Интегрални схеми, системи върху чип SoC и модули за Bluetooth

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 7/2020 • 30.10.2020

Стефан Куцаров

Разработена в компанията Ericsson през 1994 г. безжичната технология Bluetooth, предназначена за замяна на съществуващи кабелни и оптични мрежи за двупосочен обмен на данни между близко разположени обекти (Piconet), бързо добива популярност. За това допринасят възможността за обмен на данни между множество устройства и създадената група стандарти IEEE 802.15.1-IEEE 802.15.4, осигуряващи свързването на устройства от различни производители. Основно Bluetooth ползва обхвата ISM (2400 – 2480 MHz) и предвижда 3 класа устройства в зависимост от максималното разстояние 10, 50 и 100 m (извън сгради). Те не са задължителни, но производителите не трябва да предлагат модели под 10 m. В съвременната разновидност BLE (Bluetooth Low Energy) с други наименования Bluetooth LE и Bluetooth Smart е прибавен обхватът 5035 – 5990 MHz (ползват го само част от устройствата), а максималното разстояние е над 100 m.

BLE е с намалена постояннотокова консумация, която се осигурява, като при липса на обмен на данни устройствата преминават в икономичен режим (sleep mode), а при получаване на заявка за обмен автоматично превключват в работен режим. Това ги прави особено подходящи за кратки съобщения, а скоростта 1 Msps е достатъчна за практическите им приложения. Сред тях са управлението на домашна техника, осветителни, ОВК и охранителни системи и др. Технологията BLE е подходяща и за съвместна работа със сензори. Освен интегрални схеми (ИС) като основни градивни модели в устройствата с BLE се ползват интегрални системи (System on Chip; SoC) и модули с размери, приближаващи се до тези на ИС. В статията са разгледани само компоненти, пуснати на пазара след 01.01.2017 г.

 

Bluetooth тип 4

Немалка част от намиращите се в експлоатация устройства ползват елементи от този тип, но производството на нови практически е прекратено. Разновидността Bluetooth 4.0 поставя началото на BLE. Тя се появява на пазара в края на 2014 г. и освен в смартфони намира приложение в устройства с вградени сензори – например пулсометри и крачкомери. В нея, както във всички предшестващи типове Bluetooth, връзката между крайните устройства (Point) става през централен възел (hub). Продължават да се продават прибори, например адаптери (USB Bluetooth 4.0 Adapter), за връзка между компютри и устройства с Bluetooth 4.0.

Сред предимствата на следващата разновидност Bluetooth 4.1 е възможността за премахване на централния възел чрез осигуряване на функциите му от крайните устройства. Това позволява те да се свързват непосредствено едно с друго (Machine to machine communication, M2M). Продължават да се предлагат прибори за тази разновидност, но значително по-малко в сравнение със следващата. Един такъв е модулът Type 1GR на компанията Murata за обхвата 2,4 GHz с вградена антена, изходна мощност +2,5 dBm, интерфейси SPI и UART и захранване 1,8 V.

Всички разновидности до Bluetooth 4.1 се ползват за обмен на къси пакети от данни, ползвани в системите за сградна автоматизация, в индустриални системи, улично осветление, за следене на параметри в спорта и медицината (Personal Health Devices), в телематиката и др.

Следващата разновидност Bluetooth 4.2 е с повишена сигурност на обмена на данни, също ползва обхвата 2,4 GHz и осигурява връзка на 10 m в сгради и 50 m на открито. Приборите за нея консумират между 10 и 500 mW, имат време за включване на устройство (Time Lag) 3 ms при получаване на сигнал за приемане и могат да работят с протокола IPv6, което позволява изпращане на данни от сензори по интернет чрез Bluetooth Smart Internet Gateways (GATT). С 4.2 се поставя началото на Dual-Mode Bluetooth, в която към основната разновидност е добавена работа с Bluetooth 3.0, препоръчвана за обмен на големи обеми от данни. Типично приложение са смартфоните, в които звукови сигнали се обменят чрез 3.0, а за управление се ползва 4.2.

