Benvenuti in Wireless Menagerie: scelte di bande RF e di protocolli per sviluppatori embedded, Parte 2

Nota del redattore: la Parte 1 di questa serie ha presentato le varie opzioni di connettività wireless disponibili ai progettisti di sistemi integrati, corredata da alcuni esempi pertinenti. La Parte 2 discute le caratteristiche dei moduli wireless in modo più dettagliato e offre informazioni dettagliate su come utilizzarli in modo efficace.

La rapida evoluzione dell'Internet delle cose (IoT) e dell'intelligenza artificiale (AI) aumenta la necessità di connettività di sistema wireless, obbligando gli sviluppatori a scegliere il protocollo giusto e progettare in modo rapido e a costi contenuti. Per aiutare in tal senso, sono disponibili molti moduli wireless, ma i progettisti devono seguire una selezione logica e un processo di integrazione per garantire il successo del loro prodotto.

Questo articolo discute un processo in 4 fasi per la selezione e l'implementazione di un protocollo wireless e di un modulo wireless appropriati per le applicazioni embedded. I passaggi sono:

1. Selezionare un'interfaccia e un protocollo wireless basati su larghezza di banda, campo e requisiti di costo
2. Decidere se il modulo wireless debba includere la capacità di elaborazione per l'applicazione embedded oltre all'implementazione del protocollo wireless
3. Identificare i requisiti I/O per il modulo o il chip wireless
4. Selezionare il modulo o il chip appropriato in base alle decisioni prese nei primi tre passaggi

L'articolo include le descrizioni di sei moduli wireless selezionati come campioni rappresentativi tra i molti disponibili per la progettazione di sistemi embedded connessi in modalità wireless.

Passo 1: Scegliere il protocollo wireless

La Figura 1 illustra molti dei protocolli wireless più comuni in relazione alla rispettiva larghezza di banda e al campo.

Figura 1: Schema concettuale del campo (in metri a chilometri) rispetto alla larghezza di banda (in bit al secondo a megabit al secondo) di diversi protocolli wireless. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Questo semplice schema offre una visione rapida delle opzioni basate semplicemente sui requisiti di campo e larghezza di banda. I protocolli a sinistra – Wi-Fi, Bluetooth e Bluetooth LE (Low Energy) – offrono centinaia di kilobit al secondo (kbit/s) o megabit al secondo (Mbit/s) su campi misurati in decine di metri (m). Questi protocolli sono appropriati soprattutto per le reti all'interno di edifici. I protocolli a destra forniscono dati su distanze di chilometri. Questi protocolli sono appropriati per dispositivi embedded situati in remoto in un ampia area all'aperto o in una città.

I moduli che implementano Wi-Fi, Bluetooth e Bluetooth LE (o una loro combinazione) hanno spesso antenne su scheda. Ad esempio, l'antenna integrata in 3320 di Adafruit, un modulo Wi-Fi/Bluetooth/Bluetooth LE, è illustrata nella Figura 2. È la traccia a zigzag nella parte superiore del circuito stampato.

Le antenne integrate semplificano enormemente la progettazione di sistemi embedded collegati in rete wireless, perché il complesso lavoro di sviluppo dell'antenna è già stato fatto.

Figura 2: Il modulo 3320 Wi-Fi/Bluetooth/Bluetooth LE di Adafruit funziona a velocità fino a 150 megabit al secondo. (Immagine per gentile concessione di Adafruit)

Questo modulo è progettato per il montaggio su un circuito stampato e richiede circuiti aggiuntivi, quindi potrebbe non essere il punto migliore per iniziare la prototipazione. Il modulo è disponibile saldato su un piccolo circuito come kit di sviluppo, ESP32-DEVKITC di Espressif Systems, mostrato nella Figura 3. ESP32-DEVKITC suddivide tutti i pin del modulo su basette da 2,54 mm, incorpora un chip adattatore seriale da USB a TTL, pulsanti di programmazione e reset e un regolatore da 3,3 V su scheda.

Figura 3: Il kit ESP32-DEVKITC di Espressif Systems suddivide tutti i pin del modulo su basette da 2,54 mm, incorpora un chip adattatore seriale da USB a TTL, pulsanti di programmazione e reset e un regolatore da 3,3 V su scheda. (Immagine per gentile concessione di Espressif Systems)

I protocolli wireless a lungo raggio e le antenne su scheda non vanno d'accordo

Le comunicazioni di rete wireless a lunga distanza richiedono antenne esterne, che portano con sé varie complicanze. Ad esempio, SX1276MB1LAS di Semtech Corp. è un transceiver LoRa che incorpora due connettori SMA per il collegamento di antenne ad alta e bassa frequenza (Figura 4).

