Die Einrichtung von energiesparenden Drahtlossystemen mit Bluetooth Smart 4.0

Der Markt für energiesparende, tragbare Drahtlosgeräte wächst explosionsartig, und die Bluetooth Low Energy 4.0 Spezifikation ist der Schlüssel zur Entwicklung solcher Systeme. Dieser Artikel befasst sich damit, wie Module von Herstellern wie Laird Wireless, connectBlue und Bluegiga, die die 4.0-Spezifikation unterstützen, zur Entwicklung energiesparender, am Körper tragbarer medizinischer „Wearable-Geräte“ in Entwicklungsumgebungen wie der von CSR bereitgestellten eingesetzt werden können.

Mit dem zunehmenden Fokus auf Wearable-Anwendungen ermöglicht die energiesparende Konnektivität von Bluetooth LE 4.0 eine große Bandbreite an Geräten, von tragbaren Fitnesssystemen bis zu intelligenten Bällen.

Alltagsgegenstände wie Uhren, Armbänder, Handschuhe und sogar Zahnbürsten werden mit Bluetooth-Drahtlostechnologie modernisiert, sodass sie Daten erfassen und an eine Anwendung auf einem Smartphone oder Tablet zurücksenden können. Sport- und Fitness-Tracker machen bis zu 96 Prozent der Wearable-Geräte aus, die 2013 verkauft wurden; ABI Research rechnet damit, dass 2014 bereits 32 Millionen solcher Geräte verkauft werden.

Die Versorgung eines Geräts durch eine kleine oder wiederaufladbare Batterie ist der Schlüssel für den Sport- und den Wearable-Markt, und die Möglichkeit, einen eingebetteten Link über mehrere Jahre von einer einzigen Batterie aus betreiben zu können, fördert die rasche Akzeptanz von Bluetooth Smart. Dazu sind ein paar grundlegende Überlegungen in puncto Hardware und Software erforderlich.

Das Wichtigste an Bluetooth Smart ist die Möglichkeit, mit einer Anwendung oder einem vorhandenen Smartphone oder Tablet zu arbeiten. Bluetooth LE verwendet zwar die gleichen 2,4-GHz-ISM-Bandfrequenzen wie die Vorgängerversion Bluetooth Classic, bedient sich dabei jedoch eines einfacheren Protokolls zur Frequenzverschiebung mit Gauß-Filter, um den Stromverbrauch zu reduzieren. Darüber hinaus werden 2-MHz-Kanäle und Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)-Modulierung eingesetzt.

Diese Kombination bedeutet, dass LE-Spezifikationen und Classic-Spezifikationen nicht direkt kompatibel sind. Für die Entwickler ist das allerdings kein Problem, da alle Chips und Module, die als Bluetooth-kompatibel zugelassen sind, im einen wie im anderen Modus betrieben werden können: Classic für die älteren Geräte oder Bluetooth Smart mit DSSS-Version. Bei „Bluetooth Smart Ready“ dachte man zunächst an ein Dual-Mode-Gerät, meist ein Laptop oder Smartphone, dessen Hardware mit Bluetooth Classic- und LE-Peripheriebausteinen kompatibel war, während „Bluetooth Smart“ für „Nur-LE-Geräte“ gedacht war.

Bluetooth Smart erzielt seine Energiesparvorteile durch die Nutzung von vierzig der 2-MHz-Kanäle mit einer Verbindungsdatenrate von 1 Mbit/s und einem Anwendungsdurchsatz von 270 kbit/s. Das ist zwar weniger als bei Bluetooth Classic, die Datenrate für Anwendungen wird jedoch durch eine Reduzierung der Latenz von 100 ms auf 6 ms aufgewogen. Die maximale Übertragungsleistung wird auf 10 mW gesenkt, womit die Reichweite auf unter 50 m begrenzt wird. Für Wearable- und Heimanwendungen mit geringer Reichweite sind diese Werte allerdings mehr als ausreichend. Dies erleichtert auch die Implementierung eines BLE4.0-Systems, da man sich weniger Sorgen über das Gesamt-Link-Budget machen muss.

