Grundlagen zum Bluetooth®-Low-Energy-Design : Von Chipsätzen über Protokoll-Stacks zu Modulen

Bluetooth Low Energy bzw. BLE – auch bekannt als Bluetooth Smart – hat sich zu einem Schlüsselelement für vernetzte Wearables, intelligente Haushaltsgeräte und Näherungs-Tags entwickelt. Der Kurzstrecken-Drahtlosstandard soll den Stromverbrauch durch schnellere Verbindungen senken, über die geringere Datenmengen mit geringerer Latenz übertragen werden.

Die Tatsache, dass Bluetooth Smart lediglich etwa ein Zehntel der Leistung von Bluetooth Classic benötigen soll, zeigt den Entwicklungsaufwand, der unternommen wird, um diesen Drahtlosstandard für Anwendungen mit kleinem Formfaktor zu übernehmen (Abbildung 1).

Bluetooth Smart arbeitet mit einer Verbindungsbitrate von 1 Mbit/s und einem Anwendungsdurchsatz von 800 Kbit/s. Der Einbruch bei der Bitrate wird in diesem Fall durch eine Verringerung der Latenz auf 6 ms im Vergleich zu 100 ms bei Bluetooth Classic aufgewogen. Diese Innovationen machen es möglich, dass Bluetooth Smart nicht nur als Mittel der Konnektivität in den üblichen Wearable-Designs wie Smartwatches und Armbändern zum Einsatz kommt, sondern auch in zahlreichen anderen Wearable- und IoT-Anwendungen (IoT: Internet-of-Things, Internet der Dinge).

Abbildung 1: Bluetooth Smart bzw. BLE wurde aus den bestehenden Protokollen zur Verwendung in Wearables und IoT-Geräten entwickelt (mit freundlicher Genehmigung von Aislelabs).

Sensoren in den Wearables für eine Motion-Spieleplattform mit virtueller Realität (VR) beispielsweise verwenden nunmehr Bluetooth Smart, um Daten mit minimaler Latenz an ein drahtloses Headset zu übertragen. Außerdem gibt es Hörhilfen mit BLE-Verbindungen, um über ein Smartphone Klangeinstellungen vorzunehmen, Warnmeldungen zu übermitteln, den Batteriestand zu überprüfen und Programmeinstellungen zu ändern.

Beacons, Fernsensoren und am Körper tragbare biometrische Pässe sind weitere Schwerpunkte für den Einsatz der Bluetooth Smart-Technologie. In diesen Bereichen erleichtert sie zahllose Anwendungen in der mobilen Werbung, im Kartenverkauf, für Türschlösser sowie weitere Sicherheitsanwendungen. In diesem Fall kann ein Bluetooth-Smart-fähiges Gerät – ein Smartphone, Notebook usw. – Standort, Beschleunigung und Entfernung jedes markierten Objekts innerhalb eines Radius von 5 bis 30 Meter überwachen.

Die aktuellste Version – Bluetooth v4.2 – legt jetzt die Basis für die nächste Generation von Wearable- und IoT-Anwendungen, indem sie die Vernetzung von immer mehr Geräten („Dingen“) ermöglicht. Sie erhöht die maximalen Datenraten auf 800 Kbit/s, was dem 2,6-Fachen der vorherigen Version entspricht, und ermöglicht die schnellere Protokollierung von Sensordaten sowie schnellere Firmware-Updates.

Vereinfachung des BLE-Designs

Eine neue Art kompletter BLE-Lösungen – inklusive Silizium, Software-Stacks und Modulen – sorgt in Bezug auf Konnektivität, Sicherheit und Stromverbrauch für wichtige Verbesserungen beim BLE-Design. Beginnen wir jedoch mit dem Thema Sicherheit, da dieser Punkt bereits als eine der großen Herausforderungen für das IoT erkannt wurde.

Bluetooth 4.2 kommt mit einer Vielzahl an Sicherheits-Upgrades und erschwert die Verfolgung von Geräten über Bluetooth-Verbindungen. Zuerst einmal bietet die neue Version Authentifizierungsmechanismen, die denen von Bluetooth Classic entsprechen, und ermöglicht die Kopplung von Geräten nur dann, wenn die Verbindung absolut sicher ist.

