Prototypkonstruera och felsök en trådlös avkänningsnod snabbt med en enda plattform

Från HVAC och fabriksautomatisering till fordonsindustrin, medicinsektorn och konsumentelektronik står utvecklarna av trådlöst anslutna avkänningsenheter inför kontinuerliga utmaningar att iterera snabbt och kostnadseffektivt, samtidigt som de måste uppfylla allt mer krävande utmaningar när det gäller lagstadgade krav, interoperabilitet och prestanda. Även om det ofta kan vara lockande att utforma en trådlös sensorprodukt från början för att den ska sticka ut när det gäller prestanda och storlek, är det snabbare och kostnadseffektivare att använda färdiga lösningar som är utformade för snabb prototypkonstruktion och utveckling, och som har etablerade ekosystem för stöd och skalbarhet.

En sådan plattform är Texas Instruments LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag-sats. Satsen kombinerar en trådlös microcontroller (CC1352R), sensorer, flera trådlösa gränssnitt, relativt hög prestanda och låg strömförbrukning — allt i ett kompakt format med ett stort och beprövat utbud av programvara och verktygssupport.

Denna artikel beskriver den ständiga utvecklingen inom design och prototypkonstruktion för trådlösa sensorprodukter och introducerar SensorTag-satsen CC1352R och hur du kommer igång med den.

Varför använda en prototypkonstruktionssats för trådlösa sensorer?

Trådlösa sensorenheter är en svår utmaning för konstruktörer. De bör kunna räcka i ett till tio år på fältet innan batterierna måste bytas för att minimera underhållsbehovet. De måste även ha kapacitet för en viss grad av inbyggd processning och analys. Att göra detta så nära molnkanten i IoT-nätverket som möjligt, minskar mängden data som måste utbytas, vilket i sin tur minskar strömförbrukningen och utnyttjar den tillgängliga trådlösa bandbredden bättre.

Trådlös bandbredd medför egna problem, eftersom konstruktörerna måste välja bland flera trådlösa stackar, inklusive Bluetooth, Thread och Zigbee som arbetar på frekvenser under gigahertzområdet (GHz) eller på 2,45 GHz. Varje metod har sina egna fördelar och nackdelar när det gäller hur den utnyttjar tillgänglig bandbredd, effekt och processningsresurser. Att välja bland dem kräver noggrann analys av tillämpningens krav när det gäller datahastighet, räckvidd, antal förväntade noder, nätverkstopologi, latenskrav, arbetscykel, strömförbrukning, nätverksprotokollets overhead-belastning, interoperabilitet och normkrav.

Det är relativt enkelt att välja rätt gränssnitt för en helt ny distribuering. Dock är det ofta fallet i IIoT-tillämpningar att det redan finns trådlösa nätverk som har distribuerats så att konstruktören måste besluta om det ska anslutas direkt till andra noder med samma gränssnitt eller om ett annat gränssnitt, som kanske passar tillämpningen bättre, ska användas och sedan ansluta det gamla till det nya via en gateway.

Dessa är alla tillämpningsrelaterade beslutsträd som konstruktörerna måste arbeta sig igenom, men när det gäller prototypkonstruktion och utveckling av idéer är det sällan värt att utforma ett gränssnitt från grunden och sedan välja en förknippad processor och sensorer, för att inte tala om investeringen i tid och resurser för programvaruutveckling och integrering. Det är sant att egenutformade konstruktioner kan ha fördelar för ultrahöga produktionsvolymer för massmarknadskonstruktioner. I många fall behöver dock tekniker som utformar en nod för sin egen fabrikstillverkningslinje endast några få noder för att få data från vissa motorer, en viss punkt i en produktionslinje eller en termometer – så höga volymer är inte ett konstruktionskrav. I sådana fall är en färdig sats perfekt.

Om högre volymer krävs finns det köpfärdiga RF-moduler som är förcertifierade och uppfyller normkraven. De kan påskynda prototypkonstruktionen och hålla utvecklings- och distribueringskostnaderna nere eftersom de levereras med omfattande stöd av fast programvara och programvara. I dessa fall måste konstruktörerna fortfarande sätta samman de nödvändiga plattformsprocessorerna, sensorerna och förknippade programvaruelementen för varje sensor och extra block.

Det är inget problem när konstruktören redan vet vilket trådlöst gränssnitt som ska användas. I planeringsstadiet för flera konstruktioner fördelade på flera tillämpningar med föråldrade och ofta ej interoperabla trådlösa gränssnitt krävs dock en mer integrerad, flexibel metod för trådlös sensorprototypkonstruktion och utveckling.

SensorTag: En omfattande prototypkonstruktionsplattform med trådlösa sensorer

En bättre metod är att hitta en färdig plattform som kombinerar kärnelementen hos en trådlös avkännings- och processningsnod med sensorerna, programvaran och ekosystemet som konstruktören behöver och som samtidigt tillåter utforskning och differentiering i högre lager i programvaruutvecklingsstacken. Det är vad Texas Instruments (TI) erbjuder med sin LPSTK-CC1352R LaunchPad-sensorsats (figur 1).

