Беспроводные технологии для разработки встраиваемых систем

Беспроводная связь — важнейшая функция портативных устройств. В процессе реализации проектов по разработке мобильных устройств и электроники для телекоммуникаций мы используем следующие технологии:

  • ZigBee (IEEE 802.15.4)
  • Bluetooth (IEEE 802.15.1)
  • Wi-Fi (IEEE 802.11)
  • IrDA
  • RFID
  • GSM, CDMA

ZigBee (IEEE 802.15.4)

Основная сфера применения стандарта IEEE 802.15.4 (ZigBee) — средства связи между автономными приборами и оборудованием.

Стандарт IEEE 802.15.4 определяет параметры физического уровня (PHY) и протокол управления доступом (MAC), предлагая поддержку различных топологий сетей.

Ключевые функции PHY:

  • Контроль энергопотребления и управление качеством звеньев
  • Оценка каналов для более успешного сосуществования с сетями других беспроводных операторов.

Ключевые функции MAC:

  • Определение автоматического подтверждения получения пакетов
  • Обеспечение возможности передачи данных в определенные временные интервалы
  • Поддержка 128-битных функций безопасности AES

Если в пределах досягаемости ZigBee-устройства окажется оборудование Wi-Fi или Bluetooth, то их каналы могут быть использованы как туннель для трафика ZigBee.

Стандарт IEEE 802.15.4 предусматривает в основном небольшую дальность действия (около 10 метров) и пропускную способность канала до 250 Кбит/с. Передача на этой скорости ведется в диапазоне 2,4 ГГц. Небольшая мощность и скорость передачи данных обусловлены малой потребляемой мощностью связываемых устройств. Доступны также диапазоны 858 МГц (20 Кбит/с) и 902...928 МГц (40 Кбит/с).

Главная особенность стандарта IEEE 802.15.4 (ZigBee) — отсутствие необходимости лицензирования при использовании данных частот.

 

Bluetooth (IEEE 802.15.1)

Стандарт беспроводной связи Bluetooth широко применяется в мобильных портативных устройствах для обмена информацией в радиусе от 10 до 100 метров: в сотовых телефонах, гарнитурах, беспроводных манипуляторах и клавиатурах.

Помимо использования в потребительской электронике Bluetooth применяют во встраиваемых системах промышленного назначения. Например, в системах для локального мониторинга состояния труднодоступных объектов (базовые сотовые станции, электроподстанции). Также технологии Bluetooth развиваются в сфере медиа и развлечений. Например, в системах для передачи рекламного контента в местах массового скопления людей (гипермаркеты, торговые центры, экспо-шоу).

Bluetooth-устройства подразделяются на три класса в зависимости от мощности излучения:

  • Сlass 1 — мощность до 100 мВт, радиус действия до 100 м
  • Сlass 2 — мощность до 2,5 мВт, радиус действия до 10 м
  • Сlass 3 — мощность до 1 мВт, радиус действия до 1 м

Заявленные характеристики дальности и скорости передачи для Bluetooth соответствуют идеальным лабораторным условиям. На практике, с учетом помех окружающей среды и протокольно-транспортных расходов, получаются более скромные значения, что было экспериментально доказано на практике специалистов компании Promwad.

Существует несколько спецификаций Bluetooth: v1.0, v1.1, v1.2, v2.0, v2.1, v3.0, v4.0. Последняя версия спецификации Bluetooth (4.0) была утверждена в 2010 году. Она включает в себя следующие протоколы:

  1. Классический Bluetooth,
  2. Высокоскоростной Bluetooth
  3. Bluetooth с низким энергопотреблением

Основа высокоскоростного Bluetooth — технология Wi-Fi, а основа классического —протоколы предыдущих спецификаций Bluetooth.

Базовые версии стандарта Bluetooth обеспечивали скорость однонаправленной передачи данных до 723 кбит/с и 433 кбит/с для двунаправленной передачи. В Bluetooth 2.0 была реализована поддержка повышенной скорости передачи данных (EDR) до 2 Мбит/с. А в Bluetooth 2.1 была улучшена поддержка энергосберегающих режимов и значительно ускорен процесс установления соединения между устройствами. Спецификация версии 3.0 + HS была утверждена в 2009 году, в ней реализована поддержка скорости передачи данных до 24 Мбит/с, добавлена асимметричная мультипроцессорная обработка (AMP) как альтернатива MAC/PHY и дополнение к 802.11.

 

WiFi (IEEE 802.11)

Технология беспроводных сетей WiFi — наиболее высокоскоростная из широко распространенных беспроводных технологий. Большинство развернутых сетей работают по спецификации IEEE 802.11n, которая позволят передавать данные на скорости до 600 Мбит/с благодаря технологии MIMO (использование нескольких антенн при передаче и приеме данных для формирования нескольких слабо коррелированных между собой пространственных радиоканалов).