Zweitens ermöglicht sie die automatische Kopplung sowie die Dual-Mode-Kommunikation. Diese erleichtert die Kopplung von Geräten im offenen Modus und erfordert mehr Datensicherheit im geschlossenen Modus. Eine weitere wichtige Funktion an der Schnittstelle von Sicherheit und Energieeffizienz verlangt, dass Beacons oder Näherungs-Tags von dem Gerät, mit dem sie kommunizieren möchten, eine entsprechende Berechtigung anfordern.

Durch solche Datenschutz- und Filterfunktionen wachen Bluetooth-Smart-Chipsätze nur dann aus dem Ruhezustand auf, wenn sich ein als vertrauenswürdig eingestuftes Objekt in der Nähe des Benutzers befindet. Des Weiteren benötigen die neuen BLE-Subsysteme nur im Betrieb Strom und sparen Energie, indem sie sich selbst herunterfahren, solange sie nicht benötigt werden.

Abbildung 2: Hochintegrierte Bluetooth-SoCs und -Module ermöglichen Ihnen die schnelle Integration von BLE-Verbindungen in Ihre Wearable- und IoT-Designs. (Bildquelle: Cypress Semiconductor)

Bluetooth-Smart-Chipsätze verfügen jetzt über verschiedene Energiesparmodi (Aktiv, Ruhe, Tiefschlaf, Hibernate und Stop), um den Stromverbrauch unter Kontrolle zu halten. So kann der Bluetooth-Chip beispielsweise erkennen, wann das Gerät in den Tiefschlafmodus versetzt werden soll, in dem die CPU abgeschaltet, die BLE-Verbindung jedoch weiterhin aktiv ist.

Ein Bluetooth-Smart-Chip benötigt im Tiefschlafmodus weniger als 500 nA und behält dabei Daten im Speicher bei. Der Hibernate- und der Stopmodus hingegen unterbrechen zwar die Verbindung, gestatten dem Chip jedoch einen Stromverbrauch im Bereich weniger Nanoampere.

Wie bereits erwähnt stellen die Entwicklungskosten und der Platz auf der Platine zwei weitere große Herausforderungen bei BLE-Designs dar. In diesen Punkten unterstützen Bluetooth-Lösungen mit nur einem Chip sowie hochintegrierte Module, die mit den aktuellsten Bluetooth-Spezifikationen kompatibel sind, die Entwickler bei der Optimierung des Platzes auf der Platine und ermöglichen Kosteneinsparungen sowohl hinsichtlich der Systemkosten als auch einer kürzeren Entwicklungsdauer.

Einzelchip-BLE-Lösungen

Die Verwendung mehrerer Chips widerspricht dem Ansatz von BLE-Designs, sowohl in Bezug auf die zur Verfügung stehende Fläche als auch auf die Energieeffizienz. Sie benötigen stattdessen also extrem stromsparende SoCs (System-on-Chip), die eine innovative Prozessorarchitektur mit einer Funkschaltung für mehrere Protokolle kombinieren, um Kosten, Platzbedarf und Stromverbrauch zu senken.

In diesen SoCs übernimmt der Onboard-Prozessor Steuerungsfunktionen (etwa für die Energiesparmodi), die zu bestimmten Zeiten bestimmte Anforderungen abdecken. Anschließend führen sie – genügend Speicher vorausgesetzt – qualifizierte Bluetooth-Protokollstacks aus, die Sicherheits- sowie diverse andere Profile enthalten. Der IC verfügt außerdem über einen Speicher zur Datenspeicherung und für die Anwendungssoftware des Kunden. Da alles das in den SoCs geschieht, ist kein zweiter Mikrocontroller erforderlich, der zusätzliche Kosten, einen höheren Stromverbrauch und Stromverluste an der Datenschnittstelle verursachen würde.

Des Weiteren ermöglicht die mehrere Protokolle unterstützende Bluetooth-Funkverbindung den Entwicklern die Optimierung von BLE-Verbindungen für geschäftskritische Datenübertragungen bei gleichzeitiger Unterstützung von Anwendungen mit niedriger Latenz wie etwa Audio-Streaming über ein proprietäres 2,4-GHz-Protokoll. Die höhere Signalstärke und der vielschichtige Ansatz bei der Datenübertragung sorgen dafür, dass die Batterie länger hält, während der Übertragungsbereich weiterhin konstant bleibt.

