Verwenden Sie ein Advanced Bluetooth 5.2 SoC, um sichere IoT-Geräte mit niedrigem Stromverbrauch aufzubauen

Bluetooth-Konnektivität und Niedrigverbrauchsleistung sind kritische Anforderungen bei batteriebetriebenen Designs, die in hochvolumigen Produkten für das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT), Wearables, Connected Home und Gebäudeautomatisierungsanwendungen zum Einsatz kommen. Bei der Entwicklung dieser Designs hatten die Entwickler Mühe, kostengünstige Bluetooth-System-on-Chip (SoC)-Geräte zu finden, die in der Lage sind, hohe Leistungsfunktionen bei knappen Energiebudgets zu liefern. Zu oft waren Entwickler gezwungen, Kompromisse bei einigen Leistungsaspekten einzugehen oder sogar zunehmend kritische Fähigkeiten wie Sicherheit zu opfern, um die Anforderungen an kostengünstige, energiesparende Designlösungen zu erfüllen.

Um das erforderliche Maß an Kompromissen abzuschwächen, hat die Bluetooth 5.2-Spezifikation Stromsparfunktionen wie LE Power Control, periodische Werbesync-Übertragung (PAST) sowie fortschrittliche Low-Power-Mesh-Netzwerk- und Standortverfolgungsfunktionen integriert. Benötigt wird ein einziger integrierter IC, der diese Funktionen unterstützt und der durch entsprechende Entwicklungskits und Software unterstützt wird, die es Entwicklern ermöglichen, schnell und effizient mit den stromsparenden Verbesserungen von Bluetooth 5.2 zu arbeiten.

Dieser Artikel zeigt, wie die Bluetooth Low-Energy 5.2 SoC-Familie EFR32BG22 von Silicon Labs die breiten Anforderungen an Strom und Leistung erfüllen kann, die in batteriebetriebenen Produkten erforderlich sind. Mithilfe der EFR32BG22 SoC-Familie und des zugehörigen Entwicklungsökosystems können Entwickler IoT-Geräte und andere batteriebetriebene Produkte bauen, die mit einer einzelnen CR2032-Knopfzelle über fünf Jahre oder mit einer CR2354-Batterie über 10 Jahre lang betrieben werden können.

Leistungsoptimierung mit erweiterten BLE-Funktionen

Bluetooth-Konnektivität ist zu einem vertrauten Merkmal von Konsumgütern des Massenmarktes geworden, aber es wird erwartet, dass die Verfügbarkeit von fortschrittlicheren Bluetooth Low Energy (BLE)-Funktionen eine Reihe von fortschrittlicheren Produkten für das IoT, Wearables und andere mobile Produkte einführen wird. Bei der Bereitstellung dieser Funktionen sehen sich die Entwickler jedoch mit grundlegenden Erwartungen an eine verlängerte Batterielebensdauer und verbesserte Sicherheit ihrer Produkte konfrontiert.

Die Wahl der Sendeleistungseinstellung, die jedem Bluetooth-Datenaustausch, jeder Mesh-Netzwerk-Transaktion oder jedem Location Service zugrunde liegt, ist entscheidend für das Erreichen eines hohen Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR). Wenn die Einstellung der Senderleistung zu niedrig ist, kann ein reduziertes SNR zu erhöhten Fehlerraten führen. Wenn es zu hoch eingestellt ist, verschwendet das Sendegerät nicht nur Strom, sondern sein Hochleistungssignal kann zu Kommunikationsausfällen führen, indem es Störungen in Mehrknotennetzwerken verstärkt oder nahe gelegene Empfänger sättigt.

Leistungssteuerung: Die Einführung der LE-Leistungssteuerung in Bluetooth 5.2 löst diese Probleme mit einem Protokoll, das es BLE-Geräten ermöglicht, mit ihren Empfängern zu interagieren, um eine optimale Einstellung der Senderleistung zu erreichen. Hier kann ein Empfangsgerät das LE Power Control-Protokoll verwenden, um einen kompatiblen Sender aufzufordern, seinen Sendeleistungspegel zu ändern, um das SNR des Empfängers zu verbessern. In ähnlicher Weise kann ein Sender die LE-Leistungssteuerungsdaten verwenden, um seine Sendeleistung bei Bedarf auf ein Niveau zu senken, das für den Empfänger weiterhin brauchbar ist. Hier kann der Sender die vom Empfänger bereitgestellte Empfangssignalstärkenanzeige (RSSI) verwenden, um seine Sendeleistung unabhängig abzustimmen.

