Многофункциональные однокристальные беспроводные решения обеспечивают разработчикам возможность удовлетворения самых высоких требований потребителей при одновременном увеличении гибкости приложений, сокращении количества необходимых комплектующих и занимаемого места на печатной плате. На сегодняшний день на рынке однокристальных беспроводных микроконтроллеров присутствуют несколько фирм: Atmel, Freescale Semiconductor, Microchip, Nordic, NXP, Silicon Laboratories, ST Microelectronics, Texas Instruments. Условия достаточно сильной конкуренции вынуждают компании постоянно совершенствовать архитектуру систем-на-кристалле, оптимизировать параметры приемопередатчиков, режимы энергосбережения, развивать программное обеспечение, предлагая программные библиотеки, стеки протоколов, среды и средства разработки.
Аппаратные возможности микроконтроллеров беспроводных систем-на-кристалле отличаются друг от друга, как по разрядности обрабатываемых данных, так и по максимальным рабочим частотам. Представлены 8-, 16-, и даже 32-битные процессорные ядра. Достаточно часто в качестве управляющих микроконтроллеров, в беспроводных системах-на-кристалле встречаются общепринятые стандартные процессорные ядра, такие как, 8-битные ядра архитектуры х51 и 32-разрядные ARM-ядра. В ряде случаев фирмами предлагаются законченные решения - беспроводные системы сбора данных, интегральные датчики физических величин.
Для частот менее 1 ГГц разрешенные диапазоны в различных странах могут отличаться, и не всегда есть возможность использовать одну и ту же элементную базу, хотя предлагаемые компаниями решения чаще всего являются достаточно универсальными в плане выбора частоты передачи. Преимущества субгигагерцового диапазона касаются лучшей дальности устойчивой работы по сравнению с частотами диапазона 2,4 ГГц при одинаковой выходной мощности передатчика, уменьшению влияния препятствий на прохождение сигнала, что особенно актуально для работы внутри зданий и офисных помещений.
Системы-на-кристалле для данного диапазона предлагаются фирмами Freescale Semiconductor, Microchip, Nordic Semiconductor, Silicon Laboratories, Texas Instruments.
Frеescale Semiconductor [64] представлена СнК MC12311 (Рис. 5.1) на базе 8-битного малопотребляющего контроллера HCS08, соединенного с приемопередатчиком, поддерживающим несколько типов модуляции сигнала, включая OOK, FSK, GFSK и MSK. Интегрированным приемопередатчиком поддерживается широкий диапазон частот, включая частоты 315, 433, 470, 868, 915, 928 и 960 МГц и скорости передачи данных от 1.2 до 300 Кбит/с. Максимальная чувствительность в режиме приема при скорости передачи данных 1.2 кбит/с -120дБм, высокая селективность каналов обеспечивается КИХ фильтром 16-го порядка. Поддерживается аппаратное вычисление контрольных сумм, шифрование данных (AES128), присутствует 66-байтный FIFO-буфер.
Периферийные устройства включают в свой состав 10-каналый 12-битный АЦП, два аналоговых компаратора, генератор с частотой 243 КГц±0.2% (погрешность при изменении напряжения в пределах ±0.5%). Микроконтроллер системы-на-кристалле MC12311 сохраняет работоспособность при напряжениях питания от 1.8 до 3.6 В при максимальных рабочих частотах от 20 (при напряжении питания 1.8 - 2.1 В) до 50 МГц (3.6 В). Примечательно, что производительность приемопередатчика не зависит от напряжения питания системы. Дополнительно присутствуют встроенный датчик температуры, индикатор разряда батареи.
(рис 5.1) Структурная схема MC12311
Интегрированная однокорпусная система серии MPXY8300 представляет собой датчик давления, ускроения и температуры, интегрированные с беспроводной системой-на-кристалле на базе 8-битного контроллера семейства S08 и приемопередатчиком субгигагерцовго диапазона.
MPXY8300 включает в себя датчик давления, датчик температуры, датчики ускорения (оси X, Z), подключенные к 10-битному АЦП (Рис. 5.2). Приемопередатчик MPXY8300 работает в диапазонах 315/434 МГц, поддерживает амплитудную и фазовую модуляции. Предназначен прежде всего для систем мониторинга давления в реальном режиме времени, в частности, давление в шинах во время движения. Точность измерения давления составляет ±10 КПа в диапазоне 100-800Кпа при температуре от 0 до 70°С.
Для сетей Smart Grid субгигагерцового диапазона Freescale Semiconductor предлагает беспроводной микроконтроллер линейки Kinetis - Kinetis KW01. Поддерживает работу в диапазонах 315, 433, 470, 868, 915, 928 и 960 МГц с модуляцией сигнала GFSK, MSK, GMSK и OOK.
В основе Kinetis KW01 (MKW01Z128) процессорное ядро ARM Cortex-M0+, работающее на тактовой частоте до 48 МГц при потреблении порядка 40 мкА/МГц (Рис. 5.3). Имея 128 КБ флеш-памяти и 16 КБ статической оперативной памяти, этот микроконтроллер в типичных в Потребление тока режиме ожидания примерно 1.7 мкА (в режиме останова менее 100 нА), а возвращение к активному режиму за 4.3 мкс.
MKW01Z128 поддерживает работу в диапазонах частот 290-340, 424-510 и 862-1020 МГц, несколько режимов модуляции: FSK, GFSK, MSK, GMSK и OOK. Возможные скорости передачи данных от 1 до 600 Кбит/с (FSK-модуляция). Максимальная чувствительность приемника до -120 дБм (при скорости 1.2 кбит/с), диапазон выходной мощности передатчика от -18 до +17 дБм.
Среди периферийных устройств Kinetis KW01 16-канальный 16-битный АЦП, высокоскоростной аналоговый компаратор с 6-битным АЦП, 12-битный ЦАП, 5 многоканальных таймеров, набор последовательных интерфейсов, 16-канальный тач-сенсор.
Программное обеспечение для Kinetis KW01 включает в себя проприетарные и стандартные протоколы 6LoWPAN, WMBUS (EN13757-4), KNX и ECHONET. Беспроводной микроконтроллер KW01 может использоваться в качестве сетевого процессора, обрабатывающего младшие уровни сетевого протокола, при работе в паре с контроллером, выполняющим прикладные задачи. Возможности процессорного ядра и встроенной памяти позволяют строить на базе Kinetis KW01 полнофункциональные автономные узлы сенсорных сетей, совмещающих в себе и работу в сети, обработку внешних событий и работу с периферийным оборудованием.
(рис 5.2) Структурная схема датчика давления и ускорения MPXY8300 с беспроводным интерфейсом
(рис 5.3) Структурная схема беспроводных контроллеров семейства Kinetis KW01
Ассортимент беспроводных контроллеров компании Microchip на данный момент представлен сериями - PIC12F529T***, PIC12LF1840T39A, rfPIC12F675*, PIC16LF1824T39A [65].
Серии PIC12F529T39, PIC12LF1840T39A и PIC12F529T48 обладают практически идентичными характеристиками за исключением рабочих диапазонов частот. Трансиверы PIC12F529T39 и PIC12LF1840T39A работают в диапазонах 310, 433, 868 и 915 МГц, PIC12F529T48 418, 433 и 868 МГц.
Микроконтроллер систем PIC12F529T*** обладает встроенным прецизионным генератором на 8 МГц (±1%), несколькими режимами энергосбережения, несколькими таймерами, линиями ввода-вывода. Встроенные трансиверы обеспечивают скорости передачи данных до 100 кбит/с при FSK модуляции и до 10 кбит/с до в режиме OOK 043Cодуляции. Выходная мощность 0 дБм или 10 дБм.
Восьмибитный RISС контроллер с 12-битными инструкциями обеспечивает высокую производительность (преимущественно однотактное исполнение команд) при высокой плотности кода (выигрыш порядка 2:1 по отношению к контроллерам с 8-битными командами).
Средства разработки и поддержки беспроводных PIC-контроллеров диапазона включают макро-ассемблер, программный симулятор, программаторы.
Основными областями применения являются беспроводные системы управления персонально пользования, системы безопасности, низкопотребляющие системы удаленного управления.
Серии rfPIC12F675* отличает 8-разрядный микроконтроллер семейства PIC, приемопередатчик на 290-350/380-450/850-930 МГц (литеры K, F, H соответственно) с поддержкой ASK и FSK модуляции в компактном 20-выводном корпусе. Среди периферийных устройств - 4-канальный 10-битный АЦП, одноканальный аналоговый компаратор, 128-байт EEPROM. Трансивер поддерживает скорости передачи данных до 40 кбит/с при выходной мощности до 10 дБм.
Системы серий PIC16LF1824T39A (Рис. 5.4) на базе 8-разрядного RISC микроконтроллера семейства PIC, приемопередатчик диапазонов 310, 434, 868, 815 МГц с поддержкой OOK и FSK модуляции в компактном 20-выводном корпусе. Периферийные устройства - 12-канальный 10-битный АЦП, два аналоговых компаратора, встроенный источник опорного напряжения (выходные напряжения 1.024, 2.048, 4.096 В), 5-битный ЦАП. Трансивер поддерживает скорости передачи данных до 100 кбит/с (режим FSK, в режиме OOK - до 10 Кбит/с) при выходной мощности 0 или 10 дБм.
Система-на-кристалле nRF9E5 компании Nordic Semiconductor [66] предназначена для работы в диапазонах 433/868/915 МГц, включает в себя приемопередатчик, 8-битный микроконтроллер на базе ядра х51 с 256 байтами оперативной памяти, 512 байтами ПЗУ с предпрошитым загрузчиком, 4 Кбайтами памяти программ, выполненной по технологии оперативной памяти (Рис. 5.5). Выполняемая программа размещается во внешнем последовательном ПЗУ (SPI-флеш) и при старте загружается во внутреннюю память. Набор периферийных устройств содержит последовательные интерфейсы (SPI, UART), 4-канальный 10-битный АЦП, набор таймеров, ШИМ-контроллер.
Трансивер nRF9E5 поддерживает все возможности приемопередатчика nRF905, включая технологию ShockBurst с автоматической поддержкой распознавания преамбулы, адреса, вычисления контрольной суммы. nRF9E5 содержит встроенный стабилизатор напряжения, повышающий устойчивость системы к шумам и обеспечивающий стабильную работу в диапазоне напряжений 1.9 - 3.6В. Четыре возможных варианта выходной мощности передатчика: -10, -2, +6 и +10 дБм, чувствительность приемника порядка -100дБм, скорость передачи данных до 50 Кбит/с.
(рис 5.4) Структурно-функциональная схема PIC16LF1824T39A
(рис 5.5) Структурная схема системы-на-кристалле nRF9E5 компании Nordic Semiconductor
Silicon Laboratories располагает одним из наиболее обширных ассортиментов однокристальных беспроводных систем субгигагерцового диапазона. Предлагаются серии Si4010, Si100x, Si101x [67]. Все они в качестве управляющего содержат ядро контроллера х51-й архитектуры.
Схема включения Si4010 из внешних компонентов предполагает наличие только развязывающего конденсатора, антенны, средств взаимодействия с пользователем (например, кнопки).
