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基于多模無線電設備的物聯網應用解決方案

電子設計 ? 2019-04-01 08:32 ? 次閱讀

過去,尋求針對消費者和商業物聯網(IoT)應用程序的公司通常需要分別為每個應用程序支持基于藍牙和基于802.15.4的單獨設計。但是,使用新的設備類,開發人員可以輕松配置單一設計以支持任一模式 - 甚至可以同時操作兩種模式。此外,這些器件中的低功耗模式使工程師能夠在非常嚴格的功耗預算內實現高效的無線連接,從而可在電池或環境供電的能量采集設計中實現擴展操作。

支持特定的無線連接選項已成為面向消費者和商業市場的物聯網設計的主要差異化因素。對于消費者物聯網設計,藍牙低功耗(BLE) - 也稱為藍牙智能 - 仍然是事實上的標準,不僅因為它的低功耗特性,而且還得益于其在龐大的移動BLE主機安裝基礎上的無處不在的支持包括智能手機和平板電腦。

BLE專為解決健身設備,信標和家庭娛樂等無線個人區域網絡應用而設計,可為短距離連接選項提供卓越的能源效率(圖1)。憑借其廣泛的市場吸引力,半導體制造商繼續提供具有極低功耗的更先進的BLE片上系統(SoC)器件。例如,Dialog Semiconductor DA14580在傳輸過程中僅需3.4 mA,在接收期間僅需3.7 mA - 在睡眠模式下僅需600 nA。

基于多模無線電設備的物聯網應用解決方案

圖1:在一項關于BLE與802.15.4功耗的研究中,研究人員發現BLE(左)提供了更高的能量效用(字節)每消耗能量的焦耳比802.15.4(右)發送,與單個連接事件(CE)中幀數的增加有顯著差異。

然而,現成的BLE收發器支持藍牙V4 .1,擅長將基于BLE的設備連接到單個主機,但缺乏提供大多數商業物聯網應用所需的網絡連接的能力。藍牙V4.2提供互聯網協議支持配置文件,用于通過BLE傳輸層進行IPv6數據包交換,但用于這些設備的BLE V4.2 IC和相關軟件仍處于早期開發階段,不太可能為更成熟的設備提供現成的替代方案低功耗網絡協議已有一段時間了。

因此,針對工業或商業物聯網應用的設計人員利用基于IEEE 802.15.4的連接選項。該標準是ZigBee和Thread等無線網絡協議的基礎,可與6LoWPAN和標準Internet協議一起使用,構建無線嵌入式Internet。設計人員可以很容易地找到這些協議的軟件堆棧以及來自802.15.4芯片制造商和第三方的其他協議。

直到最近,設計人員希望構建一個簡單的溫度感應物聯網應用程序,例如,很快就會遇到不同市場之間的連通性二分法。為了滿足消費者和工業市場的應用需求,設計人員需要構建兩個版本的物聯網設備 - 基于BLE的版本能夠與消費者智能手機連接,基于802.15.4的版本能夠與工業網絡連接。多模無線電的出現為解決各種物聯網應用市場提供了更靈活的解決方案。

統一設計

使用德州儀器CC2650無線MCU,開發人員可以創建單一的物聯網設備設計,能夠滿足各種物聯網連接要求。作為TI SimpleLink系列的成員,CC2650具有低功耗2.4 GHz收發器,能夠支持多種連接標準,包括Bluetooth Smart,ZigBee,6LoWPAN和帶TI提供的軟件堆棧的ZigBee RF4CE遠程控制應用。同時,該器件還提供物聯網應用所需的低功耗操作。 MCU本身僅消耗61μA/MHz,并且該設備在無線電操作期間具有非常低的功耗。 CC2650在有源接收模式下的功耗通常約為6 mA,在有源傳輸模式下(0 dBm)大致相同,同時在寬溫度和電壓范圍內提供均勻的Tx輸出功率(圖2)。

CC2650專為無線傳感器應用而設計,集成了32位ARM Cortex-M3,128 KB閃存,SRAM和多種外設,包括低功耗傳感器控制器。該傳感器控制器管理片上外設,包括帶有8通道模擬多路復用器的12位200 ksamples/sec模數轉換器ADC)。它可以與外部傳感器連接,并在系統其余部分處于睡眠模式時自動收集模擬和數字數據。

