從HVAC和工廠自動化到汽車、醫(yī)療和消費類電子產(chǎn)品,無線連接傳感設(shè)備的開發(fā)人員一直面臨著快速迭代和成本效益的挑戰(zhàn),同時還要應(yīng)對日益增長的法規(guī)、互操作性和性能挑戰(zhàn)。盡管經(jīng)常想從頭開始設(shè)計無線傳感器產(chǎn)品以使其在性能和尺寸方面與眾不同,但使用專門的現(xiàn)成套件則會更快且更具成本效益。這些套件設(shè)計用于快速原型設(shè)計和開發(fā),并且已建立起生態(tài)系統(tǒng)以提供支持和可擴展性。
Texas Instruments的LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag套件就是這樣一種平臺。該套件以小巧、緊湊的外形尺寸將無線微控制器 (CC1352R)、傳感器、多個無線接口、相對較高的性能和較低的功耗結(jié)合在一起,同時具有龐大且久經(jīng)考驗的軟件和工具支持生態(tài)系統(tǒng)。
本文說明了無線傳感器產(chǎn)品設(shè)計和原型開發(fā)的演變特性,并介紹了CC1352R SensorTag套件及其入門使用方法。
為什么要使用無線傳感器原型設(shè)計套件?
無線傳感器設(shè)備為設(shè)計人員帶來了一個棘手的問題。為了盡可能減少維護,這些器件在更換電池之前至少要在現(xiàn)場持續(xù)工作1到10年。它們還需要具備一定的板載處理和分析能力,因為盡可能接近物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 網(wǎng)絡(luò)邊緣來處理和分析數(shù)據(jù)可減少需要交換的數(shù)據(jù)量,這反過來又可降低功耗并更好地利用可用無線帶寬。 無線帶寬存在其自身的問題,因為設(shè)計人員必須從多個無線堆棧中進行選擇,包括以亞千兆赫茲 (GHz) 頻率或2.45GHz運行的藍牙、Thread和Zigbee。就如何使用可用帶寬、功耗和處理資源而言,每種協(xié)議都有其自身的優(yōu)缺點。若要從這些協(xié)議中進行選擇,需要就數(shù)據(jù)速率、覆蓋范圍、預(yù)期節(jié)點數(shù)、網(wǎng)絡(luò)拓撲、延時要求、占空比、功耗、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開銷、互操作性和法規(guī)要求方面對應(yīng)用要求進行仔細分析。 選擇正確的接口進行全新的部署相對容易;但是,在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 應(yīng)用中通常已經(jīng)部署了無線網(wǎng)絡(luò),因此設(shè)計人員需要決定是使用同一接口直接連接到其他節(jié)點,還是使用可能更適合該應(yīng)用的其他接口,然后通過網(wǎng)關(guān)將舊接口連接到新接口。 這些都是設(shè)計人員需要解決的應(yīng)用相關(guān)決策樹;但是當(dāng)涉及到概念原型設(shè)計和開發(fā)時,很少值得從頭開始設(shè)計接口,然后選擇相關(guān)的處理器和傳感器,更不用說在軟件開發(fā)和集成方面的時間和資源投資了。誠然,“自己動手”設(shè)計可以為大眾市場設(shè)計帶來超高產(chǎn)量的好處。但是,在許多情況下,為自己的工廠生產(chǎn)線設(shè)計節(jié)點的工程師只需要幾個節(jié)點,即可從某些電動機、生產(chǎn)線的某個點或溫度計獲取數(shù)據(jù),因此,高產(chǎn)量并不是設(shè)計要求。在這種情況下,現(xiàn)成的套件是理想選擇。 如果可能需要更高的產(chǎn)量,則可以使用已經(jīng)過預(yù)先認證并符合法規(guī)要求的現(xiàn)成RF模塊。由于這些模塊具有豐富的固件和軟件支持,因此可以加快原型設(shè)計的速度,并維持低開發(fā)和部署成本。在這些情況下,設(shè)計人員仍然必須將所需的平臺處理器、傳感器以及每個傳感器和其他模塊的關(guān)聯(lián)軟件元素拼湊在一起。 當(dāng)設(shè)計人員已經(jīng)知道必須使用的無線接口時,這沒有關(guān)系。但是,當(dāng)仍處于跨多種應(yīng)用(具有舊式、通常不可互操作的無線接口)進行多種設(shè)計的考慮階段時,則需要一種更高集成度、更靈活的方法來進行無線傳感器原型設(shè)計和開發(fā)。
SensorTag:全面的無線傳感器原型設(shè)計平臺
更好的方法是找到一個現(xiàn)成的平臺,該平臺將支持無線的感測和處理節(jié)點的核心元件與傳感器、軟件和生態(tài)系統(tǒng)集成在一起,以支持設(shè)計人員,同時仍然允許在更高的軟件開發(fā)堆棧層級進行探索和差異化。Texas Instruments (TI) 的LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag套件就是這樣的平臺(圖1)。
