Технология Bluetooth 0, ble с низким энергопотреблением



Скачать 142.5 Kb.
Pdf просмотр
Дата12.11.2016
Размер142.5 Kb.
Просмотров141
Скачиваний0

КОМПОНЕНТЫ |
компоненты семейства 802.xx
БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №2 ’11 16
Технология Bluetooth 4.0, BLE
с низким энергопотреблением
Финская фирма Bluegiga приступила к массово- му производству семейства Bluetooth-модулей с низким энергопотреблением и поддержкой версии Bluetooth 4.0. Спецификация с низким энергопотреблением Bluetooth 4.0 разработана международным объединением SIG — Bluetooth
Special Interest Group. Эта специальная группа является органом, который наблюдает за разра- боткой стандартов, лицензированием технологий и торговых марок Bluetooth. SIG — частная не- коммерческая торговая ассоциация, основанная в сентябре 1998 г., имеющая штаб-квартиру в Керкленде (Вашингтон, США) и местные отделения в Гонконге, Пекине (Китай), Сеуле
(Корея), Токио (Япония), Тайване и Малме
(Швеция).
Несмотря на большие скорости передачи, которые поддерживаются технологией
Bluetooth 3.0+HS (максимум до 24 Мбит/с), ее развитие сдерживается из-за достаточно большого энергопотребления. Технология
Bluetooth 4.0 специально разработана для использования в батарейных устройствах, которым требуется продолжительное авто- номное функционирование без подзарядки.
Благодаря использованию специального алгоритма работы, при котором передатчик включается только на время передачи данных, в Bluetooth 4.0 удалось достигнуть ультра- низкого энергопотребления.
В спецификации Bluetooth 4.0 предусмотрено два типа устройств: Single-mode и Dual-mode.
Базовые чипсеты Single-mode поддерживают работу только в соответствии со спецификацией
4.0. Чипсеты Dual-mode могут работать с под- держкой как Bluetooth 3.0, так и Bluetooth 4.0.
Поэтому устройства Single-mode прежде всего предназначены для беспроводных миниатюр- ных электронных датчиков, использующихся в медицине, спортивных тренажерах, миниа- тюрных промышленных сенсорах [1, 2].
Структурная схема
модуля BLE112
Первая серия устройств Bluegiga с поддерж- кой Bluetooth v.4.0, включает модуль BLE112 и USB-модем BLED112. Базовый модуль BLE112 является законченным полнофункциональным устройством Bluetooth 4 и содержит чипсет
Texas Instruments CC2540, периферийные блоки и интерфейсы, а также встроенные средства разработки, позволяющие создавать потребительские приложения [3].
Серия Bluegiga BLE предназначена для исполь- зования в таких приложениях, как переносное диагностическое медицинское оборудование, спортивные контрольные датчики, приборы для бытовой автоматики, аудиогарнитуры, системы безопасности, системы наблюдения за детьми и пожилыми людьми, миниатюр- ные информационные панели. Встроенная антенна, полный стек Bluetooth-протоколов, гибкие аппаратные интерфейсы позволяют легко интегрировать модули BLE112 в суще- ствующее оборудование. Используя прикладное
ПО, можно создавать простые управляющие программы и избавиться от внешнего микро- контроллера. Питание модуля BLE112 может быть реализовано от стандартных батарей или аккумуляторов с напряжением 2–3 В. В модуле предусмотрен режим максимального энерго- сбережения, при котором ток потребления со- ставляет всего 400 нА. Чтобы привести модуль в рабочее состояние, требуются десятые доли миллисекунды [4].
Управление модулем BLE112 осуществляется через порты UART, USB, SPI с помощью би- нарных команд (Binary command) на уровне
Новые модули Bluetooth 4.0 серии BLE производства
Bluegiga
Виктор Алексеев, к. ф-м. н.
info@telemetry.spb.ru
Один из ведущих производителей Bluetooth-модулей — фирма Bluegiga объявила
о начале продаж новейшего поколения этих устройств с низким энергопотреблением
и поддержкой версии Bluetooth 4.0 — технологии, специально разработанной для ис-
пользования в батарейных устройствах, которым требуется продолжительная автономная
работа без подзарядки. Первая серия устройств Bluegiga с поддержкой Bluetooth v4.0
включает модуль BLE112 и USB-модем BLED112. Область приложения технологии BLE
чрезвычайно широка. По оценкам специалистов, продукция с поддержкой Bluetooth
4.0 BLE, Dual-mode в ближайшие годы займет лидирующее место на рынке бытовых
беспроводных устройств.