Bei einigen Anwendungen geht es den Entwicklern weniger darum, die Sendeleistung zu optimieren, sondern sicherzustellen, dass ihr Gerät über genügend Sendeleistung verfügt, um einen entfernten Host oder Kommunikationsknotenpunkt zu erreichen. Die Notwendigkeit, eine effektive drahtlose Konnektivität über große Entfernungen zu gewährleisten, stand traditionell im Widerspruch zu Leistung und Sicherheit, insbesondere bei ressourcenbeschränkten Designs im Herzen batteriebetriebener Produkte.

Maschenweite Vernetzung: BLE-Mesh-Netzwerke können dazu beitragen, die Notwendigkeit einer hohen Sendeleistung zu vermeiden, um entfernte Hosts zu erreichen. Hier kommunizieren batteriebetriebene Geräte unter Verwendung von Kommunikationssystemen mit geringerem Stromverbrauch mit nahe gelegenen netzbetriebenen Knotenpunkten. Da ihre Nachrichten von Knoten zu Knoten weitergeleitet werden, kann ein Gerät mit niedrigem Stromverbrauch über eine Entfernung kommunizieren, die selbst bei maximaler Sendeleistung und Empfängerempfindlichkeit des Geräts nicht realisierbar ist. In Anwendungen wie der Haus- oder Gebäudeautomation können Entwickler darüber hinaus die Broadcast-Funktionen von Bluetooth nutzen, um mehrere Geräte dazu zu bringen, auf einen einzigen Befehl zu reagieren, um beispielsweise die Flächenbeleuchtung zu ändern. Durch die Verwendung von Bluetooth Low Energy können diese Mesh-Netzwerkprotokolle dazu beitragen, die widersprüchlichen Anforderungen an einen erweiterten Betriebsbereich und einen Betrieb mit geringem Stromverbrauch zu erfüllen.

Standort-Dienste: Bluetooth-Ortungsdienste verbinden die Herausforderungen für einen effizienten Funkbetrieb mit dem Bedarf an effektiven Signalverarbeitungsmöglichkeiten. Die Verfügbarkeit von Funkpeilungsfunktionen in Bluetooth ermöglicht es Entwicklern, Echtzeit-Ortungssysteme (RTLS) für die Verfolgung von Objekten oder Indoor-Positionierungssysteme (IPS) für die Navigation innerhalb von Gebäuden zu implementieren. Mit der Einführung der Unterstützung für Ankunftswinkel (AoA) und Abfahrtswinkel (AoD) bei der Richtungsbestimmung in Bluetooth 5.1 können RTLS- und IPS-Anwendungen eine Positionsgenauigkeit erreichen, die über das Niveau früherer, auf dem RSSI basierender Methoden hinausgeht.

AoA- und AoD-Methoden bieten im Wesentlichen komplementäre Fähigkeiten. Mehrantennen-Empfänger können AoA-Berechnungen verwenden, um den Standort einer sich bewegenden Anlage zu verfolgen, die ein Peilsignal von einer einzigen Antenne sendet. Umgekehrt können Mehrantennensender einem Gerät wie einem Wearable ermöglichen, seine Position anhand von AoD-Berechnungen zu bestimmen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die AoA-Methode von Bluetooth ermöglicht es einem Empfänger, mit Hilfe eines Antennenarrays die Position eines sendenden Objekts zu bestimmen, während die AoD-Methode es einem Empfangsgerät, z.B. einem Wearable, ermöglicht, seine eigene Position in Bezug auf ein Antennenarray zu finden. (Bildquelle: Bluetooth SIG)

Bei jedem Verfahren verwenden AoA-Empfänger oder AoD-Geräte Quadratursignalverarbeitung, um die Phasenverschiebung zu bestimmen, die mit dem von der Mehrantennenanordnung empfangenen bzw. gesendeten Signal verbunden ist. Im Gegenzug unterscheiden sich die Anforderungen an das Gerät für den Vermögenswert, der mit AoA-Methoden verfolgt wird, oder für das Gerät, das seinen Standort mit AoD-Methoden bestimmt. Die verfolgte Anlage erfordert den geringstmöglichen Stromverbrauch, um eine längere Batterielebensdauer während der Übertragung zu gewährleisten. Im Gegensatz dazu benötigt das Ortungsgerät ausreichend Rechenleistung, um die Phasenverschiebungsberechnungen unter Verwendung der übertragenen gleichphasigen (I) und Quadratur- (Q) Komponenten zu bewältigen, die mit der erforderlichen IQ-Abtastung verbunden sind, die zur Aufrechterhaltung genauer Positionsinformationen bei der Bewegung erforderlich ist.