圖1:LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag套件具有設(shè)計人員進行無線傳感器應(yīng)用原型設(shè)計和開發(fā)所需的一切功能。
該套件基于TI的CC1352R多頻段無線微控制器 (MCU),圍繞此MCU添加了環(huán)境和運動傳感器以及軟件,全部都在一個可拆卸外殼中,并且附有一根外部sub-1GHz旋轉(zhuǎn)天線、雙線母對母電纜、用于JTAG連接的10針扁平帶狀電纜以及快速入門指南。該套件未包含但建議一起使用的是TI的LAUNCHXL-CC1352R1 SimpleLink多頻段CC1352R無線MCU LaunchPad開發(fā)套件。此外,盡管SensorTag也可以使用可安裝在板背面的專用電池座通過CR2032鈕扣電池來運行,但建議使用兩節(jié)AAA電池。 SensorTag套件的核心是CC1352R多頻段無線MCU(圖2)。這是TI SimpleLink MCU平臺的組成部分,該平臺旨在為安全、低功耗的網(wǎng)絡(luò)拓撲提供所有構(gòu)件。
圖2:TI的CC1352R多頻段無線微控制器獲得FCC、CE和IC的認證,可在2.4GHz和sub-1 GHz下實現(xiàn)雙頻運行,并構(gòu)成LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag套件的核心。
CC1352R微控制器獲得FCC、CE和加拿大工業(yè)部 (IC) 的認證,可在2.4GHz和sub-1 GHz下實現(xiàn)雙頻運行,并支持低功耗藍牙 (BLE)、Thread、Zigbee、智能對象的IPv6低功耗無線個人局域網(wǎng) (6LoWPAN),以及其他基于IEEE802.15.4g物理層 (PHY) 的專有協(xié)議,包括TI的SimpleLink TI 15.4堆棧(sub-1 GHz和2.4GHz)。通過使用動態(tài)多協(xié)議管理器 (DMM),它能夠同時運行多個協(xié)議。 在SimpleLink遠程模式下,無線電接收器的靈敏度為-121dBm(分貝數(shù)基準(zhǔn)為1 (mW));50kbps下為-110dBm;以及125kbps下藍牙靈敏度為-105dBm(具有LE編碼 PHY)。在sub-GHz頻段下,最大發(fā)射功率為+14dBm,其中消耗24.9毫安 (mA) 電流;在2.4GHz下,最大發(fā)射功率為+5dBm,消耗9.6mA電流。該器件的待機電流引人注目,在全RAM保持的情況下為0.85微安 (μA)。它也支持工業(yè)物聯(lián)網(wǎng),在105?C下的待機電流為11μA。設(shè)計人員可以使用各種待機模式和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 采樣率來優(yōu)化低功耗。例如,可以將ADC設(shè)置為1赫茲 (Hz) 的采樣率,此時系統(tǒng)消耗1μA。 CC1352R的中央處理器基于48兆赫茲 (MHz)Arm Cortex-M4F核心,并配備352KB系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、用于協(xié)議和庫函數(shù)的256KBROM,以及8KB高速緩存SRAM。該器件支持無線 (OTA) 升級,并具有AES 128和AES 256加速器。
低BOM優(yōu)化
RF前端設(shè)計人員面臨的問題之一是濾波、阻抗匹配和其他功能所需的額外分立無源元器件的數(shù)量。這些增加了BOM并使布局復(fù)雜化。為簡化CC1352R的實施,TI與Johanson Technology合作開發(fā)了尺寸為1 x 1.25 x 2毫米 (mm) 的定制集成無源元器件(IPC) 封裝,使元器件數(shù)從23個減少至3個(圖3)。
圖3:為了簡化TI的CC1352R實施,TI與Johanson Technology合作開發(fā)了IPC,將需要的無源元器件數(shù)從23個降至 3 個。
雖然SensorTag套件隨附了四個傳感器,但是如果需要更多或不同的傳感器,則可以使用TI的BoosterPack LaunchPad插件模塊選擇并快速添加它們。SensorTag套件隨附的四個傳感器是:
TI的HDC2080濕度和溫度傳感器
TI的OPT3001環(huán)境光傳感器
TI的DRV5032霍爾效應(yīng)開關(guān)
TI的ADXL362加速計
下圖中顯示了傳感器的布局和連接(圖4)。
圖4:SensorTag套件隨附濕度和溫度、環(huán)境光、加速度和霍爾效應(yīng)傳感器。
連接器與LaunchPad兼容,因此可以輕松連接傳感器、BoosterPack外設(shè)(例如LCD顯示器),甚至定制電路。
LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag套件入門
要開始使用LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag套件,請下載SimpleLink CC13x2和CC26x2軟件開發(fā)套件 (SDK)。此版本僅針對修訂版E的器件進行了驗證,因此對于修訂版C或更早的版本,請使用v2.30.00.xx。下載完成后,請轉(zhuǎn)到SimpleLink Academy,其中提供了分步說明和示例。