Viel von dieser Komplexität kann von einem Modulhersteller wie Laird Wireless versteckt werden. Das Laird Wireless BL600-Modul bringt einen Transceiver von Nordic Semiconductor samt Antenne und Schnittstellen auf einer Fläche von 19 mm x 12,5 mm unter. Die Module verfügen über sämtliche Hardware und Firmware, die für die Entwicklung von BLE-Anwendungen erforderlich sind, darunter UART, SPI, I²C, ADC und GPIO-Schnittstellen zum Anschluss von Peripheriegeräten und Sensoren. Der Anschluss über diese Schnittstellen ist relativ unkompliziert mit Single-, Dual- oder Multi-Wire-Links.


Abbildung 1: Das BL600 Bluetooth Smart-Modul von Laird Wireless macht es einfach, bestehenden Designs Konnektivität hinzuzufügen.

Die Datenerfassung dieser Verbindungen erfolgt über eine Reihe von Profilen, einschließlich Blutdruck-, Herzfrequenz-, Körpertemperatur-, Näherungs- und Find-me-Funktion. Diese Profile mit der Bezeichnung GATT (Generic Attribute Profiles) bieten eine Client-Server-API (Anwendungsprogrammierstelle) innerhalb des Betriebssystems sowie Dienste und Deskriptoren.

Ein Dienst ist die Sammlung miteinander verwandter Merkmale, die zusammen eine bestimmte Funktion ausüben. Der Körpertemperaturservice „Health Thermometer“ enthält Merkmale für eine Temperaturmessung und ein Zeitintervall zwischen den Messungen. Ein Deskriptor bietet weitere Informationen über ein Merkmal, wie die Angabe der Einheiten (z. B. Grad Celsius) und die maximalen und minimalen Werte, die der Sensor messen kann.

Die Attribute der Dienste, Merkmale und Deskriptoren werden zusammen als Universalindikatoren (UUIDs) bezeichnet. Bluetooth SIG hat eine Reihe von UUIDs (in der Form xxxxxxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB) für Standardattribute reserviert, die im Protokoll statt mit 128 Bit als 16-Bit- oder 32-Bit-Kurzformwerte dargestellt werden, um die Codegröße und Komplexität gering zu halten.

GATT-Operationen

Das GATT-Protokoll bietet eine Reihe von Befehlen für den Client zur Erfassung von Informationen über den Server. Dazu gehören die Ermittlung von UUIDs für alle primären Dienste, das Finden eines Dienstes mit einem bestimmten UUID und anschließend das Finden der sekundären Dienste sowie die Ermittlung sämtlicher Merkmale für einen bestimmten Dienst.

Befehle zur Übertragung von Daten über die Merkmale vom Server zum Client (ein „Read“) und vom Client zum Server (ein „Write“) stehen ebenfalls zur Verfügung. Ein Wert kann entweder durch Angabe des UUIDs eines Merkmals gelesen werden oder durch einen Handle-Wert, der aus den Informationserfassungsbefehlen stammt. Schreiboperationen identifizieren das Merkmal immer mit einem Handle, aber es kann gewählt werden, ob eine Antwort vom Server erforderlich ist oder nicht.

GATT bietet auch Benachrichtigungen und Anzeigen. So kann der Client eine Benachrichtigung für ein bestimmtes Merkmal vom Server anfordern, der dann den Wert an den Client senden kann, sobald er zur Verfügung steht. Ein Temperatursensor-Server kann beispielsweise seinen Client jedes Mal informieren, wenn er eine Messung vornimmt. So muss der Client nicht den Server abfragen, wodurch der Bedarf an einer regelmäßigen Funkverbindung reduziert wird. Eine Anzeige ist ähnlich wie eine Benachrichtigung, nur dass dafür eine Antwort vom Client als Bestätigung erforderlich ist, dass die Meldung empfangen wurde.

Laird fügt eine ereignisgesteuerte Programmiersprache hinzu, die einen Standalone-Betrieb des Moduls ermöglicht; dabei können Sensoren über eine der Schnittstellen angebracht werden, ohne dass ein externer Prozessor erforderlich wäre. Eine einfache smartBASIC-Anwendung schließt den gesamten End-to-End-Prozess ein, vom Lesen, Schreiben und Verarbeiten der Sensordaten bis zum Einsatz von BLE für die Übertragung an ein Bluetooth v4.0-Gerät – Smartphone, Tablet, Gateway oder Computer.