RF內核包括一個帶有4 KB SRAM塊的專用ARM Cortex-M0處理器并運行最初來自單獨的ROM存儲器。 RF的內部處理器使RF內核能夠自主處理各種無線協議的時間關鍵方面,卸載主CPU并為設計人員的應用提供更多資源。雖然BLE和802.15.4協議的某些部分嵌入在片上ROM中,但CC2650的128 KB閃存并不足以同時托管多種協議的軟件堆棧。事實上,TI指出,特定的軟件構建一次只能支持一種無線協議。因此,設計人員可以將相同的基于CC2650的設計用于不同的多連接,但需要專門重建軟件系統以支持基于BLE或802.15.4的協議。

基于多模無線電設備的物聯網應用解決方案

圖2:德州儀器CC2650無線MCU的傳輸功率在寬溫度范圍(左)和電源電壓(右)之間保持相對均勻4 x 4外部單端(4XS)和5 x 5外部差分(5XD)操作。 (德州儀器公司提供)

同時支持基于BLE和802.15.4的連接對于極低功耗應用以及僅限于小尺寸和有限電源的應用尤其成問題。通常,這些問題迫使設計人員創建多個設備版本,并將其應用程序作為目標,專門用于基于藍牙的移動域或基于802.15.4的網絡域。反過來,基于藍牙的物聯網設備不得不依靠通過具有互聯網連接的藍牙主機間接連接到互聯網。同樣,基于802.15.4的物聯網設備不得不依靠通過支持藍牙的中間802.15.4網關間接連接到用戶的移動設備。

同時連接

通過智能手機應用程序更直接地控制網絡連接的物聯網設備的期望轉變為對藍牙移動設備和802.15.4網絡同時連接的不斷增長的需求。例如,用戶希望通過智能手機直接與設備中的物聯網設備進行交互,即使同一設備與云進行通信以進行整體家庭管理服務,或者設備暫時失去其云連接。

對于這些設計,開發人員可以利用飛思卡爾半導體KW40Z無線MCU構建能夠同時連接到BLE主機和基于802.15-4的網絡的系統。 MCU集成了2.4 GHz收發器,支持一系列FSK/GFSK和O-QPSK調制,同時僅需6.5 mA(Rx)和8.4 mA(Tx)。與收發器一起,MCU集成了高能效的ARM Cortex-M0 + CPU,160 KB閃存和20 KB SRAM,BLE鏈路層硬件,802.15.4數據包處理器,硬件安全性和16位ADC以及許多其他模擬和數字外設。憑借其更大的Flash模塊,它集成了足夠的片上存儲器,可同時運行BLE堆棧和IEEE 802.15.4 MAC/PHY,以滿足具有多模連接要求的應用。

MCU提供極長的時間電池壽命得益于Cortex-M0 +內核的高效代碼執行以及器件多種低功耗工作模式的可用性。片上電源管理控制器(PMC)支持9種低功耗模式,以滿足特定應用的功耗優化要求。例如,當核心處于其各種停止模式之一時,PMC允許RF無線電保持狀態 - 并將設備維持在低電流消耗模式,以確保RF無線電能夠快速喚醒以進行通信想要使用KW40Z創建低功耗多模設計的設計人員可以使用大量的飛思卡爾資源,包括用于BLE主機和應用配置文件的軟件堆棧,IEEE 802.15.4-2011 MAC/PHY ,ZigBee Pro和應用程序配置文件,以及Thread - 基于IPv6的協議,基于6LoWPAN構建,專為安全IP網絡而設計。

作為自己設計的起點,工程師可以利用飛思卡爾FRDM- KW40Z開發套件,提供適用于物聯網應用的完整多模解決方案。 FRDM-KW40Z采用四層電路板,將MKW40Z SoC與其所需的全部RF電路,32 MHz參考振蕩器晶體以及帶DC/DC轉換器的電源相結合,提供旁路,降壓和升壓模式。除了完整的材料清單外,FRDM-KW40Z套件還提供詳細的原理圖和參考布局 - 特別是減少敏感RF部分的設計或布局錯誤的可能性。例如,RF設計(圖3)包括一個外部50:100巴倫,將單端50歐姆端口連接到MKW40Z SoC收發器的差分RF端口。參考電路板布局包括“F”印刷金屬天線,旨在最大限度地減少占地面積和成本,同時不影響無線電性能。該設計還提供可選的帶外信號抑制(圖3中的組件L4和C33)。