Wenn Sie im Allgemeinen nur wenig Erfahrung im Bluetooth- oder HF-Design haben, dann können Sie mit den hochintegrierten SoCs die üblichen Designherausforderungen meistern und Ihr Design bequem mit BLE-Konnektivität versehen. Außerdem bieten die Bluetooth-SoCs eine verbesserte Empfangsempfindlichkeit, einen höhere Reichweite und vor allem ein voll automatisches Energiemanagementsystem.

Abbildung 3: Das Bluetooth-SoC mit geringem Stromverbrauch von Cypress ist für sensorgestützte Wearable- und IoT-Anwendungen konzipiert.

Ein gutes Beispiel ist der PSoC 4 BLE-Chipsatz von Cypress Semiconductor. Er bietet Analog-Frontends, digitale Logik, eine Bluetooth-Smart-Funkverbindung und einen kapazitiven Sensor mit der Bezeichnung CapSense. Der auf einem ARM®-Cortex®-M0-Prozessor basierende Chipsatz bietet außerdem einen gebührenfreien BLE-Protokoll-Stack, der mit Bluetooth 4.2 kompatibel ist.

Cypress möchte Ihnen den Aufbau eines vollständigen Design-Ökosystems um das PSoC 4 herum durch ein Modul weitestgehend erleichtern Das EZ-BLE PSoC-Modul umfasst den PSoC-4-BLE-Chip, eine Antenne, Kristalle sowie alle passiven Komponenten, die für ein Bluetooth-Plug&Play-System benötigt werden.

Abbildung 4: Die EZ-BLE-Module von Cypress Semiconductor umfassen eine komplette Reihe vollständig integrierter und zertifizierter programmierbarer Module, die das Design vereinfachen und beschleunigen. Kristalle, eine Antenne, eine Abschirmung und die nötigen passiven Komponenten sind ebenfalls vorhanden. Die Module sind mit einer Abmessung von 10 mm x 10 mm x 1,80 mm kleiner als ein US-Penny.

Zusätzlich hat Cypress eine Evaluierungskarte im Angebot, mit der die Entwicklung und die Evaluierung von Anwendungen auf dem EZ-BLE-PSoC-Modul möglich sind. Die Evaluierungskarte erleichtert das Prototyping, indem GPIOs zu Komponenten wie dem CapSense-Sensor, LEDs und Schaltern geroutet werden können. Abgerundet wird das Ganze durch die grafische Benutzeroberfläche PSoC Creator zur schnellen Entwicklung (Abbildung 5).

Abbildung 5: Das Tool PSoC Creator von Cypress erleichtert das schnelle Design, in diesem Fall das eines BLE-Pulsmessers mit einem selbstdefinierten Analog-Frontend (AFE). (Bildquelle: Cypress Semiconductor)

Das Tool stellt in einer grafischen Drag-and-Drop-Benutzeroberfläche vorgefertigte Komponenten zur Verfügung. Sobald das Design fertiggestellt ist, generiert das Tool eine Reihe von Anwendungsprogrammierschnittstellen (APIs) für alle Komponenten im Schaltungsentwurf. Die BLE-Komponente vereinfacht die Stack- und Profilkonfiguration.

Modul: Ein komplettes BLE-Subsystem

Es kommt den Entwicklern sehr entgegen, das die Hersteller von Bluetooth-Smart-SoCs wie Atmel, Cypress und Silicon Labs auch Module anbieten. Auch für die Hersteller ist dies von Vorteil, da sie ständig nach neuen Innovationen um ihre ICs herum forschen und damit Ihnen in Bezug auf Kosten, Platzbedarf und Energieverbrauch einen höheren Mehrwert bieten. Das geht soweit, dass BLE-Module in der Tat der nächste Meilenstein bei der Bereitstellung eines vollständigen Hardware-Subsystems für Wearables und IoT-Produkte sind.

Die Module enthalten sämtliche Hard- und Firmware, die zur Entwicklung von BLE-Anwendungen benötigt wird. Sie kombinieren ein Bluetooth Smart-SoC mit einer Antenne sowie mit Schnittstellen für den Anschluss von Peripheriegeräten und Sensoren. Diese Module verfügen über alle Zulassungen und ermöglichen den Entwicklern das Umgehen komplexer Design- und Zulassungsverfahren für die Antenne.