WWW.WIRELESS-E.RU
компоненты семейства 802.xx
| КОМПОНЕНТЫ
17
API (application programming interface). Кроме того, для прямого программирования цен- трального процессора можно использовать библиотеку кодов на языке C (стандарт ANSI).
Следует особо подчеркнуть, что модуль BLE112 не имеет поддержки, привычного для Bluegiga
ASCII-интерфейса, позволяющего управлять модулем с помощью простых команд (стандарт- ные коды обмена информацией). В серии BLE использована другая идеология управления —
Binary Сommand, которая предоставляет раз- работчикам значительно больше возможностей для создания прикладного ПО.
Бинарные команды генерируют бинарные строки, разметка которых определяется строкой формата. Набор этих команд предназначен для управления потоками двоичных данных.
Иными словами, в новых модулях серии BLE команды посылаются не в ASCII-кодировке, а формируются первоначально в определенные последовательности байтов, которые выглядят следующим образом: «команда 1 + параметр
1»; «команда 2 + параметр 2» и т. д. При работе с бинарными командами используются так называемые «бинарные таблицы», которые содержат двоичные коды для различных массивов данных и графических символов.
С бинарными командами можно работать в среде Windows. Специальные программные приложения, функционирующие под управле- нием этой ОС, позволяют даже неспециалисту легко создавать свои собственные программы, предназначенные для стыковки модулей BLE с внешними устройствами. Подробнее об этом будет сказано ниже. Блок-схема модуля BLE112 показана на рис. 1 [4].
Основой модуля BLE112, определяющей всю идеологию и отличительные особенности, яв- ляется базовый чипсет Texas Instrument CC2540, представляющий собой однокристальную сборку (SoC — 65 нм/2,4 ГГц). На одном кри- сталле находятся элементы, необходимые для создания устройств с поддержкой технологии
Bluetooth 4.0:
• АЦП, 12 разрядов, восемь каналов (допол- нительный входной канал температурного датчика);
• интегральный высокоэффективный опера- ционный усилитель;
• компаратор сверхнизкой мощности;
• таймеры общего назначения (один 16-раз- рядный и два восьмиразрядных);
• вводы/выводы общего назначения (19 I/O —
4 мА; 2 I/O — 20 мА);
• таймер ждущего режима (32 кГц);
• два универсальных синхронно-асинхронных приемопередатчика с поддержкой несколь- ких протоколов последовательных портов
(USART-0, USART-1);
• интерфейс USB 2.0;
• схема безопасности IR;
• прямой пятиканальный доступ к памяти
DМА;
• сопроцессор безопасности с поддержкой симметричного алгоритма блочного шиф- рования AES;
• монитор заряда батареи;
• температурный датчик;
• CPU 8051;
• память Flash 128 или 256 кбайт;
• память SRAM 8 кбайт;
• встроенный стек низкого энергопотребления
Bluetooth 4.0, SмАrtRF с поддержкой ком- пилятора IAR (SмАrtRF — торговая марка
Texas Instruments).
Напряжение питания модуля может меняться в диапазоне 2–3,6 В. Ядро микропроцессора, вы- полненное по известной схеме 8051 гарвардской архитектуры, позволяет выполнять операции за один цикл. В CPU есть три различные шины доступа к памяти: SFR (шина триггеров), DATA,
DATA/XDATA (чтение и запись данных). Кроме того, имеется дополнительный интерфейс от- ладки и расширенный модуль прерывания.
Контроллер приоритета доступа к памяти
(memory arbiter, AR) является одним из основных узлов однокристальной системы, поскольку подключает через шину SFR центральный процессорный модуль (CPU) и контроллер прямого доступа к памяти (DМА) с физической памятью и периферийными устройствами.
SFR представляет собой стандартную шину, по которой осуществляется подключение
DTU к различным внешним модулям. Кроме того, SFR обеспечивает доступ к радио- регистрам в рамках процесса обработки данных.
Контроллер AR имеет точки доступа, через которые он может подключаться к памяти
(SRAM, Flash, XREG/SFR).
Память SRAM предназначена для записи и хра- нения данных. Это специально разработанная модель SRAM с ультранизким энергопотре- блением. Она сохраняет работоспособность, когда цифровая часть модуля отключена.
Запись в блок флэш-памяти выполняется через собственный контроллер, который позволяет выполнять постраничное редактирование и программирование.
Периферийные модули, такие, например, как ядро блочного шифрования (AES), контроллер флэш-памяти, USART, таймеры, АЦП и другие, могут получать прямой доступ к памяти через контроллер DМА, выполняя передачу данных между отдельным каналом SFR (или адресом
XREG) и флэш-памятью (или SRAM). Каждый чипсет CC2540 обладает уникальным 48-раз- рядным кодом IEEE, который может быть ис- пользован в качестве общедоступного адреса конечного Bluetooth-устройства. Разработчики вправе использовать в своих изделиях именно этот код IEEE либо запрограммировать свой собственный новый код.