Zusätzliche Bluetooth-Funktionen ermöglichen es Entwicklern, den Stromverbrauch ohne Verlust der Positionierungsgenauigkeit zu reduzieren. Um AoD in einem Wearable zu implementieren, erlaubt das Bluetooth-Protokoll beispielsweise dem Sender und dem Empfänger, ihre Aktivität zu synchronisieren, so dass beide gleichzeitig aufwachen, um einen Location-Scan abzuschließen. Dieser Ansatz macht es überflüssig, dass Geräte Energie verschwenden, um wahllos Werbepakete zu senden oder abzuhören. Drahtlose Prozessoren können einfach im Low-Power-Modus schlafen, bis sie durch eingebaute Timer zur gewünschten Zeit geweckt werden. Dieser synchronisierte Ansatz mildert auch die Kollisionen und Effizienzverluste, die entstehen würden, wenn eine große Anzahl von Sendern und Empfängern in unmittelbarer Nähe arbeiten würden.

Die periodische Werbesynchronisations-Übertragung (PAST) von Bluetooth bietet ein Mittel zur weiteren Reduzierung des Stromverbrauchs von gekoppelten Geräten wie einem Wearable und einem Smartphone (Abbildung 2).

Abbildung 2: Anstatt Strom zu verbrauchen, um seine eigene synchronisierte Verbindung mit einem Sender aufrechtzuerhalten (links), kann ein Wearable den PAST-Mechanismus von Bluetooth nutzen, um den Stromverbrauch zu reduzieren, indem es sich auf ein gekoppeltes Smartphone verlässt, das die erforderlichen Synchronisationsdaten liefert (rechts). (Bildquelle: Bluetooth SIG)

Bei PAST verlässt sich das tragbare Gerät auf die periodische Werbesynchronisation des Smartphones mit dem Sender. Als Ergebnis vermeidet das leistungsbeschränkte Wearable die Stromkosten, die mit dem Aufwachen und der Durchführung der synchronisierten Werbetransaktion mit dem Sender verbunden sind. Bei Bedarf bei niedrigem Batteriestand kann das tragbare Gerät noch weiter gehen, indem es die Aktualisierungsrate seiner Positionsdaten mit dem Smartphone reduziert und so die Positionsgenauigkeit für eine längere Betriebszeit eintauscht.

Um die fortschrittlichen Funktionen der BLE in vollem Umfang nutzen zu können, benötigen die Entwickler jedoch ein Bluetooth-SoC, das den konkurrierenden Anforderungen nach reduziertem Stromverbrauch und hoher Rechenleistung gerecht wird. Die Bluetooth Low-Energy 5.2 SoC-Familie EFR32BG22 von Silicon Labs wurde speziell zur Unterstützung dieser Anforderungen in batteriebetriebenen Produkten für hohe Stückzahlen entwickelt.

Erfüllung von Leistungs- und Performance-Anforderungen

Die um den Arm® Cortex®-M33-Kern herum aufgebaute Architektur der Silicon Labs EFR32BG22 Bluetooth Low-Energy 5.2 SoC-Familie integriert eine umfassende Reihe von Merkmalen und Fähigkeiten, die bei der Entwicklung von batteriebetriebenen IoT-Geräten, Wearables und anderen mobilen Produkten benötigt werden (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die SoC-Architektur von Silicon Labs EFR32BG22 kombiniert einen Arm Cortex-M33-Kern und einen umfassenden Satz von Peripheriegeräten mit Funktionen zur Optimierung der BLE-Kommunikation, zur Erhöhung der Sicherheit und zur Minimierung des Stromverbrauchs in stromsparenden Designs. (Bildquelle: Silicon Labs)

Zusammen mit dem Arm Cortex-M33-Kern und dem zugehörigen Speicher kombiniert die SoC-Architektur der Basisversion EFR32BG22 einen umfangreichen Satz von seriellen Schnittstellen, GPIO-Kanälen, Uhren und Timern. Der integrierte 12-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC) unterstützt Single-Ended- oder Differential-Eingangsverarbeitung mit bis zu 1 Mega-Sample pro Sekunde (MSPS) mit einer neuartigen Architektur, die Elemente aus Sukzessiv-Approximationsregistern (SAR) und Delta-Sigma-Wandlern kombiniert.

