Беспроводные однокристальные микроконтроллеры
Однокристальные беспроводные контроллеры диапазона 2.4 ГГц
Развитие стандартов сетей диапазона 2.4 ГГц, развитие и массовое распространение персональных мобильных вычислительных устройств (коммуникаторов, смартфонов, планшетных компьютеров), программного обеспечения создает богатую почву для развития приборов, расширяющих их возможности: беспроводные гарнитуры, пульты управления, устройства домашней автоматики. Более широкая полоса частотного канала и их большее количество по сравнению с частотными диапазонами менее 1 ГГц позволяет реализовывать более высокие скорости передачи данных, сложные варианты организации связи, включая скачкообразное переключение частот.
Atmel
Беспроводные контроллеры Atmel, построенные на базе 8-битного микроконтроллера AVR и трансивера диапазона 2.4 ГГц, ориентированы на работу в сетях, имеющих в основе стандарт IEEE 802.15.4 [69].
Система на кристалле ATmega128RFA1. При энергетическом потенциале радиоканала 103.5 дБ, ATmega128RFA1 обеспечивает наивысшую производительность радиоканала в классе однокристальных устройств. Энергетический потенциал радиоканала определяет дальность и надежность связи в беспроводной системе. Более высокие значения этого параметра позволяют получить большую дальность связи. Для обеспечения надежности системы также присутствует дополнительная периферия.
Чувствительность приемника ATmega128RFA1 равна -100 дБ, выходная мощность регулируется в диапазоне от -17 до +3.5 дБм.
Отличительные особенности ATmega128RFA1:
- высокоэффективный и маломощный 8-битный микроконтроллер AVR RISC-архитектуры (135 инструкций, большинство которых выполняются за один цикл синхронизации);
- 128 Кбайт flash-памяти;
- 4 Кбайт EEPROM;
- 16 Кбайт встроенной оперативной памяти.
Для работы с внешними устройствами доступно до 35 линий ввода вывода, два последовательных интерфейса UART, SPI. Периферийные устройства включают таймер часов реального времени, 6 программируемых таймеров с ШИМ-каналами, сторожевой таймер, 8-канальный 10-битный АЦП (до 300 тыс. выборок/с).
Радиочастотная часть требует лишь небольшого набора внешних пассивных элементов. Поддерживаются высокоскоростные режимы передачи данных со скоростями от 250 Кбит/с до 2 Мбит/с.
В конце 2012 года Atmel анонсировала семейство ATmegaRFR2. Возможности нового семейства беспроводных контроллеров ATmegaRFR2 расширены новыми режимами пониженного энергопотребления, позволяющими значительно снизить потребление контроллера в режимах ожидания, включая режим wake-on-radio, сохраняющий активность трансивера при нахождении процессорного ядра контроллера в спящем режиме. Контроллер сохраняет тактовую частоту 16 МГц даже при напряжении питания 1.8 В.
В семейство входит три устройства: ATmega64RFR2, ATmega128RFR2 и ATmega256RFR2, отличающихся различным объемом flash-памяти (64 кбайт, 128 кбайт и 256 кбайт) и оперативной памяти (8 кбайт, 16 кбайт и 32 кбайт).
Ключевые особенности устройств ATmegaRFR2 (Рис. 5.11):
- аппаратную поддержку расширенных режимов пониженного энергопотребления (RPC), позволяющую снизить ток потребления в режиме прослушивания;
- чувствительность приемника -100 дБм;
- мощность передатчика от -17 дБм до 3.5 дБм (управление выходной мощностью программное);
- поддерживается 16 частотных каналов;
- скорость передачи данных до 2 Мбит/с (для реализации проприетарных протоколов обмена);
- поддержка разнесенных антенн с функцией автоматического выбора антенны с более сильным сигналом;
- модуль аппаратного 128-битного AES - шифрования для обеспечения высокоскоростного защищенного соединения.
Atmel предлагает набор бесплатных и сертифицированных IEEE 802.15.4-совместимых программных стеков (IPv6/6LoWPAN, ZigBee PRO), средств анализа радиоканала, сред разработки.
Freescale Semiconductor
Freescale Semiconductor предлагает как экономичные контроллеры с 8-битным процессорным ядром для простых беспроводных систем, так и контроллеры с высокопроизводительными 32-разрядными ядрами. Если подходить строго, системы Freescale Semiconductor со встроенным контроллером не являются однокристальными, а представляют собой интегрированные в одном корпусе трансивер, контроллер, обвязку радиочастотного тракта, включая усилитель и конденсаторы, что в итоге существенно сокращает список материалов конечного изделия [70].