Внутренний генератор, основанный на генераторе Si500 не требующем внешних резонаторов и времязадающих цепей, обеспечивает точность в ±150 ppm в коммерческом диапазоне температур и ±250 ppm в промышленном, что является достаточным для большинства областей применения. Трансивер с управляемым усилителем (выходная мощность до +10дБм) способен работать в диапазоне частот от 27 до 960 МГц.
Микроконтроллер Si4010 (Рис. 5.6) содержит 512 байт внутренней памяти данных, 4 Кбайта оперативной памяти, 8 Кбайт однократно программируемого ПЗУ, 128 бит EEPROM, 12Кбайтная библиотека ПЗУ-функций и аппаратный ускоритель шифрования (AES-128).
Контроллеры беспроводных систем серий Si100x, Si101x (Рис. 5.7) располагают 32 или 64 Кбайтами флеш-памяти, выходная мощность трансиверов до +13/+20 дБм. Серии Si1004/Si1005, Si1014/Si1015 содержат встроенный повышающий импульсный преобразователь (DC/DC, эффективность до 90%), позволяющий более полно использовать ресурсы автономного источника питания. Встроенный преобразователь имеет выходную мощность до 250 мВт, что позволяет питать не только микроконтроллер, но и другие внешние компоненты.
(рис 5.6) Структурная схема СнК серии Si4010
(рис 5.7) Структурно-функциональная схема беспроводных контроллеров серий Si100x, Si101x
Однокристальные решения серии Si102x/3x совмещают в себе функции энергосбережения микроконтроллеров F96x и приемопередатчик субгигагерцового диапазона EZRadioPRO, ориентированные на применения во встраиваемых системах с батарейным питанием.
В микросхемы интегрирован низкопотребляющий счетчик импульсов, способный работать в спящем режиме без использования ресурсов процессорного ядра. Данное решение эффективно для снижения энергопотребления в устройствах автоматического снятия показания со счетчиков расхода энергоресурсов (электроэнергии, воды, тепла, газа), имеющих импульсный выход.
Основные характеристики трансиверов:
СС430 является комбинацией низкопоребляющего микроконтроллера MSP430 и радиочастотного трансивера CC1101 [68]. Семейство приборов CC430 состоит из нескольких компонентов с различным набором периферийных устройств, предназначенных для создания широкого спектра электронных приборов. Архитектура поддерживает пять режимов работы, что позволяет достигнуть превосходных энергетических показателей для портативных устройств с батарейным питанием. Вычислительное ядро системы - 16-битный RISC микроконтроллер MSP430, содержащий 16-битные регистры и генераторы значений констант, позволяющие реализовать максимальную эффективность программного кода.
Приборы семейства CC430 (Рис. 5.8) отличаются глубокой интеграцией микроконтроллерного ядра, его периферийных устройств и радиочастотного трансивера, что, совместно с поставляемыми производителем драйверами и библиотеками, делает из него весьма простое в использовании решение для создания многофункциональных устройств.
Основные характеристики:
Семейство беспроводных контроллеров CC1110Fx (CC1110F8/F16/F32) состоит из трёх приборов, предназначенных для создания маломощных низковольтных беспроводных систем связи в диапазонах 315/433/868/915 МГц. Устройства являются комбинацией радиочастотного трансивера, микроконтроллера с ядром х51, блока флэш-памяти (8/16/32 Кбайт) и набора периферийных устройств.
Семейство CC1111 (CC1111F8/F16/F32) представляют собой однокристальные системы с интегрированным контроллером USB для создания маломощных низковольтных беспроводных систем связи в диапазонах 315/433/868/915 МГц.
Приборы являются комбинацией радиочастотного трансивера, микроконтроллера с ядром х51, контроллера USB 2.0, блока флэш-памяти (8/16/32 Кбайт), 4 Кбайт памяти RAM, блока аппаратного шифрования AES с ключом длиной 128 бит, и ряда других устройств:
(рис 5.8) Структурная схема приборов семейства CC430F*
Сетевой процессор CC1180 является системой-на-кристалле CC1110F32 поставляющейся с прошитым стеком протоколов NanoStack 2.0 Lite компании Sensinode для сетей 6LoWPAN. CC1180 выполняет все критически важные и ресурсоемкие процессы связанные с работой сетевых протоколов, экономя ресурсы внешнего микроконтроллера для решения прикладных задач. Взаимодействие с внешним контроллером (часто называемого прикладным контроллером или контроллером приложений) осуществляется по интерфейсу UART с протоколом обмена NAP. Например, возможно использование микроконтроллеров серии MSP430 или любых других. Сетевой процессор позволяет легко расширить функциональность создаваемой или существующей системы за счет подключения к 6LoWPAN сети.
Ключевые особенности:
Сводные характеристики процессорных ядер систем-на-кристалле диапазона менее 1 ГГц представлены в Табл. 5.1, основные характеристики радиочастотного тракта и энергопотребления в Табл. 5.2.
На Рис. 5.9 показано примерное время выхода на рынок наиболее заметных серий и беспроводных систем-на-кристалле.
(рис 5.9) Временная диаграмма выхода на рынок беспроводных систем-на-кристалле для диапазона < 1ГГц
Диаграмма на Рис. 5.10 дает приблизительную оценку доступности (возможности заказа) беспроводных контроллеров субгигагерцового диапазона в России (отображено количество фирм-поставщиков, предлагающих указанные контроллеры со склада или на заказ по данным сервиса efind.ru).
Безусловно, остается возможность заказа интересующих контроллеров у ближайших официальных дистрибьюторов, расположенных за пределами страны.
| Наименование | Тип процессорного ядра | Максимальные рабочие частоты контроллера, МГц | Объем встроенной памяти, байт ОЗУ/флеш | Напряжение питания, В | Тип корпуса |
|---|---|---|---|---|---|
| MC12311 | HCS08, 8 бит (9S08QE32) | 50.33 (Uпит=2.4 - 3.6В); 40 (Uпит=1.2 - 2.4В); 20 (Uпит=1.8 - 2.1В) | 2К/32К | 1.8 - 3.6 | LGA60 |
| MPXY8300 | HCS08, 8 бит (M68HC08) | 10 | 512/8К (+8К firmware) | 1.8 - 3.6 | SOIC20 |
| MKW01Z128 | ARM Cortex-M0+, 32 бит | 48 | 16K/128K | 1.8 - 3.6 | LGA60 |
| PIC12F529T | RISC, 8 бит | 8 | 201/1536+64(для данных) | 1.8 - 3.6 | TSSOP14 |
| PIC12LF1840T39A | RISC, 8 бит | 32 | 256/4K(+256 EEPROM) | 1.8 - 3.6 | TSSOP14 |
| rfPIC12F675 | RISC, 8 бит | 20 | 64/1024x14 | 2.0 - 5.5 | TSSOP14 |
| PIC16LF1824T39A | RISC, 8 бит | 32 | 256/4K(+256 EEPROM) | 1.8 - 3.6 | TSSOP20 |
| nRF9E5 | 8051, 8 бит | 4 - 20 | 256/512+4К ОЗУ | 1.9 - 3.6 | QFN32L |
| Si4010 | 8051, 8 бит | 24 | 256+4К/12К | 1.8 - 3.6 | MSOP10, SOIC14 |
| Si100x | 8051, 8 бит | 25 | 256+4K/32K или 64K | 0.9 - 3.6 | QFN42, LGA42 |
| Si101x | 8051, 8 бит | 25 | 768/16K или 8K | 0.9 - 3.6 | QFN42 |
| CC430 | MSP430, 16 бит | 25 | 2K-4K/8K-32K | 2 - 3.6 | VQFN48, VQFN64 |
| CC111x | 8051, 8 бит | 26 | 1K-4K/8K-32K | 2 - 3.6 | QFN36 |
| Наименование | Чувствительность приемника, дБм | Выходная мощность передатчика, дБм | Максимальные скорости передачи данных, Кбит/с | Поддерживаемые виды модуляции сигнала | Потребляемый ток Передача/прием, мА (режимы пониженного потребления, мкА) | Частотные диапазоны, МГц |
|---|---|---|---|---|---|---|
| MC12311 | -120 | -18…+17 (с шагом 1 дБм) | 300 | FSK, GFSK, MSK, GMSK, OOK | 16…95/16 (0.1…1.25) | 290…1020 |
| MPXY8300 | - | ASK, FSK | 6…13/- - | 315/433 | ||
| MKW01Z128 | -120 | -18…+17 | 600 | FSK, GFSK, MSK, GMSK, OOK | 16…95/16 (0.1…1.25) | 290-340, 424-510, 862-1020 |
| PIC12F529T | 0, +10 | 100 | OOK, FSK | 9.7, 16.7/9.7 (0.25…170) | 418, 434, 868 | |
| PIC12LF1840T39A | 0, +10 | 100 | OOK, FSK | 9.7, 16.7/9.7 (0.17…350) | 310, 434, 868, 915 | |
| rfPIC12F675 | -12 … +10 | 40 | ASK, FSK | 4..14/4 (9…800) | 290-350, 380-450, 850-930 | |
| PIC16LF1824T39A | 0, +10 | 100 | OOK, FSK | 9, 16.5/9 (0.17..) | 310, 434, 868, 915 | |
| nRF9E5 | -100 | -10, -2, 6, 10 | 50 | GFSK | 9/12 (2.5) | 430-928 |
| Si4010 | -13…+10 | 100 | OOK, FSK | 11..20/10 (0.7) | 27-960 | |
| Si100x | -121 | -1…+20 (Si1000/1); -8…+13 (Si1002/3/4) | 0.123 - 256 | FSK, GFSK, OOK | 18..85/18 -1 | 240-960 |
| Si101x | -121 | -1…+20 (Si1010/1); -8…+13 (Si1012/3/4) | 0.123 - 256 | FSK, GFSK, OOK | 18..85/18 -1 | 240-960 |
| CC430 | -117|-111 | <13 | 500 | 2-FSK, GFSK, MSK, OOK, ASK | 17..36/15 -1 | 300-348, 387-464, 779-928 |
| CC111x | -112 | -30…+10 | 500 | 2-FSK, GFSK, MSK, OOK, ASK |
(рис 5.10) Оценка доступности (возможности заказа) беспроводных контроллеров субгигагерцового диапазона в России
Развитие стандартов сетей диапазона 2.4 ГГц, развитие и массовое распространение персональных мобильных вычислительных устройств (коммуникаторов, смартфонов, планшетных компьютеров), программного обеспечения создает богатую почву для развития приборов, расширяющих их возможности: беспроводные гарнитуры, пульты управления, устройства домашней автоматики. Более широкая полоса частотного канала и их большее количество по сравнению с частотными диапазонами менее 1 ГГц позволяет реализовывать более высокие скорости передачи данных, сложные варианты организации связи, включая скачкообразное переключение частот.
Беспроводные контроллеры Atmel, построенные на базе 8-битного микроконтроллера AVR и трансивера диапазона 2.4 ГГц, ориентированы на работу в сетях, имеющих в основе стандарт IEEE 802.15.4 [69].