Innerhalb der EFR32BG22-Familie sind verschiedene Familienmitglieder so konzipiert, dass sie spezifische Anforderungen an die Verarbeitung und den Bluetooth-Betrieb erfüllen. Beispielsweise können Entwickler, die Designs mit rechenintensiveren Anforderungen entwickeln, den EFR32BG22C222 SoC wählen, der einen Kern mit höherer Geschwindigkeit, mehr GPIOs und höherer Sendeleistung (TX) bietet. Bei Designs, die für RTLS- oder IPS-Anwendungen erstellt wurden, können Entwickler auf den EFR32BG22C224 SoC mit integrierter Unterstützung für IQ-Sampling und erhöhter Empfängerempfindlichkeit (RX) zurückgreifen.

Die Grundlage jedes Mitglieds der EFR32BG22-Familie bilden ein komplettes Funksubsystem, ein Sicherheitsmodul und eine Energiemanagementeinheit, die eine breite Palette von Diensten bereitstellen, die für eine sichere Bluetooth-Kommunikation mit geringem Stromverbrauch erforderlich sind.

Bluetooth-Funksubsystem mit geringer Leistung

Das Funksubsystem der EFR32BG22-Familie unterstützt Bluetooth Low Energy 5.2 durch separate TX- und RX-Signalpfade, die von einem dedizierten Arm Cortex-M0+-Prozessorkern mit extrem niedrigem Stromverbrauch gesteuert werden. Der Entwurf des Funksubsystems ergänzt die Verarbeitungsfähigkeit dieses Kerns durch dedizierte Blöcke einschließlich eines Frame-Controllers (FRC), eines CRC-Bausteins (CRC = Cyclic Redundancy Check) und eines dedizierten Funkpuffer-Controllers (BUFC = Radio Buffer Controller), der RAM-Puffer verwaltet (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der EFR32BG22 SoC integriert ein komplettes BLE-Funksubsystem, das von einem dedizierten Arm Cortex-M0+ Prozessorkern gesteuert wird. (Bildquelle: Silicon Labs)

Der TX-Pfad basiert auf einer Direktumwandlungs-Senderarchitektur und kombiniert einen On-Chip-Leistungsverstärker (PA) mit Modulator (MOD) und Frequenzsynthesizer. Bei der Durchführung aller erforderlichen Carrier-Sense-Mehrfachzugriffe mit Kollisionsvermeidungs- (CSMA/CA) oder Listen-before-Talk (LBT)-Protokollen verwaltet der Arm Cortex-M0+-Funk-Controller automatisch die erforderliche Rahmenübertragungszeit.

Der RX-Pfad verwendet eine Empfängerarchitektur mit niedriger Zwischenfrequenz (ZF), die einen rauscharmen Verstärker (LNA), eine automatische Verstärkungsregelung (AGC) und einen ZF-ADC integriert, der es dem Gerät ermöglicht, eine digitale Demodulation (DEMOD) mit Dezimierung und Filterung durchzuführen, die so konfiguriert werden kann, dass sie eine Empfängerbandbreite von 0,1 bis 2530 Kilohertz (kHz) unterstützt. Schließlich erzeugt die RX-Signalkette den RSSI-Wert des Empfängers, der für eine Vielzahl von Diensten verwendet wird, u. a. für die Leistungsoptimierung, die Kontrolle der Signalqualität und die Näherungserkennung.

Das parallel zum RX-Signalweg arbeitende RFSENSE-Modul von Silicon Labs überwacht das Eingangssignal und weckt das Gerät auf, wenn es HF-Energie oberhalb eines definierten Schwellenwertes erkennt. Um Fehlalarme beim Betrieb in elektrisch verrauschten Umgebungen zu reduzieren, bietet das RFSENSE-Modul auch einen selektiven Modus, der das Aufwecksignal nur dann erzeugt, wenn er ein Muster in der Energie erkennt und nicht irgendeinen Burst zufälliger HF-Energie. In diesem Fall entspricht das Energiemuster einer On-Off-Keying (OOK)-Präambel in einem übertragenen Paket, so dass die vom RFSENSE-Modul erkannte Energie eher eine tatsächliche Kommunikationstransaktion signalisiert.

