интерфейс wireless что это
Стандарт Wireless USB и общие вопросы использования технологии UWB
Кому он нужен, этот Wireless USB?
Современный пользователь мобильной электроники от телефонов до ноутбуков, сам того не замечая, от покупки к покупке «обрастает» все большим количеством беспроводных интерфейсов. Казалось бы, совсем недавно для всех коммуникационных нужд было достаточно обладать инфракрасным портом ан нет, появился Bluetooth, и жить стало легче, жить стало веселей. Сегодня многие уже не мыслят своей жизни без Wi-Fi, на очереди появление WiMAX, да и сама по себе мобильная телефония в широком смысле является беспроводным интерфейсом для связи с внешним миром.
Итого, к сегодняшнему дню мы рискуем запутаться уже не в клубке интерфейсных проводов, но в клубке различных и порой не очень хорошо совместимых стандартов. Однако, на горизонте маячат новые доселе неизвестные стандарты беспроводных коммуникаций, один из которых Wireless USB, со временем грозит вытеснить собой некоторые известные способы взаимодействия мобильных устройств с периферией.
Казалось бы, зачем изобретать велосипед, то есть, переиначивая фразу в применении к сектору беспроводных интерфейсов, зачем придумывать новый стандарт, когда уже есть тот же Bluetooth, инфракрасные порты, а для более масштабных расстояний и скоростей Wi-Fi? Обратимся к схеме ниже и рассмотрим ежедневные сферы применения, где столь популярный Bluetooth никоим образом не сможет справиться с предлагаемым потоком данных.
Обратите внимание: удел Bluetooth работа с периферией и приложениями, потребляющими относительно низкоскоростной трафик, как правило, устройствами ввода, синхронизации и передачи речи с относительно невысокими требованиями к качеству аудиопотока. Несмотря на то, что Intel планирует сделать Bluetooth 1.2 стандартным интерфейсом в ноутбуках на базе технологии Centrino уже в 2005 году (главным образом, для передачи стереозвука), везде, где речь заходит о передаче видео, Bluetooth автоматически остается за бортом.
А как же Wi-Fi, возможности которого к настоящему времени в реализациях версий IEEE 802.11a/g простираются до обмена трафиком до 54 Мбит/с? Спору нет, это уже лучше, но во-первых, Wi-Fi это все же инструмент, заточенный немного под другие задачи, хотя, на безрыбье может подойти и он. Во-вторых, не стоит забывать, что это только сейчас пользователь чувствует себя относительно вольготно на выделенных для Wi-Fi каналах, а что будет, когда в каждой второй квартире начнут подключать друг к дружке наушники, пылесосы и прочие ноутбуки? И в-третьих, как не крути, но даже для некоторых современных приложений пиковая скорость Wi-Fi, не превышающая 54 Мбит/с (обсуждение способов сжатия трафика пока оставим за кадром) оказывается безнадежно малой. Что уж говорить о грядущих цифровых домах и желании передавать/транслировать объемы аудио/видео контента с более-менее приличным качеством.
Итак, получается, что нужда в простом надежном и производительном локальном интерфейсе все же существует. Иными словами, пользователю совсем будет не лишним вариант с возможностями IEEE1394 или USB 2.0, но без проводов. Пусть радиус его действия будет сравним с проводными вариантами 3-5 метров, не более 10, но обязательно должна гарантироваться приличная, сравнимая с проводными вариантами скорость обмена данными, теоретически неограниченное количество каналов, а раз уж речь зашла о современных реалиях, по возможности, с хорошей защитой от несанкционированного доступа к данными и малым энергопотреблением.
Вроде, ничего не забыли? Фактически, мы желаем разместить в нынешних перегруженных радиочастотных каналах неограниченное количество диапазонов. Которые, из-за ширины канала, требуемой для приличной скорости обмена данными, согласно теореме Котельникова, просто «сожрут» все имеющиеся ресурсы, попутно вытеснив телевидение, радио и прочие участки мобильных операторов и спутниковые стволы. Плюс к этому желательно, чтобы размеры самих интерфейсных адаптеров были сравнимы с нынешними разъемами кабелей USB, максимум с габаритами флэш-брелоков, а еще лучше, чтобы и вовсе не «выпирали» из мобильников, карманных ПК и ноутбуков, скрываясь внутри.
Фантастика? Да, если использовать современные виды модуляции с частотным, фазовым, временным и любым другим уплотнением. Нет, если речь идет о широкополосной передаче данных.
Стандарт Wireless USB: первые робкие шаги
Начало сентября 2004 года ознаменовалось проведением очередной осенней сессии Форума Intel для разработчиков в Сан-Франциско, на которой Intel совместно с NEC, Texas Instruments и Wisair впервые продемонстрировали в работе новые устройства, совместимые со спецификациями стандарта Wireless USB. Новой технологии обмена данными пока что не исполнилось и года, ибо впервые рабочая группа поддержки стандарта Wireless USB Wireless USB Promoter Group, заявила о своем существовании в феврале 2004 года. На тот момент группа поддержки WUSB состояла из компаний Agere Systems, HP, Intel, Microsoft, NEC, Philips и Samsung, однако, за последние полгода к группе подключились Appairent Technologies, Alereon Inc., Staccato Communications, STMicroelectronics, Texas Instruments и Wisair, внесшие весомый вклад в развитие новой технологии.
