1. Технологія Bluetooth 4.0, BLE з низьким енергоспоживанням
2. Структурна схема модуля BLE112
3. Стек-протоколи BLE
4. Основні параметри модулів BLE112іBLED112
5. Кошти налагодження модулів BLE112
6. Приклади практичного використання BLE112
7. література
8. Інші статті на Цю тему:

2011

Один з провідних виробників Bluetooth-модулів - фірма Bluegiga оголосила про початок продажів нового покоління цих пристроїв з низьким енергоспоживанням і підтримкою версії Bluetooth 4.0 - технології, спеціально розробленої для використання в батарейних пристроях, яким потрібна тривала автономна робота без підзарядки. Перша серія пристроїв Bluegiga з підтримкою Bluetooth v4.0 включає модуль BLE112 і USB-модем BLED112. Область застосування технології BLE надзвичайно широка. За оцінками фахівців, продукція з підтримкою Bluetooth 4.0 BLE, Dual-mode в найближчі роки займе лідируюче місце на ринку побутових бездротових пристроїв.

Технологія Bluetooth 4.0, BLE з низьким енергоспоживанням

Фінська фірма Bluegiga приступила до масового виробництва сімейства Bluetooth-модулів з низьким енергоспоживанням і підтримкою версії Bluetooth 4.0. Специфікація з низьким енергоспоживанням Bluetooth 4.0 розроблена міжнародним об'єднанням SIG - Bluetooth Special Interest Group. Ця спеціальна група є органом, який спостерігає за розробкою стандартів, ліцензуванням технологій і торгових марок Bluetooth. SIG - приватна некомерційна торгова асоціація, заснована у вересні 1998 р, що має штаб-квартиру в Керкленде (Вашингтон, США) і місцеві відділення в Гонконзі, Пекіні (Китай), Сеулі (Корея), Токіо (Японія), Тайвані та Малмо ( Швеція).

Незважаючи на великі швидкості передачі, які підтримуються технологією Bluetooth 3.0 + HS (максимум до 24 Мбіт / с), її розвиток стримується через досить великого енергоспоживання. Технологія Bluetooth 4.0 спеціально розроблена для використання в батарейних пристроях, яким потрібне тривале автономне функціонування без підзарядки. Завдяки використанню спеціального алгоритму роботи, при якому передавач включається тільки на час передачі даних, в Bluetooth 4.0 вдалося досягти ультранизького енергоспоживання. У специфікації Bluetooth 4.0 передбачено два типи пристроїв: Single-mode і Dual-mode. Базові чіпсети Single-mode підтримують роботу тільки у відповідності зі специфікацією 4.0. Чіпсети Dual-mode можуть працювати з підтримкою як Bluetooth 3.0, так і Bluetooth 4.0. Тому пристрої Single-mode насамперед призначені для бездротових мініатюрних електронних датчиків, що використовуються в медицині, спортивних тренажерах, мініатюрних промислових сенсорах [1, 2].

Структурна схема модуля BLE112

Перша серія пристроїв Bluegiga з підтримкою Bluetooth v.4.0, включає модуль BLE112 і USB-модем BLED112. Базовий модуль BLE112 є закінченим повнофункціональним пристроєм Bluetooth 4 і містить чіпсет Texas Instruments CC2540, периферійні блоки і інтерфейси, а також вбудовані засоби розробки, що дозволяють створювати споживчі програми [3]. Серія Bluegiga BLE призначена для використання в таких додатках, як переносне діагностичне медичне обладнання, спортивні контрольні датчики, прилади для побутової автоматики, аудіогарнітури, системи безпеки, системи спостереження за дітьми і людьми похилого віку, мініатюрні інформаційні панелі. Вбудована антена, повний стек Bluetooth-протоколів, гнучкі апаратні інтерфейси дозволяють легко інтегрувати модулі BLE112 в існуюче обладнання. Використовуючи прикладне ПО, можна створювати прості керуючі програми і позбутися від зовнішнього мікроконтролера. Харчування модуля BLE112 може бути реалізовано від стандартних батарей або акумуляторів з напругою 2-3 В. У модулі передбачений режим максимального енергозбереження, при якому струм споживання становить всього 400 нА. Щоб привести модуль в робочий стан, потрібні десяті частки мілісекунди [4].