Neben den vorhandenen FCC-, IC-, CE- und MIC-Zulassungen können die Module vollständig als Bluetooth-Endprodukte qualifiziert werden. Damit haben Entwickler die Möglichkeit, entsprechende Module in bestehende Geräte zu integrieren, ohne dass eine weitere Bluetooth-Qualifizierung notwendig wäre. Die Entwicklung wird so erheblich beschleunigt.

Andere Modulhersteller wie Bluegiga und connectBlue verwenden BLE-Siliziumbauteile von Texas Instruments für Module, die v4.0 unterstützen. Das Bluegiga-Modul BLE112 kann direkt von einer gewöhnlichen 3-V-Knopfzelle oder von zwei AAA-Batterien gespeist werden, sodass es auch in kleinste Designs passt, vom Schlüsselanhänger bis zum iPhone-Zubehör. Am wenigsten Energie – nur 500 nA – wird im batterieschonenden Schlafmodus verbraucht; die Aktivierung erfolgt innerhalb weniger Hundert Mikrosekunden. Das connectBlue-Modul beinhaltet einen Temperatursensor und einen Beschleunigungsmesser und kann bis zu 10 Jahre lang mit einer einzigen Knopfzelle betrieben werden.

Das OLP425-Modul von ConnectBlue ist als Controller-Subsystem geeignet und unterstützt energiesparende Bluetooth-Profile, -Dienste und Attribute, die vom Kunden entwickelt wurden. Das Modul basiert auf dem CC2540 System-on-Chip von TI, das sowohl Anwendungs- als auch Bluetooth LE Protokoll-Stacks ausführt. Dazu gehört Objektcode mit dem neuesten BLE-Protokoll-Stack. Dieser unterstützt mehrere Verbindungen, Musterprojekte und Anwendungen, die einen umfassenden Profilsatz mit Quellcode abdecken.

Das connectBlue OLP425-Mustercodepaket enthält Musterprojekte für den Zugriff auf die LEDs, den Temperatursensor und die Beschleunigungsmesser, wobei die eingebettete Software unter Verwendung der IAR Embedded Workbench für den 8051-Kern im Chip entwickelt wurde.

Transceiver

Das CC2540 ist in drei Hauptbereiche aufgeteilt: CPU-bezogene Module, Module für Versorgung, Test und Taktverteilung und funkbezogene Module (Abbildung 2).


Abbildung 2: Blockdiagramm des CC2540 Bluetooth Smart 4.0-Transceivers von TI.

CPU und Speicher

Aus Entwicklerperspektive ist der wichtigste Teil des SoC der 8051-kompatible Einzelzyklus-CPU-Kern. Er verfügt über drei verschiedene Speicherzugriffsbusse (SFR, DATA und CODE/XDATA), eine Debug-Schnittstelle und eine erweiterte Interrupt-Einheit mit 18 Eingängen.

Der Speicher-Arbiter ist das Herz des Systems, er verbindet CPU und DMA-Controller über den SFR-Bus mit den physischen Speichern und allen Peripheriebausteinen. Er hat vier Speicherzugriffspunkte, die jeweils in einen der drei physischen Speicher schreiben können: SRAM, Flash-Speicher und XREG/SFR-Register. Außerdem ist er für die Durchführung der Arbitration und Sequenzierung von gleichzeitigen Speicherzugriffen auf denselben physischen Speicher zuständig.

Der SFR-Bus ist in Abbildung 2 als ein gemeinsamer Bus abgebildet, der alle Hardware-Peripheriebausteine mit dem Speicher-Arbiter verbindet. Der SFR-Bus im Blockdiagramm bietet auch Zugang zu den Funkregistern in der Funkregisterbank, auch wenn diese in Wirklichkeit in den XDATA-Speicherbereich geschrieben werden. Der 8-KByte-SRAM schreibt in den DATA-Speicherbereich und in Teile der XDATA-Speicherbereiche. Dabei handelt es sich um einen Ultra-Low-Power SRAM, der seine Inhalte selbst dann behält, wenn der digitale Teil ausgeschaltet wird (d. h. in den Leistungsmodi 2 und 3). Der 128/256-KByte-Flash-Block bietet einen programmierbaren, nicht flüchtigen integrierten Programmspeicher für das Gerät und schreibt in die CODE- und XDATA-Speicherbereiche.

