Wykorzystanie zaawansowanych układów SoC Bluetooth 5.2 do budowy bezpiecznych urządzeń IoT o niskiej mocy

Dodatkowe funkcje Bluetooth umożliwiają deweloperom zmniejszenie zużycia energii bez utraty precyzji pozycjonowania. Aby na przykład wdrożyć AoD w urządzeniu przenośnym, protokół Bluetooth pozwala na synchronizację nadajnika i odbiornika, aby oba urządzenia włączały się jednocześnie i wykonywały skanowanie lokalizacji. Takie podejście eliminuje potrzebę przypadkowego marnowania energii przez urządzenia wysyłające lub nasłuchujące pakietów sygnałów. Procesory mogą po prostu pozostawać uśpione w trybie niskiego poboru mocy, dopóki wbudowane zegary nie wybudzą ich w wymaganym czasie. To zsynchronizowane podejście zmniejsza również zakłócenia i spadki wydajności, które powstałyby, gdyby duża liczba nadajników i odbiorników działała blisko siebie.

Okresowe przesyłanie sygnału Bluetooth (PAST) zapewnia dalsze ograniczenie zużycia energii w sparowanych urządzeniach, takich jak urządzenia ubieralne i smartfony (ilustracja 2).

Ilustracja 2: Zamiast zużywać energię w celu utrzymania własnego zsynchronizowanego połączenia z nadajnikiem (po lewej), urządzenie ubieralne może korzystać z mechanizmu Bluetooth PAST w celu zmniejszenia zużycia energii, współpracując ze sparowanym smartfonem w celu zapewnienia wymaganych danych synchronizacji (po prawej). (Źródło ilustracji: © Bluetooth SIG)

Dzięki mechanizmowi PAST urządzenie ubieralne wykorzystuje okresową synchronizację sygnału smartfona z nadajnikiem. W rezultacie urządzenie o niskiej mocy może uniknąć strat energii związanych z wybudzaniem i przeprowadzaniem zsynchronizowanej wymiany danych z nadajnikiem. W razie potrzeby w sytuacji niskiego poziomu naładowania baterii, urządzenie ubieralne może nawet zmniejszyć częstotliwość aktualizacji danych pozycjonowania ze smartfonem, wydłużając czas działania kosztem dokładności pozycjonowania.

Aby jednak w pełni wykorzystać zaawansowane funkcje BLE, deweloperzy potrzebują Bluetooth SoC, który jest w stanie sprostać konkurencyjnym wymaganiom w zakresie obniżonego zużycia energii i możliwości obliczeniowych. Grupa EFR32BG22 Bluetooth Low-Energy 5.2 SoC firmy Silicon Labs została zaprojektowana specjalnie z myślą o spełnieniu tych wymagań w przypadku masowo produkowanych urządzeń z zasilaniem bateryjnym.

Spełnianie wymagań dotyczących mocy i wydajności

Zbudowana na bazie rdzenia ARM Cortex®-M33, architektura Bluetooth Low-Energy 5.2 SoC grupy EFR32BG22 firmy Silicon Labs cechuje się kompleksowym zestawem funkcji i możliwości wymaganych w projektach urządzeń IoT, urządzeń ubieralnych i innych produktów mobilnych z zasilaniem bateryjnym (ilustracja 3).

Ilustracja 3: Architektura SoC EFR32BG22 firmy Silicon Labs wykorzystuje rdzeń Arm Cortex-M33 i cechuje się kompleksowym zestawem funkcji i możliwości zaprojektowanych w celu optymalizacji komunikacji BLE, zwiększenia bezpieczeństwa i zminimalizowania zużycia energii w projektach o niskim poborze mocy. (Źródło ilustracji: © Silicon Labs).

Dzięki rdzeniowi Arm Cortex-M33 z powiązaną pamięcią, podstawowa architektura SoC EFR32BG22 łączy w sobie szeroki zestaw interfejsów szeregowych, kanałów GPIO, zegarów i timerów. Zintegrowany 12-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) obsługuje przetwarzanie wejściowe SE (single-ended) lub różnicowe z prędkością do 1 miliona próbek na sekundę (MSPS) dzięki nowatorskiej architekturze, która łączy elementy z rejestru SAR i przetworniki delta-sigma.