Система на кристалле ATmega128RFA1. При энергетическом потенциале радиоканала 103.5 дБ, ATmega128RFA1 обеспечивает наивысшую производительность радиоканала в классе однокристальных устройств. Энергетический потенциал радиоканала определяет дальность и надежность связи в беспроводной системе. Более высокие значения этого параметра позволяют получить большую дальность связи. Для обеспечения надежности системы также присутствует дополнительная периферия.
Чувствительность приемника ATmega128RFA1 равна -100 дБ, выходная мощность регулируется в диапазоне от -17 до +3.5 дБм.
Отличительные особенности ATmega128RFA1:
Для работы с внешними устройствами доступно до 35 линий ввода вывода, два последовательных интерфейса UART, SPI. Периферийные устройства включают таймер часов реального времени, 6 программируемых таймеров с ШИМ-каналами, сторожевой таймер, 8-канальный 10-битный АЦП (до 300 тыс. выборок/с).
Радиочастотная часть требует лишь небольшого набора внешних пассивных элементов. Поддерживаются высокоскоростные режимы передачи данных со скоростями от 250 Кбит/с до 2 Мбит/с.
В конце 2012 года Atmel анонсировала семейство ATmegaRFR2. Возможности нового семейства беспроводных контроллеров ATmegaRFR2 расширены новыми режимами пониженного энергопотребления, позволяющими значительно снизить потребление контроллера в режимах ожидания, включая режим wake-on-radio, сохраняющий активность трансивера при нахождении процессорного ядра контроллера в спящем режиме. Контроллер сохраняет тактовую частоту 16 МГц даже при напряжении питания 1.8 В.
В семейство входит три устройства: ATmega64RFR2, ATmega128RFR2 и ATmega256RFR2, отличающихся различным объемом flash-памяти (64 кбайт, 128 кбайт и 256 кбайт) и оперативной памяти (8 кбайт, 16 кбайт и 32 кбайт).
(рис 5.11) Структурная схема беспроводного контроллера ATmegaRFR2
Ключевые особенности устройств ATmegaRFR2 (Рис. 5.11):
Atmel предлагает набор бесплатных и сертифицированных IEEE 802.15.4-совместимых программных стеков (IPv6/6LoWPAN, ZigBee PRO), средств анализа радиоканала, сред разработки.
Freescale Semiconductor предлагает как экономичные контроллеры с 8-битным процессорным ядром для простых беспроводных систем, так и контроллеры с высокопроизводительными 32-разрядными ядрами. Если подходить строго, системы Freescale Semiconductor со встроенным контроллером не являются однокристальными, а представляют собой интегрированные в одном корпусе трансивер, контроллер, обвязку радиочастотного тракта, включая усилитель и конденсаторы, что в итоге существенно сокращает список материалов конечного изделия [70].
Вторым поколением беспроводных устройств Freescale Semiconductor для сетей ZigBee является семейство MC1321x (Рис. 5.12), объединяющее в одном LGA-корпусе (71 вывод, 9х9 мм). MC1321x содержит трансивер с аппаратной поддержкой ряда операций МАС уровня стандарта IEEE 802.15.4, усилитель с выходной мощностью 1 мВт, стабилизатор напряжения, переключатель прием/передача, поддержку расширения спектра методом прямой последовательности В качестве управляющего контроллера выступает 8-битный контроллер с ядром HCS08 (версия А) с 16/32/60 Кбайтами флеш-памяти (версии MC13211/2/3) и 1/2/4 Кбайтами оперативной памяти.
Freescale предлагает полный спектр программного обеспечения для платформы MC1321x:
(рис 5.12) Структурная схема контроллеров семейства MC1321x
Семейство MC1322x (Рис. 5.13) является третьим поколением устройств Freescale Semiconductor для сетей ZigBee и объединяет низкопотребляющий трансивер диапазона 2.4 ГГц, микроконтроллер с 32-разрядным ядром ARM7, аппаратной поддержкой MAC уровня IEEE 802.15.4, шифрования (AES), размещенных в одном 99-выводном корпусе LGA (Platform-in-Package - PiP).
Возможности MC1322x позволяют применять их в сетях различной топологии и выполняющих различные задачи: от простых соединений типа точка-точка до поддержки mesh-сетей.
Процессорное ядро ARM7TDMI-S работает на частотах до 26 МГц, 128 Кбайт флеш-памяти могут быть отображены на 96 Кбайт оперативной памяти для выполнения процедур стеков протоколов или прикладных задач. Дополнительно 80 Кбайт памяти доступно для программного обеспечения, ответственного за загрузку контроллера, стандартизованные процедуры МАС-уровня стека IEEE 802.15.4 и стеков коммуникационных протоколов.
Встроенный согласующий фильтр и переключатель прием/передача позволяет напрямую подключать несимметричную 50-омную антенну к соответствующему выводу. Интегрированный усилитель мощности позволяет регулировать мощность передаваемого сигнала в диапазоне от -30 до +4 дБм, чувствительность приемника составляет -96 дБм, допускается также подключение внешнего усилителя.
Развязывающие конденсаторы по питанию и конденсаторы нагрузки генератора также интегрированы в корпус, из внешних компонентов необходима антенна и кварцевый резонатор. Встроенный стабилизатор обеспечивает работу устройства в диапазоне напряжений от 2.0 до 3.6 В.
Наличие нескольких режимов энергопотребления и небольшое число внешних элементов делает MC1322x перспективным решением для устройств с батарейным питанием при миниатюрных габаритах.
(рис 5.13) Структурная схема приборов семейства MC1322x
Устройства MC1322x доступны в двух вариантах, отличающихся только содержанием ПЗУ:
Семейство беспроводных микросхем с процессорным ядром Kinetis MKW2 (называемое также Kinetis KW20 ZigBee Platform) содержит микросхемы MKW22D512, MKW21D512 и MKW21D256.
Приборы MKW2 интегрируют в рамках микросборки (системы-в-корпусе - Platform-in-Package - PiP) микроконтроллер Kinetis архитектуры ARM-Cortex-M4 выполненный по 90-нм технологии и трансивер диапазона 2.4 ГГц, выполненный по 180-нм техническому процессу (Рис. 5.14).
Основной областью применения MKW22D являются выполнение задач стеков протоколов ZigBee Pro и ZigBee IP, особенно для задач инетеллектуального управления энергией (Smart Energy) и автоматизации зданий (Commercial Building Automation).
Приемопередатчик поддерживает передачу данных со скоростями до 250 Кбит/с при O-QPSK модуляции с DSSS расширением спектра, допускается подключение внешних усилителей, поддерживается одновременная работа в двух ZigBee сетях (режим dual PAN).
Контроллер содержит 256 или 512 Кбайт флеш-памяти 32 или 64 Кбайта оперативной памяти, набор последовательных интерфейсов, таймеров, высокопроизводительный 16-битный АЦП.
(рис 5.14) Структура ZigBee платформы Kinetis KW20
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:
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.
(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
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:
(рис 5.20) Структурная схема беспроводных контроллеров семейства JN516х
Системы-на-кристалле EM351 и EM357 для сетей ZigBee (диапазон 2.4 ГГц) от Silicon Laboratories, пришедшие на смену семейству EM250, построены на базе 32-разрядного микроконтроллера с ядром ARM Cortex-M3 и трансивера совместимого со стандартом IEEE 802.15.4 [75].
СнК EM35x при создании узлов беспроводных сетей могут использоваться в качестве самостоятельного контроллера с беспроводным интерфейсом, поддерживающим и работу в сети, и выполнение прикладных задач. Вторым вариантом его применения является использование EM35x в качестве сетевого процессора, отвечающего только за поддержание работы узла в сети. Такой подход применяется в том случае, если прикладные задачи, выполняемые узлом требуют значительных вычислительных ресурсов (например обеспечение интерактивного графического интерфейса с пользователем, выполнение функций сетевого шлюза). EM35x в данном случае взаимодействует с прикладным контроллеров посредством протокола EZSP (поддерживается в стеке протоколов EmberZNet PRO 4.3.0 и выше) по одному из последовательных интерфейсов (SPI или UART) (Рис. 5.21).
Основные характеристики:
Новое семейство контроллеров ST Microelectronics STM32W расширяет портфолио компании, привнося в него сетевые возможности. Система-на-кристалле STM32W (STM32W108) подходит для организации сетей беспроводных датчиков благодаря наличию контроллера на базе ядра процессора ARM Cortex-M3 и IEEE 802.15.4-совместимому трансиверу с общему энергетических бюджетом канала до 109 дБ (Рис. 5.21). Поддержка стандарта физического доступа в беспроводной среде IEEE 802.15.4 позволяет использовать популярные стеки сетевых протоколов RF4CE, ZigBee-PRO и 6LoWPAN [76].
Основные функциональные характеристики:
(рис 5.21) Структура микросхем семейства EM35х
(рис 5.22) Структурная схема контроллеров семейства STM32W
Для сетей диапазона 2.4 ГГц Texas Instruments предлагает большое семейство однокристальныx систем CC25xx, включая непосредственно системы-на-кристалле и специализированные сетевые процессоры [77].
CC2510 - однокристальная система для создания маломощных низковольтных беспроводных систем связи в ISM-диапазоне 2,4 ГГц.
Прибор является комбинацией радиочастотного трансивера CC2500, микроконтроллера 8051, блока флэш-памяти (8/16/32 кБ), 1/2/4 кБ памяти RAM и ряда периферийных устройств:
Вариант CC2511 содержит USB контроллер, позволяющий легко управлять с устройствами беспроводной сети, например, посредством ПК.
CC2530 - бюджетная однокристальная система с малым энергопотреблением, предназначенное для реализации соединений протокола IEEE 802.15.4 точка-точка, звезда, ячеистых сетей ZigBee PRO.
CC2530 поставляется в четырёх различных версиях: CC2530-F32/64/128/256 (с 32/64/128/256-кБ флэш-памяти соответственно), и является комбинацией интегрированного высокопроизводительного трансивера со стандартным 8051 микроконтроллером, 8 Кбайтами оперативной памяти, набором периферийных устройств и функциональных расширений:
CC2530ZNP (ZigBee Network Processor) - сетевой ZigBee-процессор. Предназначен для реализации протокола ZigBee без необходимости изучения комплексного стека ZigBee PRO.
Рекомендован для дизайнеров, желающих использовать уже существующий процессор, либо для тех, кто предпочитает использование другого процессора для своих приложений, тогда как CC2530ZNP обеспечит коммуникацию с другими ZigBee-устройствами. Таким образом, CC2530ZNP - это одночипная система CC2530 с предустановленным стеком ZigBee PRO.
Контроллер CC2530ZNP обменивается данными с основным процессором через командные интерфейсы SPI или UART (Рис. 5.23). Главный процессор передаёт ZigBee-процессору команды через простой в использовании протокол:
(рис 5.23) Схема системы на базе сетевого процессора CC2530ZNP
CC2531 - версия CC2531 со встроенным USB контроллером.
Предназначена для реализации соединений протокола IEEE 802.15.4, ZigBee или RF4CE, и создания расширяемых через USB сетевых узлов с минимальным общим количеством элементов.
