Воронцов Георгий

PDF версия

PDF версия

В статье рассматриваются беспроводные микроконтроллеры компаний NXP, Renesas и SiLabs. Учитывая специализацию микроконтроллеров, основное внимание уделено режимам энергопотребления и радиомодулям и кратко упоминаются специализированные периферийные модули этих микроконтроллеров.
Введение


Нельзя не отдать должное журналу «Электронные компоненты» – в нем с завидной регулярностью и довольно оперативно публикуются статьи, посвященные беспроводным микроконтроллерам [1 ,2, 3, 4, 5, 6]. По указанной в библиографии подборке статей за последние четыре года можно составить достаточно полное представление о беспроводных микроконтроллерах (МК), выпущенных за эти годы. В настоящей статье мы продолжим эту традицию и расскажем о беспроводных МК, появившихся в этом, 2020 г.

Как и во всех предыдущих случаях, новые МК не поражают воображение вычислительной мощностью, обилием коммуникационных интерфейсов или какой-либо другой специализированной периферией. Их основной функциональной частью является радиомодуль. Как правило, беспроводные МК предназначены для приложений с батарейным питанием, и их разработчики решают задачу как можно в большей мере снизить энергопотребление МК.

Исходя из этого требования, мы, прежде всего, рассмотрим особенности радиомодулей и модулей управления питанием, и лишь кратко остановимся на специализированной периферии, если таковая имеется. Остальные узлы беспроводных МК хорошо известны пользователям, и мы не станем утомлять читателей ненужными подробностями.


Микроконтроллеры QN9030 и QN9090 компании NXP


Беспроводные МК QN9030 и QN9090 компании NXP базируются на хорошо известном процессорном ядре ARM Cortex-M4 с модулем защиты памяти (MPU). МК поддерживают стандарт Bluetooth Low Energy 5.0. Их структурная схема приведена на рисунке 1. Отличия модификаций МК показаны в таблице. Напряжение питания МК: 1,9–3,6 В; диапазон рабочей температуры: –40…125°C.
Параметр QN9030HN QN9030THN QN9030HN QN9030THN
Объем флэш-памяти, Кбайт 320 320 640 640
Объем SRAM, Кбайт 88 88 152 152
NTAG + +
Корпус HVQFN40 (6×6×0,85 мм)
В МК предусмотрены пять режимов энергопотребления:
  • активный режим;
  • режим сна (Sleep mode);
  • режим глубокого сна (Deep-sleep mode);
  • режим пониженного энергопотребления (Power-down mode);
  • глубокий режим пониженного энергопотребления (Deep power-down mode).
Рис. 1. Структурная схема МК QN9030 и QN9090 компании NXP
В активный режим МК переходит сразу после сброса, вызванного включением питания. В этом режиме все модули МК активны. В режиме сна процессорное ядро не активно – оно пробуждается по прерыванию или событию, а все остальные модули активны. В режиме глубокого сна помимо процессорного ядра в неактивный режим переводятся некоторые модули МК. Максимальная частота тактирования снижается с 28 до 12 МГц; также запрещены все операции DMA. Время пробуждения из этого режима занимает больше циклов, чем при пробуждении из режима сна.

В режиме глубокого сна запрещен доступ к памяти SRAM. Она может находиться в одном из трех режимов: в нормальном состоянии, в состоянии пониженного энергопотребления с сохранением данных и в режиме «выключено». Могут быть отключены следующие модули: флэш-память, АЦП, аналоговый компаратор, датчики температуры и провала напряжения, некоторые осцилляторы. Отдельные периферийные модули могут оставаться активными при условии сохранения тактирования и неиспользовании каналов DMA. После пробуждения процессор начинает выполнять код с того места, где произошел переход в режим глубокого сна.

В режиме пониженного энергопотребления выключается основной цифровой домен, память SRAM выключена или переведена в режим сохранения данных. Активными могут оставаться лишь каналы интерфейсов I2C0, USART0 и SPI0, но частота их тактирования уменьшается до 32 кГц. После пробуждения процессор стартует с загрузочного кода, чтобы определить порядок инициализации МК. В режиме глубокого пониженного энергопотребления выключены практически все модули и энергопотребление минимально. При пробуждении происходит полная перезагрузка МК.

