Schneller Einstieg in die Entwicklung drahtlos vernetzter Produkte mit dem Curiosity-Board von Microchip

Obwohl drahtlose Verbindungen allgegenwärtig sind und immer einfacher zu nutzen sind, ist die Entwicklung drahtloser Projekte immer noch entmutigend, wenn Entwicklungsteams nur über begrenzte Erfahrung in der HF-Technik verfügen.

Kommerzielle Module, die in der Regel eingebettete Prozessoren, Transceiver, HF-Abstimmschaltungen, Leistungsmanagement und sogar eine oder zwei Antennen enthalten, erleichtern die Arbeit, da ein Großteil des HF-Designs und der Tests bereits erledigt ist. Bei einigen Prototypen müssen jedoch zusätzliche Designdetails beachtet werden, um den Erfolg auch bei Verwendung eines Moduls zu gewährleisten, wie beispielsweise beim WBZ451PE-I von Microchip Technology (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das Modul WBC451PE-1 macht die Entwicklung von drahtlosen Produkten leichter, aber es gibt auch Fallstricke. (Bildquelle: Microchip Technology)

Einfache Dinge wie die Ausrichtung des Moduls auf der Leiterplatte, die Platzierung von Masseflächen, die Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen (EMI), die Position anderer Komponenten, die Leiterbahnimpedanz der Leiterplatte und viele andere Faktoren spielen eine Rolle. So sehr, dass ein gut konzipiertes drahtloses Produkt mit einem HF-Modul eine größere Reichweite, einen höheren Durchsatz und einen geringeren Stromverbrauch aufweisen kann als ein Produkt, bei dem das Entwicklungsteam nicht so viel Wert auf Details gelegt hat.

Zeit für die Programmierung

Auch die Software wird eine wichtige Rolle für die Gesamtleistung des Produkts spielen. Ein drahtloses Produkt erfordert in der Regel sowohl einen HF-Protokollstapel als auch Anwendungssoftware.

Es ist zwar möglich, den Code für HF-Protokollsoftware wie Bluetooth Low Energy (LE), Zigbee oder proprietäre 2,4-GHz-Protokolle zu schreiben, aber bewährte und ausgereifte Stacks werden in der Regel vom Hersteller des Transceivers geliefert oder sind in Open-Source-Bibliotheken verfügbar. Dies ist wahrscheinlich der kostengünstigste und schnellste Weg.

Die Übertragung von Funkpaketen über eine drahtlose Verbindung ist eine Sache; sicherzustellen, dass sie eine nützliche Nutzlast tragen, ist eine ganz andere. Der Anwendungscode bestimmt unter anderem die Art, die Priorität, das Format und die Häufigkeit der Datenübertragung. Die Software kann etwas relativ Einfaches tun, z. B. Temperatur-, Luftfeuchtigkeits- oder Herzfrequenzdaten senden. Komplexere Anwendungen können die Übertragung von Audioströmen oder mehrerer Echtzeit-Frequenzen von Maschinenvibrationssensoren erfordern.

Das HF-Protokoll und die Anwendungssoftware können die Produktleistung ebenso stark beeinflussen wie die Hardware. So kann beispielsweise ein schlecht geschriebener Anwendungscode zu einer ständigen Unterbrechung des HF-Protokollstapels führen und den Durchsatz beeinträchtigen. Oder die Anwendungssoftware könnte sich nachteilig auf die Einschaltdauer der Funkkomponente auswirken. So könnte sie beispielsweise die Funkkomponente anweisen, Daten häufiger als nötig zu übertragen, was den Stromverbrauch unnötig erhöht.

Hilfe für die Entwicklung drahtlos vernetzter Produkte

Die gute Nachricht ist, dass es viele Stellen gibt, an die Sie sich wenden können, wenn Sie ein Projekt zur Entwicklung drahtlos vernetzter Produkte in Angriff nehmen. Die Hersteller sind gerne bereit, mit Beispielen für Hardware-Design, Protokoll und Anwendungssoftware zu helfen.

Hardware-Hilfe wird oft in Form von Evaluierungskits angeboten, bei denen es sich um vollständige funktionierende Designs auf der Grundlage des gewünschten drahtlosen Transceivers oder Moduls handeln kann. Chiphersteller bieten oft Gerber-Dateien für Leiterplatten und eine Stückliste (BOM) an, in der die Komponenten des Evaluierungskits spezifiziert sind, was die Verwendung des Produkts als Hardware-Referenzdesign erleichtert. Die Positionierung der Antenne ist ein wichtiger Bestandteil des Designs der Evaluierungsplatine. Um eine optimale Antennenempfindlichkeit zu gewährleisten, sind ausreichende Abstände zu Masseflächen und anderen Komponenten erforderlich. Wenn Sie das Layout eines Herstellers verwenden, können Sie Kompromisse bei der Antennenleistung vermeiden.

Das Curiosity-Board EV96B94A WBZ451 von Microchip Technology ist ein Beispiel für ein vollständiges Evaluierungskit (Abbildung 2). Das Evaluierungsboard erleichtert die Entwicklung von Bluetooth-LE- und Zigbee-Prototypen für Smart-Home- und industrielle Automatisierungsanwendungen. Das Herzstück des Curiosity-Board ist das Bluetooth-Transceivermodul IWBZ451PE-I. Dieses Modul basiert auf dem PIC32CX-BZ2, einem kostengünstigen 32-Bit-Mikrocontroller für allgemeine Zwecke, der drahtlose Multiprotokoll-Schnittstellen wie Bluetooth LE (bis Version 5.2) und Zigbee (bis Version 3.0) unterstützt und gleichzeitig einen HF-Transceiver und eine Energiemanagementeinheit (PMU) verwaltet.