Прибор комбинирует высокопроизводительный трансивер со стандартным расширенным микроконтроллером 8051, встроенной программируемой флэш-памятью, 8 Кбайтами ОЗУ:
Характеристики встроенного USB-контроллера:
CC2533 - серия устройств для реализации приложений, основанных на протоколах IEEE 802.15.4 / RF4CE. Устройство является комбинацией высокопроизводительного радичастотного трансивера с микроконтроллером 8051 и набором периферийных устройств.
Прибор поставляется в трёх различных версиях:
Новинкой в семействе СС25xx является CC2538 - радиочастотная система-на-кристалле стандарта 802.15.4g с поддержкой профиля ZigBee Smart Energy 2.0.
Основная область применения CC2538 - приложения Smart Grid, удаленные беспроводные интеллектуальные сенсоры.
СнК СС2538 интегрирует трансивер стандарта 802.15.4g, процессор ARM Cortex-M3, специализированный модуль аппаратного ускорения функций безопасности профиля ZigBee Smart Energy 2.0 и достаточный объем встроенной памяти для запуска стека протокола ZigBee IP и профиля Smart Energy 2.0.
Планируется, что однокристальное решение CC2538 избавит от необходимости использовать дополнительный микропроцессор, упростит и удешевит разработку приложений Smart Grid и удаленных беспроводных сенсоров для интеллектуальных приборов учета.
CC2538 (Рис. 5.24) поддерживает стек ZigBee протокола Z-Stack, который обеспечивает полную функциональность Smart Energy 1.1. Профиль Smart Energy 2.0 разработан с целью взаимодействия с несколькими устройствами физического уровня (PHY) и создает основу для разработки SE 2.0 продуктов, которые смогут одновременно поддерживать сети ZigBee, Wi-Fi или коммуникации посредством силовых линий (PLC - Power Line Communication), включая ZigBee процессор (CC253x) и решения WiLink 6.0 (WL127x). Профиль позволит пользователям использовать ZigBee или Wi-Fi для подключения к существующим или новым инфраструктурам, или же использовать Wi-Fi в качестве моста для подключения по ZigBee к сети Интернет.
Микросхема CC2540 является BLE-процессором. Прибор является комбинацией радиочастотного GFSK трансивера с пропускной способностью 1Мб/с и большой дальностью действия, и богатый периферийными устройствами контроллер 8051. Набор периферийных устройств: USB, DMA, GPIO, USARTs, ADC, таймеры. Набор гибких экономичных режимов для увеличения срока службы батарей [78].
CC2570 и CC2571 - радиочастотные сетевые процессоры простого для использования и энергоэкономичного протокола ANT. CC2570 поддерживает 1 ANT-канал, CC2571 - 8 ANT-каналов. Оба прибора могут быть подключены к главному процессору системы через серийные интерфейсы UART или SPI, и доступны для него через набор функций API [79].
Большинство ANT-решений, построенных на данных устройствах, содержит системные функции файловой системы ANT-FS; таким образом, в главном процессоре могут быть размещены лишь профиль приложения и само пользовательское приложение - это позволяет минимизировать требования к размеру памяти процессора:
(рис 5.24) Система-на-кристалле стандарта 802.15.4g с поддержкой профиля ZigBee Smart Energy 2.0 CC2538
Сводные характеристики процессорных ядер систем-на-кристалле диапазона 2.4 ГГц представлены в Табл. 5.3, основные характеристики радиочастотного тракта и энергопотребления в Табл. 5.4.
(рис 5.25) Временная диаграмма выхода на рынок беспроводных систем-на-кристалле диапазона 2.4ГГц
Аналогично Рис. 5.10, диаграмма на Рис. 5.25 дает приблизительную оценку доступности (возможности заказа) беспроводных контроллеров диапазона 2.4 ГГц в России (отображено количество фирм-поставщиков, предлагающих указанные контроллеры со склада или на заказ по данным сервиса efind.ru).
(рис 5.26) Оценка доступности (возможности заказа) беспроводных контроллеров диапазона 2.4 ГГц в России
| Наименование | Тип процессорного ядра | Максимальные рабочие частоты контроллера, МГц | Объем встроенной памяти, байт ОЗУ/флеш | Напряжение питания, В/ток потребления ядра, мА | Тип корпуса |
|---|---|---|---|---|---|
| ATmega128RFA1 | AVR, 8 бит | 16 | 16K/128K | 1.8 - 3.6/4.1 | QFN64 |
| ATmegaRFR2 | AVR, 8 бит | 16 | 8K-32K/64K-256K | 1.8 - 3.6/4.1 | QFN64 |
| MC1321x | HCS08, 8 бит | 8-40 | 1K-4K/16K-60K | 2 - 3.4/6.5 | LGA71 |
| MC1322x | ARM7, 32 бита | 26 | 96К/128K+80K | 2 - 3.6/3.3 | LGA99 |
| MKW2x | ARM Cortex- M4, 32 бита | 50 | 32K|64K / 256K|512K | 1.8 - 3.6/17(TBD) | LGA56 |
| nRF51822 | ARM Cortex- M0, 32 бита | 16 | 16K/256K | 1.8 - 3.6/ | QFN48 |
| nRF51422 | ARM Cortex- M0, 32 бита | 16 | 16K/256K | 1.8 - 3.6/ | QFN48 |
| nRF24LU1+ | 8051, 8 бит | 16 | 2K/16K|32K | 3.2|5/6.3 | QFN32 |
| JN516x | RISC, 32 бита | 32 | 8K-32K/64K-256K | 2 - 3.6/15 | SOT618-1, HVQFN40 |
| EM35x | ARM Cortex-M3, 32 бита | 24 | 12K/128K|192K | 2.1 - 3.6/6.5 | QFN48 |
| STM32W108 | ARM Cortex-M3, 32 бита | 24 | 8K-16K/128K-256K | 2.1 - 3.6/6.5 | VFQFPN48, UFQFPN48, VFQFPN40 |
| CC2510/CC2511 | 8051, 8 бит | 26 | 1K-4K/8K-16K | 2 - 3.6/4.8 | QFN36 |
| CC2530/CC2531 | 8051, 8 бит | 32 | 8K/32K-256K | 2 - 3.6/6.5 | QFN40 |
| CC2533 | 8051, 8 бит | 32 | 4K|6K/64K|96K | 2 - 3.6/6.6 | QFN40 |
| СС2538 | ARM Cortex-M3, 32 бита | 32 | 32K/128K-512K | 2 - 3.6/13 | QFN56 |
| CC2540 | 8051, 8 бит | 32 | 8K/128K|256K | 2 - 3.6/0.235 | QFN40 |
| CC2570/CC2571 | 2 - 3.6 | QFN40 |
| Наименование | Чувствительность приемника, дБм | Выходная мощность передатчика, дБм | Максимальные скорости передачи данных, Кбит/с | Потребляемый ток в режиме передачи, мА | Потребляемый ток в режиме приема, мА (в режиме пониженного потребления, мкА) |
|---|---|---|---|---|---|
| ATmega128RFA1 | -100 | -17…+3.5 | 250/500/1000/2000 | 14,5 | 12,5 (0.31 - 1.1) |
| ATmegaRFR2 | -100 | -17…+3.5 | 250/500/1000/2000 | 14,5 | 6 (0.31 - 1.1) |
| MC1321x | -92 | 10 | 250 | 30 | 37 (0.2 - 500) |
| MC1322x | -96 | -30…+4 | 250 | 26 | 19 |
| MKW2x | -102 | -30…+10 | 250 | 15 | 15(0.03 - 700) |
| nRF51822 | -85..-96 | -20…+4 | 250/1000/2000 | 8-16 | 9.5 - 13 |
| nRF51422 | -85..-96 | -20…+4 | 250/1000/2000 | 8-16 | 9.5 - 13 |
| nRF24LU1+ | -82…-94 | -20…+4 | 250/1000/2000 | 11,1 | 13-13,5 |
| JN516x | -95 | -35…+2.5 | 250 | 15 | 17 |
| EM35x | -102 | -32…+2 | 250 | 31 | 25 |
| STM32W108 | -99 | -55…+8 | 250 | 26 | 22 |
| CC2510/CC2511 | -103 | -30…+1 | 500 | 16 - 23 | 17,1 |
| CC2530/ CC2531 | -97 | -27.5..+4.5 | 250 | 29 | 24 |
| CC2533 | -97 | -23..+4.5 | 250 | 32,3 | 25,1 |
| СС2538 | -97 | -24…+7 | 250 | 24 | 23 |
| CC2540 | -93 | 1000 | 27-31,6 | 19,6 | |
| CC2570/CC2571 | -86 | -21…+4 | 1000 | 34,3 | 23,7 |
Сейчас производителями предлагаются не просто приемопередатчики, физически поддерживающие требуемые частотные диапазоны, форматы данных, скорости передачи, но и предоставляются готовые стеки протоколов, позволяющие организовывать сети различной топологии, осуществлять маршрутизацию, передачу данных и многое другое. Наличие готового стека протоколов позволяет сосредоточить внимание разработчика сети именно на прикладных сетевых приложениях - примерно так, как это происходит с web-сервисами, клиент-серверными приложениями для персональных компьютеров - основную работу делает стек сетевых протоколов. Но разработка сетевого приложения для ZigBee сетей имеет свои особенности - так же, как отличается программирование персонального компьютера и микроконтроллера, это касается и работы сетевых протоколов стандарта ZigBee, и ограниченности ресурсов узлов сети, и деталей реализации каждого конкретного фирменного ZigBee стека.
6LoWPAN решает несколько наболевших проблем, связанных с беспроводными сенсорными сетями - стандартизация работы сети и доступа к данным сети. В отличие от стандартов ZigBee, 6LoWPAN расширяет стандартизацию практически до уровня прикладных задач, параллельно решаю проблемы с интеграцией сети небольших беспроводных узлов в IP сети.
Технология Bluetooth Low Energy представляется весьма перспективной технологией для сенсорных приложений, особенно связанных с тесным взаимодействием с пользователем. BLE имеет большой потенциал для широкого распространения, связанный в том числе с успехом классического Bluetooth.
Однокристальные решения для диапазона <1ГГц, в среднем, обладают меньшим объемом памяти по сравнению с беспроводными микроконтроллерами для диапазона 2.4 ГГц. В последнее время предлагаются беспроводные микроконтроллеры с одинаковыми процессорными ядрами, но с трансиверами для различных диапазонов, что позволяет разработчикам легко мигрировать с одного частотного диапазона в другой (имеется ввиду переход от субгигагерцовых частот на диапазон 2.4 ГГц или обратно).
Рынок беспроводных систем-на-кристалле диапазона 2.4 ГГц является достаточно разнообразным и охватывает практически все возможные аспекты применения сетей устройств малой мощности. Условия сильной конкуренции заставляют разработчиков искать новые ниши применения беспроводных контроллеров, развивать наборы периферийных устройств, выпускать специализированные версии контроллеров, ориентированные на решения определенных классов задач.
Многофункциональные однокристальные беспроводные решения обеспечивают разработчикам возможность удовлетворения самых высоких требований потребителей при одновременном увеличении гибкости приложений, сокращении количества необходимых комплектующих и занимаемого места на печатной плате. На сегодняшний день на рынке однокристальных беспроводных микроконтроллеров присутствуют несколько фирм: Atmel, Freescale Semiconductor, Microchip, Nordic, NXP, Silicon Laboratories, ST Microelectronics, Texas Instruments. Условия достаточно сильной конкуренции вынуждают компании постоянно совершенствовать архитектуру систем-на-кристалле, оптимизировать параметры приемопередатчиков, режимы энергосбережения, развивать программное обеспечение, предлагая программные библиотеки, стеки протоколов, среды и средства разработки.
