Беспроводные микроконтроллеры NXP
В статье рассматриваются беспроводные микроконтроллеры компаний NXP, Renesas и SiLabs. учитывая специализацию микроконтроллеров, основное внимание уделено режимам энергопотребления и радиомодулям и кратко упоминаются специализированные периферийные модули этих микроконтроллеров.
Введение
В настоящей статье мы расскажем о беспроводных МК, появившихся в этом, 2020 г.
Как и во всех предыдущих случаях, новые МК не поражают воображение вычислительной мощностью, обилием коммуникационных интерфейсов или какой-либо другой специализированной периферией. Их основной функциональной частью является радиомодуль. Как правило, беспроводные МК предназначены для приложений с батарейным питанием, и их разработчики решают задачу как можно в большей мере снизить энергопотребление МК.
Исходя из этого требования, мы, прежде всего, рассмотрим особенности радиомодулей и модулей управления питанием, и лишь кратко остановимся на специализированной периферии, если таковая имеется. Остальные узлы беспроводных МК хорошо известны пользователям, и мы не станем утомлять читателей ненужными подробностями.
Таблица
Модификации МК QN9030 и QN9090
Микроконтроллеры QN9030 и QN9090 Компании NXP
Беспроводные МК QN9030 и QN9090 компании NXP базируются на хорошо известном процессорном ядре ARM Cortex-M4 с модулем защиты памяти (MPU). МК поддерживают стандарт Bluetooth Low Energy 5.0. Их структурная схема приведена на рисунке 1. Отличия модификаций МК показаны в таблице. Напряжение питания МК: 1,9–3,6 В; диапазон рабочей температуры: –40…125°C.
В МК предусмотрены пять режимов энергопотребления:
- активный режим;
- режим сна (Sleep mode);
- режим глубокого сна (Deep-sleep mode);
- режим пониженного энергопотребления (Power-down mode);
- глубокий режим пониженного энергопотребления (Deep power-down mode).
В активный режим МК переходит сразу после сброса, вызванного включением питания. В этом режиме все модули МК активны. В режиме сна процессорное ядро не активно – оно пробуждается по прерыванию или событию, а все остальные модули активны. В режиме глубокого сна помимо процессорного ядра в неактивный режим переводятся некоторые модули МК. Максимальная частота тактирования снижается с 28 до 12 МГц; также запрещены все операции DMA. Время пробуждения из этого режима занимает больше циклов, чем при пробуждении из режима сна.
В режиме глубокого сна запрещен доступ к памяти SRAM. Она может находиться в одном из трех режимов: в нормальном состоянии, в состоянии пониженного энергопотребления с сохранением данных и в режиме «выключено». Могут быть отключены следующие модули: флэш-память, АЦП, аналоговый компаратор, датчики температуры и провала напряжения, некоторые осцилляторы. Отдельные периферийные модули могут оставаться активными при условии сохранения тактирования и неиспользовании каналов DMA. После пробуждения процессор начинает выполнять код с того места, где произошел переход в режим глубокого сна.
В режиме пониженного энергопотребления выключается основной цифровой домен, память SRAM выключена или переведена в режим сохранения данных. Активными могут оставаться лишь каналы интерфейсов I2C0, USART0 и SPI0, но частота их тактирования уменьшается до 32 кГц. После пробуждения процессор стартует с загрузочного кода, чтобы определить порядок инициализации МК. В режиме глубокого пониженного энергопотребления выключены практически все модули и энергопотребление минимально. При пробуждении происходит полная перезагрузка МК.
Рисунок 1
Структурная схема МК QN9030 и QN9090 компании NXP
Рисунок 2
Структурная схема радиомодуля МК QN9030 и QN9090
Беспроводной приемопередатчик реализует протокол BTLE 5.0. Приведем некоторые основные параметры модуля:
- чувствительность приемного устройства при скорости передачи данных 1 Мбит/с: –97 дБм;
- чувствительность приемного устройства при скорости передачи данных 2 Мбит/с: –93 дБм;
- ток потребления в режиме приема: 4,3 мА;
- мощность передатчика (макс.): 11 дБм при диапазоне 46 дБ;
- ток потребления при выходной мощности сигнала 10 дБм: 20,3 мА;
- ток потребления при выходной мощности сигнала 3 дБм: 9,4 мА;
- ток потребления при выходной мощности сигнала 0 дБм: 7,4 мА;
- шифрование: AES-128 или AES-256.
Структурная схема радиомодуля представлена на рисунке 2. Его приемник основан на архитектуре с промежуточной частотой и состоит из малошумящего усилителя (МшУ), смесителя с понижающим преобразованием I/Q, последующим усилением и фильтрацией фильтрами низких частот (ФНЧ) с дальнейшим преобразованием с помощью 10-бит АЦП производительностью 16 Мвыб/с. Используется автоматическая регулировка усиления. Демодуляция сигнала происходит в цифровом домене. Индикатор уровня принимаемого сигнала RSSI «привязан» к принимаемому кадру и может контролироваться в течение всего времени приема.