Основная задача, которую поставила перед собой новая рабочая группа при продвижении Wireless USB сохранение существующих устройств USB, инфраструктуры драйверов, внешнего вида и удобств использования проводных устройств USB, тем самым поставив обязательным условием сохранение осуществленных ранее капиталовложений.
Несмотря на то, что впервые словосочетание «Wireless USB» прозвучало в феврале на весеннем форуме IDF 2004, а работы по адаптации UWB в качестве стандартного скоростного интерфейса для ПК еще раньше, первые более-менее осмысленные детали спецификаций стандарта мы узнали в июле, в дни проведения конференции Wireless Japan 2004. Именно тогда прозвучали невероятно близкие сроки начала коммерческого внедрения стандарта 2005 год, и WUSB, можно сказать, впервые заставил заговорить о себе всерьез, хотя, действительно массовое внедрение интерфейса начнется в 2006 – 2007 годах. Именно к тому времени, по прогнозам аналитиков из In Stat Group, количество всевозможной периферии с интерфейсом USB, ныне превышающее 1 млрд. устройств, составит более 3,5 млрд. Согласитесь, весомый рынок, о будущем которого надо думать заранее.
Итак, разработчики нового стандарта поставили перед собой задачу подготовить спецификации, которые станут привычным простым высокопроизводительным беспроводным интерфейсом для настольных и мобильных ПК, PDA, мобильных телефонов, компьютерной периферии и устройств бытовой электроники, обеспечивая удобное соединение и высокоскоростной обмен данными.
По задумке, новая технология и связанные с ней подстандарты обеспечат использование высокоскоростных беспроводных соединений между различными устройствами в быту и офисе. Новые стандарты разрабатываются для беспроводных персональных сетей (WPAN) и предназначены для передачи изображения, звука и других данных по высокоскоростным широкополосным соединениям. Вот лишь краткий список бытовой электроники, наиболее нуждающийся в появлении Wireless USB уже сейчас:
Каждый может сам продолжить этот список, по очереди припомнив все домашние или офисные устройства с интерфейсами USB/FireWire, особенно, с учетом появления спецификаций однорангового варианта USB USB-On-The-Go. Пожалуй, самое время подумать о способе отрезать клубок кабелей и освободить себя от привязанности к этим проводам.
Wireless USB: топология
Топология Wireless USB характеризуется емким понятием «hub-and-spoke», то есть, образно перефразируя на русский, «ось [колеса] и спицы» (см. схему ниже). Роль оси в нашем случае выполняет хост-контроллер, который инициализирует трафик с каждым подключенным к нему периферийным устройством и управляет потоком данных, выделяя каждому соответствующий тайм-слот и соответствующую ширину полосы пропускания канала.
Таким образом, каждое Wireless USB устройство подключается к хосту по схеме «точка-точка». Основным отличием такой схемы от проводной версии USB можно назвать отсутствие в топологической схеме специальных дополнительных концентраторов. Тем не менее, беспроводной USB-хост подразумевает логическое подключение до 127 Wireless USB устройств.
Интересно отметить, что получаемые в результате кластеры устройств с интерфейсом Wireless USB сосуществуют в едином окружении с минимальными взаимными помехами. В дополнение к получаемым беспроводным возможностям, интерфейс Wireless USB обратно совместим с проводной версией USB и позволяет создавать совершенно прозрачные мосты на проводные USB устройства и хост-контроллеры. Таким образом можно создавать не только «сетевые» соединения второго уровня между двумя хостами, но также организовывать передачу данных между двумя кластерами.
Обязательно стоит упомянуть, что топология WUSB в обязательном порядке подразумевает поддержку двоякой модели взаимодействия, когда устройство наделяется некоторыми ограниченными возможностями хоста (по образу и подобию USB-On-The-Go), что позволяет мобильным устройствам получать доступ к некоторым сервисам в качестве хост-устройства, например, к принтерам.
Wireless USB: радиочастотный спектр и тип модуляции
Стандарт Wireless USB основан на использовании технологии сверхширокополосной UWB (Ultra-Wideband) модуляции на базе рекомендаций MultiBand OFDM Alliance (MBOA) и WiMedia Alliance. Точнее будет сказать, что Wireless USB лишь один из почти достигнувших практической реализации стандартов для создания так называемых беспроводных персональных сетей Wireless PAN (Personal Area Network), на базе только зарождающейся коммуникационной технологии UWB, подразумевающей использование очень широкой полосы частот до 30 ГГц. Впрочем, частотный диапазон технологии UWB пока обозначен лишь в США, где его принятие в FCC было достигнуто после многократного обсуждения с производителями радаров; ратификация UWB национальными подкомиссиями электросвязи Японии и стран Еврозоны еще впереди.
Обе вышеупомянутые организации MBOA и WiMedia Alliance, являются открытыми индустриальными ассоциациями, созданными для продвижения стандартов персональных беспроводных сетей WPAN (Wireless Personal Area Networks). Спешу вас обрадовать: Wireless USB будет одним из целой серии беспроводных интерфейсов, использующих технологию UWB, на деле в перспективе нас ожидает целый букет различных беспроводных интерфейсов с единой организацией протоколов адресации и физического уровня на базе спецификаций IEEE802.15.3.