Сервисная служба контроллера прерываний имеет в общей сложности 18 вводов прерывания, разделенных на шесть групп. Каждая из этих групп связана с одним из четырех приорите- тов прерывания. Вводы/выводы прерывания режима «сна» (sleep mode) обслуживаются, даже если устройство находится в режиме «сна» и отключены основные энергопотребляющие модули.
Отладочный интерфейс (debug interface) пред- ставляет собой отдельный двухпроводный последовательный интерфейс, который исполь- зуется для внутрисхемной отладки и перепро- граммирования чипсета. Через этот интерфейс можно стирать или программировать весь объем флэш-памяти, останавливать и запускать выполнение пользовательских программ, вы- полнять инструкции по обслуживанию ядра
8051. Кроме того, через отладочный интерфейс осуществляется управление кварцевыми гене- раторами частоты.
Контроллер ввода/вывода ответственен за все контакты ввода/вывода общего назначения
(GPIO). Каждый из вводов/выводов соответствует определенному периферийному устройству или входному/выходному событию. Эти GPIO могут быть запрограммированы для работы в качестве ввода (I) или в качестве вывода (O).
Таймер режима «сна» (SM) также является специально разработанным устройством
Рис. 1. Структурная схема модуля BLE112

КОМПОНЕНТЫ |
компоненты семейства 802.xx
БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №2 ’11 18
со сверхнизким потреблением. Он может ис- пользовать как внешний кварцевый генератор на 32,768 кГц, так и внутренний осциллятор RC на 32,753 кГц. Таймер режима «сна» работает непрерывно в экономичных рабочих режимах.
В режиме полной мощности используется дру- гой кварцевый генератор и таймер. Типичным примером применения этого таймера является режим работы счетчика реального времени или таймера «пробуждения», предназначенного для обслуживания выхода модуля из экономичных режимов энергопотребления.
Встроенный сторожевой таймер предназначен для перезагрузки модуля в случае «зависания» программного обеспечения. Два кварцевых генератора с частотами 32,678 кГц и 32 МГц предназначены для работы модуля в различных режимах энергосбережения.
Таймер 1, представляющий собой 16-разряд- ный «таймер/счетчик», формирует импульсы заданной длительности в режиме реального времени. Он поддерживает 16-разрядный
ШИМ (помехозащищенный, фазонезависи- мый). Кроме того, в этом таймере поддержи- ваются: буферизация регистров совпадения; фильтрации помех в режиме захвата; режим сброса при совпадении (автоперезагрузка); программирование параметров ШИМ; счетчик внешних событий.
Таймер 2 — это 40-разрядный таймер, который используется в режимах низкого энергопо- требления. В нем есть 16-разрядный счетчик с программируемым периодом и 24-разрядный счетчик переполнения, отслеживающий про- шедшее время. Таймер 2 также используется для контроля точного времени работы модуля.
Таймер 3 и таймер 4 являются восьмиразрядны- ми таймерами с функциональностью «таймер/
счетчик/ШИМ». В них есть программируемый делитель частоты и один программируемый встречный канал с восьмиразрядным калибро- вочным параметром. Период в этих таймерах также можно программировать.
Интерфейсы USART-0 и USART-1 можно ис- пользовать как SPI или как UART. При этом они могут быть конфигурированы для работы в качестве ведущего или ведомого устройства.
Эти интерфейсы обеспечивают двойную бу- феризацию на приеме и на передаче данных, а также обеспечивают высокую пропускную способность в полнодуплексном режиме. В мо- дуле BLE112 в качестве основного используется метод модуляции GFSK (Gaussian Frequency
Shift Keying) — гауссовская частотная мани- пуляция. Этот метод частотной манипуляции с низкочастотным фильтром на входе дает сглаженный по закону Гаусса входной импульс.
Оба USART обеспечивают скорости до 1 Мбит/с
(модуляция GFSK) при работе в качестве SPI или UART. При использовании других методов модуляции скорости будут меньше: 250 кбит/с
(FSK) и 500 кбит/с (MSK). Модуль может под- держивать от четырех до восьми соединений в режиме ведущего (мАster slave). У каждого
USART есть свой собственный высокоточный контроллер скорости передачи. Модули BLE112 поддерживают USB, Full Speed, 12 Мбит/с.