Peripherie

Das Schreiben in den Flash-Block erfolgt über einen Flash-Controller, der ein seitenweises Löschen und 4-Byte-weises Programmieren erlaubt, und über einen vielseitigen 5-Kanal-DMA-Controller, der im System verfügbar ist. Dieser greift mithilfe des XDATA-Speicherbereichs auf den Speicher zu und hat daher Zugriff auf alle physischen Speicher. Jeder Kanal (Trigger, Priorität, Übertragungsmodus, Adressierungsmodus, Quellen- und Zielpointer und Transfer Count) wird mit DMA-Deskriptoren konfiguriert, die an einem beliebigen Ort im Speicher angeordnet werden können. Viele der Hardware-Peripheriebausteine (AES-Kern, Flash-Controller, USARTs, Zeitgeber, ADC-Schnittstelle und mehr) können mit dem DMA-Controller für einen effizienten Betrieb eingesetzt werden, indem Datenübertragungen zwischen einer einzelnen SFR- oder XREG-Adresse und Flash/SRAM durchgeführt werden.

Jeder CC2540 enthält eine nur einmal vorkommende 48-Bit IEEE-Adresse, die als öffentliche Geräteadresse für ein Bluetooth-Gerät verwendet werden kann. Entwickler können diese Adresse verwenden oder, wie in der Bluetooth-Spezifikation beschrieben, eine eigene bereitstellen.

Der Interrupt-Controller bedient insgesamt 18 Interrupt-Quellen, aufgeteilt in sechs Interrupt-Gruppen, die jeweils einer von vier Interrupt-Prioritätsstufen zugeordnet sind. E/A- und Schlafzeitgeber-Interrupt-Anfragen werden auch dann erfüllt, wenn sich das Gerät im Schlafmodus befindet (Leistungsmodi 1 und 2), indem das CC2540 in den aktiven Modus zurückversetzt wird.

Die Debug-Schnittstelle implementiert eine eigene serielle zweidrahtige Schnittstelle, die für In-Circuit-Debugging verwendet wird. Über diese Debug-Schnittstelle kann der gesamte Flash-Speicher gelöscht oder programmiert werden. Es kann gesteuert werden, welche Oszillatoren aktiviert sind, und die Ausführung des Benutzerprogramms kann gestoppt und gestartet werden. Anweisungen an den 8051-Kern können ausgeführt und Code-Breakpoints festgelegt werden. Ferner können Anweisungen im Code Schritt für Schritt durchgegangen werden. Mithilfe dieser Techniken ist es möglich, In-Circuit-Debugging und die externe Flash-Programmierung auf elegante Weise durchzuführen.

Der E/A-Controller ist für alle Universal-E/A-Pins zuständig. Die CPU kann konfigurieren, ob Peripheriemodule bestimmte Pins steuern oder ob sie von der Software gesteuert werden, und wenn ja, welcher Pin als Eingang und welcher als Ausgang konfiguriert ist und ob ein Pull-up- oder Pull-down-Widerstand im Pad angeschlossen ist. Jeder Peripheriebaustein, der mit den E/A-Pins verbunden ist, kann zwischen zwei verschiedenen E/A-Pin-Positionen wählen, um bei verschiedenen Anwendungen Flexibilität zu gewährleisten.

Der Schlafzeitgeber ist ein Ultra-Low-Power-Zeitgeber und kann entweder einen externen 32,768-kHz-Quarz-Oszillator oder einen internen 32,753-kHz-RC-Oszillator verwenden. Der Schlafzeitgeber läuft in allen Betriebsmodi außer in Leistungsmodus 3 kontinuierlich. Zu den typischen Anwendungen für diesen Zeitgeber zählt der Einsatz als Echtzeitzähler oder als Wake-up-Timer zum Verlassen des Leistungsmodus 1 oder 2.

Mit einem integrierten Watchdog-Timer kann sich der CC2540 selbst zurücksetzen, wenn die Firmware „hängt“. Wurde der Watchdog-Timer von der Software aktiviert, muss er regelmäßig gelöscht werden, andernfalls erfolgt die Rücksetzung nach Ablauf der Zeitspanne.