Традиционно под сверхширокополосной модуляцией UWB, подразумевается работа передатчика, при которой генерируются миллиарды импульсов в очень широком порядка нескольких гигагерц, частотном спектре. Приемная часть преобразовывает импульсы в данные путем отслеживания схожих последовательностей импульсов. В общем случае под UWB подразумевается любая радиочастотная технология, занимающая спектр с полосой более 20% несущей частоты передатчика, или работающая в диапазоне более 500 МГц.
Под современной UWB технологией подразумевается применение иного принципа модуляции мультиплексирования по ортогональным несущим частотам (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing), что, впрочем, также требует использования очень широких частотных диапазонов. В случае использования OFDM в сочетании с несколькими частотными диапазонами, мы получаем технологию MultiBand OFDM, имеющую значительные преимущества перед вариантами со сравнительно узкой полосой, например, IEEE802.11a, что выражается в легкой адаптации стандарта к требованиям комитетов электросвязи любых государств, возможности отличного масштабирования в будущем и обратной совместимости обновленных версий. Простой пример: не нравится законодателям какой-либо страны ширина требуемых поддиапазонов? Пожалуйста, динамически подстраиваем их ширину, отключаем запрещенные, и в конце концов стандарт все равно вписывается в предъявленные требования.
В случае с продвигаемыми подстандартом MultiBand OFDM спектральный 7,5 ГГц участок разделен на несколько отдельных диапазонов шириной 528 МГц. Возможность динамического подключения тех или иных участков позволяет удовлетворить требования любых национальных комитетов электросвязи.
План распределения частотного диапазона для MultiBand OFDM устройств, согласно рекомендациям MBOA, разбит на пять логических каналов (см. схема выше). Поддержка канала Channel 1, включающего в себя три первых частотных участка, является обязательным требованием для всех UWB устройств. Сочетание различных каналов позволяет организовать различные режимы работы устройств MultiBand OFDM.
В нынешней рекомендации ассоциации MultiBand OFDM Alliance, диапазоны с первого по третий (обязательные) используются для работы в режиме Mode 1, в то время как использование диапазонов в каналах со второго по пятый является необязательным. Такая организация позволяет обеспечить поддержку до четырех частотно-временных режимов модуляции на канал, что в сумме дает до 20 подканалов в нынешней рекомендации MBOA. Помимо этого стоит упомянуть, что рекомендации MBOA также позволяют уклониться от использования канала №2 в случае возникновения помех безлицензионным видам беспроводных интерфейсов (U-NII, Unlicensed-National Information Infrastructure) типа нынешнего IEEE802.11a.
Архитектура приемной и передающей радиочасти интерфейса при этом, несмотря на достаточно сложные схемы синтезаторов частот и других модулей, остается вполне типичной для OFDM решений.
Блок-схема передатчика 
Блок-схема приемника
Кстати упомянуть, средние частоты диапазонов и их границы выбраны не случайным образом. Когда заходит речь о создании синтезатора частот видно, что в пределах каждого сектора тактовые частоты диапазонов генерируются прекрасным образом благодаря наличию единственного генератора опорной частоты:
Обратная совместимость с проводным стандартом USB на практике означает, что из этого стандарта по максимуму были портированы его характеристики, включая сигнальные события (соединение, разъединение, временное прекращение обмена, возобновление и т.д.), особенности построения протокола организации транзакций и др.
Пакеты данных формируются по технологии, основанной на протоколе множественного доступа с разделением каналов по времени TDMA (Time Division Multiple Access).
Из интересных идентификаторов протокола можно отметить обязательное наличие регистра, несущего информацию о функциональности устройства в качестве хоста. Также стоит упомянуть об уникальном индексе MSSI (Micro-Scheduled Stream Index), используемого для идентификации WUSB.
Wireless USB: питание и энергопотребление
Особенного внимания заслуживает вопрос энергопотребления радиочастотных компонентов интерфейса, поскольку именно этот параметр наиболее важен для портативных устройств. Как известно, энергопотребление типичного PDA без учета использования беспроводных интерфейсов колеблется в пределах 250 400 мВт, для сотовых телефонов типичным диапазоном энергопотребления является 200 300 мВт. Добавление интерфейса Wireless USB не должно увеличивать энергопотребление портативных устройств на величину большую, нежели это происходит при использовании других беспроводных интерфейсов.
Как известно, в нынешних условиях вполне желательно, чтобы устройства с автономным питанием обеспечивали работу мобильного устройства в ждущем режиме на протяжении 3 5 дней и до нескольких месяцев для устройств класса пульта дистанционного управления. Ожидается, что интерфейсные Wireless USB контроллеры первого поколения, выполненные на базе стандартизированных MBOA (MultiBand OFDM Alliance) радиочастотных решений будут обладать энергопотреблением менее 300 мВт. Второе поколение таких устройств будет потреблять менее 100 мВт. При разработке схем питания основное внимание будет уделяться использованию электрических цепей, уходящих в «спящий» режим в отсутствие сигнала, а также широкое использование режимов питания Sleep/Listen/Wake.