В модулях предусмотрена система высокоуровневой безопасности, включающая аутентификацию, авторизацию, шифрование и надежную защиту от атак типа Man-in-the-middle. Этот тип несанк- ционированного доступа «человек посередине» обозначает ситуацию, при которой взломщик, подключившись к каналу между контрагентами, осуществляет активное вмешательство в про- токол передачи, удаляя, искажая информацию или навязывая ложную. Ядро шифрования/
дешифрования использует алгоритм AES с 128-раз- рядными ключами. Встроенная схема контроля и регулировки напряжения сглаживает пульсации, убирает наводки и обеспечивает точные значения напряжений питания.
Аналоговый компаратор сверхнизкой мощности может работать с ультранизкими напряжения- ми, что позволяет вывести модуль из режима
«глубокого сна» при отключенных энергоемких узлах. Понижающий преобразователь (RF
Front End) включает в себя объединенный симметрирующий трансформатор, фильтр нижних частот и керамическую встроенную или внешнюю антенну. Оптимальное соот- ношение этих компонентов обеспечивает чрезвычайно низкие внутреннюю, побочную эмиссию и вторичные гармоники.
Встроенная керамическая антенна модуля гарантирует высокую эффективность приема сигнала при работе на открытом воздухе в зоне прямой видимости. При использовании модуля в закрытых помещениях с экранированными стенами эффективность работы антенны будет меньше. Следует иметь в виду, что излучение в диапазоне 2,4 ГГц эффективно поглощается металлическими поверхностями. Поэтому, например, внутри железного гаража модуль со встроенной антенной работать не будет. В серии
BLE использован метод адаптивной подстройки частоты AFH, который позволяет не только уменьшить помехи от устройств, работающих рядом на тех же частотах, но и определять пере- полненные диапазоны и избегать их.
Стек-протоколы BLE
Модули серии BLE112 имеют встроенный стек протоколов Bluetooth BLE, обеспечивающий режимы микропотребления. Структурная схема стека BLE приведена на рис. 2 [6].
Стек протокола BLE, состоящий из двух блоков
(контроллер и хост), содержит следующие профили:
• GAP (Generic Access Profile);
• GATT (Generic Attribute Profile);
• L2CAP (Logical Link Control and Adaptation
Protocol);
• SM (Security Manager);
• ATT (Attribute Protocol).
Такое разделение, в своем роде, является воз- вратом к старому стандарту Bluetooth 3 для устройств BR/EDR (Basic Rate/Enhanced Data
Rate), в которых эти два блока рассматрива- лись раздельно. На самом верху расположены уровни GAP и GATT. Физический уровень
(PHY) соответствует передаче на центральной частоте 2,4 ГГц с использованием гауссовской частотной манипуляции GFSK (Guassian
Frequency-Shift Keying).
Канальный уровень (Link Layer) контролирует процесс работы радиоканала и управляет его состоянием. При этом устройство может на- ходиться в одном из пяти состояний: ожидание, сканирование, идентификация, инициализация передачи, процесс передачи. После того как устройство инициализировалось, оно может выступать в роли ведущего или ведомого
(master/slave). Устройство, инизиализировав- шее соединение, будет выступать как «мастер».
Устройство, разрешившее соединиться с ним, будет выступать в роли «ведомого». В стан- дарте Bluetooth v.4.0, Single mode устройство
«мастер» может одновременно поддерживать от четырех до восьми соединений с «ведомыми» устройствами.
Уровень HCI (Host controller interface) обеспе- чивает связь между хостом и контроллером, используя стандартные интерфейсы. Он может быть реализован с помощью программного обеспечения интерфейса прикладного програм- мирования (API) или с помощью аппаратной части через интерфейсы UART, SPI или USB.
При этом через эти интерфейсы управление модулем реализуется с помощью бинарных команд.
Уровень L2CAP (Logical Link Control and
Adaptation Protocol) обеспечивает инкапсуля- цию данных для верхних уровней, в том числе и при логическом соединении «точка–точка».
Этот протокол, реализующий логическое соединение поверх соединения по радиока- налу, позволяет протоколам более высокого уровня обмениваться пакетами данных длиной до 64 кбайт. Несколько логических каналов могут одновременно использовать одно и то же радиосоединение. При этом пакет протокола
L2CAP, получаемый каналом, перенаправля- ется к соответствующему протоколу более высокого уровня. Узел L2CAP, как правило, всегда подключается к уровню HCI.
Уровень SM (Security Manager) определяет методы, с помощью которых реализуется соединение между устройствами. Кроме того, на этом уровне вырабатываются инструкции о мерах безопасности при соединении различных устройств и степени конфиденциальности передаваемых данных.
Уровень GAP организует связь с приложениями и внешними устройствами и контролирует их безопасное взаимодействие.