Беспроводные сети, построенные по данной технологии, позволяют передавать значительные объемы информации и просматривать видео среднего качества. Но для передачи видео высокого разрешения WiFi (IEEE 802.11) оказывается недостаточно, поэтому в области беспроводных локальных сетей внедряются новые стандарты, такие как IEEE 802.11ac и IEEE 802.11ad.

Стандарт IEEE 802.11ac (скорость до 3,6 Гбит/с) — это развитие технологии WiFi для диапазона 5 ГГц позволяющее передавать видеопоток высокого разрешения, работать с облачными сервисами, проводить видеоконференции по беспроводному каналу. Согласно исследованию, проведенному ABI Research, в 2013 — третья часть, а в 2014 — большинство продаваемых WiFi-микросхем будут поддерживать 802.11ac.

Стандарт IEEE 802.11ad (WiGig) является новым стандартом беспроводных локальных сетей, работающих в диапазоне 60 ГГц, он позволяет передавать данные на скорости до 7 Гбит/с. Кроме передачи аудиовизуальной информации он позволит работать с сетевыми хранилищами.

 

OEM-модули Bluetooth, стек Bluez в ОС Linux

Использование OEM-модулей Bluetooth коммерческого или промышленного температурного диапазона — это быстрая интеграция беспроводной связи Bluetooth при разработке устройства. Так как Bluetooth работает в том же диапазоне частот, что и WiFi (IEEE802.11), многие производители Bluetooth-чипсетов закладывают возможность одновременной работы с WiFi-инфраструктурой (Bluetooth-WiFi coexistance).

Операционная система Linux, которую часто используют при разработке встроенных систем, поддерживает Bluez — открытый Bluetooth-стек, созданный компанией Qualcomm.

На уровне ядра Linux архитектура Bluez состоит из следующих модулей:

  • Базовый Bluetooth (управление подключением устройств, авторизация)
  • Драйвер HCI (host control interface), который обеспечивает подключение Bluetooth-модулей с интерфейсом USB, UART, SDIO, PCMCIA, CFIO
  • Модуль SCO для поддержки передачи через Bluetooth аудио/голоса
  • Модуль поддержки протокола L2CAP (logical link control and adaptation protocol), определяющий базовый протокол передачи данных между Bluetooth-устройствами
  • Модуль поддержки протокола RFCOMM для эмуляции последовательного порта RS-232 поверх Bluetooth
  • Модуль BNEP (Bluetooth network encapsulation protocol) для эмуляции Ethernet поверх Bluetooth
  • Модуль протокола CMTP (CAPI message transport protocol)
  • Модуль протокола HIDP (human interface device protocol) для подключения через Bluetooth устройств класса HID: клавиатуры, джойстики, мыши
 

OEM-модули с поддержкой беспроводных технологий

Часто при разработке электроники сложных встроенных систем приходится использовать OEM-модули сторонних производителей. Это особенно актуально для беспроводных технологий, которые требуется интегрировать в конечную программно-аппаратную платформу.

При выборе готового OEM-модуля большое значение имеет интерфейс его подключения. Вот наиболее распространенные варианты:

  • UART
  • SPI
  • USB
  • SDIO
  • CFIO
  • PCI Express

Один из самых простых и распространенных интерфейсов для подключения модулей —UART. USB-модули популярны из-за широкой распространенности USB-интерфейса как на ПК, так и в различных системах-на-кристалле.

При использовании модулей с интерфейсами CFIO или SDIO требуется большее внимание разработчиков программного и аппаратного обеспечения. Модули SDIO удовлетворяют спецификации SecureDigital, а модули CFIO — спецификации CompactFlash+. Самые распространенные проблемы при интеграции таких OEM-модулей в конечную платформу на базе микроконтроллера или системы-на-кристалле:

  • Errata или аномалии в SDIO-контроллере, интегрированном в СнК
  • Неполное соблюдение спецификаций в части временных диаграмм сигналов

Также модули можно классифицировать по промышленному и мобильному применению. Для модулей промышленного применения важны такие параметры как диапазон рабочих температур, промышленный интерфейс подключения (обычно UART или SPI). Из-за ограничений интерфейса подключения модуль может не полностью использовать всю пропускную способность беспроводного подключения. Для модулей мобильного применения важны такие параметры как энергопотребление, конструктивное исполнение и габариты. Для высокоскоростных технологий используются интерфейсы USB и PCI Express.

