Conception de dispositifs corporels toujours actifs basse consommation : 3e partie – Optimisation de la connectivité sans fil Bluetooth

Note de l'éditeur : cet article est la 3e partie d'une série de trois sur la conception d'électronique corporelle toujours active alimentée par batterie, portant sur trois domaines d'optimisation de l'alimentation. La 1re partie a décrit la configuration du microcontrôleur pour étendre l'autonomie de la batterie et réduire les recharges. La 2e partie a traité des méthodes appropriées pour préserver la batterie et étendre la durée entre les recharges. Cette 3e partie étudie la mise en réseau sans fil des dispositifs corporels et l'optimisation de la connexion sans fil à basse consommation.

Les dispositifs corporels repoussent les limites des capacités des concepteurs en matière d'optimisation de l'espace et de la basse consommation. Chaque millimètre carré compte et chaque milliampère perdu contribue à réduire la durée de vie de la batterie, entraînant inexorablement une expérience utilisateur médiocre. L'interface sans fil constitue l'un des principaux éléments qui vident la batterie d'un dispositif corporel et de nombreuses solutions émergent pour aider les concepteurs à réduire la décharge de la batterie.

Cet article traite du fonctionnement des connexions sans fil sur un dispositif corporel et de la configuration de l'interface sans fil pour réduire la décharge de la batterie. Il étudie ensuite les puces sans fil de Dialog Semiconductor et explique comment configurer correctement une connexion Bluetooth pour un dispositif corporel.

Communications sans fil dans les dispositifs corporels grand public

Les dispositifs corporels grand public se connectent généralement à un dispositif mobile exécutant une application développée par le fabricant. Bien que les dispositifs corporels puissent fonctionner indépendamment d'un dispositif mobile connecté, le mode de fonctionnement le plus courant consiste en une synchronisation avec un dispositif mobile à un intervalle défini, chaque fois qu'il se trouve dans la portée. Une synchronisation en temps réel n'est pas nécessaire, ce qui représente un facteur critique dans l'optimisation de l'alimentation.

Par exemple, un dispositif de fitness corporel synchronise les données avec l'application, notamment un journal de la fréquence cardiaque, des pas et de la distance parcourue. Même si l'utilisateur fait de l'exercice, il n'est pas nécessaire que ces données soient traitées en temps réel. Un intervalle de mise à jour d'une à cinq secondes peut être acceptable. Par ailleurs, il est souvent possible pour l'utilisateur de le configurer. Le dispositif corporel reçoit également des alertes du dispositif mobile, notamment des appels entrants et des messages texte. Ces alertes sont à la demande et ne se produisent qu'en cas de besoin.

Il existe de nombreuses interfaces sans fil que les concepteurs peuvent utiliser pour établir une connexion à un dispositif corporel, mais pour des raisons d'interopérabilité, rares sont ceux qui peuvent concurrencer la technologie Bluetooth, qui offre une connexion directe entre le dispositif corporel et le dispositif mobile. Le Wi-Fi permet également de connecter le dispositif corporel à Internet lorsque le mobile est hors de portée. Il est ensuite possible de configurer le dispositif corporel pour se connecter à un réseau public ou à tout autre réseau auquel il est autorisé à accéder. Les données peuvent ensuite être échangées de manière bidirectionnelle. Par exemple, les données peuvent être transférées du dispositif corporel via le réseau Wi-Fi vers le cloud de son fabricant, d'où elles peuvent être envoyées via le réseau cellulaire vers le dispositif mobile. En même temps, le dispositif mobile peut mettre à jour le dispositif corporel en fonction des conditions locales pertinentes ainsi que des notifications par e-mail ou par texte.

Le Wi-Fi étant rare dans les dispositifs corporels en raison de l'alimentation et des coûts supplémentaires associés et étant donné que les dispositifs corporels sont presque toujours proches de leur dispositif mobile jumelé, cet article est axé sur Bluetooth.

