Digi-Key Electronics
Avtor: Rich Miron
2020_283_28
Razvijalci brezžično povezanih naprav za zaznavanje se nenehno soočajo z izzivom hitrega in cenovno učinkovitega spravljanja izdelkov na tržišče, hkrati pa morajo izpolnjevati vse večje zahteve glede predpisov, interoperabilnosti in zmogljivosti. Čeprav je pogosto vabljivo zasnovati izdelek z brezžičnimi senzorji od samega začetka, da bi se razlikoval glede zmogljivosti in velikosti, je hitreje in cenovno učinkoviteje uporabljati že pripravljene komplete, ki so zasnovani za hitro izdelavo prototipov in razvijanje ter ki imajo že uveljavljene ekosisteme za podporo in nadgradljivost.
Za eno izmed takšnih platform je poskrbelo podjetje Texas Instruments: LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag Kit. V kompletu so združeni brezžični mikrokontroler (CC1352R), senzorji, več brezžičnih vmesnikov, relativno visoka zmogljivost in nizka poraba energije – vse v majhnem, kompaktnem ohišju z obširnim in dobro uveljavljenim ekosistemom podpore za programsko opremo in orodja.
V tem članku je opisana razvijajoča se narava oblikovanja in prototipov izdelkov z brezžičnimi senzorji, poleg tega pa je tu predstavljen tudi komplet CC1352R SensorTag Kit in navodila za začetek dela z njim.
Zakaj uporabljati razvojni komplet brezžičnih senzorjev?
Naprave z brezžičnimi senzorji za razvijalce predstavljajo trd oreh. Realno morajo zdržati vsaj eno do 10 let, preden bi bilo treba zamenjati njihove baterije, da bi se zmanjšala količina vzdrževanja. Morajo imeti tudi zmožnost določene ravni procesiranja in analize, ker če se to opravlja čim bližje robu omrežja interneta stvari (IoT), se zmanjša količina podatkov, ki jih je treba izmenjati, kar posledično zmanjša porabo energije in omogoča boljšo uporabo razpoložljive brezžične pasovne širine.
Pasovna širina ima svoje lastne težave, saj morajo razvijalci izbirati med več brezžičnimi skladi, vključno z možnostmi Bluetooth, Thread in Zigbee, ki delujejo pri frekvencah, manjših od gigahertza (GHz) ali pri 2,45 GHz. Vsaka možnost ima svoje prednosti in slabosti v zvezi z načinom uporabe razpoložljive pasovne širine, napajanja in virov procesiranja. Za izbiro med njimi je potrebna skrbna analiza zahtev aplikacije glede hitrosti podatkov, razpona, števila pričakovanih vozlišč, omrežne topologije, zahtev glede latence, obratovalnega ciklusa, porabe energije, stroškov omrežnega protokola, interoperabilnosti in upravnih zahtev.
Izbiranje pravega vmesnika za sveže, »zeleno« uvajanje je relativno enostavno; vendar pa se pri aplikaciji v industrijskem internetu stvari (IIoT) pogosto dogaja, da so brezžična omrežja že uvedena in se mora razvijalec odločiti, ali se neposredno povezati z drugimi vozlišči prek istega vmesnika ali uporabiti drug vmesnik, ki je morda boljši za aplikacijo, ter nato povezati starega z novim skozi prehod.
Vse to so razvejane odločitve glede aplikacije, ki jih morajo razvijalci predelati; vendar kadar gre za izdelovanje prototipov in razvijanje ideje, se razvoj vmesnika od samega začetka in naknadno izbiranje povezanega procesorja in senzorjev redkokdaj izplača, da ne govorimo o naložbi v čas in vire za razvijanje ter integracijo programske opreme. Res je, da imajo lahko »lastni« razvoji prednosti za ultra velik obseg proizvodnje pri oblikovanjih za množični trg. Vendar pa v številnih primerih inženirji, ki oblikujejo vozlišče za proizvodno linijo v lastni tovarni, potrebujejo le malo vozlišč, da bi pridobili podatke iz določenih motorjev, določene točke v proizvodni liniji ali termometra, kar pomeni, da velike količine ne predstavljajo zahteve pri oblikovanju. V takšnih primerih je že pripravljen komplet popolna izbira.