Мы располагаем необходимым инженерным опытом для выбора и интеграции беспроводного модуля в конечное устройство в соответствии с маркетинговыми и техническими требованиями заказчика.Специалисты Promwad работали со следующими вендорами полупроводниковых беспроводных решений:

  • Marvell: Libertas 88w8686, 88w8385; TOPDOG 88w8687
  • Realtek: RTL8187, RTL8180
  • Ralink: RT61, RT73, RT2571, RT2870, RT3090
  • Atheros: AR5007UG (бывший zd1211b), ath5k, ath9k
  • Texas Instruments: WL1271, WL1273

Рассмотрим подробнее несколько OEM-модулей на базе технологии WiFi, а также RF-модули (радиочастотные):

OEM-модуль IEEE802.11b/g (WiFi) на базе чипсета Marvell 88W8385 для мобильных применений

  • Интерфейс: CFIO
  • Размер: 20x20 мм

И его применение в плате расширения WiFi-ZigBee-USB  для процессоров Blackfin:

OEM-модуль IEEE802.11b/g (WiFi) на базе чипсета Realtek RTL8187 для мобильных применений

  • Интерфейс: USB
  • Размер: 48x30 мм

OEM-модуль IEEE 802.11 a/b/g/n 2T2R MIMO (WiFi) на базе чипсета Atheros AR9382 для мобильных применений

  • Интерфейс: PCI Express
  • Размер: 26,8 x 29,85 мм (1/2 miniPCIe)
  • Поддерживаемые спецификации: IEEE 802.11b, 802.11g, 802.11d, 802.11e, 802.11i, и 802.11n

OEM-модуль IEEE 802.11aс и IEEE 802.11ad (WiGig) на базе чипсета Atheros AR9462 / Wilocity Wil6120 для мобильных применений

  • Интерфейс: PCI Express
  • Размер: 1/2 miniPCIe
  • Частотные диапазоны: 60 ГГц; 2,4 ГГц и 5 ГГц
 
 

Специализированные малопотребляющие RF-модули

Для передачи небольших потоков данных во встраиваемых системах могут применяться радиомодули (RF — radio frequency) малой мощности безлицензионных диапазонов 433 МГц, 868 МГц и 2,4 ГГц.

Довольно часто при разработке оборудования требуется реализовать дистанционное управление, например, брелок сигнализации или пульт ДУ для мультимедийного устройства. Объем и скорость передаваемых данных, как правило, незначительны, в то же время энергопотребление имеет решающее значение. В устройствах, где не требуется совместимость с беспроводным оборудованием других производителей, нет смысла использовать сложные беспроводные стандарты типа Bluetooth, WiFi или Zigbee. В таком случае рациональный выбор — это радиочастотный модуль.

В состав типичной RF-системы, в зависимости от степени интеграции на кристалле, входит радиочастотный трансивер или передатчик, управляющий микроконтроллер, антенна и кварцевый резонатор. Часто производители чипсетов объединяют трансивер и микроконтроллер в одном кристалле.

После поглощения компанией Texas Instruments компании Chipcon, решения на базе микросхем TI CC1xxx и CC2xxx стали доминировать на рынке маломощных беспроводных решений для безлицензионных диапазонов:

  • CC1000 — радиотрансивер для работы в диапазоне 300-1000МГц
  • СС1010 — интегрированный радиотрансивер с ядром микроконтроллера 8051 для работы в диапазоне 300—1000 МГц. Имеет аппаратное шифрование DES, 3-канальный 10-битный АЦП, 32 кбайта flash-памяти
  • CC1020 — узкополосный радиотрансивер для работы в диапазонах от 402 до 470 МГц и от 804 до 940 МГц
  • СС1050 — узкополосный многоканальный передатчик для работы в частотном диапазоне от 300 до 1000 МГц
  • СС1070 — узкополосный многоканальный передатчик для работы в частотных диапазонах 402—470 и 804—940 MГц
  • СС1101 — многоканальный радиотрансивер с пакетной обработкой данных и дополнительным SPI-интерфейсом для подключения внешнего микроконтроллера, работает в диапазонах 300—348 МГц, 387—464 MГц, 779—928 MГц
  • CC1110 — интегрированный радиотрансивер c ядром микроконтроллера 8051 для работы в диапазонах 300—348 МГц, 391—464 MГц, 782—928 MГц. Имеет до 32 кбайт flash-памяти, 21 GPIO, АЦП, аппаратное шифрование AES-128
  • CC1111 — интегрированный радиотрансивер c ядром микроконтроллера 8051 для работы в диапазонах 300—348МГц, 391—464MГц, 782—928MГц. Имеет до 32 кбайт flash-памяти, 8-канальный АЦП, аппаратное шифрование AES-128, поддержка интерфейсов USB и I2S
  • CC2400 — радиотрансивер для работы в диапазоне 2400—2483 МГц
  • СС2510 — интегрированный радиотрансивер c ядром микроконтроллера 8051 для работы в диапазоне 2400—2483 МГц. Имеет до 32 кбайт flash-памяти, аппаратное шифрование AES-128
  • CC2511 — интегрированный радиотрансивер c ядром микроконтроллера 8051 для работы в диапазоне 2400—2483 МГц. Имеет до 32 кбайт flash-памяти, аппаратное шифрование AES-128, поддержка интерфейса USB
  • СС2550 — многоканальный передатчик для работы в диапазоне 2400—2483 МГц
 

 

Хотите внедрить беспроводные технологии в своем проекте? 
Свяжитесь с нами, мы ответим на ваши вопросы.