Управління модулем BLE112 здійснюється через порти UART, USB, SPI за допомогою бінарних команд (Binary command) на рівні API (application programming interface). Крім того, для прямого програмування центрального процесора можна використовувати бібліотеку кодів на мові C (стандарт ANSI). Слід особливо підкреслити, що модуль BLE112 не має підтримки, звичного для Bluegiga ASCII-інтерфейсу, що дозволяє управляти модулем за допомогою простих команд (стандартні коди обміну інформацією). У серії BLE використана інша ідеологія управління - Binary ^ mmand, яка надає розробникам значно більше можливостей для створення прикладного програмного забезпечення. Бінарні команди генерують бінарні рядки, розмітка яких визначається рядком формату. Набір цих команд призначений для управління потоками двійкових даних. Іншими словами, в нових модулях серії BLE команди надсилаються не в ASCII-кодуванні, а формуються спочатку в певні послідовності байтів, які виглядають наступним чином: «команда 1 + параметр 1»; «Команда 2 + параметр 2» і т. Д. При роботі з бінарними командами використовуються так звані «бінарні таблиці», які містять двійкові коди для різних масивів даних і графічних символів. З бінарними командами можна працювати в середовищі Windows. Спеціальні програмні додатки, що функціонують під керуванням цієї ОС, дозволяють навіть неспеціалісту легко створювати свої власні програми, призначені для стикування модулів BLE з зовнішніми пристроями. Детальніше про це буде сказано нижче. Блок-схема модуля BLE112 показана на рис. 1 [4].

Мал. 1. Структурна схема модуля BLE112

Основою модуля BLE112, що визначає всю ідеологію та відмінні риси, є базовий чіпсет Texas Instrument CC2540, що представляє собою однокристальну збірку (SoC - 65 нм / 2,4 ГГц). На одному кристалі знаходяться елементи, необхідні для створення пристроїв з підтримкою технології Bluetooth 4.0:

• АЦП, 12 розрядів, вісім каналів (додатковий вхідний канал температурного датчика);
• інтегральний високоефективний операційний підсилювач;
• компаратор наднизької потужності;
• таймери загального призначення (один 16-розрядний і два восьмирозрядних);
• вводи / виводи загального призначення (19 I / O - 4 мА; 2 I / O - 20 мА);
• таймер режиму очікування (32 кГц);
• два універсальних синхронно-асинхронних приймача з підтримкою декількох протоколів послідовних портів (USART-0, USART-1);
• інтерфейс USB 2.0;
• схема безпеки IR;
• прямий п'ятиканальний доступ до пам'яті DМА;
• співпроцесор безпеки з підтримкою симетричного алгоритму блочного шифрування AES;
• монітор заряду батареї;
• температурний датчик;
• CPU 8051;
• пам'ять Flash 128 або 256 кбайт;
• пам'ять SRAM 8 кбайт;
• вбудований стек низького енергоспоживання Bluetooth 4.0, SмАrtRF з підтримкою компілятора IAR (SмАrtRF - торгова марка Texas Instruments).

Напруга живлення модуля може змінюватися в діапазоні 2-3,6 В. Ядро мікропроцесора, виконане за відомою схемою 8051 гарвардської архітектури, дозволяє виконувати операції за один цикл. В CPU є три різні шини доступу до пам'яті: SFR (шина тригерів), DATA, DATA / XDATA (читання і запис даних). Крім того, є додатковий інтерфейс налагодження і розширений модуль переривання. Контролер пріоритету доступу до пам'яті (memory arbiter, AR) є одним з основних вузлів однокристальної системи, оскільки підключає через шину SFR центральний процесорний модуль (CPU) і контролер прямого доступу до пам'яті (DМА) з фізичною пам'яттю і периферійними пристроями. SFR є стандартною шину, по якій здійснюється підключення DTU до різних зовнішніх модулів. Крім того, SFR забезпечує доступ до радіорегістрам в рамках процесу обробки даних. Контролер AR має точки доступу, через які він може підключатися до пам'яті (SRAM, Flash, XREG / SFR). Пам'ять SRAM призначена для запису і зберігання даних. Це спеціально розроблена модель SRAM з ультранизьким енергоспоживанням. Вона зберігає працездатність, коли цифрова частина модуля відключена. Запис в блок флеш-пам'яті виконується через власний контролер, який дозволяє виконувати постраничное редагування та програмування.

Периферійні модулі, такі, наприклад, як ядро ​​блокового шифрування (AES), контролер флеш-пам'яті, USART, таймери, АЦП і інші, можуть отримувати прямий доступ до пам'яті через контролер DМА, виконуючи передачу даних між окремим каналом SFR (або адресою XREG) і флеш-пам'яттю (або SRAM). Кожен чіпсет CC2540 володіє унікальним 48-розрядних кодом IEEE, який може бути використаний в якості загальнодоступного адреси кінцевого Bluetooth-пристрої. Розробники мають право використовувати в своїх виробах саме цей код IEEE або запрограмувати свій власний новий код. Сервісна служба контролера переривань має в цілому 18 вводів переривання, розділених на шість груп. Кожна з цих груп пов'язана з одним з чотирьох пріоритетів переривання. Уведення / висновки переривання режиму «сну» (sleep mode) обслуговуються, навіть якщо пристрій знаходиться в режимі «сну» і відключені основні енергоспоживаючі модулі.

