MCU go wireless – mikroprocesory s bezdrátovým rozhraním

Ten, kdo chce rozšířit svůj přístroj o bezdrátovou techniku, napojuje obvykle zařízení pro přenos dat na mikrokontrolér. Myšlenka je to jednoduchá, ale realizace až tak snadná není. Je totiž třeba provést nové výpočty týkající se ceny, kvality a odstupňování dle rizik a mnohdy také klesá bezporuchovost přístroje. To je dost důvodů, abychom se poohlédli po mikrokontrolérech s integrovaným zařízením pro přenos dat. Mnoho výrobců mikrokontrolérů na tento trend i rostoucí poptávku po zařízeních pro přenos dat již zareagovalo a nabízí své čipy s nejrůznějšími bezdrátovými perifériemi.

Obr. 1

Tak například architektura s procesorovými jádry od ARM, kterou nalezneme v mikrokontrolérech mnoha výrobců, napomáhá minimalizovat riziko při váznutí dodávek či výpadku výrobce elektroniky, neboť díky nepatrným úpravám v softwaru a hardwaru se dají mikrokontroléry od různých výrobců relativně jednoduše vyměnit. Chrání se tak investice do vývojových nástrojů a dobudování know-how. Díky dobré licenční politice ARM mají přitom zákazníci velký výběr.

Obr. 2

STM32W je založen na 32bitovém jádru ARM Cortex™-M3 a díky značné oblibě řady STM32 je velmi zajímavý, neboť se předpokládá dlouhodobá dostupnost a zákazník může využít fundovanou podporu v případě technických problémů. STM32W disponuje jedním integrovaným rozhraním pro přenos dat v pásmu 2,4 GHz dle normy IEEE802.15.4, a je tudíž vhodný pro ZigBee, RF4CE, 6LoWPAN a ostatní síťové protokoly, jež jsou koncipovány na standardu IEEE802.15.4. Citlivost příjmu je −100 dBm a vysílací výkon může činit až +7 dBm. Takovýto mikrokontrolér s bezdrátovým rozhraním nabízí hned několik výhod: protože není potřeba žádný externí dálkový modul, snižují se náklady na materiál (Bill of Material, BoM), a tím i logistické náklady na pořízení, skladování a osazení. Opominout nelze ani to, že integrace bezdrátového rozhraní pro přenos dat přímo do pouzdra mikrokontroléru pozitivně ovlivňuje výpočet hodnoty MTTF a MTBF koncového produktu.

Kdo chce mít ZigBee na 16bitovém mikrokontroléru, ten najde jednodušší alternativu v Renesas M16C/6B, rovněž s integrovaným rozhraním pro přenos dat IEEE802.15.4. Pro bateriově napájené aplikace, jako např. pro uzly radiokomunikační sítě, jsou vhodné mikrokontroléry Renesas rodiny RL78 díky svému nízkému potřebnému výkonu a velkému rozsahu napájecího napětí. Kromě toho mají mikrokontroléry této série nízkou spotřebu energie v pracovním režimu (Run Mode 140 μA/MHz) při vysokém početním výkonu (40,6 DMIPS @ 32 MHz), nízkou spotřebu energie v pohotovostním režimu (Sleep Mode), rychlou reakci z režimu opakovaného buzení (Snooze Mode) a v neposlední řadě lze i velice dobře volit velikost pouzdra a kapacitu paměti. Díky integrované datové paměti typu flash, window watchdogu, hodinám reálného času (RTC), čidlu teploty, přesnému oscilátoru a řadě bezpečnostních funkcí pro vlastní diagnostiku umožňují mikrokontroléry série RL78 návrh kompaktního a spolehlivého hardwaru s malými požadavky na místo.