Timer 1 ist ein 16-Bit-Zeitgeber mit Zeitgeber-/Zähler-/PWM-Funktion. Er hat einen programmierbaren Vorteiler, einen 16-Bit-Periodenwert und fünf einzeln programmierbare Zähler-/Erfassungskanäle jeweils mit einem 16-Bit-Vergleichswert. Jeder Zähler/Erfassungskanal kann als PWM-Ausgang oder zur Erfassung des Timings der Signalflanken der Eingangssignale verwendet werden. Er kann auch im IR-Erzeugungsmodus konfiguriert werden, wo er Timer-3-Perioden zählt. Der Ausgang ist dabei mit dem Ausgang von Timer 3 durch AND verknüpft, um modulierte IR-Verbrauchersignale mit minimaler CPU-Interaktion zu erzeugen.

Timer 2 ist ein 40-Bit-Zeitgeber, der vom Bluetooth Low Energy Stack verwendet wird. Er verfügt über einen 16-Bit-Zähler mit einer konfigurierbaren Zeitgeberperiode und einen 24-Bit-Overflow-Zähler, mit dem die Anzahl der abgelaufenen Perioden verfolgt werden kann. Ein 40-Bit-Capture-Register wird zur Aufzeichnung der genauen Zeit verwendet, zu der ein Start-of-Frame-Delimiter empfangen/gesendet wird, oder der genauen Zeit, zu der die Übertragung endet. MIthilfe von zwei 16-Bit-Timer-Compare-Registern und zwei 24-Bit-Overflow-Compare-Registern können ein genaues Timing für den Start von RX oder TX an Funk oder allgemeine Interrupts erzielt werden.

Timer 3 und Timer 4 sind 4-Bit-Zeitgeber mit Zeitgeber-/Zähler-/PWM-Funktion. Sie haben einen programmierbaren Vorteiler, einen 8-Bit-Periodenwert und einen programmierbaren Zählerkanal mit einem 8-Bit-Vergleichswert. Jeder der Zählerkanäle kann als PWM-Ausgang verwendet werden.

USART 0 und USART 1 sind entweder als SPI-Master/Slave oder als UART konfigurierbar. Sie bieten Doppelpufferung auf RX und TX sowie Hardware-Durchflusssteuerung und sind von daher gut für Vollduplex-Anwendungen mit hohem Durchsatz geeignet. Jede USART hat ihren eigenen hochpräzisen Baudratengenerator und hält so die gewöhnlichen Zeitgeber frei für andere Verwendungen. Als SPI-Slaves konfiguriert tasten USARTs das Eingangssignal ab und verwenden dazu anstelle eines Oversampling-Schemas direkt SCK. Von daher sind sie gut für hohe Datenraten geeignet.

Für sicherheitsbetontere Anwendungen ermöglicht der AES Encryption/Decryption Core dem Benutzer die Ver- und Entschlüsselung der Daten mithilfe des AES-Algorithmus mit 128-Bit-Schlüsseln. Der AES-Kern unterstützt auch ECB, CBC, CFB, OFB, CTR und CBC-MAC und bietet Hardwareunterstützung für CCM.

Der ADC unterstützt eine Auflösung von 7 bis 12 Bit mit entsprechenden Bandbreiten von 30 kHz bis 4 kHz. DC- und Audio-Umwandlung mit bis zu acht Eingangskanälen (E/A-Controller-Pins) sind möglich. Die Eingänge können wahlweise differenzielle oder Single-Ended-Eingänge sein. Die Referenzspannung kann intern, AV_DD oder ein differenzielles oder Single-Ended-Signal sein. Der ADC verfügt auch über einen Temperatursensor-Eingangskanal. Der ADC kann den Prozess der periodischen Abtastung oder Umwandlung über eine Kanalabfolge automatisieren.

Der Operationsverstärker ist für die Bereitstellung von Frontend-Pufferung und -Verstärkung für den ADC vorgesehen. Beide Eingänge und der Ausgang sind auf Pins erhältlich, sodass das Feedback-Netzwerk voll an Kundenbedürfnisse angepasst werden kann. Für Anwendungen, die eine hohe Genauigkeit und High-Gain-Verstärkung erfordern, ist ein Chopper-stabilisierter Modus verfügbar.