Налагоджувальний інтерфейс (debug interface) являє собою окремий двопровідний послідовний інтерфейс, який використовується для внутрішньосхемною налагодження і перепрограмування чіпсета. Через цей інтерфейс можна прати або програмувати весь обсяг флеш-пам'яті, зупиняти і запускати виконання призначених для користувача програм, виконувати інструкції з обслуговування ядра 8051. Крім того, через оцінний інтерфейс здійснюється управління кварцовими генераторами частоти.

Контролер введення / виводу відповідальний за всі контакти вводу / виводу загального призначення (GPIO). Кожен з вводів / висновків відповідає певному периферійного пристрою або вхідного / вихідного події. Ці GPIO можуть бути запрограмовані для роботи в якості введення (I) або в якості висновку (O). Таймер режиму «сну» (SM) також є спеціально розробленим пристроєм з наднизьким споживанням. Він може використовувати як зовнішній кварцовий генератор на 32,768 кГц, так і внутрішній осцилятор RC на 32,753 кГц. Таймер режиму «сну» працює безперервно в економічних робочих режимах. В режимі повної потужності використовується інший кварцовий генератор і таймер. Типовим прикладом застосування цього таймера є режим роботи лічильника реального часу або таймера «пробудження», призначеного для обслуговування виходу модуля з економічних режимів енергоспоживання. Вбудований сторожовий таймер призначений для перезавантаження модуля в разі «зависання» програмного забезпечення. Два кварцових генератора з частотами 32,678 кГц і 32 МГц призначені для роботи модуля в різних режимах енергозбереження. Таймер 1, що представляє собою 16-розрядний «таймер / лічильник», формує імпульси заданої тривалості в режимі реального часу. Він підтримує 16-розрядний ШІМ (перешкодозахищений, фазонезавісі-мий). Крім того, в цьому таймері підтримуються: буферизація регістрів збігу; фільтрації перешкод в режимі захоплення; режим скидання при збігу (автоперезагрузка); програмування параметрів ШІМ; лічильник зовнішніх подій.

Таймер 2 - це 40-розрядний таймер, який використовується в режимах низького енергоспоживання. У ньому є 16-розрядний лічильник з програмованим періодом і 24-розрядний лічильник переповнення, що відслідковує минулий час. Таймер 2 також використовується для контролю точного часу роботи модуля. Таймер 3 і таймер 4 є восьмирозрядних таймерами з функціональністю «таймер / лічильник / ШІМ». У них є програмований дільник частоти і один програмований зустрічний канал з восьмирозрядним калібрувальним параметром. Період в цих таймерах також можна програмувати. Інтерфейси USART-0 і USART-1 можна використовувати як SPI або як UART. При цьому вони можуть бути конфігурувати для роботи в якості ведучого або веденого пристрою. Ці інтерфейси забезпечують подвійну буферизацію на прийомі і на передачі даних, а також забезпечують високу пропускну здатність в повнодуплексному режимі. У модулі BLE112 в якості основного використовується метод модуляції GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) - гауссовская частотна маніпуляція. Цей метод частотної маніпуляції з низькочастотних фільтром на вході дає згладжений за законом Гаусса вхідний імпульс. Обидва USART забезпечують швидкості до 1 Мбіт / с (модуляція GFSK) при роботі в якості SPI або UART. При використанні інших методів модуляції швидкості будуть менше: 250 кбіт / с (FSK) і 500 кбіт / с (MSK). Модуль може підтримувати від чотирьох до восьми з'єднань ведучого Master slave). У кожного USART є свій власний високоточний контролер швидкості передачі. Модулі BLE112 підтримують USB, Full Speed, 12 Мбіт / с. У модулях передбачена система високорівневою безпеки, що включає аутентифікацію, авторизацію, шифрування і надійний захист від атак типу Man-in-the-middle. Цей тип несанкціонованого доступу «людина посередині» позначає ситуацію, при якій зломщик, підключившись до каналу між контрагентами, здійснює активне втручання в протокол передачі, видаляючи, спотворюючи інформацію або нав'язуючи помилкову. Ядро шифрування / дешифрування використовує алгоритм AES з 128-розрядними ключами. Вбудована схема контролю і регулювання напруги згладжує пульсації, прибирає наведення і забезпечує точні значення напруг харчування.

