Vítejte, dnes je
čtvrtek
21.
listopad
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky Je nejmenší na světě, má nejnižší spotřebu energie a nejrychlejší start-up… ano, to bylo jaro roku 2017 a nový BLE kontroler od firmy EM Microelectronic a s ním i tři světové rekordy ze švýcarského Silicon Valley. Čip je nyní kvalifikován pro standard BLE 5.0 (Bluetooth® Low Energy 5.0), a pokud bychom u těch pětek měli zůstat, pak se sluší dodat, že na ploše pouhých 5 mm je integrováno více než 5 milionů tranzistorů. Na vývoji tohoto čipu se podstatnou měrou podíleli návrháři z pražské firmy ASICentrum, dceřiné společnosti EM Microelectronic a kvalifikovaného vývojového centra koncernu Swatch Group.
Obvod EM9304 [1] byl vyvinut s ohledem na maximální flexibilitu při využití v nejrůznějších BLE aplikacích, kterých už dnes existuje ohromné množství a nové, mnohdy velmi netradiční, neustále přibývají. Z obrázků 1 (hardwarová architektura) a 2 (softwarová architektura) jsou zřejmé jednotlivé funkční bloky.
Na čipu je integrován 32bitový ARC mikrokontroler umožňující výpočty s plovoucí řádovou čárkou, který může zpracovávat signály z nejrůznějších přímo připojených senzorů nebo koprocesorů pro senzorovou fúzi. Pokud toto řešení z nějakého důvodu nevyhovuje, může být obvod EM9304 propojen s jakýmkoliv externím mikrokontrolerem, celým systémem na čipu či zákaznickým obvodem.
Na čipu EM9304 najdete nejmodernější 2,4GHz BLE transceiver − přijímač s extrémně nízkým příkonem (3 mA) a výjimečnou citlivostí (–94 dBm), a programovatelný vysílač, kterým lze optimalizovat výstupní vysílací výkon (–34 až +6,1 dBm) vůči proudové spotřebě (2,2 mA až 14,8 mA).
Paměti jsou z hlediska napájení rozdělené do několika sekcí, a pokud některá z nich není zrovna používána, její napájení se vypíná, a tak se snižuje celková proudová spotřeba čipu.
Unikátní funkce čipu představuje možnost nahrávat nejrůznější opravné kódy a různé verze zákaznických aplikací nejenom do paměti iRAM, ale též do OTP.
Sofistikovaná správa napájení zahrnuje automatickou konfiguraci pro 1,5V nebo 3V baterie, rozsah pracovního napájecího napětí je od 1,05 V do 3,6 V. Existují celkem 4 možné scénáře napájení: DCDC Step-Down, DCDC-Step-Up, DCDC Off a External DCDC. Na celkovou spotřebu má podstatný vliv integrovaný systém přecházení mezi jednotlivými pracovními režimy – Active RC / Active XTAL, Sleep, Deep Sleep a Disable. Typické hodnoty proudové spotřeby při 3V napájení jsou: 3 mA při příjmu, 2,2 mA až 14,8 mA při vysílání, 1,0 μA v režimu „connected sleep mode“, 0,65 μA v režimu „deep sleep mode“ a pouhých 5 nA, pokud je čip deaktivován („chip disable“).
Periferie I2C master, SPI master, UART, SPI slave a GPIO slouží ke komunikaci s okolním světem. Uživatelsky lze ale použít i další bloky − generátor náhodných čísel, kryptovací moduly pro přenášená data, čítač apod.
Obvod EM9304 je kvalifikován pro teplotní rozsah od –40 do +85 °C a dodává se v pouzdrech QFN28 (4 × 4 mm) nebo WLCSP25 (2,340 × 2,206 mm). Toto pouzdro svými rozměry minimalizuje potřebný prostor na tištěném spoji, má pole 5 × 5 vývodů s roztečí 0,4 mm, zapojeno je 21 vývodů (viz dva obrázky). Pokud použijete interní MCU, budete potřebovat jen minimum externích součástek: baterii, 3 kondenzátory, 1 cívku, 48MHz krystal a jednovývodovou 50Ω anténu. EM9304 lze také dodat přímo na křemíkových plátcích ve formě čipů pro následné zapouzdření u zákazníka podle jeho potřeb.
Zabezpečení je provedeno pomocí kombinace HW a SW funkcí. Hardware zahrnuje generátor náhodných čísel standardu NIST 800-90A a AES-128 šifrování/ dešifrování přenášených dat. Pomocí softwaru s funkcí EEC P-256 jsou generovány klíče, nicméně to vše jsou standardní součásti BLE normy.
Nepočítáme-li testovací režim při výrobě, pak lze obvod EM9304 provozovat ve 3 různých aplikačních režimech, které se nastavují pomocí různých verzí firmwaru. Ten se do obvodu nahrává v základu a hlavně přes rozhraní SPI, případně v některých režimech přes UART, JTAG nebo též „vzduchem“ (Firmware Over The Air – FOTA).
Uživatelská aplikace i BLE stack jsou v externím zařízení, komunikace s obvodem EM9304 probíhá přes rozhraní HCI (Host Controller Interface).
Používá se uživatelská aplikace uložená v externím zařízení a BLE stack obvodu EM9304. Komunikace probíhá přes rozhraní ACI (Application Controller Interface).
Uživatelská aplikace a celý BLE stack jsou uloženy v obvodu EM9304, typickým příkladem využití tohoto režimu jsou různé varianty nízkopříkonových majáků (Beacons) – jednoduché aplikace, které si vystačí s prostředky na čipu. Současně se tento režim používá k vývoji uživatelských aplikací.
K dispozici je HW i SW vývojový kit, podklady k návrhu antény, referenční návrhy, kompletní dokumentace a vývojové fórum emDeveloper [2].
Tento článek může posloužit jako letmý pohled na novinku z oblasti Bluetooth komunikace, přičemž jeho rozsah neumožňuje více popsat tak složitý systém na čipu, jakým obvod EM9304 bezesporu je. Podrobnější informace proto hledejte zde [1], [2].