Kdo potřebuje ještě větší úsporu energie, tomu se nabízejí malé 8bitové mikrokontroléry, které nabízí několik A/D převodníků a dalších rozhraní. Také nemají širokopásmovou modulaci signálu DSSS dle standardu IEEE802.15.4, ale sázejí na modulace ASK, FSK, GFSK a OOK, které se vyznačují malou spotřebou energie. Na tomto poli posílá Nordic Semiconductor do soutěže s ostatními typy produkt nRF24LE1, který používá po celém světě využívané pásmo 2,4 GHz. Přenosová metoda Shock- Burst™ a protokol Open Source Protocol „Gazell“ jsou koncipovány pro nízkou spotřebu proudu, takže mohou být bez problémů napájeny jedním knoflíkovým akumulátorem typu CR2032.

Firma Infineon nabízí v rámci série PMA5110 8bitový mikrokontrolér s integrovaným vysílačem, který vysílá ve všech pásmech ISM pod 1 GHz. Větší dosažená vzdálenost a lepší průnik materiálem srovnatelný s pásmem 2,4 GHz jsou hlavní argumenty pro použití jak v aplikacích domácí techniky, tak i v outdoorových aplikacích. Tyto mikrokontroléry se navíc od ostatních produktů na trhu liší certifikací pro automobilový průmysl, větším rozsahem teplot, od −40 °C do +125 °C, a integrovaným přijímačem v pásmu 125 kHz, vhodném např. pro funkce WakeUp (buzení).

Mnohem víc toho umí mikrokontrolér MD8710 od firmy Infineon. Jádro ARM™ Cortex R4 nabízí coby integrovaná dálková periférie jak bluetooth, tak i bluetooth LE. Bohatá výbava, co se týká různých typů rozhraní, A/D převodníků a řadiče displeje, dělá z tohoto mikrokontroléru skutečný procesor pro diagnostiku a komunikaci (System-on- -Chip).

Ten, kdo už mikrokontroléry používá a chce rozšířit stávající aplikaci o bezdrátovou komunikaci, stojí před otázkou, jestli použít externí zařízení pro přenos dat, nebo sáhnout po mikrokontroléru s integrovaným bezdrátovým rozhraním. U kombinovaného řešení nabízejí výrobci a distributoři zpravidla jeden vzorový protokol, který by bez velkých výdajů měl svými dobrými výsledky vyhovovat.

Nástroje pro vývoj hardware a software

Firma Segger patří mezi výrobci vývojářských nástrojů na poli ARM k těm, kteří udávají hlavní směr technologického vývoje. Pro vývoj aplikací nabízí jak hardware, tak i software. K hardwarovým nástrojům patří známý JTAG Debugger „J-LINK“ s celou řadou modifikací či „Flasher ARM“. J-LINK podporují renomovaní výrobci překladačů, jako např. IAR a Keil. Díky softwaru „GDB Server“ může však spolupracovat i s GNU Project Debugger (GDB). Vedle standardu J-LINK s USB rozhraním mohou uživatelé vybírat z dalších různých variant, které splňují nejrůznější potřeby, třeba požadavek na typ s rozhraním Ethernet, které nabízí vyšší rychlosti pro download anebo s rozšířenou funkcionalitou TRACE, také speciálně pro Cortex-M3.

K nástrojům pro vývoj softwaru od firmy Segger patří knihovny pro RTOS (Real Time Operating System, Task- -Scheduler), grafika, datové systémy a řídicí programy rozhraní pro USB a Ethernet.

S pomocí RTOS se dají – jinak než v „superloopu“ (hlavní programové smyčce) – individuálně přiřazovat intervaly spuštění k různým úlohám. Úkoly, které mohou pracovat s nižší frekvencí spouštění, jsou také přiměřeně tomu málo spouštěny – zcela v duchu motta: tak často, jak jen to je nutné, a tak málo, jak je to jen možné. Díky tomu se výkon CPU používá pouze tam, kde ho je skutečně zapotřebí. V porovnání s jednoduchým „superloopem“ lze s vhodným RTOS snížit pracovní frekvenci CPU nebo ho lze častěji převádět do pohotovostního režimu, a tím redukovat spotřebu energie. Proto by měli zejména vývojáři rádiových modulů napájených z baterie přemýšlet o použití RTOS.