Figura 4: Il modulo ricetrasmettitore LoRa SX1276MB1LAS di Semtech ha due connettori SMA per antenne RF a banda alta e bassa. (Immagine per gentile concessione di Semtech Corp.)

Le due porte dell'antenna sono necessarie per consentire al modulo di gestire separatamente le bande di frequenza 433 MHz e 915 MHz utilizzate per le comunicazioni LoRa negli Stati Uniti. Il modulo ha un bilancio di collegamento massimo di 168 dB, che offre diversi chilometri di autonomia. Tuttavia, il cablaggio coassiale e i connettori SMA tra il modulo e l'antenna esterna consumeranno gran parte di questo bilancio di collegamento.

Per aiutare all'inizio di un progetto, Semtech offre anche il kit di sviluppo SX1276DVK1JAS basato sul modulo transceiver LoRa SX1276MB1LAS. Il kit comprende due transceiver LoRa, due piattaforme Eiger, due cavi mini USB, due stili per touchscreen e antenne a dipolo per bande di frequenza alta e bassa.

Il modem Digi XBee cellulare LTE Cat 1 XBC-V1-UT-001 di Digi International richiede anche un'antenna esterna e adotta un approccio simile alla connessione dell'antenna, come mostrato nella Figura 5.

Figura 5: Il modem Digi XBee cellulare LTE Cat 1 XBC-V1-UT-001 di Digi International introduce un sistema embedded sulla rete di comunicazioni cellulari Verizon. (Immagine per gentile concessione di Digi International)

Il modem di Digi ha due connettori RF subminiaturizzati U.FL per il collegamento di antenne LTE primarie e secondarie. L'antenna primaria è necessaria. L'antenna secondaria migliora le prestazioni del ricevitore in determinate situazioni ed è consigliata da Digi. Le antenne dovrebbero essere posizionate il più lontano possibile dal modulo modem cellulare (e da altri oggetti metallici). Se sono installate antenne sia primarie sia secondarie, per ottenere i migliori risultati queste devono essere orientate ad angolo retto l'una dall'altra.

Passo 2: È richiesta elaborazione dell'applicazione nel modulo di rete wireless?

Alcuni moduli di rete wireless dispongono di processori integrati. Altri no. Se il sistema embedded in fase di sviluppo dispone già di un processore, potrebbe non essere necessario un altro processore programmabile sul modulo di rete wireless. Se il modulo wireless deve eseguire il codice dell'applicazione del sistema embedded, gli strumenti di programmazione disponibili e le funzionalità di esecuzione del modulo diventano parte del processo decisionale. L'uso dell'intelligenza integrata dei moduli di rete wireless per eseguire l'applicazione embedded fa risparmiare spazio su scheda. Inoltre, può semplificare la progettazione hardware e ridurre i costi in distinta base.

Alcuni moduli discussi sopra implementano un intero ambiente di programmazione. Nel caso del modem cellulare XBee XBC-V1-UT-001 XBee di cui sopra, esiste un ambiente MicroPython su scheda che applica l'intelligenza integrata del modem a semplici applicazioni. Ad esempio, i sensori collegati ai pin I/O digitali e analogici del modulo possono essere letti, elaborati e trasmessi. I comandi dell'attuatore possono essere ricevuti e attivati. Il modulo ha 13 pin I/O digitali e quattro pin di ingresso analogici a 10 bit. MicroPython può anche aiutare a gestire l'alimentazione nei sistemi embedded a batteria basati sul modem.

La programmazione viene eseguita collegando XBC-V1-UT-001 a una scheda di interfaccia Digi XBIB-U-DEV che collega un PC alla scheda di interfaccia con un cavo USB per avviare un programma terminale. Esiste un programma terminale MicroPython nel software per utilità di test e configurazione Digi XCTU. Il modulo XBC-V1-UT-001 viene fornito con 24 kB di RAM e 8 kB di memoria flash per la memorizzazione.

È possibile ottenere maggiori prestazioni dall'intelligenza su scheda in altri moduli di rete wireless. Ad esempio, il modulo Wi-Fi/Bluetooth/Bluetooth LE nel kit di sviluppo ESP32-DEVKITC di Espressif Systems, discusso nel precedente passo 1, incorpora due core di processore RISC Xtensa LX6 a 32 bit, entrambi a 160 MHz. Per convenzione, uno di questi processori è il processore "protocollo" e l'altro è il processore "applicazione". Tuttavia, entrambi possono accedere a tutte le risorse sulla scheda. La potenza di elaborazione è sufficiente per la maggior parte delle applicazioni integrate.

