Muovere velocemente i primi passi nella progettazione wireless con la scheda Curiosity di Microchip

Sebbene la connettività wireless sia onnipresente e per i consumatori sia sempre più facile utilizzarla, la realizzazione di progetti wireless è ancora scoraggiante se si ha un'esperienza limitata in ingegneria RF.

I moduli commerciali, che di solito incorporano processori, transceiver, circuiti di sintonizzazione RF, gestione dell'alimentazione e persino una o due antenne, facilitano il lavoro perché in larga misura la progettazione e i test RF sono già stati effettuati. Tuttavia, alcuni prototipi richiedono che, per garantire il successo, si presti attenzione a ulteriori dettagli di progettazione anche quando si utilizza un modulo come WBZ451PE-I di Microchip Technology (Figura 1).

Figura 1: Il modulo WBC451PE-1 rende più accessibile la costruzione di prodotti wireless, ma non elimina le insidie se si procede in modo incauto. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

Entrano in gioco fattori semplici come l'orientamento del modulo sulla scheda, il posizionamento dei piani di massa, la schermatura contro le interferenze elettromagnetiche (EMI), la posizione di altri componenti, l'impedenza delle tracce del circuito stampato e molto altro ancora. Tanto che un prodotto wireless ben progettato con un modulo RF può presentare una portata maggiore, un throughput più elevato e un consumo energetico inferiore rispetto a uno in cui il progettista non ha prestato la stessa attenzione ai dettagli.

Tempo di codifica

Anche il software avrà un ruolo significativo nelle prestazioni complessive del prodotto. Un prodotto wireless richiede in genere sia uno stack di protocollo RF che un software applicativo.

Sebbene sia possibile scrivere il codice per software di protocolli RF come Bluetooth Low Energy (LE), Zigbee o protocolli proprietari a 2,4 GHz, gli stack collaudati e maturi sono in genere forniti dal produttore del transceiver oppure sono disponibili in librerie open-source. Questo è probabilmente il modo di procedere più economicamente vantaggioso e rapido.

Trasmettere pacchetti radio attraverso un collegamento wireless è una cosa; assicurarsi che trasportino un carico utile è un'altra. Il codice dell'applicazione determina, tra gli altri parametri, il tipo, la priorità, il formato e la frequenza di trasmissione dei dati. Il software potrebbe fare qualcosa di relativamente semplice, come inviare informazioni su temperatura, umidità o frequenza cardiaca. Applicazioni più complesse potrebbero richiedere la trasmissione di flussi audio o di frequenze multiple in tempo reale dai sensori di vibrazione della macchina.

Il protocollo RF e il software applicativo possono influire sulle prestazioni del prodotto tanto quanto l'hardware. Ad esempio, un codice applicativo scritto male potrebbe causare un'interruzione costante dello stack di protocollo RF, compromettendo il throughput. Oppure potrebbe incidere negativamente sul ciclo di lavoro della radio. Ad esempio, potrebbe comandare alla radio di trasmettere dati più spesso di quanto non sia necessario, aumentando inutilmente il consumo energetico.

Richiedere assistenza per un progetto wireless

La buona notizia è che, quando ci si imbarca in un progetto wireless, ci sono molti modi per ottenere un aiuto. I produttori sono pronti a fornire assistenza con esempi di progettazione hardware, protocollo e software applicativo.

L'assistenza hardware viene spesso fornita sotto forma di kit di valutazione, che possono essere progetti completi e funzionanti basati sul transceiver o sul modulo wireless finale. I fornitori di chip spesso offrono file Gerber per circuiti integrati e una distinta base che specifica i componenti del kit di valutazione, facilitando l'uso del prodotto come progetto di riferimento hardware. Un aspetto fondamentale della progettazione della scheda di valutazione è il posizionamento dell'antenna. Per garantire una sensibilità ottimale dell'antenna, è necessario che vi siano distanze adeguate dai piani di massa e da altri componenti. Utilizzando il layout del produttore, si può evitare di compromettere le prestazioni dell'antenna.

La scheda EV96B94A WBZ451 Curiosity di Microchip Technology è un esempio di kit di valutazione completo (Figura 2). Questa scheda di valutazione facilita la prototipazione di progetti Bluetooth LE e Zigbee per applicazioni intelligenti di automazione industriale e domotica. Il cuore della scheda Curiosity è il modulo transceiver Bluetooth IWBZ451PE-I. Questo modulo è basato su PIC32CX-BZ2, un microcontroller generico a 32 bit a basso costo in grado di supportare interfacce wireless multiprotocollo come Bluetooth LE (fino alla versione 5.2) e Zigbee (fino alla versione 3.0), gestendo anche un transceiver RF e un'unità di gestione dell'alimentazione (PMU).

