Беспроводные однокристальные микроконтроллеры

Nordic Semiconductor

Специализирующаяся на компонентах для беспроводной передачи данных, компания Nordic Semiconductor наряду с беспроводными контроллерами общего назначения предлагает ряд систем, которых условно можно назвать сетевыми процессорами, ориентированные на популярные беспроводные персональные сети ANT, Bluetooth.

Технология Bluetooth® Low Energy (BLE) является дополнением к спецификации Bluetooth - Bluetooth Core Specification позволяющий существенно снизить общее потребление устройств Bluetooth. Это открывает новый спектр приложений Bluetooth, включая часы, датчики приближения, датчики состояния организма в фитнесе или спорте, устройства удаленного управления, системы мониторинга состояния здоровья.

nRF51822 является сетевым процессором Bluetooth из линейки µBlue™ работающим в стандарте BLE - BLE-процессор [71].

nRF51822 построена на базе управляющего 32-разрядного контроллера с ядром 32-bit ARM® Cortex™ M0 с 256 Кбайтами флеш-памяти и 16 Кбайтами оперативной. Встроенный трансивер поддерживает стандарт BLE и при этом совместим с трансиверами серий nRF24L от Nordic Semiconductor.

BLE-процессор обладает богатым набором аналоговых и цифровых периферийных устройств, способных взаимодействовать с памятью и между собой посредством программируемого периферийного интерфейса (Programmable Peripheral Interface - PPI) не задействуя процессорное ядро. Схема отображения выводов внутренних периферийных устройств (ШИМ, последовательные интерфейсы, квадратурный демодулятор) на внешние выводы легко назначать им требуемые позиции в зависимости от разводки печатной платы.

nRF51822 (Рис. 5.15) работает от однополярного источника питания и позволяет пользователю выбирать между работой от внутреннего линейного стабилизатора (при работте от источника в диапазоне напряжений 1.8 - 3.6 В), работы напрямую от источника питания 1.8 В или работы от импульсного понижающего DC/DC преобразователя с выходным напряжением в диапазоне 2.1 - 3.6 В.

Чувствительность приемника порядка -96 дБм, выходная мощность передатчика настраивается в пределах от -10 до +4 дБм.

Рис. 5.15. Структура BLE-процессора nRF51822 и фирменного стека протоколов

Аналогичный сетевой процессор предлагается Nordic Semiconductor и для сетей ANT. ANT предлагается как простое недорогое энергоэффективное решение для организации простых сетей типа точка-точка, звезда [72]. Подходя для многих приложений, ANT является достаточно распространенной в западных странах технологией для сбора, автоматической передачи и отслеживания данных датчиков при занятиях спортом, оздоровительных процедурах, мониторинга состояния здоровья в домашних условиях.

Микросхема nRF51422, со встроенным стеком протоколов ANT, также как и предыдущая система, построена на базе контроллера с ядром 32-bit ARM® Cortex™ M0 (256 Кбайт флеш-памяти и 16 Кбайт ОЗУ). Трансивер ANT-процессора также является совместимым с трансиверами серии nRF24L.

nRF51422 (Рис. 5.16) поддерживает стек протоколов ANT, предоставляемый Dynastream Innovations, и стек протоколов Gazell, свободно доступных в рамках среды разработки nRF514 Software Development Kit.

Рис. 5.16. Структурная схема ANT-процессора nRF51422

Архитектура программного обеспечения для Bluetooth LE и ANT решений систем-на-кристалле снижает сложность разработки приложений для соответствующих стеков протоколов, открывая возможности популярных интегрированных сред разработки для микроконтроллеров ARM Cortex.

Основное преимущество достигается за счет использования новой программной архитектуры, при которой разделяются стек протокола и код пользовательского приложения, что существенно снижает стоимость разработки, включая снижением рисков, связанных с интеграцией приложения и стека.

Основные технические параметры сетевых процессоров Nordic Semiconductor:

• ток потребления менее 10 мА (при напряжении питания 3.3В);
• полная совместимость с существующими решениями компании серии nRF24L;
• поддержка конкурентной и неконкурентной работы в диапазоне протоколов, включая Bluetooth low energy, ANT, и проприетарных протоколов 2.4 ГГц;
• поддержка RSSI (индикатор мощности принимаемого сигнала) во всем диапазоне.

