使用可扩展无线 MCU 实现灵活的传感器设计
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发表于:2017-04-21 12:00
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 无线连接是像智能灯泡、遥控装置、智能建筑传感器和执行器、智能电表、可穿戴设备(含健身设备)、安全报警和信号灯这样的各类智能连接设备的关键一环。

由于有多种适用的标准,市场和最终用户的喜好也不断变化,因此选择正确的无线技术并不总是那么简单。 开发团队为了赶上预期发布日期必须提前开展工作,但在这么早的阶段确定无线技术可能并非理想的做法。 另一方面,有些类型的产品可以通过推出采用不同无线电标准的变型来获得灵活性,从而获得在不同地区或市场的销售优势。

但是,无线电是智能传感应用的核心组件,传统方式要求尽早确定采用哪种标准。 以一个为应用选择 ZigBee® 技术的制造商为例。 在实践中,这一决定固化了设计的多个方面,如收发器技术、PCB 布局、软件堆栈以及接入无线电的 API。

假设在设计过程中出现了新的市场数据,表明使用智能蓝牙® 技术能够大幅扩大最终产品的目标市场。 这时就要更改无线电,应用需要改用智能蓝牙堆栈和新的 API,围绕现有无线电设计展开的大量工作将付诸东流。 这实际相当于在项目的后期阶段全盘开始重新设计,难度可想而知。 事实上团队必须选择是用错误的产品实现预期的上市时间,还是大幅推迟发布正确的产品。 此外还需要考虑增加的工程设计成本。

可扩展的嵌入式无线平台

为了给制造商在选择无线技术方面提供更大的灵活性,Texas Instruments (TI) 开发了 SimpleLink™ 超低功耗无线微控制器 (MCU) 平台。 该架构基于 ARM® Cortex®-M3,目前可提供 32 KB 到 128 KB 闪存的存储器配置。 它能为各种智能传感应用提供足够的处理能力,可充当独立的 MCU。

设计 SimpleLink 的目的是实现无线技术的可扩展性。 该器件系列采用引脚兼容型封装方案,支持多种不同的无线电技术,包括智能蓝牙、次 1 GHz、ZigBee、6LoWPAN、IEEE 802.15.4、RF4CE™ 以及工作速度高达 5 Mbps 的专有模式。

从硬件角度而言,更改为采用不同集成式无线电的器件非常简单。 所有 2.4 GHz 技术和所有次 1 GHz 技术都能直接兼容引脚。 不仅如此,不同 SimpleLink 器件的所有其他外设都是相同的。 这为制造商提供了极大的灵活性,使其能够将无线电技术的最终选定推迟到设计流程的晚期。

该平台还能在所支持的各种标准之间兼容代码。 不过,改变无线电确实会对应用软件设计产生一定的影响。 这种影响源于应用必须考虑的无线电堆栈差异。 例如,与 6LoWPAN 协议栈的对接是使用 IP 消息实现的。 而使用智能蓝牙时,应用将会读取或修改多种属性。 这些差异已经反应到 TI 随其每个 SimpleLink 无线 MCU 提供的 API 中。

作为最佳实践,制造商可采用模块化方式设计无线电接口。 让应用向无线电函数发送数据,而不是让应用直接访问无线电,从而将无线 API 抽象出来。 然后,该函数可根据需要,使用相应的 API 处理待发送或待接收的数据。 最终的效果是,如果需要在设计流程的后期更改无线电,只需移植该无线电函数即可。

相同的器件,不同的无线电

该平台由用于智能蓝牙的 CC2640 无线 MCU、支持 6LoWPAN 和 ZigBee 的 CC2630、用于次 1 GHz 的 CC1310 以及支持 ZigBee RF4CE 的 CC2620 构成。 如图 1 所示,这些器件提供多种封装样式。

 

 

图 1:SimpleLink 策略消除了无线再分配难题造成的硬件问题。

TI 还将发布 CC2650 多标准器件。 这种“超集”器件可以在硬件和软件中动态配置,以支持多种不同的 2.4 GHz 无线电中的一种。 采用 CC2650 搭建的设计在进入生产时也可以不锁定选择,并可在现场安装时进行配置。 这样,制造商完全可以等到最后一刻才决定采用哪种无线电,且无需更改天线设计。

由于允许改变支持的无线电,CC2650 还使应用能够使用单一芯片支持多种无线电。 因此,通过在现场对 CC2650 进行重新编程,系统可以与基于 ZigBee 和基于蓝牙的设备进行通信。

多处理器架构

如图 2 所示,SimpleLink 平台集成了多个处理器,可提供智能传感应用执行各种任务所需的不同级别的计算能力。 通过为手头的任务选择正确的处理器,可以让器件以最可能低的功耗运行。

 

 