Dennoch kann die HF-Kommunikation über die Bluetooth-Antenne nach wie vor heikel sein. Das Design der Bluetooth-Antenne ist sehr wichtig, da sie an einer bestimmten Position mit einem bestimmten Ausgabeprofil implementiert werden muss. Befindet sich die Antenne auf der Platine nicht an der richtigen Position, kann dies die Leistung (Sendeleistung und Empfangsempfindlichkeit) und infolgedessen die Batterielebensdauer erheblich beeinträchtigen.

Viele BLE-Module werden inzwischen mit einem integrierten Frontend geliefert, das Keramik-Chipantenne, Tiefpassfilter und ein abgestimmtes Symmetrierglied in sich vereint. Ein Symmetrierglied übernimmt die Antennenabstimmung, indem es die Signale zwischen symmetrischen und asymmetrischen Modi wandelt. Nebenaussendungen und Oberschwingungen werden dadurch erheblich verringert, wodurch wiederum der insgesamt für das Design von Wearables benötigte Platz verringert wird.

So bietet etwa Skyworks Solutions das Frontend-Modul (FEM) SKY66111-11 an, das einen TX/RX- und Antennenschalter, Filter und Verstärker umfasst (Abbildung 6.) Am häufigsten ist dieses FEM zusammen mit Bluetooth-Sendern von Nordic Semiconductor, Dialog Semiconductor, Texas Instruments und anderen anzutreffen. Das Frontend-Modul macht schlechten Verbindungen mit den Bluetooth-Host-ICs ein Ende und senkt den Stromverbrauch auf gerade einmal 10 mA bei +10 dBm.

Abbildung 6: Das SKY66111-11 von Skyworks Solutions ist ein gutes Beispiel für ein HF-Frontend-Modul (FEM), das man einem SoC hinzufügen würde, um seine Reichweite zu erhöhen. Es mag unscheinbar aussehen, doch es ist hochintegriert und erfüllt im HF-Sektor eine entscheidende Funktion, was die Leistung angeht.

Das EZ-BLE-Modul von Cypress misst 10 mm x 10 mm und mit dem FEM von Skyworks kommen trotz 20 Pins lediglich weitere 3,3 mm x 3,3 mm hinzu. Die Betriebsspannung beträgt 1,8 bis 5 V und die Stromaufnahme im Ruhezustand beträgt 1 µA. Sie sollten im Betrieb darauf achten, den Schalter durch eine zu hohe HF-Leistung am Eingang nicht zu überlasten. Verwenden Sie stattdessen anfangs eine Eingangsleistung von -20 dBm und erhöhen Sie diese langsam.

Betrachten wir als nächstes das Bluetooth-Low-Energy-Modul Blue Gecko BGM113 von Silicon Labs. Es vereint einen drahtlosen Blue Gecko 2,4-GHz-Chipsatz mit einer hocheffizienten Chipantenne, um ebenfalls Entwicklungsdauer und -aufwand zu minimieren. Das Modul wird mit einem Bluetooth-4.2-konformen Software-Stack geliefert, wobei die Software jedoch auf Bluetooth 4.2 aktualisiert werden kann. Ergänzend bietet Silicon Labs Entwicklungswerkzeuge wie Energy Profiler und Packet Trace an.

Abbildung 7: Das Blue-Gecko-Modul BGM113 von Silicon Labs ist eine vormontierte und im Vorfeld getestete Plattform inklusive Onboard-Stack, Antenne und Zertifizierungen.

Das BGM113 verfügt über seinen eigenen DC-DC-Wandler und legt mit einem autonomen Hardware-Crypto-Beschleuniger und einem Generator für echte Zufallszahlen (TRNG, True Random Number Generator) besonderen Wert auf Sicherheit.

Fazit

Es steht zweifelsohne fest, dass Bluetooth-Smart-Module und die zugehörigen Frontend-Module ein ausgezeichnetes Mittel zum Erfolg sind, wenn es darum geht, neue Produkte schnell und zuverlässig auf den Markt zu bringen. Entwicklern wie auch Herstellern und Anbietern ist dies ebenfalls bekannt. Daher bieten sie den entsprechenden Support sowie Software-Ökosysteme an, um Innovationen noch stärker zu beschleunigen.  Mit detaillierten Layouts, den passenden Komponenten und der richtigen Software haben Sie die Nase vorne, was kreative Wearables, das vernetzte Heim sowie zahllose weitere IoT-Anwendungen angeht.