleten futó projekt lehetővé teszi a hub számára, hogy több Bluetooth protokoll szerepkört támogasson. Különösen a hub szoftverének lehetővé kell tennie a különálló biztonsági szinteken történő összekapcsolást különféle rabszolgaként tervezett készletekkel. Az érzékelő projektet a slave-ként konfigurált készleteken hajtják végre, amelynek célja az adatgyűjtés és a kommunikáció szemléltetése a csatolás során beállított biztonsági szinten. Minden projekt több fejléc- és kódmodult tartalmaz, amelyek támogatják az egyes funkcionális szerepeket.

A Bluetooth-protokollban egy keresőtábla, az úgynevezett GATT-adatbázis (DB) meghatározza a Bluetooth-kapcsolat típusát és funkcióit egy meghatározott szolgáltatáskészlet felhasználásával, amelyek mindegyike tartalmaz egy sor támogatott funkciót. Például a Bluetooth specifikáció tartalmaz előre definiált GATT szolgáltatásokat, a segédfunkcióktól kezdve, például a figyelmeztető üzeneteken és az alkatrészinformációkon át az alkalmazás-specifikus funkciókig, például a vérnyomásmérésig és a pulzus-oxidmérőkig. A GATT-szolgáltatásoknál alapvetőbb szerepet játszó összetevő Bluetooth általános hozzáférési profilja (GAP) meghatározza, hogy miként azonosítja magát a hálózattal, és hogyan hoz létre kapcsolatokat, amint felismerik.