Рис. 2. Структурная схема стека BLE

WWW.WIRELESS-E.RU
компоненты семейства 802.xx
| КОМПОНЕНТЫ
19
Протокол ATT ограничивает передачу дан- ных и позволяет модулю пересылать другим устройствам только ту часть данных, которые помечены как «атрибуты». В контексте этого протокола устройство, передающее «атрибу- ты», обозначается как «сервер». Устройство, принимающее «атрибуты», обозначается как
«клиент». При этом определенные на уровне
LL роли устройств в качестве «мастера» и «ве- домого» не зависят от того, как эти устройства определены на уровне ATT. Поэтому и «сервер» и «клиент» могут выступать как в качестве
«мастера», так и в качестве «ведомого».
Уровень GATT реализует сервисную служ- бу, которая вырабатывает дополнительные детальные инструкции, как именно должно быть реализовано взаимодействие между устройствами на уровне ATT. Уровень GATT определяет структуру профилей. В стандарте
BLE все данные, которые используются про- филем или сервисными службами, обозначают как «характеристики». Весь процесс передачи данных между двумя устройствами в стан- дарте BLE реализуется только через уровень
GATT. Поэтому абсолютно все приложения и профили в стандарте BLE, так или иначе, взаимодействуют с профилем GATT. Более подробную информацию о стеке BLE можно найти в работах [6–12].
Основные параметры модулей
BLE112 и BLED112
Модули BLE112 работают в диапазоне открытых частот ISM: 2402–2480 МГц. Предусмотрено пять режимов работы модуля.
В активном режиме модуль работает с исполь- зованием всех заложенных функций. Включен внутренний стабилизатор напряжения. Питание подается как на ядро 8051, так и на все вспо- могательные блоки. Включены все высоко- частотные тактовые генераторы. Полностью реализован прямой доступ к памяти FLASH,
SRAM. В этом режиме ток потребления рас- пределяется следующим образом:
• Tx: 32 мА (+4 дБм);
• Tx: 27 мА (0 дБм);
• Tx: 24 мА (–6 дБм);
• Tx: 21 мА (–23 дБм);
• Rx: 19,6 мА;
• Rx: 22,1 мА (программируемый режим High gain mode).
Ток потребления в режиме передачи (TX) и режиме приема (RX) можно дополнительно снизить использованием внешнего стабили- зированного источника питания.
Модуль BLE112 может работать в четырех режимах энергосбережения:
1. Ток потребления равен 235 мкА. Необходимо
4 мкс восстановления модуля из режима «сна» и возврата в активный режим работы. Нужно отметить, что время восстановления является особо критичным параметром для чипсетов, работающих в режимах энергосбережения.
Чипсеты для беспроводной связи производства
Texas Instruments обладают наименьшими значениями данного параметра. В режиме 1 схема контроля и регулировки напряжения включена. Кварцевые генераторы 16 МГц
(RCOSC) и 32 МГц выключены. Метод RCOSC работает с макросом для подключения так- товой частоты с внутреннего RC-генератора.
Генератор 32,768 кГц (XOSC, POR) и таймер режима «сна» активны. Функция XOSC обе- спечивает контроль сбоя в работе кварцевого генератора методом считывания флага от- каза. Генератор 32,768 кГц выдает частоты для контроллера перезагрузки питания
(POR). В данном режиме доступны RAM и регистр хранения данных. Модуль перейдет в активный режим при получении одного из трех сигналов: RESET, сигнал внешнего прерывания, сигнал срабатывания таймера спящего режима.
2. Ток потребления меньше — 0,9 мкА. Не- обходимо 120 мкс для возврата модуля в активный полнофункциональный режим работы. В данном случае питание на ядро не по- дается. Контроль и регулировка напряжения выключены. Тактовые генераторы 16 МГц
(RCOSC) и 32 МГц отключены. Генератор
32,768 кГц (XOSC, POR) и таймер режима
«сна» включены. При этом работает либо
RC-генератор, либо кварцевый генератор
32,768 кГц. Доступны RAM и регистр хранения данных. Модуль «просыпается» по сигналу
RESET или по сигналу внешнего прерывания, а также при срабатывании таймера спящего режима. Информация о состоянии USB будет потеряна при вхождении в этот режим.
3. Это режим максимальной экономии. Питание на ядро не подается. Ни один из генераторов не работает. В данном режиме ток потребле- ния составляет всего 0,4 мкА. Стандартный
«таблеточный» аккумулятор CR2032 может работать в этом режиме без подзарядки несколько лет. Время перехода в активный режим составляет 120 мкс и осуществляется по сигналу RESET или по сигналу внешнего прерывания. Информация о предыдущем состоянии USB теряется. Существуют ограничения на доступ к RAM и регистру данных.
4. Данный режим характеризуется ограничен- ной функциональностью процессора MCU.