Passo 3: Identificare i requisiti I/O per il modulo o il chip wireless.

Indipendentemente dal fatto che il modulo di rete wireless esegua internamente l'applicazione embedded, dovrà probabilmente connettersi a qualcos'altro nel sistema embedded. Dovrà collegarsi a una CPU host all'interno del sistema embedded oppure direttamente a sensori e attuatori. Forse avrà bisogno di entrambe le connessioni.

Il percorso più semplice è l'approccio plug-and-play che collega un modulo, carica i driver e il gioco è fatto. La scheda Mini PCIe 802.11b/g/n EWM-W151H01E di Advantech Corp. si collega a uno zoccolo Mini PCIe e comunica con una CPU host tramite PCIe (Figura 6).

Figura 6: EWM-W151H01E La scheda Mini PCIe 1T di Advantech implementa gli standard Wi-Fi basati su IEEE 802.11b/g/n. (Immagine per gentile concessione di Advantech Corp.)

Per iniziare lo sviluppo con EWM-W151H01E, caricare i driver Windows (7, 8 o 10) o Linux e il sistema embedded è pronto per connettersi ai sistemi Wi-Fi esistenti a velocità dati fino a 150 Mbit/s. Il fattore di forma Mini PCIe plug-in della scheda, insieme ai driver per Windows e Linux, significa che questo modulo scheda è più adatto ai progetti PC embedded (processore x86).

La discussione sui sistemi Espressif ESP32-DEVKITC menziona gli ingressi analogici e i semplici pin I/O digitali sul modulo che possono essere utilizzati per connettersi a sensori e attuatori. Tuttavia, il modulo ha anche interfacce seriali più complesse che includono tre UART, due porte I²C, tre porte SPI e due porte I²S. Questi possono essere utilizzati per connettersi a una varietà di dispositivi periferici e come interfaccia per una CPU host. Ecco alcuni dettagli su ciascuno:

• Le UART del modulo hanno una velocità di trasferimento massima di 5 Mbit/s
• Le porte I²C supportano le velocità di trasferimento di 100 kbit/s (modalità standard) e 400 kbit/s (modalità veloce)
• Le porte I²S supportano trasferimenti di 40 Mbit/s
• Le porte SPI supportano 50 Mbit/s

Se il modulo di protocollo più adatto non ha le funzionalità I/O richieste, il sistema embedded richiederà l'aggiunta di un chip di espansione I/O che occupa più spazio sulla scheda, fa aumentare il consumo energetico, aumenta la complessità della programmazione e il costo in distinta base. È molto meglio realizzare il tutto con un modulo di rete wireless, se possibile.

Passo 4: Scegliere e implementare

A questo punto del processo, le selezioni dovrebbero essere ristrette a poche o forse solo una. I requisiti di larghezza di banda e intervallo dovrebbero limitare il campo a uno o due protocolli adatti. La necessità di elaborare le applicazioni sulla scheda dal modulo di rete wireless e la quantità di elaborazione su scheda dovrebbe eliminare molte altre scelte. Infine, i requisiti di I/O dovrebbero ridurre ulteriormente le scelte a un numero esiguo. A quel punto la scelta è ovvia oppure rimangono alcune buone scelte, nel qual caso i restanti criteri di selezione potrebbero ridursi alla familiarità o alla facilità di implementazione.

Conclusione

Le esigenze di connettività wireless integrata continuano ad aumentare. A prima vista l'elevato numero di protocolli disponibili può essere fonte di confusione per alcuni progettisti embedded, ma ogni protocollo occupa una nicchia di campo/potenza/trasmissione dati che rende la scelta molto più semplice se vista da tale prospettiva.

Questo articolo ha presentato un processo in quattro fasi per la selezione tra le decine e persino centinaia di moduli di rete wireless disponibili.

1. Selezionare un protocollo wireless basato su larghezza di banda, campo e requisiti di costo.
2. Decidere se il modulo wireless debba includere la capacità di elaborazione per l'applicazione embedded oltre all'implementazione del protocollo wireless.
3. Identificare i requisiti I/O per il modulo o il chip wireless.
4. Selezionare il modulo o il chip appropriato in base alle decisioni prese nei primi tre passaggi.

Qualunque sia l'applicazione, è probabile che esista almeno un protocollo wireless standardizzato e vi siano diversi moduli associati che soddisferanno bene tutti questi requisiti.