Bluetooth pour dispositifs corporels

La technologie Bluetooth a été initialement développée pour les connexions pair-à-pair pour la transmission en continu de données à un débit de 1 à 3 Mbit/s. Aujourd'hui, cette spécification Bluetooth d'origine est connue sous le nom de Bluetooth 3.0 ou Bluetooth Classic. Alors que ces premières versions de Bluetooth étaient utiles pour la diffusion en continu de fichiers audio et multimédias, leur conception était trop gourmande en énergie pour les données de capteur et les signaux de contrôle intermittents, basse consommation et à faible débit de données. Bluetooth 4.0 a été développé pour ces applications.

Maintenant largement connu sous le nom Bluetooth Low Energy (LE), Bluetooth 4.0 permet de transférer des données lentement, à 125 kbit/s. De plus, les puces Bluetooth LE passent la majeure partie de leur temps en mode veille, ne consommant qu'un minimum d'énergie jusqu'à leur utilisation. Cela est parfait pour un dispositif corporel basse consommation avec une batterie compacte.

Pour implémenter une radio Bluetooth LE sur un dispositif corporel, un développeur peut utiliser un microcontrôleur avec une radio intégrée ou utiliser une radio externe. La configuration système requise détermine quelle peut être l'option de consommation la plus basse.

Par exemple, si la radio Bluetooth LE est intégrée en tant que périphérique dans le microcontrôleur, cela peut économiser un espace précieux sur la carte à circuit imprimé. Cependant, il est nécessaire que le microcontrôleur soit au moins partiellement alimenté pour permettre au périphérique radio de fonctionner.

Autrement, la radio Bluetooth LE peut être externe au microcontrôleur. Bien que cette option nécessite un espace supplémentaire sur le circuit imprimé, elle présente l'avantage de nécessiter uniquement la puce radio alors que le microcontrôleur peut être en mode basse consommation. Elle présente un autre avantage : une approche modulaire de la conception du dispositif corporel. Cela permet d'échanger le microcontrôleur hôte pour un autre plus puissant dans une nouvelle conception, alors que la puce radio Bluetooth LE reste la même. Cela peut également accélérer le cycle de conception, étant donné qu'il n'est pas nécessaire de coder la radio Bluetooth et la pile dans le microcontrôleur.

Utilisation d'une puce Bluetooth externe

Une puce Bluetooth externe pour un dispositif corporel doit avoir une interface simple vers le microcontrôleur, qui n'augmente pas de manière significative la consommation énergétique et doit également permettre d'activer le microcontrôleur après un état de veille. Le système sur puce Bluetooth DA14585 de Dialog Semiconductor illustré à la Figure 1 est un exemple de dispositif approprié pour les dispositifs corporels.

Le DA14585 est basé sur un cœur Arm® Cortex®-M0 fonctionnant sur 128 Ko de mémoire ROM programmée en usine. Il contient également 64 Ko de mémoire programmable une fois (OTP) pour la personnalisation. Cela permet de développer un micrologiciel d'application Bluetooth personnalisé pour le DA14585. Ce micrologiciel peut également accéder aux périphériques sur puce supplémentaires, notamment :

• Un convertisseur analogique-numérique (CAN) 10 bits à quatre canaux pouvant être utilisé pour la surveillance de la batterie
• Un décodeur en quadrature pouvant être utilisé pour l'interface avec un dispositif d'interface humaine (HID) à trois axes, par exemple un compteur de pas avec direction
• Un périphérique de contrôleur de clavier pouvant être utilisé pour la connexion et la suppression de boutons-poussoirs

Figure 1 : Le DA14585 de Dialog Semiconductor est une solution complète de système sur puce Bluetooth avec une pile Bluetooth 5.0 intégrale, un émetteur-récepteur radio de 2,4 GHz et du matériel supplémentaire pour personnaliser un périphérique Bluetooth. (Source de l'image : Dialog Semiconductor)

Le DA14585 intègre également un émetteur-récepteur de 2,4 GHz, un processeur de bande de base et une pile Bluetooth LE 5.0 qualifiée, afin de réduire le temps dont dispose un développeur pour apprendre les nuances de la conception de semi-conducteurs Bluetooth. Il prend en charge jusqu'à huit connexions Bluetooth LE simultanées, bien qu'un dispositif corporel ne nécessite généralement qu'une seule connexion.