Hardware-Unterstützung für den Aufbau sicherer Systeme

Die Sicherung batteriebetriebener angeschlossener Geräte erfordert Lösungen, die im Widerspruch zu den Merkmalen und Fähigkeiten traditioneller Prozessoren standen, die in früheren Entwürfen verwendet wurden. Herkömmliche Prozessoren, die für den Betrieb unter weniger anfälligen Bedingungen gebaut wurden, haben einige der physischen und funktionellen Fähigkeiten vermissen lassen, die für den Schutz der heutigen IoT-Geräte und Wearables erforderlich sind. Die leichte Verfügbarkeit von IoT- und Wearable-Designs beispielsweise macht es Hackern leicht, diese Designs mit Seitenkanalmethoden wie der Differenzleistungsanalyse (DPA) anzugreifen, die geheime Daten und private Schlüssel offenlegen können. Mit diesen Schlüsseln können Hacker eine Vielzahl von Methoden anwenden, um tatsächliche Geräte zu fälschen und Zugang zu sicheren Netzwerken und vermeintlich geschützten Ressourcen zu erhalten. Noch einfacher ist es, dass Hacker bereits routinemäßig in drahtlose Netzwerke eindringen, um schlecht gesicherte angeschlossene Geräte zu erreichen, was den Auftakt zu dieser Art von Angriffen bildet.

Für Konstrukteure haben die Anforderungen an eine minimale Stückliste und eine verlängerte Batterielebensdauer sie oft gezwungen, softwarebasierte Sicherheitsmethoden einzusetzen. Leider bleiben diese Methoden genauso verwundbar wie die Anwendungssoftware und das Betriebssystem selbst. Vielleicht noch schlimmer ist, dass rein in Software implementierte Sicherheitsmechanismen aus der Sicht des Benutzers merkliche Verzögerungen bei der Kommunikation und der wahrgenommenen Reaktionsfähigkeit der Anwendung mit sich bringen. Um die Sicherheit ohne Leistungseinbußen zu erhöhen, sind verbundene Designs auf einen hardwarebasierten Sicherheitsmechanismus angewiesen.

Die EFR32BG22-Familie hilft Entwicklern beim Schutz von Gerätedesigns mit einer Kombination aus hardwarebasierten Sicherheitsmechanismen. Im Zentrum dieser Mechanismen steht ein kryptographischer Beschleuniger, der die Ver- und Entschlüsselung von Daten unter Verwendung einer breiten Palette von Schlüssellängen und -modi des Advanced Encryption Standard (AES) beschleunigt. Für Authentifizierungs- und Signieroperationen unterstützt der Beschleuniger die beliebten ECC-Kurven (ECC = elliptische Kurven) und Hashes.

Auf einer niedrigeren Ebene liefert ein echter Zufallszahlengenerator (TRNG) die nicht-deterministischen Zahlenmuster, die erforderlich sind, um die Gefahren zu mindern, die sich aus der Verwendung von Zufallszahlengeneratoren ergeben, von denen bekannt ist, dass sie Zahlenmuster wiederholen. Ein Mechanismus auf noch niedrigerer Ebene schützt den Beschleuniger vor der Art von DPA-Angriffen über den Seitenkanal, die bereits erwähnt wurden.

Die Implementierung von Systemsicherheit mit diesen Mechanismen ist bei allen angeschlossenen Produkten nur die halbe Miete. In der Tat ist die Eindämmung von Bedrohungen in eingesetzten Systemen ein ständiger Kampf, der durch hochentwickelte batteriebetriebene Konstruktionen noch erschwert wird. Nachdem sie ein ansonsten sicheres Design eingesetzt haben, haben Entwickler ihre Designs in der Vergangenheit Angriffen durch Injektion von Malware-Software oder sogar dem Eindringen über offene Debug-Schnittstellen ausgesetzt. Die EFR32BG22-Familie geht auf diese beiden Probleme ein, indem sie spezielle Funktionen zur Eindämmung der Verbreitung von Malware-Firmware und Debug-Schnittstellen bietet.

Diese SoCs bieten eine Sicherheitsfunktion namens Secure Boot mit Root of Trust und Secure Loader (RTSL), die einen zweistufigen Bootloader verwendet, der sicherstellen soll, dass ein EFR32BG22-basiertes System nur mit authentifizierter Firmware bootet (Abbildung 5).