Передатчик радиомодуля использует двухточечную модуля- цию. Применяется частотная и фазовая модуляция передаваемого сигнала. Несмотря на довольно низкое энергопотребление во время приема и передачи сигнала, приложениям с батарейным питанием, где на счету каждый микроватт, требуется как можно больше сократить мощность потребления. С этой целью в МК QN9030 и QN9090 в период ожидания сигнала используется выключение питания части узлов приемопередатчика, и предусмотрены таймеры с низким энергопотреблением для канального уровня. Они отвечают требованиям точности синхронизации стандарта Bluetooth Low Energy.
Рисунок 3
Структурная схема МК RA4W1 компании Renesa
Предусмотрены также таймеры для пробуждения модуля, но поскольку они не отвечают требованиям стандарта точности синхронизации, их используют лишь в случае, когда соединение Bluetooth неактивно. В этом состоянии можно сохранять все данные калибровки в соответствующих регистрах; при этом немного увеличивается ток потребления, но зато сокращается время перехода в активный режим, и нет необходимости повторять процедуру калибровки.
Радиоконтроллер RFP управляет радиомодулем с помощью встроенного конечного автомата, формирующего последовательность приема и передачи данных. При передаче данных контроллер RFP обеспечивает включение ФАПЧ и выбор несущей частоты, активирует передающий тракт, управляет усилителем мощности. После окончания передачи данных контроллер RFP отключает усилитель мощности и выключает узлы тракта передачи. При приеме данных контроллер активирует приемный тракт, включает питание необходимых узлов, инициирует узел AGC для регулировки усиления при обнаружении пакета и управляет цифровой демодуляцией сигнала. После окончания приема контроллер отключает приемный тракт.
Вкратце остановимся на некоторых модулях, которые помогут инженерам составить более полное представление о данных МК. На наш взгляд, достоин упоминания 10-канальный ШИМ: все каналы независимы и содержат 16-бит регистр сравнения. Причем, возможен режим, когда один ведущий канал управляет остальными. Не у каждого МК можно найти модулятор инфракрасного сигнала, тогда как такой модулятор IRB имеется в МК QN9030 и QN9090. Он соответствует протоколам RC5, RC6, RCMM и SIRCS, но не поддерживает протокол IRDA.
Модуль NTAG предназначен для реализации интерфейса NFC. Передача сигнала осуществляется на несущей частоте 13,56 МГц. Скорость передачи данных составляет 100 Кбит/с, максимальное расстояние до метки составляет 100 мм. Модуль содержит 64-байт энергонезависимую память со сроком хранения данных 20 лет; износостойкость памяти составляет 200 тыс. циклов.
Модуль DMIC поддерживает одно- и двухканальные цифровые микрофоны с импульсно-плотностной модуляцией PDM. Чтобы снизить энергопотребление модуля, в нем используется детектор голосовой активности HWVAD с настраиваемым уровнем обнаружения речи. Модуль DMIC оптимизирован под частоту выборки звукового сигнала 16 кГц. Для каждого канала предусмотрен буфер FIFO на 16 записей.
Рисунок 4
Структурная схема модуля Bluetooth Low Energy 5.0 МК RA4W1
Микроконтроллеры RA4W1 компании Renesas
МК компании Renesas, как и рассмотренные выше МК QN9030 и QN9090 компании NXP, базируются на процессорном ядре ARM Cortex-M4 с модулем защиты памяти. Эти МК тактируются одинаковой частотой 48 МГц. На этом сходство не заканчивается: как и МК QN9030 и QN9090, микроконтроллеры RA4W1 поддерживают протокол Bluetooth Low Energy 5.0. За счет большего числа линий ввода/вывода МК RA4W1 производятся в 56-выводном корпусе QFN размером 7×7 мм, в отличие от своих собратьев QN9030 и QN9090, довольствующихся 40-выводным корпусом. Структурная схема МК RA4W1 приведена на рисунке 3. Напряжение питания МК находится в диапазоне 1,8–3,6 В, а диапазон рабочей температуры составляет –40…85°C.
Компания Renesas, как и NXP, не привнесла в свои беспро водные МК каких-либо новшеств, а использовала готовые, проверенные на прежних модификациях периферийные модули. В целом это разумный подход: компании выпустили экономичные МК, призванные стать скромными «рабочими лошадками» в мире беспроводных коммуникаций.
Однако помимо сходства между МК этих компаний у них немало и различий. Так, например, у МК RA4W1 Renesas – иной подход к реализации режимов пониженного энергопотребления. Всего насчитываются четыре режима энергопотребления:
- активный режим;
- режим сна (Sleep mode);
- программный режим останова (Software Standby mode);
- режим полусна (Snooze mode).