基于多模無線電設備的物聯網應用解決方案

圖3:飛思卡爾為KW40Z MCU提供全面的資源,包括關鍵RF部分的設計和布局,用于連接MCU的差分雙向RF通過平衡 - 不平衡轉換器和可選的信號抑制濾波器連接到“F”印刷金屬天線。 (由飛思卡爾半導體公司提供)

結論

藍牙低功耗提供卓越的低功耗連接,但可用的BLE設備仍然無法支持基于802.15.4的解決方案提供的網絡選項。多模無線電設備的出現為構建能夠在基于BLE的消費者應用或基于802.15.4的商業/工業設計中運行的單一設計提供了靈活的方法。事實上,通過飛思卡爾半導體KW40Z,開發人員可以構建能夠在BLE和802.15.4模式下同時連接的物聯網設計 - 為構建能夠支持與移動設備,其他物聯網設備和其他物聯網設備的并發連接的各種物聯網應用提供有效的解決方案。

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中日經濟的互補特點,在中國科技實力有所增強的今天仍然沒有消失。華為在日本的發展呈現更多的是雙贏的一面....
發表于 04-15 10:43 ? 302次 閱讀
日本制裁華為將必然導致日本企業遭受打擊對日本經濟十分不利

JDI從中國投資方和公司原有股東處獲得1170億日元的注資

據了解,JDI在日本的第6代AMOLED生產線計劃今年12月量產,主要生產LTPO OLED和LTP....
的頭像 芯智訊 發表于 04-15 10:20 ? 283次 閱讀
JDI從中國投資方和公司原有股東處獲得1170億日元的注資

UCOSII下的無線傳書接收不到數據

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發表于 04-15 06:18 ? 10次 閱讀
UCOSII下的無線傳書接收不到數據

哪款藍牙耳機最好用?2019最火爆五款藍牙耳機推薦

哪款藍牙耳機最好用?2019最火爆五款藍牙耳機推薦        今年的手機市場特別給力,魅族、小米、蘋果、華...
發表于 04-12 16:37 ? 64次 閱讀
哪款藍牙耳機最好用?2019最火爆五款藍牙耳機推薦

低功率無線技術助力IoT發展

低功率無線感測促進了 IoT 的發展
發表于 04-12 12:42 ? 40次 閱讀
低功率無線技術助力IoT發展

面向工業物聯網的無線傳感器網絡

面向工業 IoT 的無線傳感器網絡
發表于 04-12 12:26 ? 45次 閱讀
面向工業物聯網的無線傳感器網絡

ROHM功率元器件助力物聯網和工業設備

全球知名半導體制造商ROHM在慕尼黑上海電子展上展出了ROHM所擅長的模擬電源、以業界領先的SiC(碳化硅)元器件為首的功...
發表于 04-12 05:03 ? 41次 閱讀
ROHM功率元器件助力物聯網和工業設備

請問做無線視頻傳輸的傳輸方法是什么

用2.4G可行么?
發表于 04-09 23:28 ? 13次 閱讀
請問做無線視頻傳輸的傳輸方法是什么

nrf無線在設置無ACK發送時接收方能接收到數據但有ACK發送時卻接收不到數據

如題
發表于 04-09 23:27 ? 9次 閱讀
nrf無線在設置無ACK發送時接收方能接收到數據但有ACK發送時卻接收不到數據

0.4 mm×0.2mm齊納二極管SMD0402的特點

日本知名半導體制造商羅姆(總部位于日本京都市)近日開發出世界最小的齊納二極管0402尺寸(0.4mm×0.2 mm),這種二極管可以高密度安...
發表于 04-09 22:45 ? 61次 閱讀
0.4 mm×0.2mm齊納二極管SMD0402的特點
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