В этом режиме процессор находится в ждущем режиме, то есть код не выполняется. Ток по- требления равен 6,7 мА. Работает генератор
32 МГц (XOSC). Радиоканал и периферийные устройства отключены.
При решении конкретной задачи мощность передатчика может быть запрограммирова- на для трех различных вариантов работы.
Например, если не нужны максимальные ра- диусы действия модуля, то можно переключить модуль на меньшую мощность и значительно увеличить срок службы батареи. В зависимости от используемого режима мощности будет меняться и дальность действия:
• в диапазоне от +4 дБм до –93 дБм — 150 м
(на открытой местности);
• в диапазоне от +0 дБм до –88 дБм — 40 м;
• в диапазоне от +23 дБм до –88 дБм — 10 м.
Чувствительность приемника может изменяться в диапазоне от –87 до –93 дБм. При средних значениях мощности передачи 0 дБм ток потре- бления равен 27 мА. Температура эксплуатации
–40…+85 °С. Внешний вид модуля показан на рис. 3. Модуль выполнен в планарном кон- структиве. Габаритные размеры и расстояние между выводами показаны на рис. 4.
Модули BLE Bluegiga выпускаются в несколь- ких модификациях. Для различных моделей используется следующая маркировка —
BLE112-A/E-1.0:
• первая цифра обозначает поколение модулей
(1);
• вторая цифра обозначает поддержку технологии
Bluetooth (1 — только BLE, v.4; цифра 2 — поддержка v.4 и других версий);
• третья цифра обозначает соответствие классу
Bluetooth (1 — class 1, 2 — class 2);
• буква соответствует антенне модуля (A — встроенная антенна; E — разъем U.FL для внешней антенны);
• последняя цифра обозначает версию про- граммного обеспечения.
Модем BLED112 (рис. 5) выполнен в виде полностью законченного устройства с разъемом
USB. Он содержит внутри себя модуль BLE112, имеет порт USB. Может быть подключен непо- средственно к USB-разъему компьютера или
Рис. 3. Внешний вид модуля BLE112
Рис. 5. Модем BLED112
Рис. 4. Габаритные размеры модуля BLE112

КОМПОНЕНТЫ |
компоненты семейства 802.xx
БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №2 ’11 20
другого устройства, поддерживающего данный интерфейс. Модем USB BLED112 является идеальным устройством для беспроводного подключения к персональным компьютерам другого вспомогательного оборудования и ак- сессуаров. Два модема BLED112, подключенные к двум компьютерам, могут использоваться в качестве стартового комплекта для разработок на базе модулей BLE Bluegiga [5].
Модули серии BLE сертифицированы в соот- ветствии с международными стандартами: ETSI
EN 300 328 и EN 300 440 Классов 2 (Европа),
FCC Часть 15 CFR47 (США) и STD-T66 ARIB
(Япония).
Средства отладки
модулей BLE112
Для отладки модулей BLE112 на ранней стадии процесса проектирования имеются несколько доступных программ и отладочных комплектов.
В самом простом случае, когда разработчик только начинает знакомиться с модулями LTE
Bluegiga, понадобятся два модема BLED112, под- ключенных к ПК, и отладочное программное обеспечение. Наиболее доступным и бесплат- ным ПО является Texas Instruments SmartRF
Studio (TI SRFS) [6–12]. Программу можно бесплатно загрузить с сайта производителя [7].
Это ПО является Windows-приложением и может использоваться для настройки и кон- фигурирования модуля, а также для написа- ния простых пользовательских приложений.
Программа TI SRFS особенно полезна для выбора и тестирования значений параметров регистра конфигурации модуля, а также для оптимального выбора и стыковки внешних датчиков и вспомогательных устройств. Главное меню программы показано на рис. 6.
Приложение Texas Instruments SmartRF Studio обе- спечивает поддержку следующих функций:
• тестирование канала передачи;
• отправка и получение данных;
• тест антенны и оценка ее параметров;
• выбор режима Tx/Rx;
• выбор режима энергосбережения;
• типовые настройки для внешних датчиков и периферийных узлов;
• подробная информация для каждого реги- стра;
• загрузка/сохранение файлов;
• конфигурация внешних портов UART, USB,
SPI;
• поддержка до восьми USB-устройств на одном компьютере.
Для работы с модулями BLE112, изготовленны- ми на базе чипсета СС2540, необходима версия
Studio SmartRF7 v.1.4.9. Кроме того, потребуется драйвер USB для Windows
×86 и ×64.
Фирма Bluegiga выпускает свое собственное программное обеспечение, предназначенное для отладки модулей BLE112: BG Profile Toolkit,
BG Script (C language). Графический интерфейс программы BG Script показан на рис. 7 [5].