В режиме сна процессорное ядро не активно, содержимое регистров процессора сохраняется. Все остальные модули работают в обычном режиме, доступны все источники прерываний. Выход из режима сна осуществляется по любому прерыванию. В режиме полусна активна часть периферийных модулей, процессор остановлен. В режиме программного останова процессор и большинство периферийных модулей и часть осцилляторов остановлены, но содержание регистров и памяти сохраняется. Выход из этого режима производится по прерываниям. Кроме того, в МК предусмотрена возможность независимого выключения любого периферийного модуля (module-stop function).
Однако в каждом из этих режимов, кроме режима программного останова, можно выбрать пять опций:
- высокоскоростной режим работы;
- режим средней скорости выполнения кода;
- низкоскоростной режим;
- режим пониженного напряжения;
- субосцилляторный режим.
Перечисленные опции реализуются посредством изменения системной частоты тактирования, а также частоты тактирования периферийных модулей и флэш-памяти. В высокоскоростном режиме системная частота составляет 48 МГц, флэш-память тактируется частотой 32 МГц, напряжения питание находится в пределах 2,4–3,6 В. В режиме средней скорости напряжение питания меняется в диапазоне 1,8–3,6 В, флэш-память и периферия тактируются частотой 12 МГц, но при напряжении питания 1,8–2,4 В эти частоты уменьшаются до 8 МГц.
В режим пониженного напряжения МК переходит после сброса. В этом режиме напряжение питания находится в пределах 1,8–3,6 В, флэш-память и периферия тактируются частотой 1–4 МГц. И, наконец, в субосцилляторном режиме тактирование осуществляется частотой 37,6832 кГц, а напряжение питания составляет 1,8–3,6 В.
Структурная схема модуля Bluetooth Low Energy 5.0 показана на рисунке 4. Ниже приведены некоторые основные пара- метры модуля:
- чувствительность приемного устройства при скорости передачи данных 125 Кбит/с: –105 дБм;
- чувствительность приемного устройства при скорости передачи данных 500 Кбит/с: –100 дБм;
- чувствительность приемного устройства при скорости передачи данных 1 Мбит/с: –95 дБм;
- чувствительность приемного устройства при скорости передачи данных 2 Мбит/с: –92 дБм;
- мощность передатчика (макс.): 0–4 дБм;
- шифрование: AES-128.
Для того чтобы подробнее описать МК, отметим несколько периферийных модулей. Выделим относительно широкий набор аналоговой периферии. Нечасто в МК встретишь 14-бит АЦП – обычно производители ограничиваются 12- или 10-бит АЦП. К тому же, типовая абсолютная погрешность этого АЦП составляет всего лишь ±1,25 МЗР. В состав аналоговой периферии входят также 12- и 8-бит ЦАП, аналоговый компаратор и операционный усилитель.
Периферийный 11-канальный модуль сенсорной клавиатуры (CTSU) и контроллер сегментного ЖКД (SLCDC) позволяют реализовать простой человеко-машинный интерфейс. Контроллер SLCDC имеет девять выводов для управления сегментами и четыре общих вывода.
Рисунок 5
Структурная схема МК EFR32BG22 и EFR32FG22 компании SiLabs
MK EFR32BG22, EFR32FG22 сеиейства Wireless GECKO компании Silabs
В отличие от компаний Renesas и NXP, в SiLabs предпочли задействовать более новое процессорное ядро ARM Cortex-M33 на архитектуре Armv8-M с использованием проприетарной технологии безопасности ARM TrustZone. У ядра Cortex-M33 – большие функциональные возможности, чем у Cortex-M4; выше и его производительность. Кроме того, в МК EFR32BG22 это ядро тактируется более высокой частотой 76,8 МГц, чем МК от Renesas и NXP, рассмотренные выше. У МК EFR32FG22 частота тактирования ниже – 38,4 МГц.
Основное различие МК EFR32BG22 и EFR32FG22 заключатся в том, что последний поддерживает только проприетарный 2,4-ГГц беспроводной протокол, а первый еще и протоколы Zigbee и Bluetooth Low Energy 5.2. МК производятся в корпусах QFN32 (4×4×0,85 мм) или QFN40 (5×5×0,85 мм). Структурная схема МК приведена на рисунке 5. Напряжение питания МК: 1,71–3,6 В; диапазон рабочей температуры: –40…125°C.
Предусмотрены шесть режимов энергопотребления:
1. EM0. Активный режим, все модули МК доступны.
2. EM1. Процессорное ядро Cortex-M33 неактивно, все остальные модули доступны.
3. EM1 Р. Частный случай режима EM1, процессорное ядро и высокоскоростные периферийные модули выключены, радиомодуль активен.