Abbildung 5: Unterstützt in der SoC-Familie EFR32BG22 von Silicon Labs, bildet Secure Boot mit RTSL eine Vertrauensbasis auf vertrauenswürdiger Firmware, die vom ROM gebootet wird. (Bildquelle: Silicon Labs)

Konzeptionell spricht Secure Boot mit RTSL eine Schwachstelle in älteren einstufigen Bootloader-Systemen an, die es Hackern erlaubte, die vollständige Kontrolle über ein angeschlossenes System zu übernehmen, indem sie es mit kompromittierter Firmware booten. Die Verwendung von signierter Firmware scheint eine Lösung für dieses Problem zu bieten. In der Praxis kann jedoch die Verwendung gefälschter Zertifikate zum Signieren von Firmware oder die Verwendung legitimer Zertifikate, die von schlechten Akteuren in betrügerischer Absicht erlangt wurden, selbst signierte Boot-Methoden einem Angriff aussetzen.

Im Gegensatz dazu bildet ein EFR32BG22-basiertes System eine Vertrauenswurzel, die auf einem Bootloader der ersten Stufe basiert, der vertrauenswürdige Firmware aus dem ROM zieht. Diese vertrauenswürdige Software wiederum verwendet strenge Authentifizierungsmethoden, um den Quellcode und die Integrität des Bootloader-Codes der zweiten Stufe zu verifizieren, der wiederum den Anwendungscode verifiziert und lädt.

Die Fähigkeit, eine Systemlösung auf einer Vertrauenswurzel aufzubauen, ermöglicht es Entwicklern, Produkte mit hohem Vertrauen in die fortlaufende Integrität der Software zu liefern, selbst bei Over-the-Air (OTA)-Firmware-Aktualisierungszyklen. Manchmal benötigen Entwickler jedoch tieferen Zugang zu den Systemen, die auf der Ebene des Debug-Ports des Systems bereitgestellt werden.

Natürlich ist der Einsatz einer Systemlösung mit einem offenen Debug-Port ein Rezept für eine Katastrophe. Die sichere Debug-Funktion der EFR32BG22-Familie bietet eine praktische Lösung für Entwickler komplexer Softwaresysteme, die die Möglichkeit benötigen, Fehler zu verfolgen, ohne die Sicherheit des Gesamtsystems zu gefährden. Beim sicheren Debuggen verwenden Entwickler sichere Authentifizierungsmechanismen, um den Debug-Port freizuschalten und die für die Fehleranalyse erforderliche Transparenz zu erhalten, ohne die Vertraulichkeit der Benutzerdaten im eingesetzten System zu gefährden.

Optimierung des Stromverbrauchs

Die effektivsten Bluetooth-Kommunikations- und Sicherheitsmechanismen lassen ein batteriebetriebenes Gerät dennoch im Nachteil zurück, wenn es nicht in der Lage ist, eine längere Batterielebensdauer zu gewährleisten. Tatsächlich sind Energiemanagement- und Leistungsoptimierungsfunktionen in die Grundlage der EFR32BG22 SoC-Architektur integriert. Diese SoCs nutzen die Vorteile des stromsparenden Arm Cortex-M33-Kerns voll aus und verbrauchen nur 27 Mikroampere pro Megahertz (μA/MHz), während sie bei maximaler Frequenz (76,8 MHz) in ihrem voll aktiven Modus (EM0) mit deaktivierten Peripheriegeräten laufen.

Während der Leerlaufzeiten können Entwickler das SoC in einen von mehreren Niedrigverbrauchsmodi versetzen, darunter Schlafmodus (EM1), Tiefschlafmodus (EM2), Stoppmodus (EM3) und Abschaltmodus (EM4). Wenn das SoC in Modi mit geringerer Leistung übergeht, schaltet die integrierte Energiemanagement-Einheit (EMU) eine zunehmende Anzahl von Funktionsblöcken ab, bis eine minimale Anzahl von Blöcken, die zum Aufwecken des SoC erforderlich sind, weiterhin mit Strom versorgt wird (siehe Abbildung 3). Darüber hinaus senkt die WWU automatisch den Grad der Spannungsskalierung beim Umschalten auf Modi mit niedrigerer Leistung. Infolgedessen sinkt in einem 3,0-V-System, das den internen DC-DC-Wandler verwendet und bei dem alle Peripheriegeräte deaktiviert sind, der Stromverbrauch drastisch auf 17 μA/MHz (76,8 MHz-Betrieb) im Ruhemodus, 1,4 μA im Tiefschlafmodus mit voller RAM-Retention, 1,05 μA im Stoppmodus und 0,17 μA im Abschaltmodus.