В съответствие с изискванията на AEC Q100 за автомобилна електроника е интегралната система (SoC) nRF51824 на Nordic Semiconductor. Тя е за обхвата 2,4 GHz, има вградени памети Flash и RAM, изходна мощност +4 dBm и интерфейси за данни SPI, TWI и UART. Модулът ISP1302 на производителя Insigth SiP също е за обхвата 2,4 GHz, има вградена антена, изходна мощност между -20 и +4 dBm, интерфейси I2C и SPI и захранване 2,1 – 3,6 V. Основното препоръчвано приложение е за предаване на данни от сензори. От типа Dual-Mode Bluetooth е модулът ВХ3105 на Sierra Wireless за обхвата 2,4 GHz и вградена антена, а модулът ВХ3100 е с допълнителен извод за външна антена, което разширява приложенията му. Връзката на двата модула с управляваните прибори се осъществява чрез интерфейсите I2C, I2S, SPI и UART.

 

Bluetooth 5.0

Тази разновидност е съвместима с предишните и е най-масово използваната днес поради допълнителните възможности спрямо Bluetooth 4.2 както и значителното разнообразие на модели за ползващите я устройства. Официалното представяне на Bluetooth 5.0 e в края на 2016 г. и ползването й започва в смартфони и безжични слушалки. Основно работи в обхвата 2,4 GHz, а сред възможностите й са осигуряването на връзка до 40 m в сгради и 200 m на открито при пряка видимост. Тя е и с увеличена скорост на обмен на данни, което позволява свързване на устройства с Bluetooth 5.0 към IoT мрежи. Към това се прибавят обемът на предаваните съобщения от 256В, по-голямата сигурност на установените връзки и по-малката постояннотокова консумация.

Интегрални схеми. Един от сравнително малобройните примери е TC35680FSG-002 на Toshiba с вградена флаш памет. Изходната мощност е +8d Bm, за обмен на данни с външни устройства сa предвидени интерфейсите I2C, SPI и UART, а за работа с аналогови сигнали има вграден АЦП. Захранващото напрежение е 1,9 – 3,6 V. Със същите параметри е TC35681FCG-002 без флаш помет, вместо която може да се ползва външна EEPROM.

Интегрални системи, SoC. Тяхната по-сложна структура в сравнение с ИС осигурява допълнителни възможности за разширяване на приложенията. Системата CYW20721 на Cypress Semiconductor е за обхвата 2,4 GHz и освен с BLE работи с разновидностите BR (Basic Rate) и EDR (Enhanced Data Rate), които имат 79 канала и скорости на обмен съответно 2 и 3 Mbps. Тя позволява работа със звукови сигнали, изходната мощност е +5 dBm, а за обмен на данни са интерфейсите I2C, SPI и UART. Захранването е 1,76 – 3,63 V, като сред предлаганите корпуси е типът WLCSP с размери 3,31x3,22x0,33 mm.

Моделът IS2083 на Microchip Technology е за Dual-Mode Bluetooth, предназначен е за аудио устройства и има два входа за аналогови микрофони и един за цифрови. Работи в обхвата 2,4 GHz, има изходна мощност +11 dBm при BR и +9,5 при EDR, а управлението е чрез USB и UART.

Системата върху чип QN9090T на NXP е част от серия от четири SoC и ползва обхвата 2,4 GHz, като може да се прилага и за NFC. Има изходна мощност +11 dBm, за обмен на данни разполага с по два интерфейса I2C, SPI и UART и един QSPI. С по-малък обем на паметите е QN9030T, а без NFC са съответно QN9090 и QN9030. Моделът RSL10 SIP на ON Semiconductor отново е за обхвата 2,4 GHz, има изходна мощност 0 dBm и разполага с два интерфейса SPI и един UART. Обхватът му на покритие е 100 m. От типа Dual-Mode Bluetooth и обхвати 2,4 GHz и 5 GHz е RS9116 на производителя Redpine Signals. За обмен на данни са предвидени интерфейсите SPI, UART и USB, а захранването може да е 1,85 или 3,3 V.