Der analoge Ultra-Low-Power-Komparator ermöglicht die Aktivierung von Anwendungen aus PM2 oder PM3 aufgrund eines Analogsignals. Beide Eingänge werden zu Pins nach außen geleitet; die Referenzspannung muss extern bereitgestellt werden. Der Komparator-Ausgang ist mit dem Interrupt-Detektor des E/A-Controllers verbunden und kann vom MCU als normales E/A-Pin-Interrupt behandelt werden.

Ein weiterer Hersteller von Bluetooth-Transceivern und SoC-Chips, CSR, bietet auch einen kompletten Satz an Tools für die Softwareentwicklung, Platinengestaltung und Produktionstests für seinen uEnergy-Bluetooth-Chip an. Dieser Chip sitzt auf einem Referenzmodul mit USB-Programmierschnittstelle und E/A-Schnittstellen zum Anschluss anwendungsspezifischer Sensoren und Aktuatoren. Die vollständig lizenzierte Softwareentwicklungsumgebung xIDE von CSR enthält Beispielanwendungen für beliebte Bluetooth Smart-Profile und Host-Anwendungen sowohl für iOS- als auch für Android-Smartphones, um das jeweilige Projekt zu vereinfachen. Das Target-Board wird normalerweise von der Host-USB-Verbindung mit Strom versorgt, kann aber auch mithilfe einer auf der Platine angebrachten Knopfzelle im Standalone-Betrieb laufen, um so Strommessungen zu ermöglichen.


Abbildung 3: Das Entwicklungssystem für Bluetooth Smart von CSR.

Die Integration der Module in Designs ist relativ unkompliziert, doch es gilt, einige wesentliche Entscheidungen zu treffen, falls Batterien für die Versorgung dieser Geräte verwendet werden sollen.

Das BLE112 von Bluegiga kann direkt mit einer Knopfzelle verwendet werden. Aufgrund des relativ hohen internen Widerstands einer Knopfzelle wird empfohlen, einen 100-μF-Kondensator parallel zur Batterie zu platzieren. Der interne Widerstand einer Knopfzelle liegt zu Beginn im Bereich von 10 Ohm, erhöht sich aber schnell, wenn die Kapazität aufgebraucht wird.

Je höher der Wert des Kondensators, desto höher ist die effektive Kapazität der Batterie und desto länger die Lebensdauer der Anwendung. Der Mindestwert für den Kondensator hängt dabei von der Endanwendung sowie von der verwendeten maximalen Sendeleistung ab. Der Leckstrom eines 100-μF-Kondensators liegt im Bereich von 0,5 μA bis 3 μA, und im Allgemeinen haben Keramikkondensatoren niedrigere Leckströme als Tantal- oder Aluminium-Elektrolytkondensatoren.


Abbildung 4: Das BLE112 Bluetooth Smart-Modul von Bluegiga. Ein Kondensator parallel zur Batterie kann die Lebensdauer der Batterie verlängern.

Eine weitere Option ist der Einsatz eines DC/DC-Wandlers zur Reduzierung des Stromverbrauchs während TX/RX und in den Datenverarbeitungsstadien. Verschiedene Ultra-Low-Power-DC/DC-Wandler stehen zur Verfügung, und mit Bypass-Modus verringern sie den Stromverbrauch während der Übertragung bei Verwendung einer 3-V-Knopfzelle nominell um ca. 20 %. Der Einsatz einer Ferritperle wird empfohlen, um Störungen in den Versorgungsleitungen zu filtern und somit die Funkleistung zu gewährleisten.

Fazit

Eine ganze Generation neuer tragbarer und vernetzte Heimgeräte wird die Bluetooth Smart Technologie nutzen. Mit der Version 4.0 von Bluetooth Low Energy können bestehende Designs zur Verbindung mit Smartphones und Tablets für vielerlei neue Anwendungen problemlos aktualisiert werden. Vorqualifizierte Module und Entwicklungskits zur Unterstützung stark integrierter Geräte helfen Entwicklern, entsprechende Funktionen schnell und einfach einzuführen.