Abbildung 2: Draufsicht des Curiosity-Board EV96B94A mit dem Modul WBZ451PE-I an der Oberkante. Beachten Sie die Abstände zur Leiterplattenantenne auf dem Modul, um eine optimale Leistung zu gewährleisten. (Bildquelle: Microchip Technology)

Das Modul WBZ451PE-I enthält den Mikrocontroller und unterstützt entweder eine Leiterplattenantenne oder einen u.FL-Anschluss für eine externe Antenne. Das Modul ist mit einer Reihe von Standard-Mikrocontroller-Peripheriekomponenten wie einem Analog/Digital-Wandler (ADC) und Schnittstellen wie SPI (Serial Peripheral Interface), I2C (Inter-Integrated Circuit), QSPI (Quad SPI) und UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) ausgestattet.

Das Curiosity-Board verfügt außerdem über einen externen QSPI-Flash-Speicherchip von Microchip, einen analogen Spannungs-Temperatursensor und einen zehnpoligen Arm-Serial-Wire-Debug(SWD)-Anschluss für einen externen Programmierer/Debugger.

Vorbereitungen für die Entwicklung von Prototypen

Der Einstieg in die Arbeit mit dem Curiosity-Board ist relativ einfach. Das Board bietet die Haupthardware, aber Sie benötigen auch ein USB-Kabel vom Typ A auf Micro-B, um es mit einem PC und einem Bluetooth-fähigen Android- oder iOS-Smartphone zu verbinden. Die für die Entwicklung benötigte Software umfasst das MPLAB Integrated Development Environment (IDE), den MPLAB XC32 Compiler, das PKOB4 Tool Pack und eine sofort einsatzbereite Demo. Sie können die Platine über eine externe 5-Volt-Versorgung oder einen 4,2-Volt-Li-Po-Akku mit Strom versorgen. Ein Hardware-Blockdiagramm des Curiosity-Boards ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Ein Hardware-Blockdiagramm des Curiosity-Boards zeigt, wie das Board mit einer externen 5-Volt-Versorgung oder einem Li-Po-Akku betrieben werden kann. Das Board verfügt außerdem über einen eingebauten Temperatursensor und eine RGB-LED zur Verwendung mit Beispielprogrammen. (Bildquelle: Microchip Technology)

Das Board enthält einen integrierten Programmierer und Debugger (Teil des PKOB4-Toolkits). Es unterstützt die Programmierung und das Debugging des WBZ451PE-I-Moduls vom Host-PC aus über den Micro-B-USB-Anschluss. Standardmäßig ist der On-Board-Debugger mit den Programmierpins (SWDIO und SWDCLK) des WBZ451PE-1-Moduls verbunden.

Das Board ist mit einer Software ausgestattet, die zwei gängige Anwendungsfälle für Bluetooth LE und Zigbee in einer einzigen Anwendung demonstriert, wobei beide Schnittstellenstacks gleichzeitig laufen können. Die Anwendung unterstützt insbesondere die Überwachung von Sensoren über Bluetooth LE, die Beleuchtungssteuerung über Bluetooth LE und die Beleuchtungssteuerung und -überwachung über Zigbee. Das Sensorbeispiel implementiert einen voll funktionsfähigen Bluetooth-LE-Temperatursensor mit Daten, die vom Onboard-Temperatursensor des Curiosity-Boards stammen. Das Board enthält auch eine RGB-LED.

Das Beispiel für die Zigbee-Beleuchtungssteuerungssoftware enthält eine vollständige Bluetooth-LE-Steuerung für die RGB-LEDs auf der Platine. Die Zigbee-Inbetriebnahme über Bluetooth LE nutzt die Bluetooth-LE-Verbindung zum Austausch von Zigbee-Daten zur Inbetriebnahme. Sowohl Zigbee- als auch Bluetooth-LE-Tasks laufen gleichzeitig unter FreeRTOS. Die „Lichter“ in Abbildung 4 (dargestellt durch die RGB-LED auf der Platine) können über Bluetooth LE oder über das Zigbee-Netzwerk gesteuert werden. Sobald die Verbindung hergestellt ist, kann die Helligkeit, die Farbe und der EIN/AUS-Status der LED über die Bluetooth-LE-Verbindung gesteuert werden.

Abbildung 4: Das Beispiel für die Beleuchtungssteuerung auf dem Curiosity-Board demonstriert den gleichzeitigen Betrieb von Zigbee- und Bluetooth-LE-Stacks. (Bildquelle: Microchip Technology)

Nachdem Sie die Beispiele getestet haben, können Sie mit Ihrem eigenen Code experimentieren. Für unerfahrene Programmierer bietet Microchip „Application Building Blocks“ an. Diese kompakten Schulungsmodule konzentrieren sich auf die Bluetooth-LE-Funktionen des Moduls WBZ451PE-I. Indem Sie sich durch die Blocks bewegen, können Sie sich mit der Software, dem MPLAB Code Configurator und den Anwendungsprogrammierschnittstellen (APIs) vertraut machen, die zur Implementierung der gewünschten Funktionen erforderlich sind.

Fazit

Die Entwicklung drahtloser Systeme kann für Unerfahrene entmutigend sein, wird aber durch die Evaluierungsboards und HF-Module der Chip-Hersteller wesentlich erleichtert. Darüber hinaus liefern die Hersteller bewährte und zuverlässige HF-Protokollstacks und erleichtern den Einstieg in die Entwicklung von Anwendungssoftware durch die Bereitstellung von Beispielen und Bausteinen, auf denen komplexere Anwendungen aufbauen können.