 

Модули. Те са най-масово използвани заради компактните размери и съкратеното време за разработка на устройства с помощта им, особено съществено при голямата динамика в развитието на Bluetooth. Друга тяхна особеност е, че необходимата за радиовръзката антена може да е вградена или външна, като някои производители предлагат даден модел в двата варианта с еднакви параметри. Четири са структурите на модулите в зависимост от вида на основния им възел – със специализирана за Bluetooth ИС или SoC, специализиран контролер, цифров сигнален процесор (DSP) или микропроцесор. Според технологията за реализация има модули от типа System in Package (SiP) и класически. Полезно е да се има предвид, че обикновено в документацията се дават препоръчвани схеми за свързване, а понякога и указания за проектиране на печатни платки.




В табл.1 са дадени примери на модули с основните им параметри. Към вече споменатите е прибавена минимална мощност на приеманите сигнали при максимална скорост на обмен. Стойността на консумирания ток Is е при предаване с максимална мощност, докато при приемане токът е по-малък. Освен дадените в таблицата интерфейси модулите съдържат множество GPIO.

Модулът на ред 1 има вход за звукови сигнали, подавани чрез I2S/PCM, и HCI UART за програмиране на вградените памети. Даденият на ред 2 може да осъществява връзки и чрез NFC. Изходната мощност на модула на ред 3 може да се програмира в границите на дадени в таблицата стойности. За аудио устройства с два входа за аналогови микрофони и един за цифрови е модулът на ред 4, който е с вграден заряден блок и два драйвера за LED. С обхват на покритие от 100 m е модулът на ред 5 от типа SiP. От същия тип е модулът на ред 6. Даденият на ред 7 е основно за аудио сигнали, а със същите параметри и външна атена е BC127-EXT. За устройства, в които не е необходимо управление на модула чрез интерфейс, е даденият на ред 8. Отново с възможност за работа и с NFC е модулът на ред 9, който с вградената си антена има обхват на покритие 160 m. Двете стойности на максималните изходна и входна мощност в таблицата са с вградена и външна антена. Последният модул в таблицата осигурява работа с NFC и протоколите Thread и Zigbee при максимален обхват на покритие 1600 m.

 

Bluetooth 5.1

Тази представена през януари 2019 г. разновидност на стандарта включва множество нововъведения. Вероятно най-важното от тях е възможността за определяне и на посоката, от която идва приеманият сигнал с резултат установяване на мястото на източника му с точност 1 cm. В Bluetooth 5.1 има два метода за определяне на посоката, първият от които (Angle of Arrival Method, AoA Method) изисква няколко (обикновено 4) антени в приемника и една в предавателя. При втория (Angle of Departure Method, AoD Method) е обратно – приемник с няколко антени и предавател с една. Това усложнение е причината през втората половина на 2020 г. все още да има сравнително малко модели. Сред предимствата на разновидността е намаляване на нежеланото взаимно влияние между няколко близко разположени устройства и по-малката им постояннотокова консумация.

Характерни приложения на Bluetooth 5.1 са индустриален IoT, осветителни системи, медицински прибори и др.

Моделът DA14531 на компанията Dialog Semiconductor от типа SoC ползва обхвата 2,4 GHz и има вход за външна антена. Излъчваната мощност може да се програмира между -19,5 dBm и +2,5 dBm, за обмен на данни се ползват I2C, SPI, два UART, интерфейс за аналогови сигнали, а захранването е 1,1 – 3,3 V. Един от корпусите е WLCSP с размери 2,05х1,7х0,171 mm.

Особено активна в производството на тези прибори е Nordic Semiconductor. Серията nRF52 съдържа пет SoC, като един от моделите – nRF52811, e за обхвата 2,4 GHz, работа с AoA и AoD, регулируема на 4 стъпки изходна мощност между -20 и +4 dBm, интерфейси I2C, 2xSPI и UART и захранване 1,7 – 3,6 V. Компанията предлага и nRF5340 със същия обхват, но и с NFC функционалност. Изходната мощност се програмира между -20 и +3 dBm, на разположение са с до четири I2C и UART, до пет SPI, един I2S и интерфейс за цифров микрофон. Захранването е 1,7 – 5,5 V.