Figura 2: Vista dall'alto della scheda EV96B94A Curiosity con il modulo WBZ451PE-I sopra. Osservare le distanze di isolamento in aria incorporate per l'antenna della scheda CS sul modulo per garantire prestazioni ottimali. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

Il modulo WBZ451PE-I incorpora il microcontroller e supporta un'antenna su scheda CS o un connettore u.FL per un'antenna esterna. È dotato di una serie di periferiche standard basate su microcontroller, come un convertitore analogico/digitale (ADC), e di interfacce come interfaccia periferica seriale (SPI), circuito inter-integrato (I2C), quad SPI (QSPI) e ricetrasmettitore asincrono universale (UART).

La scheda Curiosity è dotata anche di un chip di memoria flash QSPI esterno di Microchip, un sensore di temperatura analogico e una basetta ARM Serial Wire Debug (SWD) a dieci pin per un programmatore/debugger esterno.

Preparativi per lo sviluppo di prototipi

Iniziare a lavorare con la scheda Curiosity è relativamente facile. La scheda costituisce l'hardware principale, ma serve anche un cavo USB Type-A maschio a Micro-B per collegarla a un PC e a uno smartphone Android o iOS abilitato a Bluetooth. Il software richiesto per lo sviluppo comprende l'ambiente di sviluppo integrato (IDE) MPLAB, il compilatore MPLAB XC32, il pacchetto di strumenti PKOB4 e una demo pronta per l'uso. La scheda può essere alimentata da un alimentatore esterno da 5 V o da una batteria Li-Po da 4,2 V. Il diagramma a blocchi dell'hardware della scheda Curiosity è illustrato nella Figura 3.

Figura 3: Il diagramma a blocchi dell'hardware della scheda Curiosity mostra come la scheda può essere alimentata da un alimentatore esterno da 5 V o da una batteria Li-Po. La scheda ha anche un sensore di temperatura incorporato e un LED RGB da utilizzare con i programmi di esempio. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

La scheda comprende un programmatore e un debugger integrati (parte del kit di strumenti PKOB4). Il dispositivo supporta la programmazione e il debug del modulo WBZ451PE-I da un PC host tramite il connettore USB Micro-B. Per impostazione predefinita, il debugger su scheda è collegato ai pin di programmazione (SWDIO e SWDCLK) del modulo WBZ451PE-1.

La scheda è dotata di un software che dimostra due casi d'uso comuni di Bluetooth LE e Zigbee in una singola applicazione, con entrambi gli stack di interfaccia in grado di funzionare contemporaneamente. Nello specifico, l'applicazione supporta il monitoraggio dei sensori Bluetooth LE, il controllo delle luci Bluetooth LE e il controllo e il monitoraggio dell'illuminazione Zigbee. L'esempio dei sensori riguarda l'implementazione di un sensore di temperatura Bluetooth LE completamente funzionale con dati ricavati dal sensore di temperatura sulla scheda Curiosity. La scheda incorpora anche un LED RGB.

L'esempio del software di controllo delle luci Zigbee include il controllo Bluetooth LE completo per il LED RGB sulla scheda. La messa in servizio di Zigbee tramite Bluetooth LE utilizza il collegamento Bluetooth LE per scambiare i dati della messa in servizio di Zigbee. Entrambe le attività Zigbee e Bluetooth LE vengono eseguite contemporaneamente sotto FreeRTOS. Le "luci" della Figura 4 (rappresentate dai LED RGB sulla scheda) possono essere controllate tramite Bluetooth LE o dalla rete Zigbee. Una volta collegato, l'utente può controllare la luminosità, il colore e lo stato dei LED tramite la connessione Bluetooth LE.

Figura 4: L'esempio di controllo delle luci per la scheda Curiosity dimostra il funzionamento contemporaneo degli stack Zigbee e Bluetooth LE. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

Dopo aver fatto prove con gli esempi, è possibile fare esperimenti con il proprio codice. Ai codificatori inesperti, Microchip offre componenti costitutivi per applicazioni. Questi compatti moduli di formazione si concentrano sulle funzioni Bluetooth LE del modulo WBZ451PE-I. I blocchi costitutivi permettono di acquisire familiarità con il software, MPLAB Code Configurator, e con le interfacce di programmazione delle applicazioni (API) necessarie per implementare le funzioni di interesse.

Conclusione

La progettazione wireless può essere scoraggiante per chi non ha esperienza, ma è resa molto più semplice dalle schede di valutazione e dai moduli RF dei fornitori di chip. Inoltre, i produttori forniscono stack di protocolli RF collaudati e affidabili e semplificano la conoscenza del software applicativo fornendo esempi e componenti costitutivi su cui basare applicazioni più complesse.