為了快速獲取樣本數(shù)據(jù),該套件已通過名為Multi-Sensor的藍牙5(BLE5)項目進行了預(yù)編程,此項目通過BLE連接到裝有iOS和Android版本SimpleLink Starter應(yīng)用的智能手機和平板電腦。通過使用該初始連接,設(shè)計人員可以開始查看傳感器數(shù)據(jù)、切換LED、讀取按鈕狀態(tài),以及使用OTA下載 (OAD) 功能更新固件(圖5)。此時,設(shè)計人員還可以將數(shù)據(jù)從移動設(shè)備推送到云中。
圖5:設(shè)計人員可以通過BLE連接至裝有iOS和Android平臺版本SimpleLink Starter應(yīng)用的智能手機或平板電腦,開始試用LaunchPad SensorTag套件。
除了BLE,LPSTK還提供了另外兩個示例:一個示例使用LPSTK作為Zigbee燈開關(guān);另一個將其用作802.15.4網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點。SDK中提供了所有三個示例項目,如下所示:
多傳感器:
? 《simplelink_cc13x2_26x2_sdkinstall location》examples tosCC1352R1_LAUNCHXLle5stackmulti_sensor
TI DMM 傳感器節(jié)點:
? CC1352R1_LAUNCHXLdmmdmm_154sensor_remote_display_oad_lpstk_app
Zigbee 開關(guān):
? CC1352R1_LAUNCHXLdmmdmm_zed_switch_remote_display_oad_app
作為SimpleLink和Starter應(yīng)用的補充,TI提供了SysConfig,這是一個統(tǒng)一的圖形用戶界面 (GUI) 工具,用于為各種SimpleLink SDK組件啟用、配置和生成初始化代碼,包括BLE、Zigbee、Thread和TI-15.4的TI驅(qū)動程序和堆棧配置(圖6)。
圖6:作為SimpleLink的補充,TI的SysConfig是一組易于使用的圖形實用工具,用于配置引腳、外設(shè)、無線電、子系統(tǒng)和其他組件。
與任何系統(tǒng)設(shè)計一樣,都會需要一定程度的調(diào)試。在此階段,SensorTag設(shè)計搭配LaunchPad開發(fā)套件中的板載XDS110調(diào)試器使用(在本例中為前面提到的LAUNCHXL-CC1352R),因此包括Arm 10針JTAG電纜和雙線UART電纜。連接之后,即可進行完整的調(diào)試、編程和UART通信。按照以下步驟連接電纜:
斷開LaunchPad上的隔離跳線
將Arm 10針JTAG電纜連接到LaunchPad SensorTag上的XDS110 OUT針座
將Arm 10針JTAG電纜的另一端連接到LaunchPad SensorTag上的JTAG針座
將兩針跳線連接到RXD和TXD的頂部引腳(灰色線連接至RXD,白色線連接至TXD)
將兩針跳線的另一端連接到LaunchPad SensorTag上的引腳12/RX和13/TX(灰色線連接至12/RX,白色線連接至13/TX)
將LaunchPad連接到PC或筆記本電腦
完整的設(shè)置應(yīng)類似于圖7所示。
圖7:為了進行調(diào)試,需要使用SensorTag套件中隨附的Arm 10針JTAG電纜和兩針UART電纜,將SensorTag連接到LAUNCHXL-CC1352R LaunchPad開發(fā)套件。
值得注意的是,由于正在運行的映像無法自行更新,因此傳入的OAD映像在接收時需要存儲在一個臨時位置。該臨時位置可以預(yù)留在內(nèi)部閃存中或片外。在任一情況下,映像下載完成后,就會使用永久駐留在SensorTag設(shè)備上的引導(dǎo)映像管理器 (BIM) 來確定新映像是否有效以及是否應(yīng)予以加載和運行(基于映像標(biāo)題)。
BIM特別有用,例如允許設(shè)計人員在OAD之后還原為原開箱即用的映像。為此,在開機或復(fù)位期間按住BTN-1(向左按鈕),然后BIM會恢復(fù)為開箱即用的映像(即Multi-Sensor)。
總結(jié)
雖然在實施無線傳感器節(jié)點時有許多無線接口可供選擇,但是開發(fā)人員不必花時間和資源針對每個接口進行原型設(shè)計,以查看哪種接口最適合給定的應(yīng)用。而是通過使用LPSTK-CC1352R SensorTag套件以及關(guān)聯(lián)的LaunchPad硬件、軟件和生態(tài)系統(tǒng),設(shè)計人員可以快速輕松地混合和匹配接口、使用一個或同時使用多個接口,并可根據(jù)需要添加和交換BoosterPack傳感器。
原文標(biāo)題:多種無線傳感應(yīng)用,一個開發(fā)平臺實現(xiàn)!看看我們是如何做到的
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