图 2:SimpleLink 架构将感测、处理和通信操作的能耗降至最低。

应用处理器为 ARM® Cortex®-M3,是 SimpleLink 超低功耗平台的主处理器。 它能提供作为能够智能管理传感器型系统的独立 MCU 所需的必要性能。 Cortex-M3 具有足够的处理能力来应对应用和高级堆栈任务处理,并且非常节能。

该无线电处理器是一款集成式 Cortex-M0,专用于管理系统的各种低级无线电任务。 这样就减轻了主 CPU 的时序关键型任务负荷。

第三个处理器是一种超低功耗集成 MCU,专用于快速、高效地监控传感器。 此传感器控制器的作用旨在精确提供合适的处理水平,以便进行数据采样并简化传感器决策。 此外,它的存储器容量有限,没有无关的外设。 对于像定期轮询传感器输出、确定是否发生阈值事件之类任务,这款控制器非常节能,而且能够避免在不必要时无谓地唤醒主 CPU。

TI 采用 SimpleLink 无线 MCU,通过提供操作无线电和与之对接所需的软件简化了设计。 这也使无线电设计得到了简化,开发人员只需置入相应的 SimpleLink 器件便可快速使用无线电,而无需进行大量的配置和调节。 为此,无线电控制器附带了经优化的生产代码,可实现最高效的无线电操作。

高能效感测

由于传感器控制器需要监控传感器,做出决策,并根据特定应用采取行动,因此开发人员需要能够配置其操作。 TI 提供软件开发工具 Sensor Controller Studio,供用户配置传感器控制器。 该工具可输出传感器控制器接口驱动程序,其中包含生成的传感器控制器机器代码和相关的定义。 可以配置传感器控制器执行常见任务,而无需写入任何代码,另一方面,对于需要自定义代码的应用,将通过类似 C 语言的脚本语言提供支持。 通过使用传感器控制器的测试和调试功能,Sensor Controller Studio 可加速开发过程。 这样可实现传感器数据和算法验证的实时可视化。

传感器控制器的另一个主要优势在于它与主 CPU 的集成。 传统上,任何附加的传感器控制器都是通过另一个不那么强大的 MCU 来实现的,用以减少主应用处理器的负荷。 这样,在低功耗传感器控制器监控和管理传感器时,应用处理器可保持休眠模式,从而实现节能。 另一方面,由于辅助 MCU 位于应用处理器的外部,开发人员必须设计并管理两个处理器之间的通信,还需要实现中断功能,以便控制器能够唤醒应用处理器。

在 SimpleLink 平台中,传感器控制器的实现方式不仅具备所有能效优势,而且不会产生复杂的设计。 由于传感器控制器、无线电 MCU 和应用传感器全部集成在同一硅晶上,因而极大地简化了硬件和软件设计。

SimpleLink 平台提供了一个易于编程的无线 MCU,并避免了尝试集成 PHY 和堆栈带来的难题。 应用代码在许多设计人员已非常熟悉的标准 MCU — ARM Cortex-M3 上运行。 TI 为其每种无线电技术提供了 API,最大限度地减轻了开发人员的学习负担。 射频和天线设计已经过简化,并且不会影响可靠性或性能。 内置强大的安全性功能,并且协议栈已做好生产准备。

使用 SimpleLink 进行设计

要使用 SimpleLink 器件进行设计,开发人员可以选择多种全功能设计环境,如 Code Composer Studio™ 集成开发环境 (IDE) 或 IAR 嵌入式工作台。

提供的评估套件也可用于快速启动设计。 其中,SimpleLink CC2650 开发套件包含两个 CC2650 评估模块和两块 SmartRF06 主板,可用于支持软件开发和运行无线电性能测试。 由于 CC2650 能够支持多种 2.4 GHz 无线电标准,因此该平台也可用于 CC2640 智能蓝牙和 CC2630 ZigBee®/6LoWPAN 无线 MCU 的应用开发。 套件中的微控制器已使用软件进行过预编程,可用于范围测试。 在 TI-RTOS 之上还构建了低功耗蓝牙和 ZigBee 堆栈,其中集成了设备驱动程序和电源管理功能。

CC2650 无线 MCU 也是 TI 的 SensorTag IoT 套件的核心组件。 SensorTag 可连接到云,无需任何编程经验即可使用。 它含有十个传感器,包括光、湿度和压力传感器,一个数字麦克风、磁性传感器、加速计、陀螺仪、磁力仪、物体温度传感器、环境温度传感器,以及内置的 iBeacon 技术。 利用相关的移动应用,用户可查看启动时的传感器瞬时读数,并根据 SensorTag 数据和物理位置定制内容。

结论

TI 的 SimpleLink 超低功耗无线 MCU 平台可简化智能无线设备的开发,为开发团队带来了灵活性。如有必要,即使在设计周期的晚期也能更改为不同的无线标准。 这样可以让项目尽早开始,并将最终决策留到后期做出,从而使 OEM 厂商能在正确的时间向市场交付优化的产品。 能耗敏感的多处理器架构可帮助开发人员更轻松地满足许多智能检测应用严格的功耗和性能要求。



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