Аппаратные возможности микроконтроллеров беспроводных систем-на-кристалле отличаются друг от друга, как по разрядности обрабатываемых данных, так и по максимальным рабочим частотам. Представлены 8-, 16-, и даже 32-битные процессорные ядра. Достаточно часто в качестве управляющих микроконтроллеров, в беспроводных системах-на-кристалле встречаются общепринятые стандартные процессорные ядра, такие как, 8-битные ядра архитектуры х51 и 32-разрядные ARM-ядра. В ряде случаев фирмами предлагаются законченные решения - беспроводные системы сбора данных, интегральные датчики физических величин.
Для частот менее 1 ГГц разрешенные диапазоны в различных странах могут отличаться, и не всегда есть возможность использовать одну и ту же элементную базу, хотя предлагаемые компаниями решения чаще всего являются достаточно универсальными в плане выбора частоты передачи. Преимущества субгигагерцового диапазона касаются лучшей дальности устойчивой работы по сравнению с частотами диапазона 2,4 ГГц при одинаковой выходной мощности передатчика, уменьшению влияния препятствий на прохождение сигнала, что особенно актуально для работы внутри зданий и офисных помещений.
Системы-на-кристалле для данного диапазона предлагаются фирмами Freescale Semiconductor, Microchip, Nordic Semiconductor, Silicon Laboratories, Texas Instruments.
Frеescale Semiconductor [64] представлена СнК MC12311 (Рис. 5.1) на базе 8-битного малопотребляющего контроллера HCS08, соединенного с приемопередатчиком, поддерживающим несколько типов модуляции сигнала, включая OOK, FSK, GFSK и MSK. Интегрированным приемопередатчиком поддерживается широкий диапазон частот, включая частоты 315, 433, 470, 868, 915, 928 и 960 МГц и скорости передачи данных от 1.2 до 300 Кбит/с. Максимальная чувствительность в режиме приема при скорости передачи данных 1.2 кбит/с -120дБм, высокая селективность каналов обеспечивается КИХ фильтром 16-го порядка. Поддерживается аппаратное вычисление контрольных сумм, шифрование данных (AES128), присутствует 66-байтный FIFO-буфер.
Периферийные устройства включают в свой состав 10-каналый 12-битный АЦП, два аналоговых компаратора, генератор с частотой 243 КГц±0.2% (погрешность при изменении напряжения в пределах ±0.5%). Микроконтроллер системы-на-кристалле MC12311 сохраняет работоспособность при напряжениях питания от 1.8 до 3.6 В при максимальных рабочих частотах от 20 (при напряжении питания 1.8 - 2.1 В) до 50 МГц (3.6 В). Примечательно, что производительность приемопередатчика не зависит от напряжения питания системы. Дополнительно присутствуют встроенный датчик температуры, индикатор разряда батареи.
(рис 5.1) Структурная схема MC12311
Интегрированная однокорпусная система серии MPXY8300 представляет собой датчик давления, ускроения и температуры, интегрированные с беспроводной системой-на-кристалле на базе 8-битного контроллера семейства S08 и приемопередатчиком субгигагерцовго диапазона.
MPXY8300 включает в себя датчик давления, датчик температуры, датчики ускорения (оси X, Z), подключенные к 10-битному АЦП (Рис. 5.2). Приемопередатчик MPXY8300 работает в диапазонах 315/434 МГц, поддерживает амплитудную и фазовую модуляции. Предназначен прежде всего для систем мониторинга давления в реальном режиме времени, в частности, давление в шинах во время движения. Точность измерения давления составляет ±10 КПа в диапазоне 100-800Кпа при температуре от 0 до 70°С.
Для сетей Smart Grid субгигагерцового диапазона Freescale Semiconductor предлагает беспроводной микроконтроллер линейки Kinetis - Kinetis KW01. Поддерживает работу в диапазонах 315, 433, 470, 868, 915, 928 и 960 МГц с модуляцией сигнала GFSK, MSK, GMSK и OOK.
В основе Kinetis KW01 (MKW01Z128) процессорное ядро ARM Cortex-M0+, работающее на тактовой частоте до 48 МГц при потреблении порядка 40 мкА/МГц (Рис. 5.3). Имея 128 КБ флеш-памяти и 16 КБ статической оперативной памяти, этот микроконтроллер в типичных в Потребление тока режиме ожидания примерно 1.7 мкА (в режиме останова менее 100 нА), а возвращение к активному режиму за 4.3 мкс.
MKW01Z128 поддерживает работу в диапазонах частот 290-340, 424-510 и 862-1020 МГц, несколько режимов модуляции: FSK, GFSK, MSK, GMSK и OOK. Возможные скорости передачи данных от 1 до 600 Кбит/с (FSK-модуляция). Максимальная чувствительность приемника до -120 дБм (при скорости 1.2 кбит/с), диапазон выходной мощности передатчика от -18 до +17 дБм.
Среди периферийных устройств Kinetis KW01 16-канальный 16-битный АЦП, высокоскоростной аналоговый компаратор с 6-битным АЦП, 12-битный ЦАП, 5 многоканальных таймеров, набор последовательных интерфейсов, 16-канальный тач-сенсор.
Программное обеспечение для Kinetis KW01 включает в себя проприетарные и стандартные протоколы 6LoWPAN, WMBUS (EN13757-4), KNX и ECHONET. Беспроводной микроконтроллер KW01 может использоваться в качестве сетевого процессора, обрабатывающего младшие уровни сетевого протокола, при работе в паре с контроллером, выполняющим прикладные задачи. Возможности процессорного ядра и встроенной памяти позволяют строить на базе Kinetis KW01 полнофункциональные автономные узлы сенсорных сетей, совмещающих в себе и работу в сети, обработку внешних событий и работу с периферийным оборудованием.
(рис 5.2) Структурная схема датчика давления и ускорения MPXY8300 с беспроводным интерфейсом
(рис 5.3) Структурная схема беспроводных контроллеров семейства Kinetis KW01
Ассортимент беспроводных контроллеров компании Microchip на данный момент представлен сериями - PIC12F529T***, PIC12LF1840T39A, rfPIC12F675*, PIC16LF1824T39A [65].
Серии PIC12F529T39, PIC12LF1840T39A и PIC12F529T48 обладают практически идентичными характеристиками за исключением рабочих диапазонов частот. Трансиверы PIC12F529T39 и PIC12LF1840T39A работают в диапазонах 310, 433, 868 и 915 МГц, PIC12F529T48 418, 433 и 868 МГц.
Микроконтроллер систем PIC12F529T*** обладает встроенным прецизионным генератором на 8 МГц (±1%), несколькими режимами энергосбережения, несколькими таймерами, линиями ввода-вывода. Встроенные трансиверы обеспечивают скорости передачи данных до 100 кбит/с при FSK модуляции и до 10 кбит/с до в режиме OOK 043Cодуляции. Выходная мощность 0 дБм или 10 дБм.
Восьмибитный RISС контроллер с 12-битными инструкциями обеспечивает высокую производительность (преимущественно однотактное исполнение команд) при высокой плотности кода (выигрыш порядка 2:1 по отношению к контроллерам с 8-битными командами).
Средства разработки и поддержки беспроводных PIC-контроллеров диапазона включают макро-ассемблер, программный симулятор, программаторы.
Основными областями применения являются беспроводные системы управления персонально пользования, системы безопасности, низкопотребляющие системы удаленного управления.
Серии rfPIC12F675* отличает 8-разрядный микроконтроллер семейства PIC, приемопередатчик на 290-350/380-450/850-930 МГц (литеры K, F, H соответственно) с поддержкой ASK и FSK модуляции в компактном 20-выводном корпусе. Среди периферийных устройств - 4-канальный 10-битный АЦП, одноканальный аналоговый компаратор, 128-байт EEPROM. Трансивер поддерживает скорости передачи данных до 40 кбит/с при выходной мощности до 10 дБм.
Системы серий PIC16LF1824T39A (Рис. 5.4) на базе 8-разрядного RISC микроконтроллера семейства PIC, приемопередатчик диапазонов 310, 434, 868, 815 МГц с поддержкой OOK и FSK модуляции в компактном 20-выводном корпусе. Периферийные устройства - 12-канальный 10-битный АЦП, два аналоговых компаратора, встроенный источник опорного напряжения (выходные напряжения 1.024, 2.048, 4.096 В), 5-битный ЦАП. Трансивер поддерживает скорости передачи данных до 100 кбит/с (режим FSK, в режиме OOK - до 10 Кбит/с) при выходной мощности 0 или 10 дБм.
Система-на-кристалле nRF9E5 компании Nordic Semiconductor [66] предназначена для работы в диапазонах 433/868/915 МГц, включает в себя приемопередатчик, 8-битный микроконтроллер на базе ядра х51 с 256 байтами оперативной памяти, 512 байтами ПЗУ с предпрошитым загрузчиком, 4 Кбайтами памяти программ, выполненной по технологии оперативной памяти (Рис. 5.5). Выполняемая программа размещается во внешнем последовательном ПЗУ (SPI-флеш) и при старте загружается во внутреннюю память. Набор периферийных устройств содержит последовательные интерфейсы (SPI, UART), 4-канальный 10-битный АЦП, набор таймеров, ШИМ-контроллер.
Трансивер nRF9E5 поддерживает все возможности приемопередатчика nRF905, включая технологию ShockBurst с автоматической поддержкой распознавания преамбулы, адреса, вычисления контрольной суммы. nRF9E5 содержит встроенный стабилизатор напряжения, повышающий устойчивость системы к шумам и обеспечивающий стабильную работу в диапазоне напряжений 1.9 - 3.6В. Четыре возможных варианта выходной мощности передатчика: -10, -2, +6 и +10 дБм, чувствительность приемника порядка -100дБм, скорость передачи данных до 50 Кбит/с.
(рис 5.4) Структурно-функциональная схема PIC16LF1824T39A
(рис 5.5) Структурная схема системы-на-кристалле nRF9E5 компании Nordic Semiconductor
Silicon Laboratories располагает одним из наиболее обширных ассортиментов однокристальных беспроводных систем субгигагерцового диапазона. Предлагаются серии Si4010, Si100x, Si101x [67]. Все они в качестве управляющего содержат ядро контроллера х51-й архитектуры.
Схема включения Si4010 из внешних компонентов предполагает наличие только развязывающего конденсатора, антенны, средств взаимодействия с пользователем (например, кнопки).
Внутренний генератор, основанный на генераторе Si500 не требующем внешних резонаторов и времязадающих цепей, обеспечивает точность в ±150 ppm в коммерческом диапазоне температур и ±250 ppm в промышленном, что является достаточным для большинства областей применения. Трансивер с управляемым усилителем (выходная мощность до +10дБм) способен работать в диапазоне частот от 27 до 960 МГц.