Беспроводной приемопередатчик реализует протокол BTLE 5.0. Приведем некоторые основные параметры модуля:
  • чувствительность приемного устройства при скорости передачи данных 1 Мбит/с: –97 дБм;
  • чувствительность приемного устройства при скорости передачи данных 2 Мбит/с: –93 дБм;
  • ток потребления в режиме приема: 4,3 мА;
  • мощность передатчика (макс.): 11 дБм при диапазоне 46 дБ;
  • ток потребления при выходной мощности сигнала 10 дБм: 20,3 мА;
  • ток потребления при выходной мощности сигнала 3 дБм: 9,4 мА;
  • ток потребления при выходной мощности сигнала 0 дБм: 7,4 мА;
  • шифрование: AES‑128 или AES‑256.

Структурная схема радиомодуля представлена на рисунке 2. Его приемник основан на архитектуре с промежуточной частотой и состоит из малошумящего усилителя (МШУ), смесителя с понижающим преобразованием I/Q, последующим усилением и фильтрацией фильтрами низких частот (ФНЧ) с дальнейшим преобразованием с помощью 10‑бит АЦП производительностью 16 Мвыб/с. Используется автоматическая регулировка усиления. Демодуляция сигнала происходит в цифровом домене. Индикатор уровня принимаемого сигнала RSSI «привязан» к принимаемому кадру и может контролироваться в течение всего времени приема.
Рис. 2. Структурная схема радиомодуля МК QN9030 и QN9090
Передатчик радиомодуля использует двухточечную модуляцию. Применяется частотная и фазовая модуляция передаваемого сигнала. Несмотря на довольно низкое энергопотребление во время приема и передачи сигнала, приложениям с батарейным питанием, где на счету каждый микроватт, требуется как можно больше сократить мощность потребления. С этой целью в МК QN9030 и QN9090 в период ожидания сигнала используется выключение питания части узлов приемопередатчика, и предусмотрены таймеры с низким энергопотреблением для канального уровня. Они отвечают требованиям точности синхронизации стандарта Bluetooth Low Energy.

Предусмотрены также таймеры для пробуждения модуля, но поскольку они не отвечают требованиям стандарта точности синхронизации, их используют лишь в случае, когда соединение Bluetooth неактивно. В этом состоянии можно сохранять все данные калибровки в соответствующих регистрах; при этом немного увеличивается ток потребления, но зато сокращается время перехода в активный режим, и нет необходимости повторять процедуру калибровки.

Радиоконтроллер RFP управляет радиомодулем с помощью встроенного конечного автомата, формирующего последовательность приема и передачи данных. При передаче данных контроллер RFP обеспечивает включение ФАПЧ и выбор несущей частоты, активирует передающий тракт, управляет усилителем мощности. После окончания передачи данных контроллер RFP отключает усилитель мощности и выключает узлы тракта передачи. При приеме данных контроллер активирует приемный тракт, включает питание необходимых узлов, инициирует узел AGC для регулировки усиления при обнаружении пакета и управляет цифровой демодуляцией сигнала. После окончания приема контроллер отключает приемный тракт.

Вкратце остановимся на некоторых модулях, которые помогут инженерам составить более полное представление о данных МК. На наш взгляд, достоин упоминания 10‑канальный ШИМ: все каналы независимы и содержат 16‑бит регистр сравнения. Причем, возможен режим, когда один ведущий канал управляет остальными. Не у каждого МК можно найти модулятор инфракрасного сигнала, тогда как такой модулятор IRB имеется в МК QN9030 и QN9090. Он соответствует протоколам RC5, RC6, RCMM и SIRCS, но не поддерживает протокол IRDA.

Модуль NTAG предназначен для реализации интерфейса NFC. Передача сигнала осуществляется на несущей частоте 13,56 МГц. Скорость передачи данных составляет 100 Кбит/с, максимальное расстояние до метки составляет 100 мм. Модуль содержит 64‑байт энергонезависимую память со сроком хранения данных 20 лет; износостойкость памяти составляет 200 тыс. циклов.

Модуль DMIC поддерживает одно- и двухканальные цифровые микрофоны с импульсно-плотностной модуляцией PDM. Чтобы снизить энергопотребление модуля, в нем используется детектор голосовой активности HWVAD с настраиваемым уровнем обнаружения речи. Модуль DMIC оптимизирован под частоту выборки звукового сигнала 16 кГц. Для каждого канала предусмотрен буфер FIFO на 16 записей.


...


Прочитать в оригинале…