Аналоговий компаратор наднизької потужності може працювати з ультранизьким напругою, що дозволяє вивести модуль з режиму «глибокого сну» при відключених енергоємних вузлах. Понижуючий перетворювач (RF Front End) включає в себе об'єднаний сімметрірующій трансформатор, фільтр нижніх частот і керамічну вбудовану або зовнішню антену. Оптимальне співвідношення цих компонентів забезпечує надзвичайно низькі внутрішню, побічну емісію і вторинні гармоніки. Вбудована керамічна антена модуля гарантує високу ефективність прийому сигналу при роботі на відкритому повітрі в зоні прямої видимості. При використанні модуля в закритих приміщеннях з екранованими стінами ефективність роботи антени буде менше. Слід мати на увазі, що випромінювання в діапазоні 2,4 ГГц ефективно поглинається металевими поверхнями. Тому, наприклад, всередині залізного гаража модуль з вбудованою антеною працювати не буде. У серії BLE використаний метод адаптивної підстроювання частоти AFH, який дозволяє не тільки зменшити перешкоди від пристроїв, що працюють поруч на тих же частотах, але і визначати переповнені діапазони і уникати їх.

Стек-протоколи BLE

Модулі серії BLE112 мають вбудований стек протоколів Bluetooth BLE, що забезпечує режими мікроспоживання. Структурна схема стека BLE приведена на рис. 2 [6].

Мал. 2. Структурна схема стека BLE

Стек протоколу BLE, що складається з двох блоків (контролер і хост), містить такі профілі:

• GAP (Generic Access Profile);
• GATT (Generic Attribute Profile);
• L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol);
• SM (Security Manager);
• ATT (Attribute Protocol).

Такий поділ, в своєму роді, є поверненням до старого стандарту Bluetooth 3 для пристроїв BR / EDR (Basic Rate / Enhanced Data Rate), в яких ці два блоки розглядалися окремо. На самому верху розташовані рівні GAP і GATT. Фізичний рівень (PHY) відповідає передачі на центральній частоті 2,4 ГГц з використанням гауссовской частотної маніпуляції GFSK (Guassian Frequency-Shift Keying).

Канальний рівень (Link Layer) контролює процес роботи радіоканалу і управляє його станом. При цьому пристрій може перебувати в одному з п'яти станів: очікування, сканування, ідентифікація, ініціалізація передачі, процес передачі. Після того як пристрій ініціалізувати, воно може виступати в ролі ведучого або веденого (master / slave). Пристрій, інізіалізіровав-шиї з'єднання, буде виступати як «майстер». Пристрій, яка дозволила з'єднатися з ним, буде виступати в ролі «веденого». У стандарті Bluetooth v.4.0, Single mode пристрій «майстер» може одночасно підтримувати від чотирьох до восьми з'єднань з «відомими» пристроями.

Рівень HCI (Host controller interface) забезпечує зв'язок між хостом і контролером, використовуючи стандартні інтерфейси. Він може бути реалізований за допомогою програмного забезпечення інтерфейсу прикладного програмування (API) або за допомогою апаратної частини через інтерфейси UART, SPI або USB. При цьому через ці інтерфейси управління модулем реалізується за допомогою бінарних команд.

Рівень L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol) забезпечує інкапсуляцію даних для верхніх рівнів, в тому числі і при логічному з'єднанні «точка-точка». Цей протокол, який реалізує логічне з'єднання поверх з'єднання по радіоканалу, дозволяє протоколам вищого рівня обмінюватися пакетами даних довжиною до 64 кбайт. Кілька логічних каналів можуть одночасно використовувати один і той же радіосоедіненіе. При цьому пакет протоколу L2CAP, одержуваний каналом, перенаправляється до відповідного протоколу більш високого рівня. Вузол L2CAP, як правило, завжди підключається до рівня HCI. Рівень SM (Security Manager) визначає методи, за допомогою яких реалізується дає змогу пристроям обмінюватися. Крім того, на цьому рівні виробляються інструкції про заходи безпеки при з'єднанні різних пристроїв і ступеня конфіденційності даних.

Рівень GAP організовує зв'язок з додатками і зовнішніми пристроями і контролює їх безпечне взаємодія.

Протокол ATT обмежує Передача даних и дозволяє модулю пересілаті іншім прилаштувати только ту часть Даних, Які позначені як «атрибути». В контексті цього протоколу Пристрій, что передает «атрибути», позначається як «сервер». Пристрій, что пріймає «атрибути», позначається як «клієнт». При цьому певні на рівні LL ролі пристроїв в якості «майстра» і «веденого» не залежать від того, як ці пристрої визначені на рівні ATT. Тому і «сервер» і «клієнт» можуть виступати як в якості «майстри», так і в якості «веденого». Рівень GATT реалізує сервісну службу, яка виробляє додаткові детальні інструкції, як саме має бути реалізовано взаємодію між пристроями на рівні ATT. Рівень GATT визначає структуру профілів. У стандарті BLE всі дані, які використовуються профілем або сервісними службами, позначають як «характеристики». Весь процес передачі даних між двома пристроями в стандарті BLE реалізується тільки через рівень GATT. Тому абсолютно всі додатки і профілі в стандарті BLE, так чи інакше, взаємодіють з профілем GATT. Більш детальну інформацію про стек BLE можна знайти в роботах [6-12].

Основні параметри модулів BLE112іBLED112

Модулі BLE112 працюють в діапазоні відкритих частот ISM: 2402-2480 МГц. Передбачено п'ять режимів роботи модуля. В активному режимі модуль працює з використанням всіх закладених функцій. Включений внутрішній стабілізатор напруги. Харчування подається як на ядро ​​8051, так і на всі допоміжні блоки. Включені всі високочастотні тактові генератори. Повністю реалізований прямий доступ до пам'яті FLASH, SRAM. В цьому режимі струм споживання розподіляється наступним чином:

• Tx: 32 мА (+4 дБм);
• Tx: 27 мА (0 дБм);
• Tx: 24 мА (-6 дБм);
• Tx: 21 мА (-23 дБм);
• Rx: 19,6 мА;
• Rx: 22,1 мА (програмований режим High gain mode).

Струм споживання в режимі передачі (TX) і режимі прийому (RX) можна додатково знизити використанням зовнішнього стабілізованого джерела живлення. Модуль BLE112 може працювати в чотирьох режимах енергозбереження:

1. Струм споживання дорівнює 235 мкА. Необхідно 4 мкс відновлення модуля з режиму «сну» і повернення в активний режим роботи. Потрібно відзначити, що час відновлення є особливо критичним параметром для чіпсетів, що працюють в режимах енергозбереження. Чіпсети для бездротового зв'язку виробництва Texas Instruments мають найменшими значеннями даного параметра. У режимі 1 схема контролю і регулювання напруги включена. Кварцові генератори 16 МГц (RCOSC) і 32 МГц вимкнені. Метод RCOSC працює з макросом для підключення тактової частоти з внутрішнього RC-генератора. Генератор 32,768 кГц (XOSC, POR) і таймер режиму «сну» активні. Функція XOSC забезпечує контроль збою в роботі кварцового генератора методом зчитування прапора відмови. Генератор 32,768 кГц видає частоти для контролера перезавантаження харчування (POR). В даному режимі доступні RAM і регістр зберігання даних. Модуль перейде в активний режим при отриманні одного з трьох сигналів: RESET, сигнал зовнішнього переривання, сигнал спрацювання таймера сплячого режиму.
2. Струм споживання менше - 0,9 мкА. Необхідно 120 мкс для повернення модуля в активний повнофункціональний режим роботи. В даному випадку харчування на ядро ​​не подається. Контроль і регулювання напруги вимкнені. Тактові генератори 16 МГц (RCOSC) і 32 МГц відключені. Генератор 32,768 кГц (XOSC, POR) і таймер режиму «сну» включені. При цьому працює або RC-генератор, або кварцовий генератор 32,768 кГц. Доступні RAM і регістр зберігання даних. Модуль «прокидається» за сигналом RESET або за сигналом зовнішнього переривання, а також при спрацьовуванні таймера сплячого режиму. Інформація про стан USB буде втрачена при входженні в цей режим.
3. Це режим максимальної економії. Харчування на ядро ​​не подається. Жоден з генераторів не працює. В даному режимі струм споживання не перевищує 0,4 мкА. Стандартний «таблетками» акумулятор CR2032 може працювати в цьому режимі без підзарядки кілька років. Час переходу в активний режим становить 120 мкс і здійснюється за сигналом RESET або за сигналом зовнішнього переривання. Інформація про попередньому стані USB втрачається. Існують обмеження на доступ до RAM і регістру даних.
4. Даний режим характеризується обмеженою функціональністю процесора MCU. В цьому режимі процесор знаходиться в режимі очікування, тобто код не виконується. Струм споживання дорівнює 6,7 мА. Працює генератор 32 МГц (XOSC). Радіоканал і периферійні пристрої відключені.

При вирішенні конкретної задачі потужність передавача може бути запрограмована для трьох різних варіантів роботи. Наприклад, якщо не потрібні максимальні радіуси дії модуля, то можна перемкнути модуль на меншу потужність і значно збільшити термін служби батареї. Залежно від використовуваного режиму потужності буде змінюватися і дальність дії:

• в діапазоні від +4 дБм до -93 дБм - 150 м (на відкритій місцевості);
• в діапазоні від +0 дБм до -88 дБм - 40 м;
• в діапазоні від +23 дБм до -88 дБм - 10 м.

Чутливість приймача може змінюватися в діапазоні від -87 до -93 дБм. При середніх значеннях потужності передачі 0 дБм струм споживання дорівнює 27 мА. Температура експлуатації -40 ... + 85 ° С. Зовнішній вигляд модуля показань на рис. 3. Модуль виконаний в планарном конструктиві. Габаритні розміри і відстань між висновками показані на рис. 4.

Мал. 3. Зовнішній вигляд модуля BLE112

Мал. 4. Габаритні розміри модуля BLE112

Модулі BLE Bluegiga випускаються в декількох модифікаціях. Для різних моделей використовується таке маркування - BLE112-A / E-1.0:

• перша цифра позначає покоління модулів (1);
• друга цифра позначає підтримку технології Bluetooth (1 - тільки BLE, v.4; цифра 2 - підтримка v.4 і інших версій);
• третя цифра позначає відповідність класу Bluetooth (1 - class 1, 2 - class 2);
• буква відповідає антені модуля (A - вбудована антена; E - роз'єм U.FL для зовнішньої антени);
• остання цифра позначає версію програмного забезпечення.

Модем BLED112 (рис. 5) виконаний у вигляді повністю закінченого пристрою з роз'ємом USB. Він містить у собі модуль BLE112, має порт USB. Може бути підключений безпосередньо до USB-роз'єму комп'ютера або іншого пристрою, що підтримує даний інтерфейс. Модем USB BLED112 є ідеальним пристроєм для бездротового підключення до персональних комп'ютерів іншого допоміжного обладнання та аксесуарів. Два модема BLED112, підключені до двох комп'ютерів, можуть використовуватися в якості стартового комплекту для розробок на базі модулів BLE Bluegiga [5]. Модулі серії BLE сертифіковані відповідно до міжнародних стандартів: ETSI EN 300 328 і EN 300 440 Класів 2 (Європа), FCC Частина 15 CFR47 (США) і STD-T66 ARIB (Японія).

Мал. 5. Модем BLED112

Кошти налагодження модулів BLE112

Для налагодження модулів BLE112 на ранній стадії процесу проектування є кілька доступних програм і налагоджувальних комплектів. У найпростішому випадку, коли розробник тільки починає знайомитися з модулями LTE Bluegiga, знадобляться два модему BLED112, підключених до ПК, і налагоджувальне програмне забезпечення. Найбільш доступним і безкоштовним ПО є Texas Instruments SmartRF Studio (TI SRFS) [6-12]. Програму можна безкоштовно завантажити з сайту виробника [7]. Це ПО є Windows-додатком і може використовуватися для налаштування і конфігурації модуля, а також для написання простих користувальницьких додатків. Програма TI SRFS особливо корисна для вибору і тестування значень параметрів регістру конфігурації модуля, а також для оптимального вибору і стикування зовнішніх датчиків і допоміжних пристроїв. Головне меню програми показано на рис. 6. Додаток Texas Instruments SmartRF Studio забезпечує підтримку наступних функцій:

• тестування каналу передачі;
• відправка та отримання даних;
• тест антени і оцінка її параметрів;
• вибір режиму Tx / Rx;
• вибір режиму енергозбереження;
• типові настройки для зовнішніх датчиків і периферійних вузлів;
• Детальна інформація для кожного регістру;
• завантаження / збереження файлів;
• конфігурація зовнішніх портів UART, USB, SPI;
• підтримка до восьми USB-пристроїв на одному комп'ютері.

Мал. 6. Інтерфейс програми Texas Instruments SmartRF Studio

Для роботи з модулями BLE112, виготовленими на базі чіпсета СС2540, необхідна версія Studio SmartRF7 v.1.4.9. Крім того, буде потрібно драйвер USB для Windows х86 і х64. Фірма Bluegiga випускає своє власне програмне забезпечення, призначене для налагодження модулів BLE112: BG Profile Toolkit, BG Script (C language). Графічний інтерфейс програми BG Script показаний на рис. 7 [5]. Це програмне забезпечення містить інтегровану середу розробки і компілятор C / C ++, дозволяє створювати і відпрацьовувати додатки користувача для ядра 8051 безпосередньо в самому модулі. При цьому для виконання програми не потрібен зовнішній ПК або контролер. Робота з BG Script відрізняється винятковою простотою. На графічному інтерфейсі показані підключені модулі, потужність сигналу, стан менеджера безпеки, поточні події в реальному масштабі часу і інші характеристики BLE112.

Мал. 7. Графічний інтерфейс програми BG Script

Комплект ПО містить готові приклади і кодові шаблони для найбільш типових програм. Крім того, за бажанням користувача Bluegiga може розробити прикладне ПО для будь-якого індивідуального проекту. Ця програма буде надіслано користувачеві у вигляді профайла, який легко подгружается в пам'ять модуля.

На рис. 8 наведено приклад структури команди, використовуваної BG Profile Toolkit-BG Script для встановлення з'єднання модуля BLE112 з віддаленим зовнішнім пристроєм. На рис. 9 наведено приклад реальної команди BG Profile Toolkit-BG Script, за допомогою якої встановлюється з'єднання з пристроєм BA: DF: 00: OD: CA: FC. Інтервал з'єднання знаходиться в проміжку 40-320 мс. Дані супервізора - 10:24 с. Якщо з'єднання встановлено успішно, то буде отримана відповідь, показаний на рис. 10.

Мал. 8. Структура команд управління модулем BLE112 за допомогою BG Profile Toolkit-BG Script

Мал. 9. Приклад запиту модуля BLE112 на встановлення з'єднання з пристроєм BA: DF: 00: OD: CA: FC

Мал. 10. Приклад відповіді зовнішнього пристрою на запит модуля BLE112 про встановлення з'єднання

На рис. 11 наведено приклад фрагмента програми для зв'язку з Bluetooth-тонометром, написаної в форматі Bluegiga-script. У комплект ПО входить інструмент, що дозволяє створювати додатки на GATT-рівні профілю BLE. В цьому випадку методи створення і формат додатків базуються на добре відомої технології XML (Xtensible Markup Language), що використовується для розробки інтернет-додатків. Вбудований компілятор дозволяє перетворювати XML-файли в BIN-формат. Фрагмент такої програми показаний на рис. 12.

Мал. 11. Лістинг програми для зв'язку з Bluetooth-тонометром, написаної в форматі Bluegiga-script

Мал. 12. Приклад фрагмента програми для зв'язку з Bluetooth-тонометром в форматі XML

Програмне забезпечення Profile Toolkit і BG Script поставляється в комплекті з устаткуванням Bluegiga. Аналогічне ПО IAR Workbench for 8051, призначене для роботи з ядром 8051 в чіпсетах серії СС2540, поставляється фірмою IAR. На сайті цієї фірми можна безкоштовно скачати 30-денну тестову версію [13]. Фірма Bluegiga випускає програмно-апаратні налагоджувальні комплекти. До складу стартового комплекту BLE112 Starter Kit входять:

• два модему BLED USB;
• два модуля BLE112;
• засоби програмування для CC2540;
• комплект фірмового ПО Bluegiga для роботи з модулем BLE112.

Налагоджувальний комплекс BLE112 Evaluation Kit являє собою закінчену окрему плату, яка містить:

• модуль BLE112;
• повні інтерфейси RS232 і USB;
• тестові зовнішні датчики з інтерфейсами SPI / USART / AIO;
• лінійку світлодіодних індікаторв;
• клавіатуру;
• інтерфейс доступу до призначених для користувача вводів / висновків;
• мережевий адаптер харчування.

У комплекті з цим комплексом також поставляється і повний набір програмного забезпечення Bluegiga.

Приклади практичного використання BLE112

Серія Bluegiga BLE (Bluegiga Low Energy) дозволить виробникам вийти на новий рівень мініатюрних переносних Bluetooth-пристроїв з батарейним харчуванням. При цьому налагоджувальні засоби Bluegiga дозволяють адаптувати стек низького енергоспоживання для спільної роботи з іншими пристроями. Так, наприклад, можна налаштувати мініатюрні датчики для спільної роботи з ноутбуками, смартфонами, портативними зчитувачами інформації. В кінці 2011 р передбачається випуск нових моделей зі спеціальними рівнями Bluetooth, які призначені для роботи з такими додатками, як:

• інформаційна рядок на наручних годинниках;
• датчики серцевого ритму;
• крокоміри;
• Радіоспостереження;
• тономери;
• глюкометри;
• медичні ваги;
• брелоки для ключів;
• датчики домашніх господарських механізмів;
• датчики витрати води, електрики, газу;
• датчики систем безпеки;
• бездротові ключі;
• бездротові банківські картки;
• паркувальні автомобільні датчики;
• клавіатури, миші і принтери;
• гарнітури для GPS-навігаторів.

Всі ці додатки добре відомі. Має сенс сказати кілька додаткових слів про інформаційну рядку на наручний годинник. Вже зараз ці аксесуари існують у виконанні, де окремій інформаційній рядком виводяться повідомлення SMS або E-mail, що надійшли на ваш ноутбук або смартфон. На наручний годинник вони дублюються по Bluetooth-каналу. Розвиток подібних пристроїв стримувалося через досить великого енергоспоживання в Bluetooth-модулях попередніх версій.

На рис. 13 наведено приклад використання модуля BLE112 для управління зовнішнім мікро контролером, який, в свою чергу, координує роботу периферійних пристроїв. Структура організації бездротового управління через Bluetooth-канал аналогічна попереднім рішенням Bluegiga, в яких використовувалися модулі WT11 і WT12, керовані за допомогою ASCII-команд і інтерфейс iWRAP. У нових модулях замість цих команд управління реалізовано через бінарні команди. Продовжуючи розвиток основній своїй ідеї «Bluetooth - це просто», Bluegiga замість інтерфейсу iWRAP розробила нові засоби BG Profile Toolkit, BG Script. Ці закінчені програмні комплекси дають можливість розробникам, які не мають досвіду роботи з програмуванням Bluetooth-модулів, швидко і без особливих зусиль створювати керуючі програми в форматах XML і BG Script. Перераховані вище напрямки можливих додатків BLE мають величезний споживчий ринок. Тому майбутнє технології Bluetooth 4 представляється досить перспективним. За оцінками фахівців, продукція з підтримкою Bluetooth 4.0 BLE, Dual-mode в найближчі роки витіснить з ринку обладнання, що підтримує тільки попередні версії 1-3.

Мал. 13. Структурна схема організації бездротового управління зовнішніми пристроями за допомогою модуля BLE112

В даний час в серії BLE Bluegiga підтримується тільки режим роботи Single-mode. Модулі випускаються в модифікаціях з вбудованою антеною і з роз'ємом для підключення зовнішньої антени. Компанія планує випустити в продаж модулі BLE Bluegiga з підтримкою Dual-mode в другій половині 2011 р Технологія низького енергоспоживання Bluetooth 4.0 є відкритим стандартом, розробленим групою SIG для загального користування. При розробці стандарту технологія тестувалася на сумісність практично з усіма пристроями відомих світових виробників Bluetooth-обладнання. Тому у розробників, які використовують серію BLE, не повинно бути сумнівів у тому, що їх обладнання не буде конфліктувати з іншими виробами, що задовольняють протоколам Bluetooth 4. На сайтах [2, 14] можна подивитися відеокліпи, що ілюструють різні сфери застосування Bluetooth 4. Модулі серії BLE112 будуть одними з найбільш дешевих серед інших виробів Bluegiga. Так, наприклад, передбачається, що орієнтовна ціна на великі замовлення (від 10 000 шт.) Складе близько $ 10.

література

1. http://www.bluetooth.com
2. http://www.bluetooth.com/Pages/Low-Energy.aspx
3. Texas Instruments: 2.4-GHz Bluetooth® low energy System-on-Chip. CC2540F128, CC2540F256, SWRS084. October 2010.
4. Bluegiga, BLE112 Preliminary Data Sheet. 28 January 2011. Version 0.91.
5. Nordman T. BLE112 Bluetooth® low energy module. Bluegiga Partner Briefing and Product Presentation. Finland. 2011 року.
6. Texas Instruments. CC2540, Bluetooth® Low Energy. Software Developer's Guide v.1.0.
7. http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/smartrftm-studio.html
8. Texas Instruments. SmartRF® Studio. User Manual. Rev. 6.13.1.
9. TI. SmartRF HANDS ON User Manual.
10. TI. Register View in SmartRF® Studio.
11. TI. SmartRF ™ Studio 7. Overview. Low Power RF Development Tools.
12. Bluetooth® Low Energy, CC2540. Mini Development Kit. User's Guide.
13. IAR Embedded Workbench® for 8051. http://www.iar.com/website1/1.0.1.0/244/1/.
14. http://www.ti.com/ww/en/analog/bluetooth/index.htm?DCMP=BluetoothLowEnergy&HQ S = NotApplicable + OT + bluetoothlowenergy

Завантажити статтю в форматі PDF

Інші статті на Цю тему:

повідоміті про помилки