W grupie EFR32BG22 różne urządzenia są projektowane tak, aby spełniać określone wymagania dotyczące przetwarzania i operacji Bluetooth. Na przykład deweloperzy budujący projekty do bardziej wymagających obliczeń mogą wybrać SoC EFR32BG22C222, który oferuje szybszy rdzeń, więcej GPIO i wyższą moc nadawania (TX). W przypadku projektów zbudowanych do zastosowań RTLS lub IPS konstruktorzy mogą skorzystać z SoC EFR32BG22C224 z wbudowanym wsparciem próbkowania IQ i ze zwiększoną czułością odbiornika (RX).

Podstawą każdego urządzenia z grupy EFR32BG22 jest kompletny podsystem radiowy, moduł zabezpieczeń i jednostka zarządzania energią, które zapewniają szeroki zakres usług wymaganych do bezpiecznej komunikacji Bluetooth o niskim poborze mocy.

Podsystem radiowy Bluetooth o niskiej mocy

Podsystem radiowy grupy EFR32BG22 obsługuje technologię Bluetooth Low Energy 5.2 poprzez osobne ścieżki sygnałowe nadawania (TX) i odbioru (RX) kontrolowane przez dedykowany rdzeń procesora Arm Cortex-M0+ o ultraniskiej mocy. Projekt podsystemu radiowego uzupełnia możliwości przetwarzania tego rdzenia o dedykowane bloki, w tym sterownik FRC, moduł kontrolny CRC i dedykowany sterownik bufora radiowego (BUFC), który zarządza buforami RAM (ilustracja 4).

Ilustracja 4: Urządzenie SoC EFR32BG22 posiada zintegrowany kompletny podsystem radiowy BLE sterowany przez dedykowany rdzeń procesora Arm Cortex-M0+. (Źródło ilustracji: ©Silicon Labs)

Ścieżka nadawania (TX), oparta na architekturze nadajnika z bezpośrednią konwersją obejmuje wbudowany wzmacniacz mocy (PA) z modulatorem (MOD) i syntezatorem częstotliwości. Podczas wykonywania protokołów wielodostępowych do łącza ze śledzeniem stanu nośnika i unikaniem kolizji (CSMA/CA) lub listen-before-talk (LBT), sterownik radiowy Arm Cortex-M0+ automatycznie zarządza niezbędnym taktowaniem transmisji ramki.

Ścieżka odbioru (RX) wykorzystuje architekturę odbiornika o niskiej częstotliwości pośredniej (IF), która obejmuje wzmacniacz niskoszumowy (LNA), automatyczną kontrolę wzmocnienia (AGC) i przetwornik IF ADC, który umożliwia urządzeniu cyfrową demodulację (DEMOD) z decymacją oraz filtrowaniem i może być skonfigurowany do obsługi pasma odbiornika od 0,1 do 2530 kiloherców (kHz). Łańcuch sygnałowy odbioru (RX) generuje natomiast wartość RSSI odbiornika wykorzystywaną do szerokiej gamy usług, w tym między innymi do optymalizacji mocy, sterowania jakością sygnału i wykrywania bliskości.

Działając równolegle ze ścieżką sygnału odbioru (RX), moduł RFSENSE firmy Silicon Labs monitoruje sygnał wejściowy i wybudza urządzenie, gdy wykryje energię o częstotliwościach radiowych (RF) powyżej określonego progu. Aby zmniejszyć liczbę fałszywych alertów podczas pracy w środowisku elektrycznym o dużej ilości zakłóceń, moduł RFSENSE posiada również tryb selektywny, który generuje sygnał wybudzenia tylko wtedy, gdy wykrywa określony wzorzec energii, a nie jakąś serię przypadkowej energii RF. W tym przypadku wzorzec energii odpowiada preambule kluczowania on-off (OOK) w przesyłanym pakiecie, więc energia wykryta przez moduł RFSENSE ma większe prawdopodobieństwo zasygnalizowania rzeczywistej komunikacji.