Če so potrebne večje količine, so na voljo že izdelani RF moduli, ki že imajo certifikat in so skladni z upravnimi zahtevami. Ti moduli lahko pospešijo izdelavo prototipov in pomagajo pri zmanjšanju stroškov za razvijanje in uvajanje, ker jim je priložena obsežna podpora za ugnezdeno programsko opremo. V teh primerih morajo razvijalci še vedno sestaviti zahtevani procesor platforme, senzorje ter povezane elemente programske opreme za vsak senzor in dodatni blok.
To je v redu, če razvijalec že ve, kateri brezžični vmesnik mora uporabiti. Vendar pa je v fazi načrtovanja za več oblikovanj pri več aplikacijah s starejšimi brezžičnimi vmesniki, ki pogosto ne morejo sodelovati drug z drugim, potreben bolj integriran, prilagodljiv pristop k izdelavi prototipov in razvijanju brezžičnih senzorjev.
SensorTag: Obsežna platforma za izdelavo prototipov brezžičnih senzorjev
Boljši pristop je najti obstoječo platformo, ki združuje jedrne elemente brezžično omogočenega vozlišča za zaznavanje in procesiranje – s senzorji, programsko opremo in ekosistemom, ki bodo oblikovalcu v podporo – ter pri tem še vedno omogočati raziskave in razlike na višjih ravneh sklada za razvijanje programske opreme. To ponuja podjetje Texas Instruments (TI) s svojim kompletom LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag Kit (slika 1).
Komplet temelji na večpasovnem brezžičnem mikrokontrolerju (MCU) CC1352R podjetja TI, okrog katerega so bili dodani okoljski senzorji, senzorji gibanja in programska oprema – vse v odstranljivem ohišju z zunanjo vrtljivo anteno s frekvenco pod 1 GHz, dvožičnim žensko-ženskim kablom, ploščatim kablom z 10 priključki za povezavo JTAG in vodnikom za hitri začetek. Ni vključeno v komplet, vendar priporočljivo za kombinacijo: komplet LAUNCHXL-CC1352R1SimpleLink Multi-Band CC1352R Wireless MCU Launchpad Development Kit proizvajalca TI ter dve bateriji AAA, čeprav lahko SensorTag deluje tudi na gumbasto baterijo CR2032 s posebnim držalom za baterije, ki ga lahko pritrdite na hrbtno stran plošče.
Srce kompleta SensorTag Kit je večpasovni brezžični krmilnik MCU CC1352R (slika 2). To je del platforme TI SimpleLink MCU, ki je zasnovana za zagotavljanje vseh gradnikov za varno, povezano topologijo z nizko porabo energije.
mikrokontroler CC1352R ima certifikate FCC, CE in Industry Canada (IC) za dvopasovno delovanje pri 2,4 GHz in pod 1 GHz, kar zajema Bluetooth Low Energy (BLE), Thread, Zigbee, brezžična osebna omrežja pametnih predmetov z nizko porabo energije in omogočenim IPv6 (6LoWPAN) ter druge lastniške protokole IEEE 802.15.4g, ki temeljijo na fizični plasti (PHY), vključno s skladom SimpleLink TI 15.4 proizvajalca TI (pod 1 GHz in 2,4 GHz). Z orodjem Dynamic Multiprotocol Manager (DMM) lahko več protokolov izvajate hkrati.
