Bluetooth 5.1 SoC: Ультракомпактное, низкозатратное решение для IoT-устройств

Bluetooth Low Energy (BLE) стал основой экосистемы IoT, обеспечивая короткодистанционные, низкоэнергетические беспроводные связи, держащие батарейные гаджеты работающими месяцами или даже годами. Взрывной рост фитнес-трекеров, смарт-часов и других носимых устройств ускорил принятие BLE по всей отрасли.

Типичное Bluetooth-устройство (Рис. 1) состоит из хоста и контроллера. Хост запускает Bluetooth-стек и хост-стороннюю прикладную логику, в то время как контроллер обрабатывает базобандовые операции для классического Bluetooth (BR/EDR) или BLE. Оба общаются через хост-контроллерный интерфейс (HCI).

Рис. 1: Блок-схема архитектуры Bluetooth single-mode и dual-mode.

BLE впервые появился в Bluetooth 4.0, с последующими ревизиями 4.1 и 4.2 добавляющими инкрементальные уточнения. Настоящий скачок пришел с Bluetooth 5, который ввел 2 МБ/с скорость данных, четырехкратное увеличение покрытия до 240 м и значительные улучшения экономии энергии.

Bluetooth 5.1, анонсированный в конце 2018, построил на этих выгодах, добавив возможности локализации. Стандарт поддерживает две техники позиционирования — angle of arrival (AoA) и angle of departure (AoD) — позволяя устройствам определять взаимное положение с точностью до метра.

Сегодня большинство носимых устройств полагаются на BLE, потому что оно предлагает стоимостно-эффективное, ультранизкоэнергетическое решение, которое может питаться крошечной батареей месяцами или даже годами. Dialog Semiconductor представила то, что она называет самым маленьким и самым энергоэффективным Bluetooth 5.1 SoC — DA14531. Сопутствующий модуль облегчает разработку и открывает более широкие возможности для IoT-развертываний.

SmartBond TINY SoC построен вокруг 32-битного ARM Cortex-M0+ ядра, с интегрированными памятью и полным набором аналоговых и цифровых периферийных блоков. Тесно интегрируя эти функции, Dialog снижает отпечаток BLE-решений сохраняя высокую производительность. В больших объемах BLE-возможность SoC может быть добавлена всего за $0,50.

Его корпус 2,0 × 1,7 мм делает DA14531 идеальным для пространственно ограниченных устройств вроде электронных стилусов, полочных этикеток, маяков и активных RFID-тегов для отслеживания активов. Чип также подходит для приложений, требующих провижининга, как камеры, принтеры и беспроводные роутеры.

DA14531 расширяет беспроводную коннективность в connected-medical арену. Потенциальные use cases включают ингаляторы, дозаторы лекарств, весы, термометры и глюкометры (Рис. 2).

Рис. 2: Блок-схема DA14531.

В корпусе 2,0 × 1,7 мм SmartBond TINY примерно в два раза меньше своих предшественников, по словам Dialog. SoC нуждается только в шести внешних компонентах — единственном источнике тактирования и источнике питания — для формирования полной низкоэнергетической Bluetooth-системы (Рис. 3). Этот минимальный отпечаток позволяет дизайнерам интегрировать чип практически в любой RF-мониторинговый дизайн.

«Внешние компоненты действительно ограничены; требуются два конденсатора. Индуктивность питания может быть пропущена при определенных условиях», — сказала Адри ван Мейерен, менеджер продуктового маркетинга Americas, Bluetooth Low Energy, в Dialog Semiconductor.

Рис. 3: Системная диаграмма, питаемая щелочной батареей — boost-конфигурация.

Дизайн модуля гарантирует долговечность и надежность даже с маленькими батареями, и освобождает клиентов от бремени сертификации собственных платформ, тем самым экономя время, усилия и стоимость. Интегрированный DC/DC конвертер DA14531 поддерживает широкий входной диапазон 1,1 В – 3,3 В.

«Относительно батарей и DC/DC конвертера, мы можем работать с любыми 1,4-В/1,5-В батареями в дополнение к 3-В монетным элементам. Поскольку boost-конвертер на борту, он снижает стоимость. Эффективность DC/DC немного зависит от качества индуктивности, но можно достичь около 85% эффективности», — объяснила ван Мейерен.

«Функция DC/DC критична, особенно для одноразовых батарей. Эти батареи часто имеют крошечные емкости — около 15 мАч. Пусковой ток boost-конвертера ограничивает индуктивность и конденсаторы, и мы предоставляем лимит тока, который может быть установлен между 6 мА и 96 мА, позволяя нам стартовать от любой батареи, независимо от ее состояния», — добавил он.

С ультранизким потреблением BLE многие приложения могут работать на одной маленькой батарее четыре или пять лет, что критично для устройств, обменивающихся только небольшими порциями данных периодически.

Dialog также предлагает DA14531 SmartBond TINY Development Kit, включающий SoC и предоставляющий два mikroBUS заголовка и Arduino интерфейс для расширенной функциональности (Рис. 4).

Рис. 4: DA14531 SmartBond TINY Development Kit Pro.

Bluetooth присутствует примерно в 8,2 млрд устройств по всему миру, от смартфонов до ноутбуков. Cisco предсказывает, что к 2020 году более 50 млрд умных устройств будут в использовании, с Bluetooth SIG поддерживающим до трети из них.

С миллиардами BLE-устройств на рынке диапазон приложений практически безграничен. Выбор BLE для проекта требует тщательного рассмотрения форм-фактора, электрических характеристик, желаемой функциональности, инструментов разработки ПО и технической поддержки.