La puce peut se connecter à un microcontrôleur à l'aide d'une interface UART, SPI ou I²C. Tandis que le dispositif inclut un micrologiciel par défaut pour les communications hôte, pour une conception système de dispositif corporel plus efficace, Dialog permet aux développeurs de personnaliser les communications hôte à l'aide de la mémoire OTP intégrée. Les UART prennent en charge des débits de données allant jusqu'à 1 Mbit/s avec un contrôle de flux matériel. Le microcontrôleur hôte doit donc prendre en charge une interface UART compatible.

Le DA14585 est également compact. Il est fourni en boîtier WLCSP à 34 broches mesurant seulement 5 mm x 5 mm, ce qui lui confère une empreinte carte minimale. Il présente un profil de 0,9 mm, le rendant approprié pour les dispositifs corporels ultraminces.

Le noyau et la pile Bluetooth LE sont entièrement conformes à la spécification Bluetooth 5.0 (Figure 2). L'un des avantages d'avoir la pile dans le DA14585 au lieu du microcontrôleur est que lors de la mise à jour de la spécification Bluetooth, Dialog peut simplement mettre à jour la pile dans le DA14585. Le dispositif corporel fonctionnera toujours comme avant, tandis que le développeur peut mettre à jour le micrologiciel de l'application du microcontrôleur hôte pour tirer parti des modifications apportées à la spécification.

Figure 2 : Le DA14585 de Dialog Semiconductor requiert un minimum de composants externes. Il implémente un noyau et une radio Bluetooth 5.0 complets afin que le développeur n'ait pas besoin de connaître les détails de la création d'une solution à semi-conducteurs Bluetooth. (Source de l'image : Dialog Semiconductor)

La radio Bluetooth requiert peu de composants externes. Elle prend en charge toutes les classes de dispositifs Bluetooth et tous les types de paquets. De plus, il est possible d'éteindre la radio pour économiser de l'énergie. Elle est considérée comme un périphérique de bus AHB par le cœur Cortex-M0.

Dialog Semiconductor propose également le DA14586, qui offre les mêmes mémoires ROM et OTP, et le même ensemble de périphériques que le DA14585, mais avec l'ajout de 2 Mbits de mémoire Flash. Bien que la mémoire Flash puisse être programmée plusieurs fois et la mémoire OTP une seule fois, celle-ci consomme beaucoup moins d'énergie que la mémoire Flash. Le DA14585 fonctionne également de 0,9 V à 3,6 V, tandis que le DA14586 requiert de 1,8 V à 3,3 V.

Implémentation d'un dispositif corporel Bluetooth basse consommation

Le noyau Bluetooth du DA14585 dispose de deux modes de fonctionnement : actif et veille profonde. En mode actif, la radio transmet et reçoit les données via la connexion sans fil Bluetooth. Le mode veille profonde désactive le noyau et coupe éventuellement l'alimentation de la radio. Étant donné qu'un dispositif corporel est au mieux un dispositif en temps quasi réel, il est possible de programmer le noyau et la radio pour économiser de l'énergie pour un événement périodique de veille et d'activation.

Par exemple, le noyau Bluetooth peut être programmé pour passer en mode veille profonde pendant un certain temps, puis passer en mode actif, gérer les messages ou les notifications adressés à l'utilisateur ou le concernant (e-mails, mises à jour de la fréquence cardiaque, par exemple), puis revenir en veille profonde. La période de ce cycle dépend du développeur. Plus le noyau reste longtemps en veille profonde, plus la batterie est économisée. Cependant, une veille profonde qui dure trop longtemps peut entraîner le retard des messages Bluetooth. Vous pouvez programmer le noyau en mode actif plus longtemps afin de réduire les temps de latence et de réponse, mais cela consomme plus d'énergie. Le développeur doit expérimenter différentes périodes de veille profonde et de mode actif pour optimiser le temps de réponse par rapport à la consommation afin d'optimiser l'expérience utilisateur.

Le processeur principal Arm Cortex-M0 pour le DA14585 prend en charge quatre modes d'alimentation : actif, veille, veille prolongée et veille profonde. Notez que ces modes d'alimentation ne doivent pas être confondus avec les modes d'alimentation de base Bluetooth : le noyau Bluetooth peut être en mode actif alors que le cœur Arm et les périphériques sont en mode veille prolongée.

• En mode actif, le cœur Arm et les périphériques sont tous alimentés et actifs. C'est le mode dans lequel se trouve le DA14585 lors d'une connexion de données Bluetooth active. En mode actif, avec le DA14585 alimenté avec 3 V, le dispositif consomme 5,3 mA lors de la réception et 4,9 mA lors de la transmission.
• En mode veille, le cœur Arm est inactif, mais son état est conservé. Cela économise de l'énergie lorsque le Bluetooth est actif et que le cœur Arm attend la fin de la transmission pour pouvoir agir sur les données. La consommation de courant en mode veille varie en fonction des périphériques actifs.
• En mode veille prolongée, le cœur Arm est inactif, tout comme les périphériques sélectionnés. Ce mode permet d'économiser de l'énergie lorsque le noyau Bluetooth est dans son propre mode veille profonde et également pendant de longues périodes d'inactivité Bluetooth. Le périphérique Bluetooth et l'interface hôte peuvent être actifs, et l'un ou l'autre peut activer le cœur Arm avec une interruption de l'activité détectée. Ce mode consomme un minimum de puissance. En veille prolongée, le DA14585 consomme 3,3 µA avec 64 Ko de mémoire RAM conservée.
• Le mode à la plus basse consommation pour Arm et les périphériques est le mode veille profonde. Cela éteint tout, y compris la radio Bluetooth. Cela peut être utile si l'utilisateur décide de désactiver le Bluetooth et qu'aucun des périphériques du DA14585 n'est nécessaire. En veille profonde, le DA14585 peut consommer seulement 610 nA ou 1,4 µA s'il faut conserver 16 Ko de mémoire RAM.

En fonctionnement de base, le noyau Bluetooth du dispositif corporel basé sur le DA14585 passe la majeure partie de son temps en mode veille profonde, alors que le cœur Arm est en mode veille ou veille prolongée. Le noyau Bluetooth s'active ensuite périodiquement à un intervalle programmé dans son mode actif pour vérifier les données sans fil, tandis que le cœur Arm reprend son mode actif et communique les données avec le microcontrôleur hôte. Une fois la transmission terminée, le noyau Bluetooth passe en veille profonde, tandis que le cœur Arm passe en mode veille ou veille prolongée. Ceci fournit une connexion active et fiable au dispositif mobile, tout en préservant la consommation.

Démarrer avec le DA14585

Pour commencer à utiliser le DA14585, Dialog a fourni le kit de développement de base Bluetooth DA14585 DA14585-00ATDEVKT-B (Figure 3).

Figure 3 : La carte d'évaluation de base DA14585 de Dialog Semiconductor se connecte à un PC via une interface USB et contient tout ce dont un développeur a besoin pour tester et déboguer les circuits d'attaque du microcontrôleur et le micrologiciel d'application du dispositif. (Source de l'image : Dialog Semiconductor)

Le kit de développement de base DA14585 prend en charge le débogage complet via une interface USB. Il est contrôlé par un microcontrôleur hôte de Microchip Technology qui utilise une mémoire programme Flash externe. Le micrologiciel d'application du microcontrôleur peut être chargé dans la mémoire Flash via l'interface USB. Le développeur peut charger les programmes d'exemple inclus dans le kit et les utiliser comme une interface avec un autre dispositif Bluetooth, par exemple un PC. Ensuite, le micrologiciel personnalisé du développeur peut être chargé et débogué.

Conclusion

Les concepteurs de dispositifs corporels doivent optimiser la consommation énergétique pour une expérience utilisateur optimale, tout en tenant compte des délais et des coûts de développement. Une interface sans fil peut consommer une grande partie du budget énergétique, mais ceci peut être grandement atténué grâce à une sélection et une implémentation rigoureuses de l'interface.

Comme illustré, l'utilisation d'une puce Bluetooth externe avec un microcontrôleur hôte peut accélérer les délais de développement, permettant ainsi aux développeurs de créer un dispositif corporel sans concevoir une interface Bluetooth à partir de zéro. L'utilisation appropriée des modes basse consommation disponibles peut étendre la durée de vie de la batterie du dispositif corporel, tout en garantissant un fonctionnement fiable.