Sprejemnik radia ima občutljivost -121 dBm (decibeli, definirani na 1 milivat (mW)) v načinu dolgega dosega SimpleLink; -110 dBm pri 50 kilobitih/s (kb/s); in -105 dBm za Bluetooth pri 125 kb/s (s PHY, kodiranim z LE). Največja moč prenosa znaša +14 dBm v pasovih pod enim GHz, kjer porablja 24,9 miliampera (mA) in +5 dBm pri 2,4 GHz, kjer porablja 9,6 mA. Tok naprave v stanju pripravljenosti je omembe vreden, saj znaša 0,85 mikroampera (µA) – s polnim zadrževanjem RAM-a. Pripravljen je tudi za IIoT, saj ima tok v stanju pripravljenosti 11 µA pri 105 ˚C. Razvijalec se lahko igra z različnimi načini stanja pripravljenosti in hitrostmi vzorčenja pretvornika iz analognega v digitalni signal (ADC), da doseže optimizacijo za nizko porabo energije. Pretvornik ADC lahko na primer nastavite na vzorčenje pri 1 Hertzu (Hz), pri čemer sistem porablja 1 µA.
Procesor v osrčju naprave CC1352R temelji na 48 MHz ARM Cortex-M4F jedru, ki ga podpira 352 kilobajtov Flash pomnilnika, programabilnega v sistemu, 256 kilobajtov spomina ROM za protokole in knjižnične funkcije ter 8 kilobajtov medpomnilnika SRAM. Podpira nadgradnje po zraku (OTA) ter ima pospeševalnik AES 128 in AES 256.
Optimizirano za nizke stroške za material
Eden od izzivov, s katerimi se spopadajo RF »front-end« razvijalci, je število dodatnih diskretno pasivnih komponent, ki so zahtevane za filtriranje, ujemanje impedance in druge funkcije. To povečuje stroške za material in povzroča zapleteno postavitev. Da bi poenostavili uvajanje izdelka CC1352R, so pri podjetju TI sodelovali s podjetjem Johanson Technology, da bi razvili ohišje z integrirano pasivno komponento (IPC) po meri v velikosti 1 x 1,25 x 2 mm, zaradi katerega se je število komponent zmanjšalo s 23 na tri (slika 3). Kompletu SensorTag Kit so priloženi štirje senzorji, če pa potrebujete več senzorjev ali druge senzorje, jih lahko izberete in dodate prek vtičnih modulov BoosterPack LaunchPad proizvajalca TI. Štirje senzorji, ki so vključeni v komplet SensorTag Kit, so:
- senzor vlažnosti in temperature TIHDC2080
- senzor osvetlitve okolja TI OPT3001
- stikalo za Hallov učinek TI DRV5032
- merilnik pospeškov Analog DevicesADXL362
Prikazana sta postavitev in povezave do senzorjev (slika 4). Priključki so združljivi z izdelkom LaunchPad, tako da lahko poleg senzorjev brez težav priključite tudi zunanje naprave BoosterPack, na primer zaslone LCD, ali celo vezja po meri.
Začetek dela s kompletom LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag Kit
Za začetek dela s kompletom LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag Kit, prenesite komplet za razvijanje programske opreme (SDK) SimpleLink CC13x2 and CC26x2. Ta različica je potrjena samo za naprave Rev. E, zato za naprave Rev. C ali starejše uporabite v2.30.00.xx. Po prenosu obiščite akademijo SimpleLink Academy, kjer najdete navodila po korakih in primere.
Za hitro pridobivanje vzorčnih podatkov je v kompletu predhodno programiran projekt Bluetooth 5 (BLE5), imenovan Multi-Sensor, ki se prek povezave BLE povezuje s pametnimi telefoni in tabličnimi računalniki, ki imajo aplikacijo SimpleLink Starter tako za operacijski sistem iOS kot Android. S to začetno povezavo si lahko razvijalci začnejo ogledovati podatke senzorjev, preklapljajo lučke LED, prebirajo stanje gumbov in posodabljajo ugnezdeno programsko opremo z zmogljivostmi za prenos OTA (OAD) (slika 5). Na tej točki lahko razvijalci tudi potiskajo podatke v oblak iz mobilne naprave.