Wireless USB: производительность и перспективы ее масштабирования
Нынешняя спецификация Wireless USB версии 0.7 подразумевает работу интерфейса в радиусе до 3 метров со скоростью обмена данными до 480 Мбит/с при низком энергопотреблении, что сравнимо с существующим проводным стандартом USB 2.0. На самом деле, как и у многих других интерфейсов, в зависимости от расстояния между хостом и устройством, а также массы других характеристик окружающей среды производительность интерфейса колеблется от 55 Мбит/с до 480 Мбит/с. Приведем опорные декларируемые характеристики производительности интерфейса в зависимости от расстояния:
При этом подразумевается энергопотребление передающей части не более 130 мВт и приемной части не более 160 мВт. Основные характеристики, заявляемые на нынешнем этапе экспериментов с интерфейсом, приведены в таблице ниже (при усилении антенны 0 дБ, данные Texas Instruments):
Согласно утверждениям разработчиков, следующее поколение спецификаций интерфейса будет поддерживать обмен данными на скорости до 1 Гбит/с.
Wireless USB: вопросы обеспечения безопасности
Пока мы работаем с обычным USB, вопросы защиты данных не имеют никакого смысла в связи с проводной сутью интерфейса. Однако, как и в любом другом беспроводном интерфейсе, при переходе к использованию WUSB на первое место выйдут вопросы безопасности. Тем не менее, требование спецификаций интерфейса при обеспечении безопасности обмена подразумевает отсутствие влияния процесса шифрования на скорость обмена и окончательную цену решения.
Предполагается, что шифрование в Wireless USB будет обеспечиваться аппаратно по протоколу AES-128, обеспечение дополнительной безопасности может быть реализовано на уровне приложений.
Итого
Проведенная в рамках осенней сессии Форума Intel для разработчиков 2004 года демонстрация стала важным шагом для альянса Multi-Band OFDM (MBOA), поскольку на базе общего интерфейса физического уровня и прототипа набора приложений Wireless USB впервые была установлена связь между устройствами MAC-уровня различных компаний.
В настоящее время на повестке дня разработчиков стандарта Wireless USB принятие протокола физического уровня. В четвертом квартале 2004 года ожидается финальная версия MAC-протокола, также до конца нынешнего года будет выпущена финальная версия спецификаций WUSB. Ожидается, что в начале-середине 2005 года будет представлен первый UWB и WUSB кремний, а первые решения на базе Wireless USB появятся на рынке в конце 2005 года.
Разработчики считают, что первыми на рынке будут востребованы WUSB решения для настольных ПК и CE-решений, а варианты интерфейса для мобильных устройств появятся несколько позже. Таким образом, в 2005 2006 годах на рынке будут появляться главным образом отдельные хост-контроллеры и интерфейсные платы в виде решений под шины PCI, PCI Express, ExpressCard, а также варианты под порт USB 2.0. В 2006 2007 настанет время интегрированных контроллеров WUSB и появления периферии с «родным» WUSB.
Не удивляйтесь, что в настоящее время так мало слышно об интерфейсе WUSB, его время еще не пришло. Сами разработчики обещают открыть сайт поддержки Wireless USB только в четвертом квартале 2004, ближе к готовности финальной версии стандарта. Возможно, к этому времени мы впервые увидим логотип нового стандарта.
Соответственно, пока нет стандарта, никто особенно и не «шумит» об его будущем. Но мы с вами к его встрече теперь в какой-то степени уже готовы.
Беспроводные интерфейсы умного проSTранства – преимущества и ограничения
Александр Калачев (г. Барнаул)
При автоматизации больших территорий используются протоколы беспроводной связи ZigBee, BLE/Bluetooth, LoRaWAN, Sigfox, Thread, проприетарные протоколы 433/868 МГц и NFC. Компания STMicroelectronics предлагает для них приемопередающие модули и системы на кристалле, специализированные контроллеры, ИС для создания RFID-меток, а также экосистему из аппаратных и программных продуктов для разработки, отладки и поддержания работоспособности.
Термин «умный дом» прочно вошел в обиход с появлением возможности устанавливать системы автоматики в пределах жилых или коммерческих помещений без существенных территориальных и энергетических затрат, да еще и с сохранением дизайна или эстетического вида. По сути – это стремление людей к автоматизации некоторых рутинных действий, упрощение управления конфигурацией дома или его оборудования, желание достичь определенной степени комфорта. Вариантов построения систем домашней автоматизации достаточно много, все зависит от желания и возможностей конечного потребителя.
«Умное пространство» несколько расширяет понятие умного дома, не ограничивая расположение систем автоматизации рамками конкретного помещения или здания.
Умное пространство можно рассматривать, как совокупность открытых взаимодействующих систем, обслуживающих определенную территорию (территория жилого дома, офисного центра, коммерческого или промышленного предприятия). При этом взаимодействие систем осуществляется как между собой, так и с людьми, находящимися в рамках видимости.
Построение и развитие умного пространства может быть запланированным, когда при строительстве или реконструкции территории изначально предусматривается определенный набор систем автоматики и автоматизации (соответственно, под них заводится базовая инфраструктура в виде кабельных систем, линий питания, кабельных каналов и тп), а может быть и спонтанным, когда системы монтируются уже после сложившейся инфраструктуры. Возможны, конечно и более сложные варианты появления и развития систем и подсистем автоматизации пространства.
В большинстве случаев взаимодействие подсистем умного пространства ведется по нескольким интерфейсам (подсистемы различны по задачам, и в рамках одного физического интерфейса едва ли возможно их относительно комфортное объединение – что, в общем не исключает наличие единого для всей системы протокола, например, того же ModBus), включая беспроводные.
Беспроводные интерфейсы в умном пространстве очень удобны в плане относительной свободы размещения исполнительных и сенсорных устройств, так как в худшем случае для них необходимы только линии питания, да и то с малыми токами. Второй плюс беспроводных интерфейсов заключается в том, что элементы системы не привязаны к какому-либо конкретному месту и могут быть перемещены по необходимости или по желанию пользователей, также это могут быть и перемещаемые устройства.
Как правило, работа беспроводных интерфейсов в системах автоматизации происходит в одном или нескольких безлицензионных диапазонах частот (рисунок 1). В РФ использование радиочастот регламентирует Государственная комиссия по радиочастотам – ГКРЧ. На текущий момент перечень основных разрешенных диапазонов и типов устройств выглядит так – [1] (есть также недавнее дополнение, немного расширяющее его в диапазоне 868 МГц – [2]).
В перечень наиболее часто применяемых в системах умный дом/умное пространство диапазонов можно включить следующие:
Рис. 1. Безлицензионные полосы радиочастот РФ
В организации развитой сети умного пространства участвуют субгигагерцовый диапазон и диапазон 2,4 ГГц – для них есть база в виде аппаратного обеспечения (трансиверы, системы-на-кристалле, однокристальные беспроводные микроконтроллеры), и программного обеспечения (стеки стандартных и проприетарных протоколов).
Субгигагерцовый диапазон при практически сравнимых уровнях энергопотребления обеспечивает большую дальность связи между узлами системы, волны этого диапазона менее чувствительны к наличию препятствий, характерных для помещений, жилых и хозяйственных территорий – мебель, стены, проемы, люди.
Устройства диапазона 2,4 ГГц несколько проще интегрировать в единую систему за счет более простого взаимодействия с устройствами пользователей (особенно это касается протоколов Bluetooth/BLE). Также благодаря меньшей рабочей длине волны устройства могут иметь миниатюрные габариты за счет уменьшения размеров антенны.
Протоколы
Вот наиболее популярные и развитые протоколы для систем умного пространства.
Решения ST для протоколов Bluetooth/BLE
В данный момент технология Bluetooth/ BLE присутствует практически на всех мобильных платформах, хорошо поддерживается и надежна в плане организации персональных сетей, ближних коммуникаций, работе с периферийными устройствами. Отдельно стоит упомянуть так называемый «маячковый» режим BLE-устройств (яркий пример – технология iBeacon).
Ключевые преимущества BLE:
Из ассортимента беспроводных контроллеров STMicroelectronics для технологии BLE рекомендуются контроллеры серий BlueNRG-2, BlueNRG-LP и STM32WB55.
BlueNRG-2
BlueNRG-2 – это однорежимная система-на-кристалле стандарта BLE. BlueNRG-2 расширяет возможности своего ставшего весьма популярным предшественника – сетевого процессора BlueNRG, позволяя использовать встроенный микроконтроллер Cortex-M0 для запуска кода пользовательского приложения.
BlueNRG-2 (рисунок 2) включает в себя 256 кбайт программируемой флэш-памяти, 24 кбайт статической оперативной памяти с сохранением (два банка по 12 кбайт), набор стандартных периферийных интерфейсов связи SPI, UART, I2C. Он также оснащен многофункциональными таймерами, сторожевым таймером (WDT), контроллером часов реального времени (RTC) и контроллером прямого доступа в память (DMA).
Для взаимодействия с аналоговыми датчиками и считывания результатов измерения встроенного датчика напряжения батареи BlueNRG-2 оснащен многоканальным АЦП. Для обработки звукового потока в формате PDM доступен встроенный цифровой фильтр.
Рис. 2. Блок-схема BlueNRG-2
BlueNRG-2 обеспечивает те же отличные радиочастотные характеристики, что и радио BlueNRG, а встроенный высокоэффективный преобразователь постоянного тока в постоянный сохраняет те же характеристики сверхнизкой мощности. BlueNRG-2 имеет меньшие значения потребление тока в режиме ожидания, что позволяет еще больше увеличить срок службы батареи для устройств с автономным питанием.
BlueNRG-LP
BlueNRG-LP (рисунок 3) – это программируемая Bluetooth-система-на-кристалле со сверхнизким энергопотреблением. В ее основе – новейшие радиочастотные IP-ядра STMicroelectronics диапазона 2.4ГГц, сочетающие высокую производительность с чрезвычайно низким потреблением (как следствие – длительным сроком автономной работы).
BlueNRG-LP совместим со спецификацией BLE SIG версии 5.2, может строить сети типа «точка-точка», «звезда» и ячеистые сети Bluetooth mesh, позволяет создавать надежные крупномасштабные сети устройств. BlueNRG-LP построен на ядре Cortex-M0+, которое может работать с частотой до 64 МГц, а также содержит сопроцессор BlueNRG core (на базе DMA) для выполнения критически важных операций синхронизации протокола BLE.
Основные поддерживаемые функции спецификации BLE 5.2:
Кроме того, BlueNRG-LP обеспечивает расширенную аппаратную поддержку безопасности за счет специальных аппаратных функций:
Рис. 3. Блок-схема BlueNRG-LP
BlueNRG-LP может быть сконфигурирован для поддержки автономных или сетевых процессорных приложений. В первой конфигурации BlueNRG-LP работает как единое устройство в приложении для управления – как кодом приложения, так и стеком Bluetooth с низким энергопотреблением. Во втором случае взаимодействует с хост-контроллером, обеспечивая ему взаимодействие с BLE, сама логика прикладной задачи реализуется на хост-контроллере.
Приятно радуют объемы встроенной памяти: флэш-память 256 кбайт, оперативная память 64 кбайт, область однократно программируемой памяти (OTP) 1 кбайт, память ROM 7 кбайт. Традиционно в контроллере развитая система прямой передачи данных между памятью и периферийными устройствами и из памяти в память реализуется восемью каналами DMA, управляемыми модулем DMAMUX.
BlueNRG-LP оснащен также 12-разрядным АЦП, позволяющим обрабатывать сигналы восьми внешних источников и до трех внутренних источников, включая мониторинг батареи и датчик температуры.
Также в состав BlueNRG-LP входят маломощный таймер часов реального времени (RTC) и один усовершенствованный 16-разрядный таймер.
Набор интерфейсов связи BlueNRG-LP:
В схему BlueNRG-LP интегрированы высокоэффективный понижающий преобразователь SMPS и схема PDR с фиксированным порогом, который генерирует сброс устройства, когда VDD падает ниже 1,65 В.
BlueNRG-LP поставляется в различных версиях корпусов, поддерживающих до:
BlueNRG-M2
Для относительно малых серий продукции, а также для проектов, в которых позволяют габаритные возможности, доступны готовые миниатюрные модули на базе BlueNRG-2 – BlueNRG-M2SA и BlueNRG-M2SP (рисунок 4). Модули поддерживают несколько ролей и могут одновременно работать в качестве ведущего и ведомого устройства Bluetooth, практически законченной радиочастотной платформой, содержащей, в том числе, антенну.
Модули позволяют создать законченный продукт интернета вещей без глубоких знаний в области разработки высокочастотных устройств и значительно сокращают время вывода нового продукта на рынок. Среди областей применения этих изделий – устройства управления зданием, автоматизация производственных процессов, управление освещением, медицинское оборудование и системы безопасности.
Питание BlueNRG-M2 может осуществляться непосредственно от пары батарей типа AAA или от любого источника питания 1,7…3,6 В. BlueNRG-M2 поставляется в двух вариантах: BlueNRG-M2SA и BlueNRG-M2SP. Их конфигурации отличаются программной инициализацией.
Модуль BlueNRG-M2SP не включает в себя кварцевый резонатор 32768 Гц и индуктивность для работы внутреннего преобразователя питания SMPS.
Рис. 4. Блок-схема модуля BlueNRG-M2
STM32WB55
STM32WB55 (рисунок 5) – двухъядерные беспроводные микроконтроллеры, поддерживающие стандарты Bluetooth™5 и IEEE 802.15.4. В составе STM32WB55 – два 32-разрядных процессорных ядра архитектуры ARM:
Построенный на базе популярного малопотребляющего ядра STM32 Cortex-M4F (50 мкА/МГц), STM32WB показывает отличные результаты по энергопотреблению – в режиме приема ток потребления составляет лишь 4,5 мА. От существующих на рынке решений STM32WB55 отличается также встроенным драйвером пассивного ЖКИ-дисплея, поддержкой USB2.0 FS и большим объемом памяти.
Общие характеристики микроконтроллеров STM32WB:
Рис. 5. Блок-схема STM32WB55
STM32WB55 – еще и с ZigBee
Микроконтроллеры STM32WB55 позволяют разработчикам задействовать для проектов интернета вещей функциональную совместимость и энергосберегающие возможности сети Zigbee. Предлагаемый STMicroelectronics набор программного обеспечения сертифицирован как ZigBee PRO 2017 (revision 22) и включает опции ZigBee 3.0 – функционал базового ZigBee-устройства (BDB), порядка 50 кластеров из ZigBee Claster Library (ZCL) и работу с протоколом управления освещением ZigBee Green Power.
STM32WB55 с программным обеспечением ZigBee 3.0 позволяют создавать mesh-сети из сотен устройств и использовать микроконтроллеры в системах сбора данных со счетчиков энергии, в устройствах автоматизации зданий и в индустриальных сетях сбора телеметрической информации.
Набор программного обеспечения ZigBee 3.0 включает в себя набор готовых примеров, которые можно запускать на отладочных платах P-NUCLEO-WB55. В исходном коде доступны такие приложения как сбор данных с датчиков температуры и влажности, управление дверным замком, реализация On/Off-выключателя, управление электросчетчиком и другие.
Стек ZigBee доступен в двух вариантах – для полнофункционального ZigBee-узла (так называемое Full Featured Device – FFD) и для узла с ограниченным набором функций (Reduce Functions Device – RFD). Такое деление позволяет уменьшить объем используемой flash с 300 до 254 кбайт для узлов, работающих только в режиме конечного устройства, то есть без ретрансляции пакетов.
Решения ST для протоколов передачи данных на максимальные расстояния LoRa и SigFox
STM32WL
Система-на-кристалле STM32WL для субгигагерцового диапазона (рисунок 6, 7) сочетает в себе ядро микроконтроллера общего назначения (ядра ARM Cortex‐M4 и Cortex-M0+ – в серии доступны одно- и двухъядерные архитектуры) и радиотрансивер на базе Semtech SX126x.
STM32WL поддерживают несколько типов модуляций радиосигнала – LoRa, (G)FSK, (G)MSK, BPSK, что позволяет применять их в беспроводных приложениях стандартов LoRaWAN, Sigfox, W-MBUS, mioty или любого другого подходящего протокола.
Благодаря глубокой интеграции инновационная и открытая архитектура оптимизирована для LoRaWAN legacy, Sigfox и проприетарных протоколов, имеет достаточно гибкую систему распределения ресурсов, управления питанием.
Разработанная с использованием той же технологии, что и технология, реализованная в микроконтроллерах STM32L4 со сверхнизким энергопотреблением, серия STM32WL имеет аналогичные цифровые и аналоговые периферийные устройства для базовых или комплексных приложений, требующих длительного времени автономной работы и большого радиочастотного диапазона через приемопередатчик с частотой ниже ГГц.
Микроконтроллеры STM32WL имеют широкий диапазон выходной мощности радиосигнала и широкий линейный диапазон частот, подходящий для любого нелицензированного радиочастотного спектра (непрерывный охват частот от 150 до 960 МГц).
Линейки контроллеров серий STM32WLEx (одноядерный M4) и STM32WL5x (двухъядерный M4 и M0+) включают в себя широкий спектр интерфейсной периферии и линий ввода-вывода (до 43 GPIO), встроенный импульсный преобразователь (SMPS) для оптимизации энергопотребления, несколько режимов с низким энергопотреблением.
Рис. 6. Блок-схема одноядерного STM32WL
Рис. 7. Блок-схема двухъядерного STM32WL
В контроллерах реализованы встроенные функции аппаратного обеспечения безопасности, такие как 128-/256-битное аппаратное шифрование (AES), защита от чтения/записи содержимого памяти (PCROP), аппаратный ускоритель шифрования с открытым ключом (криптографический механизм эллиптической кривой).
В дополнение к перечисленному двухъядерная линейка STM32WL5x обладает расширенными функциями безопасности, такими как службы безопасного управления ключами (SKM), аппаратная изоляция защищенных областей, безопасная загрузка и безопасное обновление встроенного ПО.
Непосредственно стеки LoRaWAN и Sigfox доступны разработчикам в среде STM32CubeWL.
В качестве основных средств разработки и отладки выступают отладочная плата STM32WL55 Nucleo и экосистема STM32Cube, которые в связке образуют единый набор аппаратных и программных средств, позволяющих быстро и легко приступить к разработке приложений.
Программный пакет MCU STM32CubeWL представляет собой универсальное решение для встраиваемых программных ресурсов и включает периферийные драйверы HAL и LL, полный набор промежуточного программного обеспечения и стеков радиосвязи (LoRaWAN и Sigfox) вместе с различными предварительно настроенными примерами программного обеспечения для нескольких популярных IDE, таких как Keil MDK-ARM, STM32CubeIDE и IAR.
Серия STM32WL поддерживается инструментом инициализации, настройки и генерации кода STM32CubeMX, а также программным обеспечением STM32CubeMonitor для тестирования и проверки производительности радиотракта.
В дополнение к встроенному отладчику, который помогает разрабатывать и тестировать приложения на основе существующих примеров, плата STM32WL55 Nucleo предлагает множество вариантов внутреннего питания, включая USB-разъем ST-LINK.
Решения ST для передачи данных в диапазонах 433/868 МГц
Для реализации специализированных проприетарных протоколов обмена, для применения в беспроводных устройствах с повышенными требованиями к устойчивости канала связи, от распределенных бытовых и промышленных датчиков до сложных систем безопасности, STMicroelectronics предлагает узкополосный приемопередатчик S2-LP, способный работать в диапазонах 433/868 МГц.
S2-LP поддерживает различные схемы модуляции: 2(G) FSK, 4(G) FSK, OOK и ASK. Скорость передачи данных в эфире программируется от 0,1 до 500 кбит/с. S2-LP может использоваться в системах с расстоянием между каналами до 1 кГц, что позволяет работать в условиях плотнозаселенного частотного диапазона.
Из основных характеристик:
Для того чтобы максимально упростить знакомство с новым узкополосным приемопередатчиком S2-LP, компания ST предлагает недорогую плату STEVAL-FKI868V1 и программный пакет STSW-S2LP-DK, с помощью которых можно буквально за считанные часы запустить беспроводную передачу данных в диапазоне 868 МГц.
Решения ST для NFC
Коммуникационная технология ближнего радиуса действия (Near-Field Communication или NFC) разработана для двухстороннего беспроводного взаимодействия между электронными устройствами на очень близком расстоянии.