Это программное обеспечение содержит инте- грированную среду разработки и компилятор
C/C++, позволяет создавать и отрабатывать приложения пользователя для ядра 8051 не- посредственно в самом модуле. При этом для выполнения программы не нужен внешний
ПК или контроллер. Работа с BG Script отличается
Рис. 6. Интерфейс программы Texas Instruments SmartRF Studio
Рис. 8. Структура команд управления модулем BLE112 с помощью BG Profile Toolkit-BG Script
Рис. 7. Графический интерфейс программы BG Script

WWW.WIRELESS-E.RU
компоненты семейства 802.xx
| КОМПОНЕНТЫ
21
исключительной простотой. На графическом интерфейсе показаны подключенные модули, мощность сигнала, состояние менеджера безопасности, текущие события в реальном масштабе времени и другие характеристики
BLE112.
Комплект ПО содержит готовые примеры и кодовые шаблоны для наиболее типичных приложений. Кроме того, по желанию пользо- вателя Bluegiga может разработать прикладное
ПО для любого индивидуального проекта. Это приложение будет отправлено пользователю в виде профайла, который легко подгружается в память модуля.
На рис. 8 приведен пример структуры коман- ды, используемой BG Profile Toolkit-BG Script для установления соединения модуля BLE112 с удаленным внешним устройством.
На рис. 9 приведен пример реальной команды
BG Profile Toolkit-BG Script, с помощью которой устанавливается соединение с устройством
BA:DF:00:OD:CA:FC. Интервал соединения находится в промежутке 40–320 мс. Данные супервизора — 10:24 с. Если соединение установлено успешно, то будет получен ответ, показанный на рис. 10.
На рис. 11 приведен пример фрагмента про- граммы для связи с Bluetooth-тонометром, написанной в формате Bluegiga-script.
В комплект ПО входит инструмент, позволяю- щий создавать приложения на GATT-уровне профиля BLE. В этом случае методы создания и формат приложений базируются на хорошо известной технологии XML (Xtensible Markup
Language), используемой для разработки интернет-приложений. Встроенный компиля- тор позволяет преобразовывать XML-файлы в BIN-формат. Фрагмент такой программы показан на рис. 12.
Программное обеспечение Profile Toolkit и BG
Script поставляется в комплекте с оборудованием
Bluegiga. Аналогичное ПО IAR Workbench for
8051, предназначенное для работы с ядром 8051 в чипсетах серии СС2540, поставляется фирмой
IAR. На сайте этой фирмы можно бесплатно скачать 30-дневную тестовую версию [13].
Фирма Bluegiga выпускает программно-аппаратные отладочные комплекты. В состав стартового комплекта BLE112 Starter Kit входят:
• два модема BLED USB;
• два модуля BLE112;
• средства программирования для CC2540;
• комплект фирменного ПО Bluegiga для работы с модулем BLE112.
Отладочный комплекс BLE112 Evaluation Kit представляет собой законченную отдельную плату, которая содержит:
• модуль BLE112;
• полные интерфейсы RS232 и USB;
• тестовые внешние датчики с интерфейсами
SPI/USART/AIO;
• линейку светодиодных индикаторв;
• клавиатуру;
• интерфейс доступа к пользовательским вводам/выводам;
• сетевой адаптер питания.
В комплекте с этим комплексом также по- ставляется и полный набор программного обеспечения Bluegiga.
Примеры практического
использования BLE112
Серия Bluegiga BLE (Bluegiga Low Energy) позво- лит производителям выйти на новый уровень миниатюрных переносных Bluetooth-устройств с батарейным питанием. При этом отладочные средства Bluegiga позволяют адаптировать стек низкого энергопотребления для совместной работы с другими устройствами. Так, например, можно настроить миниатюрные датчики для совместной работы с ноутбуками, смартфонами, портативными считывателями информации.
В конце 2011 г. предполагается выпуск новых моделей со специальными уровнями Bluetooth, которые предназначены для работы с такими приложениями, как:
• информационная строка на наручных ча- сах;
• датчики сердечного ритма;
• шагомеры;
• радионаблюдение;
• тономеры;
• глюкометры;
• медицинские весы;
• брелоки для ключей;
• датчики домашних хозяйственных устройств;
• датчики расхода воды, электричества, газа;
• датчики систем безопасности;
• беспроводные ключи;
• беспроводные банковские карточки;
• парковочные автомобильные датчики;
• клавиатуры, мыши и принтеры;
• гарнитуры для GPS-навигаторов.