Poleg BLE ima LPSTK še dva primera: pri enem se LPSTK uporablja kot stikalo za osvetlitev Zigbee; pri drugem pa kot vozlišče senzorjev v omrežju 802.15.4. Vsi trije primeri projektov so na voljo v SDK, kot sledi:
Multi-Sensor:
- <simplelink_cc13x2_26x2_sdk install location>examplesrtosCC1352R1_LAUNCHXLble5stackmulti_sensor
- Vozlišče senzorja TI DMM: CC1352R1_LAUNCHXLdmmdmm_154sensor_remote_display_oad_lpstk_app
- Stikalo Zigbee: CC1352R1_LAUNCHXLdmmdmm_zed_switch_remote_display_oad_app
Kot dopolnitev izdelka SimpleLink in aplikacije Starter podjetje TI ponuja SysConfig, poenoteno orodje grafičnega uporabniškega vmesnika (GUI) za omogočanje, konfiguriranje in ustvarjanje inicializacijske kode za različne komponente SimpleLink SDK, vključno z gonilniki TI in konfiguracijo skladov za BLE, Zigbee, Thread in TI-15.4 (slika 6).
Kot pri kakršnih koli drugih primerih razvoja sistema se redko zgodi, da ni potrebna določena stopnja odpravljanja napak. Za to fazo je izdelek SensorTag zasnovan tako, da se bo uporabljal z ugnezdenim orodjem za odpravljanje napak XDS110 v razvojnem kompletu LaunchPad (v tem primeru prej omenjeni izdelek LAUNCHXL-CC1352R), zato sta vključena kabel ARM JTAG z 10 priključki in dvožilni UART kabel. Ko sta ta kabla povezana, omogočata polno odpravljanje napak, programiranje in UART komunikacijo. Za povezovanje kablov upoštevajte spodnja navodila:
- Odklopite izolacijske mostičke na izdelku LaunchPad
- Kabel ARM JTAG z 10 priključki povežite z glavo XDS110 OUT na izdelku LaunchPad SensorTag
- Drugi konec kabla ARM z 10 priključki povežite z glavo JTAG na izdelku LaunchPad SensorTag
- Kabel mostička z dvema priključkoma povežite z zgornjimi priključki RXD in TXD (siva žica na RXD, bela žica na TXD)
- Drugi konec mostička z dvema priključkoma povežite na priključka 12/RX in 13/TX na izdelku LaunchPad SensorTag (sivo na 12/RX, belo na 13/TX)
- Povežite LaunchPad z namiznim ali prenosnim računalnikom
- Popolna nastavitev bi morala biti videti podobno tistemu, prikazanemu na sliki 7.
Omeniti je treba naslednje: ker se tekoča slika ne more samodejno posodabljati, morate dohodno sliko OAD med prejemanjem shraniti na začasno mesto.
To začasno mesto lahko rezervirate v notranjem Flash pomnilniku ali zunaj čipa. V obeh primerih se, ko je prenos slike dokončan, za določanje tega, ali je nova slika veljavna in ali jo je treba naložiti in zagnati (na podlagi glave slike), uporablja Boot Image Manager (BIM), ki je trajno prisoten v napravi SensorTag.
BIM je zlasti uporaben na primer zato, ker oblikovalcu omogoča vrnitev na izvirno sliko, ki se lahko uporabi takoj, po OAD. To naredite tako, da zadržite BTN-1 (levi gumb) ob vklopu ali med ponastavitvijo, in BIM bo preklopil na sliko, ki se lahko uporabi takoj (tj. Multi-Sensor).
Zaključek
Z uporabo kompleta LPSTK-CC1352R SensorTag Kit in povezano strojno opremo, programsko opremo in ekosistemom LaunchPad lahko razvijalci hitro in enostavno kombinirajo in združujejo vmesnike, uporabljajo en vmesnik ali več vmesnikov hkrati ter po potrebi dodajajo in menjajo senzorje BoosterPack. To bo odpravilo potrebo po zapravljanju časa in sredstev za izdelavo prototipov za vsak vmesnik brezžičnega senzorja, da bi se videlo, kateri je najbolj primeren za določeno aplikacijo.