Микроконтроллер Si4010 (Рис. 5.6) содержит 512 байт внутренней памяти данных, 4 Кбайта оперативной памяти, 8 Кбайт однократно программируемого ПЗУ, 128 бит EEPROM, 12Кбайтная библиотека ПЗУ-функций и аппаратный ускоритель шифрования (AES-128).
Контроллеры беспроводных систем серий Si100x, Si101x (Рис. 5.7) располагают 32 или 64 Кбайтами флеш-памяти, выходная мощность трансиверов до +13/+20 дБм. Серии Si1004/Si1005, Si1014/Si1015 содержат встроенный повышающий импульсный преобразователь (DC/DC, эффективность до 90%), позволяющий более полно использовать ресурсы автономного источника питания. Встроенный преобразователь имеет выходную мощность до 250 мВт, что позволяет питать не только микроконтроллер, но и другие внешние компоненты.
(рис 5.6) Структурная схема СнК серии Si4010
(рис 5.7) Структурно-функциональная схема беспроводных контроллеров серий Si100x, Si101x
Однокристальные решения серии Si102x/3x совмещают в себе функции энергосбережения микроконтроллеров F96x и приемопередатчик субгигагерцового диапазона EZRadioPRO, ориентированные на применения во встраиваемых системах с батарейным питанием.
В микросхемы интегрирован низкопотребляющий счетчик импульсов, способный работать в спящем режиме без использования ресурсов процессорного ядра. Данное решение эффективно для снижения энергопотребления в устройствах автоматического снятия показания со счетчиков расхода энергоресурсов (электроэнергии, воды, тепла, газа), имеющих импульсный выход.
Основные характеристики трансиверов:
СС430 является комбинацией низкопоребляющего микроконтроллера MSP430 и радиочастотного трансивера CC1101 [68]. Семейство приборов CC430 состоит из нескольких компонентов с различным набором периферийных устройств, предназначенных для создания широкого спектра электронных приборов. Архитектура поддерживает пять режимов работы, что позволяет достигнуть превосходных энергетических показателей для портативных устройств с батарейным питанием. Вычислительное ядро системы - 16-битный RISC микроконтроллер MSP430, содержащий 16-битные регистры и генераторы значений констант, позволяющие реализовать максимальную эффективность программного кода.
Приборы семейства CC430 (Рис. 5.8) отличаются глубокой интеграцией микроконтроллерного ядра, его периферийных устройств и радиочастотного трансивера, что, совместно с поставляемыми производителем драйверами и библиотеками, делает из него весьма простое в использовании решение для создания многофункциональных устройств.
Основные характеристики:
Семейство беспроводных контроллеров CC1110Fx (CC1110F8/F16/F32) состоит из трёх приборов, предназначенных для создания маломощных низковольтных беспроводных систем связи в диапазонах 315/433/868/915 МГц. Устройства являются комбинацией радиочастотного трансивера, микроконтроллера с ядром х51, блока флэш-памяти (8/16/32 Кбайт) и набора периферийных устройств.
Семейство CC1111 (CC1111F8/F16/F32) представляют собой однокристальные системы с интегрированным контроллером USB для создания маломощных низковольтных беспроводных систем связи в диапазонах 315/433/868/915 МГц.
Приборы являются комбинацией радиочастотного трансивера, микроконтроллера с ядром х51, контроллера USB 2.0, блока флэш-памяти (8/16/32 Кбайт), 4 Кбайт памяти RAM, блока аппаратного шифрования AES с ключом длиной 128 бит, и ряда других устройств:
(рис 5.8) Структурная схема приборов семейства CC430F*
Сетевой процессор CC1180 является системой-на-кристалле CC1110F32 поставляющейся с прошитым стеком протоколов NanoStack 2.0 Lite компании Sensinode для сетей 6LoWPAN. CC1180 выполняет все критически важные и ресурсоемкие процессы связанные с работой сетевых протоколов, экономя ресурсы внешнего микроконтроллера для решения прикладных задач. Взаимодействие с внешним контроллером (часто называемого прикладным контроллером или контроллером приложений) осуществляется по интерфейсу UART с протоколом обмена NAP. Например, возможно использование микроконтроллеров серии MSP430 или любых других. Сетевой процессор позволяет легко расширить функциональность создаваемой или существующей системы за счет подключения к 6LoWPAN сети.
Ключевые особенности:
Сводные характеристики процессорных ядер систем-на-кристалле диапазона менее 1 ГГц представлены в Табл. 5.1, основные характеристики радиочастотного тракта и энергопотребления в Табл. 5.2.
На Рис. 5.9 показано примерное время выхода на рынок наиболее заметных серий и беспроводных систем-на-кристалле.
(рис 5.9) Временная диаграмма выхода на рынок беспроводных систем-на-кристалле для диапазона < 1ГГц
Диаграмма на Рис. 5.10 дает приблизительную оценку доступности (возможности заказа) беспроводных контроллеров субгигагерцового диапазона в России (отображено количество фирм-поставщиков, предлагающих указанные контроллеры со склада или на заказ по данным сервиса efind.ru).
Безусловно, остается возможность заказа интересующих контроллеров у ближайших официальных дистрибьюторов, расположенных за пределами страны.
| Наименование | Тип процессорного ядра | Максимальные рабочие частоты контроллера, МГц | Объем встроенной памяти, байт ОЗУ/флеш | Напряжение питания, В | Тип корпуса |
|---|---|---|---|---|---|
| MC12311 | HCS08, 8 бит (9S08QE32) | 50.33 (Uпит=2.4 - 3.6В); 40 (Uпит=1.2 - 2.4В); 20 (Uпит=1.8 - 2.1В) | 2К/32К | 1.8 - 3.6 | LGA60 |
| MPXY8300 | HCS08, 8 бит (M68HC08) | 10 | 512/8К (+8К firmware) | 1.8 - 3.6 | SOIC20 |
| MKW01Z128 | ARM Cortex-M0+, 32 бит | 48 | 16K/128K | 1.8 - 3.6 | LGA60 |
| PIC12F529T | RISC, 8 бит | 8 | 201/1536+64(для данных) | 1.8 - 3.6 | TSSOP14 |
| PIC12LF1840T39A | RISC, 8 бит | 32 | 256/4K(+256 EEPROM) | 1.8 - 3.6 | TSSOP14 |
| rfPIC12F675 | RISC, 8 бит | 20 | 64/1024x14 | 2.0 - 5.5 | TSSOP14 |
| PIC16LF1824T39A | RISC, 8 бит | 32 | 256/4K(+256 EEPROM) | 1.8 - 3.6 | TSSOP20 |
| nRF9E5 | 8051, 8 бит | 4 - 20 | 256/512+4К ОЗУ | 1.9 - 3.6 | QFN32L |
| Si4010 | 8051, 8 бит | 24 | 256+4К/12К | 1.8 - 3.6 | MSOP10, SOIC14 |
| Si100x | 8051, 8 бит | 25 | 256+4K/32K или 64K | 0.9 - 3.6 | QFN42, LGA42 |
| Si101x | 8051, 8 бит | 25 | 768/16K или 8K | 0.9 - 3.6 | QFN42 |
| CC430 | MSP430, 16 бит | 25 | 2K-4K/8K-32K | 2 - 3.6 | VQFN48, VQFN64 |
| CC111x | 8051, 8 бит | 26 | 1K-4K/8K-32K | 2 - 3.6 | QFN36 |
| Наименование | Чувствительность приемника, дБм | Выходная мощность передатчика, дБм | Максимальные скорости передачи данных, Кбит/с | Поддерживаемые виды модуляции сигнала | Потребляемый ток Передача/прием, мА (режимы пониженного потребления, мкА) | Частотные диапазоны, МГц |
|---|---|---|---|---|---|---|
| MC12311 | -120 | -18…+17 (с шагом 1 дБм) | 300 | FSK, GFSK, MSK, GMSK, OOK | 16…95/16 (0.1…1.25) | 290…1020 |
| MPXY8300 | - | ASK, FSK | 6…13/- - | 315/433 | ||
| MKW01Z128 | -120 | -18…+17 | 600 | FSK, GFSK, MSK, GMSK, OOK | 16…95/16 (0.1…1.25) | 290-340, 424-510, 862-1020 |
| PIC12F529T | 0, +10 | 100 | OOK, FSK | 9.7, 16.7/9.7 (0.25…170) | 418, 434, 868 | |
| PIC12LF1840T39A | 0, +10 | 100 | OOK, FSK | 9.7, 16.7/9.7 (0.17…350) | 310, 434, 868, 915 | |
| rfPIC12F675 | -12 … +10 | 40 | ASK, FSK | 4..14/4 (9…800) | 290-350, 380-450, 850-930 | |
| PIC16LF1824T39A | 0, +10 | 100 | OOK, FSK | 9, 16.5/9 (0.17..) | 310, 434, 868, 915 | |
| nRF9E5 | -100 | -10, -2, 6, 10 | 50 | GFSK | 9/12 (2.5) | 430-928 |
| Si4010 | -13…+10 | 100 | OOK, FSK | 11..20/10 (0.7) | 27-960 | |
| Si100x | -121 | -1…+20 (Si1000/1); -8…+13 (Si1002/3/4) | 0.123 - 256 | FSK, GFSK, OOK | 18..85/18 -1 | 240-960 |
| Si101x | -121 | -1…+20 (Si1010/1); -8…+13 (Si1012/3/4) | 0.123 - 256 | FSK, GFSK, OOK | 18..85/18 -1 | 240-960 |
| CC430 | -117|-111 | <13 | 500 | 2-FSK, GFSK, MSK, OOK, ASK | 17..36/15 -1 | 300-348, 387-464, 779-928 |
| CC111x | -112 | -30…+10 | 500 | 2-FSK, GFSK, MSK, OOK, ASK |
(рис 5.10) Оценка доступности (возможности заказа) беспроводных контроллеров субгигагерцового диапазона в России
Развитие стандартов сетей диапазона 2.4 ГГц, развитие и массовое распространение персональных мобильных вычислительных устройств (коммуникаторов, смартфонов, планшетных компьютеров), программного обеспечения создает богатую почву для развития приборов, расширяющих их возможности: беспроводные гарнитуры, пульты управления, устройства домашней автоматики. Более широкая полоса частотного канала и их большее количество по сравнению с частотными диапазонами менее 1 ГГц позволяет реализовывать более высокие скорости передачи данных, сложные варианты организации связи, включая скачкообразное переключение частот.
Беспроводные контроллеры Atmel, построенные на базе 8-битного микроконтроллера AVR и трансивера диапазона 2.4 ГГц, ориентированы на работу в сетях, имеющих в основе стандарт IEEE 802.15.4 [69].
Система на кристалле ATmega128RFA1. При энергетическом потенциале радиоканала 103.5 дБ, ATmega128RFA1 обеспечивает наивысшую производительность радиоканала в классе однокристальных устройств. Энергетический потенциал радиоканала определяет дальность и надежность связи в беспроводной системе. Более высокие значения этого параметра позволяют получить большую дальность связи. Для обеспечения надежности системы также присутствует дополнительная периферия.
Чувствительность приемника ATmega128RFA1 равна -100 дБ, выходная мощность регулируется в диапазоне от -17 до +3.5 дБм.