Все эти приложения хорошо известны. Имеет смысл сказать несколько дополнительных слов об информационной строке на наручных часах. Уже сейчас эти аксессуары существуют в исполнении, где отдельной информацион- ной строкой выводятся сообщения SMS или
E-mail, поступившие на ваш ноутбук или
Рис. 9. Пример запроса модуля BLE112 на установление соединения с устройством BA:DF:00:OD:CA:FC
Рис. 10. Пример ответа внешнего устройства на запрос модуля BLE112 об установке соединения
Рис. 11. Листинг программы для связи с Bluetooth-тонометром, написанной в формате Bluegiga-script
Рис. 12. Пример фрагмента программы для связи с Bluetooth-тонометром в формате XML

КОМПОНЕНТЫ |
компоненты семейства 802.xx
БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №2 ’11 22
смартфон. На наручные часы они дублиру- ются по Bluetooth-каналу. Развитие подобных устройств сдерживалось из-за достаточно боль- шого энергопотребления в Bluetooth-модулях предыдущих версий.
На рис. 13 приведен пример использования модуля BLE112 для управления внешним микроконтроллером, который, в свою оче- редь, координирует работу периферийных устройств. Структура организации беспроводного управления через Bluetooth-канал аналогична предыдущим решениям Bluegiga, в которых использовались модули WT11 и WT12, управ- ляемые с помощью ASCII-команд и интерфейс iWRAP. В новых модулях вместо этих команд управление реализовано через бинарные ко- манды. Продолжая развитие основной своей идеи «Bluetooth — это просто», Bluegiga вместо интерфейса iWRAP разработала новые средства
BG Profile Toolkit, BG Script. Эти законченные программные комплексы дают возможность разработчикам, не имеющим опыта работы с программированием Bluetooth-модулей, быстро и без особого труда создавать управляющие программы в форматах XML и BG Script.
Перечисленные выше направления возможных приложений BLE имеют огромный потреби- тельский рынок. Поэтому будущее технологии
Bluetooth 4 представляется достаточно перспек- тивным. По оценкам специалистов, продукция с поддержкой Bluetooth 4.0 BLE, Dual-mode в ближайшие годы вытеснит с рынка оборудо- вание, поддерживающее только предыдущие версии 1–3.
В настоящее время в серии BLE Bluegiga под- держивается только режим работы Single-mode.
Модули выпускаются в модификациях со встро- енной антенной и с разъемом для подключения внешней антенны. Компания планирует выпустить в продажу модули BLE Bluegiga с поддержкой
Dual-mode во второй половине 2011 г.
Технология низкого энергопотребления
Bluetooth 4.0 является открытым стандартом, разработанным группой SIG для общего поль- зования. При разработке стандарта технология тестировалась на совместимость практически со всеми устройствами известных мировых производителей Bluetooth-оборудования.
Поэтому у разработчиков, использующих серию BLE, не должно быть сомнений в том, что их оборудование не будет конфликтовать с другими изделиями, удовлетворяющими протоколам Bluetooth 4.
На сайтах [2, 14] можно посмотреть видео- клипы, иллюстрирующие различные области применения Bluetooth 4.
Модули серии BLE112 будут одними из наиболее дешевых среди других изделий Bluegiga. Так, например, предполагается, что ориентировоч- ная цена на большие заказы (от 10 000 шт.) составит около $10.
Литература
1. http://www.bluetooth.com
2. http://www.bluetooth.com/Pages/Low-Energy.
aspx
3. Texas Instruments: 2.4-GHz Bluetooth® low energy
System-on-Chip. CC2540F128, CC2540F256,
SWRS084. October 2010.
4. Bluegiga, BLE112 Preliminary Data Sheet. 28
January 2011. Version 0.91.
5. Nordman T. BLE112 Bluetooth® low energy module. Bluegiga Partner Briefing and Product
Presentation. Finland. 2011.
6. Texas Instruments. CC2540, Bluetooth® Low
Energy. Software Developer’s Guide v.1.0.
7. http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/
smartrftm-studio.html
8. Texas Instruments. SmartRF® Studio. User
Manual. Rev. 6.13.1.
9. TI. SmartRF HANDS ON User Manual.
10. TI. Register View in SmartRF® Studio.
11. TI. SmartRF™ Studio 7. Overview. Low Power
RF Development Tools.
12. Bluetooth® Low Energy, CC2540. Mini
Development Kit. User’s Guide.
13. IAR Embedded Workbench® for 8051. http://
www.iar.com/website1/1.0.1.0/244/1/
14. http://www.ti.com/ww/en/analog/bluetooth/
index.htm?DCMP=BluetoothLowEnergy&HQ
S=NotApplicable+OT+bluetoothlowenergy
Рис. 13. Структурная схема организации беспроводного управления внешними устройствами с помощью модуля BLE112


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©nethash.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал