BGM12X: миниатюрный Bluetooth-модуль со встроенной антенной

При создании устройств для Интернета вещей (Internet of Things, IoT) разработчикам приходится решать множество проблем, основными из которых являются минимизация потребления и сокращение габаритных размеров. Появление специализированных «систем в корпусе» (Sistem in Pacakge, SiP) позволяет не только решить перечисленные задачи, но и сократить время разработки. В качестве яркого доказательства преимуществ SiP можно привести миниатюрные Bluetooth-модули BGM12x от Silicon Labs. Эти модули имеют в своем составе полноценный контроллер ARM Cortex®-M4 с поддержкой стека Bluetooth 4.2, а также интегрированную антенну. При этом габаритные размеры их корпуса составляют всего 6.5×6.5×1.4 мм (Рис. 1)!

Рис. 1.	BGM12x – миниатюрные Bluetooth-модули от Silicon Labs.

Какими качествами должно обладать устройство, работающее в Интернете вещей? В большинстве случаев необходимо, чтобы оно имело компактные габариты, минимальное потребление, поддерживало один из популярных коммуникационных интерфейсов, а также отличалось бы невысокой стоимостью. Зачастую эти требования противоречат друг другу.

Если речь идет о современном устройстве, то для коммуникации чаще всего используют один из беспроводных интерфейсов, например, Bluetooth или Wi-Fi. Чтобы его реализовать, потребуется «минимальный» набор компонентов: микроконтроллер, приемопередатчик, антенна, система питания и аккумулятор. Уже на самом первом этапе встает проблема выбора элементной базы. Миниатюрные и малопотребляющие компоненты оказываются не самыми дешевыми, а при попытке сэкономить часто приходится жертвовать как габаритами, так и уровнем потребления.

Если, например, поставить перед собой задачу достижения минимальной стоимости и использовать не дорогую внешнюю антенну, а ее печатный вариант, то размер самой антенны окажется сравнимым с суммарной площадью всего устройства. Так, по оценкам инженеров Silicon Labs, печатная антенна для Bluetooth с радиусом действия 10 метров будет иметь размеры 10×10 мм. Для увеличения радиуса действия до 40 метров потребуется антенна 20×20 мм. Если прибавить к этому площадь остальных элементов схемы, то окажется, что минимальные габаритные размеры печатной платы окажутся более 50×50 мм. При необходимости получить более компактное решение потребуется использовать более дорогие компоненты.

Еще одной проблемой становится сложность самой разработки, ведь кроме выбора элементной базы необходимо развести печатную плату. Это не такая простая задача, особенно для радиопередающих устройств с плотным расположением компонентов.

Не стоит забывать и о проблеме потребления. Чем больше компонентов и микросхем содержит устройство, тем выше становится цена и тем выше потребление.

Таким образом, при создании устройств для Интернета вещей разработчикам придется пройти через следующие этапы:

• поиск микросхем с минимальным потреблением/ компактными габаритами/ низкой стоимостью;
• разработка сложной принципиальной схемы;
• расчет параметров антенны для радиоканала;
• разводка ВЧ печатной платы при жестком ограничении по габаритным размерам;
• написание ПО: коммуникационных протоколов и драйверов для микросхем.

Однако в последнее время не все выглядит так пессимистично. Благодаря развитию современных технологий все перечисленные проблемы можно решить без поиска компромиссов. В данном случае речь идет о специализированных SiP. Ярким примером эффективности SiP являются миниатюрные Bluetooth-модули BGM12x от Silicon Labs.

BGM12x – миниатюрная сборка, которая объединяет в одном корпусе полноценный контроллер ARM Cortex®-M4 с поддержкой стека Bluetooth 4.2, антенну, систему питания и пассивные компоненты (Рис. 2).

Рис. 2.	Состав миниатюрных Bluetooth-модулей BGM12x.

Модули BGM12x решают все перечисленные выше задачи и дают разработчикам дополнительные преимущества.

Во-первых, BGM12x – наиболее компактное решение на рынке. Габариты микросхемы составляют всего 6.5×6.5×1.4 мм! Это является рекордом для отрасли.

Во-вторых, все необходимые для IoT компоненты, в том числе и антенна, размещены в одном корпусе. С одной стороны, это позволяет разработчикам не тратить время на расчет параметров антенны. А с другой стороны, уйти от ВЧ-топологии печатной платы. Более того, в большинстве случаев будет достаточно двухслойного проводящего рисунка. При этом время на отладку также значительно сокращается, так как наиболее высокоскоростные шины и линии связи уже реализованы внутри BGM12x.

В-третьих, для вычислений в модулях BGM12x используется встроенный контроллер с мощным 32-битным ядром ARM Cortex®-M4, способным работать на частоте до 38.4 МГц. Ядро имеет аппаратную поддержку вычислений с плавающей точкой (FPU) и контроллер прямого доступа к памяти (DMA).

Важным достоинством модулей BGM12x является прямое взаимодействие ARM-ядра с Bluetooth-приемопередатчиком, которое строится точно так же, как и с другими периферийными блоками – через шину APB. Говоря о периферийных блоках, нельзя не отметить наличие развитой аналоговой системы, в том числе 12-битного АЦП, ЦАП с токовым выходом, компараторов, датчика тока (Рис. 3).

Рис. 3.	Структура Bluetooth-модулей BGM12x.

В-четвертых, встроенный приемопередатчик позволяет работать с выходной мощностью до 3 дБм (BGM123N256V1) или 8 дБм (BGM121N256V1). При этом радиус действия достигает 200 м!

В-пятых, важным преимуществом BGM12x является наличие блоков для защиты информации. Как известно, проблемы безопасности начинают все острее проявляться в сфере IoT. Понимая это, компания Silicon Labs снабдила свой продукт не только традиционными блоками подсчета контрольной суммы (CRC) и генератором случайных чисел, но и аппаратной поддержкой функций хеширования AES 128/ 256, SHA-1, SHA-2 (SHA-224 и SHA-256) и ECC.

В-шестых, интеграция всех функциональных блоков в одном корпусе является идеальным решением с точки зрения минимизации уровня потребления (Рис. 4). На этой особенности BGM12x стоит остановиться подробнее.

Рис. 4.	Bluetooth-модули BGM12x: рекордные низкие размеры и потребление.

Питание системы осуществляется от одного базового внешнего источника 2.4…3.8 В. При этом для получения рабочего напряжения 1.8 В использует встроенный DC-DC-регулятор. Если же разработчик захочет оптимизировать потери, то вполне может воспользоваться внешним преобразователем. В этом случае базовый источник питания используется только для аналоговой части схемы, а диапазон входных напряжений может быть расширен до 1.85…3.8 В.

Потребление приемника BGM12x составляет 9.0 мА, а потребление передатчика 8.2 мА (0 дБм). К этому необходимо добавить удельный питающий ток ядра микроконтроллера в активном режиме 63 мкА/МГц. При частоте 38 МГц он будет потреблять почти 2.4 мА. В итоге суммарное значение превышает 10 мА, что весьма существенно. Однако это компенсируется возможностью работы в импульсном режиме.

В реальных IoT приложениях контроллер и приемопередатчик находятся в активном состоянии достаточно редко. Большую часть времени они пребывают в спячке, для этого используются различные режимы пониженного потребления. В случае с BGM12x таких режимов шесть. В режиме глубокого сна почти все блоки отключены (Рис. 5). При нахождении в режиме ожидания потребление составляет всего 2.1 мкА.

Рис. 5.	Активность функциональных блоков BGM12x в режиме с минимальным потреблением.

Еще одним важным достоинством модулей BGM12x является наличие программных и аппаратных средств разработки и отладки. Программные утилиты Simplicity Studio, Energy Profiler, BGScript помогут не только упростить создание ПО, начать работу со стеком Bluetooth, но и даже подсчитать срок работы аккумулятора при заданных режимах работы микросхемы.

Аппаратные средства разработки представлены стартовым набором Blue Gecko Bluetooth® Smart Module Wireless Starter Kit (наименование SLWSTK6101C). Основа набора – материнская плата с коммуникационными интерфейсами USB и Ethernet, на которой также размещены датчики (температуры, влажности, ускорения), джойстик, дисплей, кнопки, светодиоды (Рис. 6). Кроме того, в комплект поставки входят два модуля приемопередатчиков на базе BGM121.

Рис. 6.	Внешний вид стартового набора SLWSTK6101C.

Новые миниатюрные Bluetooth-модули BGM12x от Silicon Labs позволяют перевести устройства Интернета вещей, а также процесс их создания на качественно новый уровень по всем ключевым параметрам:

• минимальные габариты;
• минимальное потребление;
• максимальная простота создания конечных приложений как с точки зрения ПО, так и с точки зрения аппаратной реализации;
• низкая стоимость за счет упрощения топологии печатной платы и сокращения перечня элементов;
• сверхнизкие затраты времени и средств на этапе разработки.

Все эти преимущества делают модули BGM121/ BGM123 идеальным выбором не только для IoT, но и для различных портативных устройств (смартфоны, умные часы и т. д.), медицинских приборов, систем промышленной и домашней автоматизации.

Характеристики миниатюрных Bluetooth-модулей BGM123N256V1/ BGM121N256V1:

• процессорное ядро: 32-битное ARM Cortex®-M4 с рабочей частотой 38,4 МГц;
• память: 256 килобайт FLASH, 32 килобайт ОЗУ;
• рабочая частота радиопередатчика: 2.4 ГГц;
• мощность передатчика: 3 дБм (BGM123N256V1) или 8 дБм (BGM121N256V1);
• потребление передатчика: 8.2 мА (0 дБм);
• потребление приемника: 9.0 мА;
• потребление: 63 мкА/ МГц в активном режиме, 2.1 мкА в режиме глубокого сна;
• поддерживаемые протоколы: Bluetooth;
• защита информации: CRC, генератор случайных чисел, AES 128/256,SHA-1, SHA-2 (SHA-224 и SHA-256) и ECC;
• периферия контроллера: 12-битный АЦП, ЦАП, до 30 портов ввода-вывода, 8 каналов DMA, 16-битные таймеры, компараторы и т. д.;
• коммуникационные интерфейсы: UART, SPI, I²C;
• диапазон напряжений питания: 2.4…3.8 В (1.85…3.8 В без использования DC-DC);
• диапазон рабочих температур: -40…+85 °C;
• корпус: 6.5×6.5×1.4 мм.

Состав и характеристики стартового набора SLWSTK6101C:

• материнская плата со встроенными компонентами: датчики (температуры, влажности, ускорения), джойстик, дисплей, кнопки, светодиоды;
• BRD4300A – плата интеллектуального Bluetooth-модуля BGM111 Blue Geck module;
• BRD4302A – SiP-интеллектуального Bluetooth-модуля BGM121 Blue Geck module;
• батарейка Coin Cell;
• питание: USB или внешний блок питания.

Посмотреть подробнее характеристики Bluetooth-модулей BGM12x от Silicon Labs