Отличительные особенности ATmega128RFA1:
Для работы с внешними устройствами доступно до 35 линий ввода вывода, два последовательных интерфейса UART, SPI. Периферийные устройства включают таймер часов реального времени, 6 программируемых таймеров с ШИМ-каналами, сторожевой таймер, 8-канальный 10-битный АЦП (до 300 тыс. выборок/с).
Радиочастотная часть требует лишь небольшого набора внешних пассивных элементов. Поддерживаются высокоскоростные режимы передачи данных со скоростями от 250 Кбит/с до 2 Мбит/с.
В конце 2012 года Atmel анонсировала семейство ATmegaRFR2. Возможности нового семейства беспроводных контроллеров ATmegaRFR2 расширены новыми режимами пониженного энергопотребления, позволяющими значительно снизить потребление контроллера в режимах ожидания, включая режим wake-on-radio, сохраняющий активность трансивера при нахождении процессорного ядра контроллера в спящем режиме. Контроллер сохраняет тактовую частоту 16 МГц даже при напряжении питания 1.8 В.
В семейство входит три устройства: ATmega64RFR2, ATmega128RFR2 и ATmega256RFR2, отличающихся различным объемом flash-памяти (64 кбайт, 128 кбайт и 256 кбайт) и оперативной памяти (8 кбайт, 16 кбайт и 32 кбайт).
(рис 5.11) Структурная схема беспроводного контроллера ATmegaRFR2
Ключевые особенности устройств ATmegaRFR2 (Рис. 5.11):
Atmel предлагает набор бесплатных и сертифицированных IEEE 802.15.4-совместимых программных стеков (IPv6/6LoWPAN, ZigBee PRO), средств анализа радиоканала, сред разработки.
Freescale Semiconductor предлагает как экономичные контроллеры с 8-битным процессорным ядром для простых беспроводных систем, так и контроллеры с высокопроизводительными 32-разрядными ядрами. Если подходить строго, системы Freescale Semiconductor со встроенным контроллером не являются однокристальными, а представляют собой интегрированные в одном корпусе трансивер, контроллер, обвязку радиочастотного тракта, включая усилитель и конденсаторы, что в итоге существенно сокращает список материалов конечного изделия [70].
Вторым поколением беспроводных устройств Freescale Semiconductor для сетей ZigBee является семейство MC1321x (Рис. 5.12), объединяющее в одном LGA-корпусе (71 вывод, 9х9 мм). MC1321x содержит трансивер с аппаратной поддержкой ряда операций МАС уровня стандарта IEEE 802.15.4, усилитель с выходной мощностью 1 мВт, стабилизатор напряжения, переключатель прием/передача, поддержку расширения спектра методом прямой последовательности В качестве управляющего контроллера выступает 8-битный контроллер с ядром HCS08 (версия А) с 16/32/60 Кбайтами флеш-памяти (версии MC13211/2/3) и 1/2/4 Кбайтами оперативной памяти.
Freescale предлагает полный спектр программного обеспечения для платформы MC1321x:
(рис 5.12) Структурная схема контроллеров семейства MC1321x
Семейство MC1322x (Рис. 5.13) является третьим поколением устройств Freescale Semiconductor для сетей ZigBee и объединяет низкопотребляющий трансивер диапазона 2.4 ГГц, микроконтроллер с 32-разрядным ядром ARM7, аппаратной поддержкой MAC уровня IEEE 802.15.4, шифрования (AES), размещенных в одном 99-выводном корпусе LGA (Platform-in-Package - PiP).
Возможности MC1322x позволяют применять их в сетях различной топологии и выполняющих различные задачи: от простых соединений типа точка-точка до поддержки mesh-сетей.
Процессорное ядро ARM7TDMI-S работает на частотах до 26 МГц, 128 Кбайт флеш-памяти могут быть отображены на 96 Кбайт оперативной памяти для выполнения процедур стеков протоколов или прикладных задач. Дополнительно 80 Кбайт памяти доступно для программного обеспечения, ответственного за загрузку контроллера, стандартизованные процедуры МАС-уровня стека IEEE 802.15.4 и стеков коммуникационных протоколов.
Встроенный согласующий фильтр и переключатель прием/передача позволяет напрямую подключать несимметричную 50-омную антенну к соответствующему выводу. Интегрированный усилитель мощности позволяет регулировать мощность передаваемого сигнала в диапазоне от -30 до +4 дБм, чувствительность приемника составляет -96 дБм, допускается также подключение внешнего усилителя.
Развязывающие конденсаторы по питанию и конденсаторы нагрузки генератора также интегрированы в корпус, из внешних компонентов необходима антенна и кварцевый резонатор. Встроенный стабилизатор обеспечивает работу устройства в диапазоне напряжений от 2.0 до 3.6 В.
Наличие нескольких режимов энергопотребления и небольшое число внешних элементов делает MC1322x перспективным решением для устройств с батарейным питанием при миниатюрных габаритах.
(рис 5.13) Структурная схема приборов семейства MC1322x
Устройства MC1322x доступны в двух вариантах, отличающихся только содержанием ПЗУ:
Семейство беспроводных микросхем с процессорным ядром Kinetis MKW2 (называемое также Kinetis KW20 ZigBee Platform) содержит микросхемы MKW22D512, MKW21D512 и MKW21D256.
Приборы MKW2 интегрируют в рамках микросборки (системы-в-корпусе - Platform-in-Package - PiP) микроконтроллер Kinetis архитектуры ARM-Cortex-M4 выполненный по 90-нм технологии и трансивер диапазона 2.4 ГГц, выполненный по 180-нм техническому процессу (Рис. 5.14).
Основной областью применения MKW22D являются выполнение задач стеков протоколов ZigBee Pro и ZigBee IP, особенно для задач инетеллектуального управления энергией (Smart Energy) и автоматизации зданий (Commercial Building Automation).
Приемопередатчик поддерживает передачу данных со скоростями до 250 Кбит/с при O-QPSK модуляции с DSSS расширением спектра, допускается подключение внешних усилителей, поддерживается одновременная работа в двух ZigBee сетях (режим dual PAN).
Контроллер содержит 256 или 512 Кбайт флеш-памяти 32 или 64 Кбайта оперативной памяти, набор последовательных интерфейсов, таймеров, высокопроизводительный 16-битный АЦП.
(рис 5.14) Структура ZigBee платформы Kinetis KW20
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:
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.
(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
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:
(рис 5.20) Структурная схема беспроводных контроллеров семейства JN516х
Системы-на-кристалле EM351 и EM357 для сетей ZigBee (диапазон 2.4 ГГц) от Silicon Laboratories, пришедшие на смену семейству EM250, построены на базе 32-разрядного микроконтроллера с ядром ARM Cortex-M3 и трансивера совместимого со стандартом IEEE 802.15.4 [75].
СнК EM35x при создании узлов беспроводных сетей могут использоваться в качестве самостоятельного контроллера с беспроводным интерфейсом, поддерживающим и работу в сети, и выполнение прикладных задач. Вторым вариантом его применения является использование EM35x в качестве сетевого процессора, отвечающего только за поддержание работы узла в сети. Такой подход применяется в том случае, если прикладные задачи, выполняемые узлом требуют значительных вычислительных ресурсов (например обеспечение интерактивного графического интерфейса с пользователем, выполнение функций сетевого шлюза). EM35x в данном случае взаимодействует с прикладным контроллеров посредством протокола EZSP (поддерживается в стеке протоколов EmberZNet PRO 4.3.0 и выше) по одному из последовательных интерфейсов (SPI или UART) (Рис. 5.21).
Основные характеристики:
Новое семейство контроллеров ST Microelectronics STM32W расширяет портфолио компании, привнося в него сетевые возможности. Система-на-кристалле STM32W (STM32W108) подходит для организации сетей беспроводных датчиков благодаря наличию контроллера на базе ядра процессора ARM Cortex-M3 и IEEE 802.15.4-совместимому трансиверу с общему энергетических бюджетом канала до 109 дБ (Рис. 5.21). Поддержка стандарта физического доступа в беспроводной среде IEEE 802.15.4 позволяет использовать популярные стеки сетевых протоколов RF4CE, ZigBee-PRO и 6LoWPAN [76].
Основные функциональные характеристики:
(рис 5.21) Структура микросхем семейства EM35х
(рис 5.22) Структурная схема контроллеров семейства STM32W
Для сетей диапазона 2.4 ГГц Texas Instruments предлагает большое семейство однокристальныx систем CC25xx, включая непосредственно системы-на-кристалле и специализированные сетевые процессоры [77].
CC2510 - однокристальная система для создания маломощных низковольтных беспроводных систем связи в ISM-диапазоне 2,4 ГГц.
Прибор является комбинацией радиочастотного трансивера CC2500, микроконтроллера 8051, блока флэш-памяти (8/16/32 кБ), 1/2/4 кБ памяти RAM и ряда периферийных устройств:
Вариант CC2511 содержит USB контроллер, позволяющий легко управлять с устройствами беспроводной сети, например, посредством ПК.
CC2530 - бюджетная однокристальная система с малым энергопотреблением, предназначенное для реализации соединений протокола IEEE 802.15.4 точка-точка, звезда, ячеистых сетей ZigBee PRO.
CC2530 поставляется в четырёх различных версиях: CC2530-F32/64/128/256 (с 32/64/128/256-кБ флэш-памяти соответственно), и является комбинацией интегрированного высокопроизводительного трансивера со стандартным 8051 микроконтроллером, 8 Кбайтами оперативной памяти, набором периферийных устройств и функциональных расширений:
CC2530ZNP (ZigBee Network Processor) - сетевой ZigBee-процессор. Предназначен для реализации протокола ZigBee без необходимости изучения комплексного стека ZigBee PRO.
Рекомендован для дизайнеров, желающих использовать уже существующий процессор, либо для тех, кто предпочитает использование другого процессора для своих приложений, тогда как CC2530ZNP обеспечит коммуникацию с другими ZigBee-устройствами. Таким образом, CC2530ZNP - это одночипная система CC2530 с предустановленным стеком ZigBee PRO.
Контроллер CC2530ZNP обменивается данными с основным процессором через командные интерфейсы SPI или UART (Рис. 5.23). Главный процессор передаёт ZigBee-процессору команды через простой в использовании протокол:
(рис 5.23) Схема системы на базе сетевого процессора CC2530ZNP
CC2531 - версия CC2531 со встроенным USB контроллером.
Предназначена для реализации соединений протокола IEEE 802.15.4, ZigBee или RF4CE, и создания расширяемых через USB сетевых узлов с минимальным общим количеством элементов.
Прибор комбинирует высокопроизводительный трансивер со стандартным расширенным микроконтроллером 8051, встроенной программируемой флэш-памятью, 8 Кбайтами ОЗУ:
Характеристики встроенного USB-контроллера:
CC2533 - серия устройств для реализации приложений, основанных на протоколах IEEE 802.15.4 / RF4CE. Устройство является комбинацией высокопроизводительного радичастотного трансивера с микроконтроллером 8051 и набором периферийных устройств.
Прибор поставляется в трёх различных версиях:
Новинкой в семействе СС25xx является CC2538 - радиочастотная система-на-кристалле стандарта 802.15.4g с поддержкой профиля ZigBee Smart Energy 2.0.