4. EM2. Процессорное ядро неактивно, большинство высокоскоростных периферийных модулей выключены или их функциональные возможности ограничены, высокоскоростные осцилляторы выключены, радиомодуль неактивен. Содержимое памяти и регистров сохраняется.
5. EM3. Выключены низко- и высокоскоростные осцилляторы, большинство периферийных модуле также выключены. Содержимое памяти и регистров сохраняется.
6. EM4. В этом режиме – самое низкое энергопотребление. Содержимое памяти и регистров не сохраняется. Для пробуждения МК требуются сброс и перезагрузка.
Рисунок 6
Структурная схема радиомодуля МК EFR32BG22 и EFR32FG22
В режимах EM0– EM3 для уменьшения энергопотребления возможно изменение (масштабирование) напряжения питания цифрового домена МК. Изменение напряжения происходит за счет управления встроенным LDO-регулятором. Предусмотрены следующие три напряжения питания.
1. VSCALE0. Напряжение питания 1,1 В, используется в режимах энергопотребления EM0–EM3.
2. VSCALE1. Напряжение питания 1,0 В, используется в режимах энергопотребления EM0 и EM1 при частоте тактирования не более 40 МГц и в режимах EM2 и EM3.
3. VSCALE2. Напряжение питания 0,9 В, используется в режимах энергопотребления EM2 и EM3.
В отличие от рассмотренных выше МК, радиомодуль МК EFR32BG22 является многопротокольным. Помимо проприетарного протокола компании, он поддерживает также стандартные протоколы Zigbee и Bluetooth Low Energy 5.2. В радиомодуль интегрирован процессор ARM Cortex-M 0+. Перечислим некоторые его основные параметры:
- виды модуляция: 2-FSK, 2-GFSK, 4-FSK, MSK, GMSK, O-QPSK с полусинусоидой, ASK/OOK, DBPSK TX;
- поддерживается манчестерский код и NRZ;
- скорость передачи данных: 100 бод/с…2 Мбод/с (до 4 Мбит/с);
- ток потребления в режиме приема: 2,5 мА;
- чувствительность при 250 Кбит/с и модуляции O-QPSK DSSS: –102,3 дБм;
- чувствительность при 125 Кбит/с и модуляции GFSK: –106,7 дБм;
- чувствительность при 1 Мбит/с и модуляции GFSK: –98,9 дБм;
- чувствительность при 2 Мбит/с и модуляции GFSK: –96,2 дБм;
- выходная мощность передатчика (макс.): 6 дБм;
- ток потребления в режиме передачи при выходной мощности 0 дБм: 3,4 мА;
- ток потребления в режиме передачи при выходной мощности 6 дБм: 7,5 мА.
Структурная схема радиомодуля приведена на рисунке 6. Он поддерживает буферизованную и небуферизованную передачу и прием данных. В первом случае используется буферный контроллер BUFC. Для хранения данных он использует системное ОЗУ; при этом каждый буфер программируется отдельно: устанавливаются размеры буфера, условия формирования прерываний и переполнения, а также его расположение. При приеме данных после синхронизации кадров они из демодулятора перемещаются непосредственно в буфер. При передаче данных они перемещаются из буфера в демодулятор вслед за вставленной преамбулой и синхронизующим словом.
В большинстве случаев рекомендуется использовать буферизованную передачу данных, но если по каким-либо причинам это нежелательно, возможна прямая небуферизованная передача. В этом случае используется двухвыводная схема, в которой битовый сигнал синхронизации передается через отдельный вывод.
Контроллер FRC радиомодуля реализует расширенную обработку кадров:
- формирование преамбулы и кадровой синхронизации для предаваемого кадра;
- полную синхронизацию принимаемого кадра;
- сопоставление адресов принятых кадров, дополнительную фильтрацию адресов и кадров;
- поддержку кадров переменной длины;
- расчет и проверку кода исправления ошибок (CRC);
- настройку порядка передачи битов.
Из специализированных периферийных устройств можно выделить только модуль импульсно-плотностной модуляции (PDM). Главным отличием МК EFR32BG22 и EFR32FG22 помимо радиомодуля является повышенный уровень безопасности за счет фирменной технологии ARM TrustZone.
Выводы
Мы рассмотрели беспроводные МК компаний NXP, Renesas и SiLabs. Все компании использовали, на взгляд автора, единый подход в разработке. Суть его заключается в создании экономичного МК. При этом основное внимание уделено режимам пониженного энергопотребления и радиомодулям. Все остальные решения, реализованные в новых МК, использовались и в предыдущих семействах МК этих компаний. Таким образом, рассмотренные МК не могут удивить специализированной периферией или вычислительной мощностью, но в то же время не вызывают нареканий по надежности и устойчивости работы.
Разработчики также не должны испытывать трудностей при использовании новых МК, если они уже применяли предыдущие модели микроконтроллеров этих компаний.