Отдельные системные блоки могут включаться или выключаться независимо, а также управлять своими тактовыми сигналами автономно на основании уровня активности. Эффективный интерфейс EasyDMA для радиочастотной части с гибкими буферами FIFO в области ОЗУ. Наличие блока защиты памяти, позволяющего защитить память программы и предварительно скомпилированные выполняющиеся стеки протоколов.

Работа стеков протоколов полностью асинхронна и управляется системой событий с предоставлением программного интерфейса приложения (API) на основе поточно-ориентированного вызова операционной системы на уровне приложения.

Для сетевых приложений диапазона 2.4 ГГц общего плана Nordic Semiconductor предлагает семейство систему-на-кристалле nRF24Lх (nRF24LE1, nRF24LU1+, nRF24LE1 OTP), построенных на базе контроллера архитектуры х51 с трансивером диапазона 2.4 ГГц nRF24L01+ [73].

nRF24LU1+ (Рис. 5.17) включает в себя трансивер nRF24L01+, контроллер с ядром х51, работающий на частотах до 16 МГц 16 или 32 Кбайтами флеш-памяти, 2Кбайта + 256 байт оперативной памяти, USB 2.0 контроллером, криптографическим сопроцессором (AES), встроенным стабилизатором напряжения.

Рис. 5.17. Структурная схема системы-на-кристалле nRF24LU+

nRF24LE1 (Рис. 5.18) обладает практически аналогичной архитектурой за исключением USB контроллера и предназначена в первую очередь для создания автономных устройств. Система обладает достаточно богатым набором периферийных устройств, включая интерфейсы I2C, SPI, UART, 12-битный АЦП, аналоговый компаратор, таймеры с ШИМ выходами.

увеличить изображение
Рис. 5.18. Структурная схема системы-на-кристалле nRF24LE1

Трансивер поддерживает передачу данных со скоростями 250 Кбит/с, 1 и 2 Мбит/с при GFSK модуляции. Возможная выходная мощность передатчика 0, -6, -12 или -18 дБм, чувствительность приемника -94 дБм (250 Кбит/с), -82 дБм (2 Мбит/с).

Кроме полнофункциональных СнК Nordic Semiconductor выпускает микросхемы, содержащие только передающую часть, в частности - nRF24E2 - СнК с передатчиком и контроллером х51 (Рис. 5.19).

Рис. 5.19. Структурная схема nRF24E2 - СнК с передатчиком и контроллером х51

NXP

В середине декабря компания NXP Semiconductors анонсировала семейство беспроводных микроконтроллеров JN516x с ультранизким энергопотреблением для сетей на базе стеков протоколов JenNet-IP, ZigBee и других, отвечающих спецификации IEEE 802.15.4 [74].

Микросхемы JN516x, содержат интегрированный радиомодуль 2,4 ГГц, 32-разрядный RISC микроконтроллер с периферийными устройствами (последовательные интерфейсы, набор многоканальных таймеров, ШИМ, 4-канальный 10-битный АЦП, программируемый аналоговый компаратор, датчик температуры, генератор случайных чисел). JN516x ориентированы на работу в беспроводных сетях на основе протоколов JenNet-IP, ZigBee Light Link, ZigBee Smart Energy, ZigBee Home Automation и RF4CE.

СнК семейства JN516x (Рис. 5.20) содержат до 256 КБ встроенной флэш-памяти, 4 КБ памяти EEPROM, 32 КБ ОЗУ в микроконтроллере JN5168 для поддержки стеков новейших сетевых протоколов. Еще одна важнейшая характеристика - разнесение антенн по пакетам, позволяющая системе выбирать оптимальную антенну для каждого принимаемого пакета.

В настоящее время для крупных заказчиков доступны опытные образцы, оценочные наборы и микросхемы JN516x. Начало массовых поставок намечено на начало первого квартала 2013 года.

Семейство беспроводных микроконтроллеров JN516x будет включать в себя:

• серию JN5161 для приложений RF4CE и IEEE 802.15.4, объем памяти - 64 КБ флэш, 8 КБ ОЗУ и 4 КБ EEPROM;
• серию JN5164 для приложений JenNet-IP, ZigBee Home Automation и ZigBee Light Link, объем памяти - 160 КБ флэш, 32 КБ ОЗУ и 4 КБ EEPROM;
• JN5168 для приложений ZigBee Smart Energy и шлюзов JenNet-IP, объем памяти - 256 КБ флэш, 32 КБ ОЗУ и 4 КБ EEPROM.

увеличить изображение
Рис. 5.20. Структурная схема беспроводных контроллеров семейства JN516х