Вторым поколением беспроводных устройств Freescale Semiconductor для сетей ZigBee является семейство MC1321x (Рис. 5.12), объединяющее в одном LGA-корпусе (71 вывод, 9х9 мм). MC1321x содержит трансивер с аппаратной поддержкой ряда операций МАС уровня стандарта IEEE 802.15.4, усилитель с выходной мощностью 1 мВт, стабилизатор напряжения, переключатель прием/передача, поддержку расширения спектра методом прямой последовательности В качестве управляющего контроллера выступает 8-битный контроллер с ядром HCS08 (версия А) с 16/32/60 Кбайтами флеш-памяти (версии MC13211/2/3) и 1/2/4 Кбайтами оперативной памяти.
Freescale предлагает полный спектр программного обеспечения для платформы MC1321x:
- SMAC;
- IEEE 802.15.4 Standard-Compliant MA;
- SynkroRF;
- BeeStack;
- BeeStack Consumer (ZigBee RF4CE).
Семейство MC1322x (Рис. 5.13) является третьим поколением устройств Freescale Semiconductor для сетей ZigBee и объединяет низкопотребляющий трансивер диапазона 2.4 ГГц, микроконтроллер с 32-разрядным ядром ARM7, аппаратной поддержкой MAC уровня IEEE 802.15.4, шифрования (AES), размещенных в одном 99-выводном корпусе LGA (Platform-in-Package - PiP).
Возможности MC1322x позволяют применять их в сетях различной топологии и выполняющих различные задачи: от простых соединений типа точка-точка до поддержки mesh-сетей.
Процессорное ядро ARM7TDMI-S работает на частотах до 26 МГц, 128 Кбайт флеш-памяти могут быть отображены на 96 Кбайт оперативной памяти для выполнения процедур стеков протоколов или прикладных задач. Дополнительно 80 Кбайт памяти доступно для программного обеспечения, ответственного за загрузку контроллера, стандартизованные процедуры МАС-уровня стека IEEE 802.15.4 и стеков коммуникационных протоколов.
Встроенный согласующий фильтр и переключатель прием/передача позволяет напрямую подключать несимметричную 50-омную антенну к соответствующему выводу. Интегрированный усилитель мощности позволяет регулировать мощность передаваемого сигнала в диапазоне от -30 до +4 дБм, чувствительность приемника составляет -96 дБм, допускается также подключение внешнего усилителя.
Развязывающие конденсаторы по питанию и конденсаторы нагрузки генератора также интегрированы в корпус, из внешних компонентов необходима антенна и кварцевый резонатор. Встроенный стабилизатор обеспечивает работу устройства в диапазоне напряжений от 2.0 до 3.6 В.
Наличие нескольких режимов энергопотребления и небольшое число внешних элементов делает MC1322x перспективным решением для устройств с батарейным питанием при миниатюрных габаритах.
Устройства MC1322x доступны в двух вариантах, отличающихся только содержанием ПЗУ:
- MC13224V содержит в ПЗУ драйвера большинства периферийных устройств и может применяться для большинства задач, связанных с использованием МАС уровня IEEE 802.15.4, возможностей сетей ZigBee-2007 Profile 1, ZigBee RF4CE.
- MC13226V является более поздней версией и оптимизирована для приложений сетей ZigBee-2007 Profile 2 (ZigBee Pro), в частности, по использованию оперативной памяти, набор драйверов включает драйвера АЦП, шрифты для ЖК дисплеев, драйверы SSI.
Семейство беспроводных микросхем с процессорным ядром Kinetis MKW2 (называемое также Kinetis KW20 ZigBee Platform) содержит микросхемы MKW22D512, MKW21D512 и MKW21D256.
Приборы MKW2 интегрируют в рамках микросборки (системы-в-корпусе - Platform-in-Package - PiP) микроконтроллер Kinetis архитектуры ARM-Cortex-M4 выполненный по 90-нм технологии и трансивер диапазона 2.4 ГГц, выполненный по 180-нм техническому процессу (Рис. 5.14).
Основной областью применения MKW22D являются выполнение задач стеков протоколов ZigBee Pro и ZigBee IP, особенно для задач инетеллектуального управления энергией (Smart Energy) и автоматизации зданий (Commercial Building Automation).
Приемопередатчик поддерживает передачу данных со скоростями до 250 Кбит/с при O-QPSK модуляции с DSSS расширением спектра, допускается подключение внешних усилителей, поддерживается одновременная работа в двух ZigBee сетях (режим dual PAN).
Контроллер содержит 256 или 512 Кбайт флеш-памяти 32 или 64 Кбайта оперативной памяти, набор последовательных интерфейсов, таймеров, высокопроизводительный 16-битный АЦП.