Одними из новейших и наиболее интересных решений STMicroelectronics для этой технологии являются микросхемы серий ST25DV, ST25R3911/ ST25R3916.
ST25DV
ST25DV – серия микросхем конечных RFID-устройств, ориентированная на реализацию так называемых динамических меток.
В серии ST25DV представлены EEPROM объемом 4, 16 и 64 Кбит (ST25DV04K, ST25DV16K и ST25DV64K соответственно).
Со стороны хост-системы ST25DV предоставляет I 2 C-интерфейс с тактовой частотой до 1 МГц, широкий диапазон рабочих напряжений – от 1,8 до 5,5 В, позволяющий работать практически с любым типом источников питания и микроконтроллером. Поддерживается одновременная запись нескольких байт (до 256).
Беспроводной интерфейс поддерживает все типы модуляций и скорости передачи данных, предусмотренные в стандарте ISO/IEC 15693. Максимальная скорость чтения данных – до 53 Кбит/с.
Ключевые возможности серии ST25DVxxx:
1) Режим быстрого обмена (fast transfer mode – FTM) предназначен для бесконтактной передачи данных между внешним устройством и встроенной системой (хост-контроллером) посредством 256-байтного буфера, называемого «почтовым ящиком». Данный буфер доступен по чтению и записи как со стороны радиоканала, так и со стороны хост-контроллера по I 2 C. При активном режиме быстрого обмена ST25DVxxx работает практически как специфический беспроводной приемопередатчик.
2) Настраиваемый вывод индикации прерывания – GPO, который в зависимости от текущей конфигурации может показывать наличие радиополя, активность беспроводного канала, окончание операций чтения-записи, появление данных в буфере «почтовый ящик».
3) Вывод сборщика энергии, позволяющий питать микромощные устройства за счет собранной энергии внешнего радиополя, если такое возможно.
4) Система управления сообщениями радиоканала, позволяющая в ряде случаев их игнорировать.
Управление данными и другими опциями микросхемы осуществляется установкой соответствующих значений в набор статических (значение сохранится по выключению питания) и динамических (значение не сохраняется при отключении питания) регистров.
Не так давно серия динамических меток NFC/RFID ST25DV была расширена микросхемами ST25DV-PWM диапазона 13,56 МГц с ШИМ (PWM) для систем управления светом, моторами и тому подобным. В серию входят чипы ST25DV02K-W1/W2, которые отличаются числом выходов ШИМ (PWM).
Два ШИМ-выхода ST25DV02K-W2 могут быть запрограммированы независимо, что позволяет использовать NFC-чип в устройствах, где требуется плавное изменение аналоговых параметров. Микросхема обеспечивает обновление параметров ШИМ в реальном времени с помощью бесконтактного интерфейса, например, через обычный смартфон.
RFID-ридеры ST25R3911B/ ST25R3916
Микросхема RFID-ридера ST25R3911B от STMicroelectronics работает на частоте 13,56 МГц и отличается увеличенной дальностью считывания благодаря высокой выходной мощности до 1,4 Вт. Ридер поддерживает работу со множеством протоколов, включая ISO18092 (NFCIP-1) Active P2P; ISO14443A/B, ISO15693 и FeliCa™. Для скоростного обмена с NFC-устройствами ридер может работать в режиме VHBR, когда скорость модуляции достигает 3,4…6,8 Мбит/с.
Микросхема ST25R3911B может с успехом работать в батарейных устройствах. Встроенный малопотребляющий RC-генератор и режим периодического сна 10…800 мс позволяют снизить потребляемый ток. Отдельный блок емкостного сенсора позволяет обнаруживать приближение метки без включения излучающего поля ридера. Выходная мощность передатчика может регулироваться в широких пределах.
ST25R3911B содержит схему автоматической подстройки антенны, что позволяет сохранять дистанцию считывания даже в присутствии влияющих на антенну предметов. Для реализации проприетарных протоколов, например MIFARE™ Classic, микросхема может переводиться в режим Stream/Transparent Mode c обработкой данных на внешнем микроконтроллере.
ST25R3916 – высокопроизводительный RFID-ридер, поддерживающий все NFC-спецификации. Он может выступать в роли RFID-метки, устанавливать соединение P2P (двухсторонний обмен) и использоваться в устройствах с батарейным питанием.
Благодаря выходной мощности до 1,6 Вт и встроенному механизму подстройки антенны к изменяющимся внешним условиям обеспечивается большая дальность считывания. Для реализации режима малого потребления ST25R3916 может использовать встроенный RC-генератор и таймер пробуждения. Емкостной или индуктивный сенсор позволяют обнаруживать факт приближения метки до включения поля ридера. Новый приемный тракт с функцией подавления шума позволяет использовать ST25R3916 в конечных изделиях под дисплеями.
Заключение
Решения STMicroelectronics для организации беспроводных каналов обмена данными и сигналов управления умным пространством покрывают практически весь спектр возможных задач – от организации разветвленной сети и управления доступом до простейших выключателей. Разработчику доступен бесплатный программный инструментарий для настройки беспроводных микроконтроллеров, разработки и отладки встроенных приложений, включая такие популярные стеки сетевых протоколов, как BLE, ZigBee, SigFox, LoRaWAN.