Модулът WIRL-BTLE Proteus III на Wuerth Elektronik отново е за 2,4 GHz, има изходна мощност +6 dBm, интерфейс UART и захранване 1,8 – 3,6 V при размери 12x8x2 mm.

 

Bluetooth 5.2

Съобщението за създаване на Bluetooth 5.2 датира от 31.12.2019 г., а подробности за новостите бяха съобщени през януари 2020 г. Една от тях с наименование LE Isochronous Channels осигурява едновременно предаване на различни по съдържание данни от един източник към няколко приемника, както и от няколко източника към един приемник. Всяка връзка източник-приемник се установява за фиксиран интервал от време с продължителност между 5 ms и 4 s. Установяваните връзки може да са еднопосочни или двупосочни. Най-простият пример е връзка на едно управляващо устройство (Master) M с две управлявани (Slave) S1 и S2. За един интервал M предава към S1 и при следващите от S1 към М, от М към S2 и от S2 към М. Основното приложение е за обмен за звукови сигнали (LE Audio), например от един смартфон се предава различна музика към няколко слушалки. От другите възможности на Bluetooth 5.2 е LE Power Control за осигуряване на минимално необходимата за стабилна връзка изходна мощност на предавателя и съответно минимална негова постояннотокова консумация (Energy-Friendly Bluetooth 5.2). Това се постига, като приемникът през кратки интервали от време измерва мощността на приемания сигнал и съобщава на предавателя необходимата промяна на изходната му мощност.

Фамилията EFR32BG22 от осем SoC на компанията Silicon Labs позволява ползване на част от възможностите на Bluetooth 5.2. Моделите от серията работят в обхвата 2,4 GHz, максималните изходна и входна мощност са +6 dBm и -96,2 dBm, разполагат с по два интерфейса I2C, SPI и UART и имат Us между 1,71 и 3,8 V при Is от 3,6 до 8,2 mA. През май 2020 г. компанията AKM (Asahi Kasei Microdevices) пусна на пазара предавателя АК1595 за работа на 3 честоти от обхвата 2,4 GHz, максимална изходна мощност 0 dBm с входни данни чрез I2C и UART, захранване 2 – 3,7 V и консумация 8 mA.

 

Комбинирани Bluetooth модули

Те представляват съчетание на блок за Bluetooth и блок на приемопредавател, а означенията им в каталозите са Wi-Fi Bluetooth Module и WLAN+Bluetooth Module. Увеличеният обхват на покритие в сравнение с моделите само с Bluetooth се дължи на по-голямата изходна мощност Pout, по-малката необходима за работата им входна мощност Pin или и двете едновременно. Няколко примера за тези модули са дадени в табл.2, като IsT и IsR са постояннотоковата консумация съответно в режим на предаване и приемане. Стойностите на двата тока са дадени само за един от режимите на работа, тъй като те зависят от ползвания честотен обхват и Us. Независимо от по-сложната структура на модулите те също са с малки размери – например този на ред 2 е с габарити 6,75x5,15x1,1 mm.

 




Микроконтролери с Bluetooth

Част от модулите за Bluetooth съдържат микроконтролер, осигуряващ действието им и евентуално други сравнително прости операции. Микроконтролерите с Bluetooth имат всички възможности и функции на нормалните микроконтролери, към които е прибавена работата с Bluetooth. Популярният английски термин е Bluetooth Wireless MCU, а разредността им обикновено е 32 b.

Серията DA14691/5/7/9 на компанията Dialog Semiconductor е с Bluetooth 5.1, към типичните интерфейси е прибавен USB2.0FS, контролери за събиране на данни от сензори и за управление на електродвигатели и два LED драйвера. За Bluetooth 5.0 е QN9080 на NXP също с USB2.0FS, 8-канален блок за капацитивни сензори с докосване и корпус WLCSP с размери 3,28x3,2x0,225 mm. Renesas Electronics произвежда RA4W1 за Bluetooth 5.0 – отново с USB2.0FS и работа със сензори с докосване, към което е прибавен контролер за сегментни LCD. За приложения в автомобилостроенето е CC2642R-Q1 на Texas Instruments, предназначен за Bluetooth 5.1 и работа със сензори с докосване.

 



Top