Основная область применения CC2538 - приложения Smart Grid, удаленные беспроводные интеллектуальные сенсоры.
СнК СС2538 интегрирует трансивер стандарта 802.15.4g, процессор ARM Cortex-M3, специализированный модуль аппаратного ускорения функций безопасности профиля ZigBee Smart Energy 2.0 и достаточный объем встроенной памяти для запуска стека протокола ZigBee IP и профиля Smart Energy 2.0.
Планируется, что однокристальное решение CC2538 избавит от необходимости использовать дополнительный микропроцессор, упростит и удешевит разработку приложений Smart Grid и удаленных беспроводных сенсоров для интеллектуальных приборов учета.
CC2538 (Рис. 5.24) поддерживает стек ZigBee протокола Z-Stack, который обеспечивает полную функциональность Smart Energy 1.1. Профиль Smart Energy 2.0 разработан с целью взаимодействия с несколькими устройствами физического уровня (PHY) и создает основу для разработки SE 2.0 продуктов, которые смогут одновременно поддерживать сети ZigBee, Wi-Fi или коммуникации посредством силовых линий (PLC - Power Line Communication), включая ZigBee процессор (CC253x) и решения WiLink 6.0 (WL127x). Профиль позволит пользователям использовать ZigBee или Wi-Fi для подключения к существующим или новым инфраструктурам, или же использовать Wi-Fi в качестве моста для подключения по ZigBee к сети Интернет.
Микросхема CC2540 является BLE-процессором. Прибор является комбинацией радиочастотного GFSK трансивера с пропускной способностью 1Мб/с и большой дальностью действия, и богатый периферийными устройствами контроллер 8051. Набор периферийных устройств: USB, DMA, GPIO, USARTs, ADC, таймеры. Набор гибких экономичных режимов для увеличения срока службы батарей [78].
CC2570 и CC2571 - радиочастотные сетевые процессоры простого для использования и энергоэкономичного протокола ANT. CC2570 поддерживает 1 ANT-канал, CC2571 - 8 ANT-каналов. Оба прибора могут быть подключены к главному процессору системы через серийные интерфейсы UART или SPI, и доступны для него через набор функций API [79].
Большинство ANT-решений, построенных на данных устройствах, содержит системные функции файловой системы ANT-FS; таким образом, в главном процессоре могут быть размещены лишь профиль приложения и само пользовательское приложение - это позволяет минимизировать требования к размеру памяти процессора:
(рис 5.24) Система-на-кристалле стандарта 802.15.4g с поддержкой профиля ZigBee Smart Energy 2.0 CC2538
Сводные характеристики процессорных ядер систем-на-кристалле диапазона 2.4 ГГц представлены в Табл. 5.3, основные характеристики радиочастотного тракта и энергопотребления в Табл. 5.4.
(рис 5.25) Временная диаграмма выхода на рынок беспроводных систем-на-кристалле диапазона 2.4ГГц
Аналогично Рис. 5.10, диаграмма на Рис. 5.25 дает приблизительную оценку доступности (возможности заказа) беспроводных контроллеров диапазона 2.4 ГГц в России (отображено количество фирм-поставщиков, предлагающих указанные контроллеры со склада или на заказ по данным сервиса efind.ru).
(рис 5.26) Оценка доступности (возможности заказа) беспроводных контроллеров диапазона 2.4 ГГц в России
| Наименование | Тип процессорного ядра | Максимальные рабочие частоты контроллера, МГц | Объем встроенной памяти, байт ОЗУ/флеш | Напряжение питания, В/ток потребления ядра, мА | Тип корпуса |
|---|---|---|---|---|---|
| ATmega128RFA1 | AVR, 8 бит | 16 | 16K/128K | 1.8 - 3.6/4.1 | QFN64 |
| ATmegaRFR2 | AVR, 8 бит | 16 | 8K-32K/64K-256K | 1.8 - 3.6/4.1 | QFN64 |
| MC1321x | HCS08, 8 бит | 8-40 | 1K-4K/16K-60K | 2 - 3.4/6.5 | LGA71 |
| MC1322x | ARM7, 32 бита | 26 | 96К/128K+80K | 2 - 3.6/3.3 | LGA99 |
| MKW2x | ARM Cortex- M4, 32 бита | 50 | 32K|64K / 256K|512K | 1.8 - 3.6/17(TBD) | LGA56 |
| nRF51822 | ARM Cortex- M0, 32 бита | 16 | 16K/256K | 1.8 - 3.6/ | QFN48 |
| nRF51422 | ARM Cortex- M0, 32 бита | 16 | 16K/256K | 1.8 - 3.6/ | QFN48 |
| nRF24LU1+ | 8051, 8 бит | 16 | 2K/16K|32K | 3.2|5/6.3 | QFN32 |
| JN516x | RISC, 32 бита | 32 | 8K-32K/64K-256K | 2 - 3.6/15 | SOT618-1, HVQFN40 |
| EM35x | ARM Cortex-M3, 32 бита | 24 | 12K/128K|192K | 2.1 - 3.6/6.5 | QFN48 |
| STM32W108 | ARM Cortex-M3, 32 бита | 24 | 8K-16K/128K-256K | 2.1 - 3.6/6.5 | VFQFPN48, UFQFPN48, VFQFPN40 |
| CC2510/CC2511 | 8051, 8 бит | 26 | 1K-4K/8K-16K | 2 - 3.6/4.8 | QFN36 |
| CC2530/CC2531 | 8051, 8 бит | 32 | 8K/32K-256K | 2 - 3.6/6.5 | QFN40 |
| CC2533 | 8051, 8 бит | 32 | 4K|6K/64K|96K | 2 - 3.6/6.6 | QFN40 |
| СС2538 | ARM Cortex-M3, 32 бита | 32 | 32K/128K-512K | 2 - 3.6/13 | QFN56 |
| CC2540 | 8051, 8 бит | 32 | 8K/128K|256K | 2 - 3.6/0.235 | QFN40 |
| CC2570/CC2571 | 2 - 3.6 | QFN40 |
| Наименование | Чувствительность приемника, дБм | Выходная мощность передатчика, дБм | Максимальные скорости передачи данных, Кбит/с | Потребляемый ток в режиме передачи, мА | Потребляемый ток в режиме приема, мА (в режиме пониженного потребления, мкА) |
|---|---|---|---|---|---|
| ATmega128RFA1 | -100 | -17…+3.5 | 250/500/1000/2000 | 14,5 | 12,5 (0.31 - 1.1) |
| ATmegaRFR2 | -100 | -17…+3.5 | 250/500/1000/2000 | 14,5 | 6 (0.31 - 1.1) |
| MC1321x | -92 | 10 | 250 | 30 | 37 (0.2 - 500) |
| MC1322x | -96 | -30…+4 | 250 | 26 | 19 |
| MKW2x | -102 | -30…+10 | 250 | 15 | 15(0.03 - 700) |
| nRF51822 | -85..-96 | -20…+4 | 250/1000/2000 | 8-16 | 9.5 - 13 |
| nRF51422 | -85..-96 | -20…+4 | 250/1000/2000 | 8-16 | 9.5 - 13 |
| nRF24LU1+ | -82…-94 | -20…+4 | 250/1000/2000 | 11,1 | 13-13,5 |
| JN516x | -95 | -35…+2.5 | 250 | 15 | 17 |
| EM35x | -102 | -32…+2 | 250 | 31 | 25 |
| STM32W108 | -99 | -55…+8 | 250 | 26 | 22 |
| CC2510/CC2511 | -103 | -30…+1 | 500 | 16 - 23 | 17,1 |
| CC2530/ CC2531 | -97 | -27.5..+4.5 | 250 | 29 | 24 |
| CC2533 | -97 | -23..+4.5 | 250 | 32,3 | 25,1 |
| СС2538 | -97 | -24…+7 | 250 | 24 | 23 |
| CC2540 | -93 | 1000 | 27-31,6 | 19,6 | |
| CC2570/CC2571 | -86 | -21…+4 | 1000 | 34,3 | 23,7 |
Сейчас производителями предлагаются не просто приемопередатчики, физически поддерживающие требуемые частотные диапазоны, форматы данных, скорости передачи, но и предоставляются готовые стеки протоколов, позволяющие организовывать сети различной топологии, осуществлять маршрутизацию, передачу данных и многое другое. Наличие готового стека протоколов позволяет сосредоточить внимание разработчика сети именно на прикладных сетевых приложениях - примерно так, как это происходит с web-сервисами, клиент-серверными приложениями для персональных компьютеров - основную работу делает стек сетевых протоколов. Но разработка сетевого приложения для ZigBee сетей имеет свои особенности - так же, как отличается программирование персонального компьютера и микроконтроллера, это касается и работы сетевых протоколов стандарта ZigBee, и ограниченности ресурсов узлов сети, и деталей реализации каждого конкретного фирменного ZigBee стека.
6LoWPAN решает несколько наболевших проблем, связанных с беспроводными сенсорными сетями - стандартизация работы сети и доступа к данным сети. В отличие от стандартов ZigBee, 6LoWPAN расширяет стандартизацию практически до уровня прикладных задач, параллельно решаю проблемы с интеграцией сети небольших беспроводных узлов в IP сети.
Технология Bluetooth Low Energy представляется весьма перспективной технологией для сенсорных приложений, особенно связанных с тесным взаимодействием с пользователем. BLE имеет большой потенциал для широкого распространения, связанный в том числе с успехом классического Bluetooth.
Однокристальные решения для диапазона <1ГГц, в среднем, обладают меньшим объемом памяти по сравнению с беспроводными микроконтроллерами для диапазона 2.4 ГГц. В последнее время предлагаются беспроводные микроконтроллеры с одинаковыми процессорными ядрами, но с трансиверами для различных диапазонов, что позволяет разработчикам легко мигрировать с одного частотного диапазона в другой (имеется ввиду переход от субгигагерцовых частот на диапазон 2.4 ГГц или обратно).
Рынок беспроводных систем-на-кристалле диапазона 2.4 ГГц является достаточно разнообразным и охватывает практически все возможные аспекты применения сетей устройств малой мощности. Условия сильной конкуренции заставляют разработчиков искать новые ниши применения беспроводных контроллеров, развивать наборы периферийных устройств, выпускать специализированные версии контроллеров, ориентированные на решения определенных классов задач.
Для получения официальных документов о завершении программы дополнительного профессионального образования (удостоверения о повышении квалификации, дипломов о профессиональной переподготовке и MBA) необходимо предоставить:
Внимание! Вы можете не заказывать доставку бумажной версии официального документы, а скачать его в электронном виде и распечатать самостоятельно. Информация о выданном документе в течение 1 месяца загружается в Федеральную информационную систему «Федеральный реестр сведений о документах об образовании и (или) о квалификации, документах об обучении» - ФИС ФРДО.
Доступ на новый сайт осуществляется с использованием адреса электронной почты, который был указан вами при регистрации на "старом". Мы постарались перенести все ваши данные с прежнего ресурса, однако не исключена вероятность потери части информации.
При возникновении проблемы со входом, воспользуйтесь функцией сброса пароля
Если вы обнаружите несоответствия, пожалуйста, сообщите нам.