Bei früheren Prozessoren standen die Entwickler vor der schwierigen Entscheidung, einen Modus mit niedrigem Stromverbrauch zu wählen, da es lange dauerte, diese Prozessoren aufzuwecken. Eine verlängerte Aufwachzeit zwingt das System nicht nur dazu, während der Aufwachzeit nicht zu reagieren, sondern führt auch zu Energieverschwendung durch "unproduktive" Operationen im Zusammenhang mit dem Aufwachprozess. Oft waren die Entwickler gezwungen, einen Modus mit höherer Leistung als sonst erforderlich zu wählen, um sicherzustellen, dass der Prozessor rechtzeitig aufwachen konnte. Im Gegensatz dazu benötigt ein EFR32BG22-basiertes System, das aus dem RAM läuft, nur 1,42 Mikrosekunden (μs), um aus dem EM1-Schlafmodus aufzuwachen, oder 5,15 μs aus dem EM2-Tiefschlaf- oder EM3-Stoppmodus. Selbst das Aufwachen aus dem Abschaltmodus erfordert nur 8,81 Millisekunden (ms), was oft unter der minimalen Aktualisierungszeit für viele batteriebetriebene Wearables oder IoT-Geräte liegt.

Die Fähigkeit, diese relativ schnellen Aufwachzeiten voll auszunutzen, hängt von der Verfügbarkeit von Mechanismen ab, die in der Lage sind, ein gewisses Aktivitätsniveau aufrechtzuerhalten, selbst wenn sich das SoC in seinem EM3-Stoppleistungsmodus befindet. Neben den zuvor beschriebenen Funktionen wie RFSENSE ermöglichen andere Funktionsblöcke wie die Echtzeituhr (RTC) des SoCs, dass das Gerät im Schlaf die reale Zeit beibehalten kann, und sein Low Energy Timer (LETIMER) ermöglicht es dem Gerät, verschiedene Wellenformen zu erzeugen oder Zähler für andere Peripheriegeräte bereitzustellen. Tatsächlich können On-Chip-Peripheriegeräte dank des Peripheral Reflex System (PRS) des SoC, das Signale zwischen verschiedenen On-Chip-Peripheriegeräten routen und dabei grundlegende logische Operationen ausführen kann, ohne dass die CPU involviert ist, weiterhin funktionieren.

Effiziente Systementwicklung

Um die Implementierung von EFR32BG22-basierten Lösungen zu beschleunigen, steht Entwicklern ein umfassender Satz von Tools und Bibliotheken zur Verfügung, die auf der integrierten Entwicklungsumgebung (IDE) Simplicity Studio von Silicon Labs basieren. Innerhalb seines Bluetooth Low Energy Software Development Kit (SDK) bietet Silicon Labs Unterstützung für erweiterte Funktionen wie Bluetooth Mesh-Netzwerke, AoA- und AoD-Verarbeitung und sichere Over-the-Air-Firmware-Updates. Neben einem vollständigen Satz von Bluetooth-Profilen enthält das SDK Beispielanwendungen und Quellcode für die Implementierung kundenspezifischer Software.

Fazit

Die schnell steigende Nachfrage nach fortschrittlichen BLE-Funktionen in batteriebetriebenen mobilen Produkten setzt Entwickler zunehmend unter Druck, den Konflikt zwischen benötigter Leistung und verfügbarer Energie zu lösen. In der Vergangenheit führten diese widersprüchlichen Anforderungen oft zu Kompromissen in Bezug auf Systemfähigkeit, Größe und Kosten. Mit Hilfe eines fortschrittlichen Bluetooth-SoCs können Entwickler jedoch IoT-Geräte und andere batteriebetriebene Produkte mit hohem Durchsatz bauen, die in der Lage sind, Funktionen der nächsten Generation wie Indoor-Navigation und Mesh-Netzwerke zu unterstützen, während sie jahrelang mit einer einzigen Knopfzellenbatterie betrieben werden.

Weitere Produkte aus der EFR32BG22-Reihe sind

1. Thunderboard Wireless Cloud-Bausatz
2. Drahtloses Starter-Kit
3. Funkbaugruppe SLWRB4182A EFR32BG22 (QFN40)