Figur 1: LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag-satsen har allt en konstruktör behöver för att konstruera prototyper och utveckla en trådlös sensortillämpning. (Bildkälla: DigiKey, baserat på material från Texas Instruments)

Satsen baseras på TI:s trådlösa multiband-microcontroller CC1352R, med tillagda miljö- och rörelsesensorer och programvara, allt i ett löstagbart hölje med en extern vridbar antenn för området under 1 GHz, hona-till-hona-kabel med två ledare, en 10-stifts bandkabel för en JTAG-anslutning och en snabbstartguide. Vad som inte ingår, men rekommenderas till satsen, är TI:s LAUNCHXL-CC1352R1 SimpleLink Multi-Band CC1352R trådlösa-MCU Launchpad-utvecklingssats samt två AAA-batterier, men SensorTag kan också drivas med ett CR2032 knappcellsbatteri med en särskild batterihållare som kan fästas baktill på kortet.

Hjärtat i SensorTag-satsen är den trådlösa multiband-MCU:n CC1352R (figur 2). Den är del av TI SimpleLink MCU-plattformen, som är utformad för att tillhandahålla alla byggstenar i en säker, strömsnål sammankopplad topologi.

Figur 2: TI:s CC1352R trådlösa multibandmicrocontroller uppfyller FCC-, CE- och IC-certifieringen för dubbelbanddrift på 2,4 GHz och under 1 GHz och utgör hjärtat i LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag-satsen. (Bildkälla: Texas Instruments)

Microcontrollern CC1352R är FCC-, CE- och IC-certifierad (Industry Canada) för dubbelbanddrift på 2,4 GHz och under 1 GHz, vilket omfattar Bluetooth Low Energy (BLE), Thread, Zigbee, IPv6-kompatibla strömsnåla 6LoWPAN-nätverk (low-power wireless personal area networks) med smarta enheter och andra IEEE 802.15.4g PHY-baserade egna protokoll, inklusive TI:s SimpleLink TI 15.4-stack (sub 1 GHz och 2,4 GHz). Dynamic Multiprotocol Manager (DMM) kan köra flera protokoll samtidigt.

Radiomottagaren har en känslighet på -121 dBm (decibel vid en referensnivå på 1 milliwatt (mW)) i SimpleLinks läge för lång räckvidd, -110 dBm vid 50 kilobit/s (kbps) och -105 dBm för Bluetooth vid 125 kbps (med ett LE-kodat PHY). Den maximala sändarkraften är +14 dBm i sub-GHz-banden, där den förbrukar 24,9 milliampere (mA) och +5 dBm vid 2,4 GHz, där den förbrukar 9,6 mA. Enhetens standbyström är 0,85 mikroampere (µA) – med full RAM-lagring. Den är även IIoT-klar med en standbyström på 11 µA vid 105 ˚C. En konstruktör kan experimentera med olika standbylägen och samplingsfrekvenser för analog-till-digital-omvandlare (ADC) för att optimera för låg effekt. ADC:n kan exempelvis ställas in på sampling vid 1 hertz (Hz) där systemet drar 1 µA.

Processorn i hjärtat av CC1352R är baserad på en 48 MHz Arm® Cortex®-M4F-kärna som stöds av 352 kbyte systeminternt programmerbart flashminne, 256 kbyte ROM för protokoll och biblioteksfunktioner och 8 kbyte SRAM-cacheminne. Den har stöd för trådlösa uppgraderingar (OTA) och har en AES 128- och AES 256-accelerator.

Optimerad för korta strukturlistor

Ett av problemen som RF front-end-konstruktörer ställs inför är antalet ytterligare diskreta passiva komponenter som krävs för filtrering, impedansmatchning och andra funktioner. De förlänger strukturlistan och gör konstruktionen mer komplicerad. För att förenkla implementeringen av CC1352R har TI samarbetat med Johanson Technology för att utveckla ett anpassat integrerat passivt komponenthölje (IPC) med måtten 1 x 1,25 x 2 mm som minskade komponentantalet från 23 till tre (figur 3).

Figur 3: I samarbete med Johanson Technology utvecklade TI en IPC för att förenkla implementeringen av TI CC1352R som minskade det passiva komponentkravet från 23 till tre. (Bildkälla: DigiKey, utifrån material från Johanson Technology)

Fyra sensorer medföljer SensorTag-satsen, men om fler eller andra sensorer krävs kan de väljas och snabbt läggas till med TI:s BoosterPack LaunchPad-plugin-moduler. De fyra sensorer som ingår i SensorTag-satsen är:

• TI HDC2080 luftfuktighets- och temperatursensor
• TI OPT3001 omgivningsljussensor
• TI DRV5032 Halleffektomkopplare
• TI ADXL362 accelerometer

Layouten och anslutningarna till sensorerna visas (figur 4).

Figur 4: Sensorsatsen levereras med sensorer för luftfuktighet och temperatur, omgivningsljus, acceleration och Halleffekt. (Bildkälla: Texas Instruments)

Kontaktdonen är LaunchPad-kompatibla, så utöver sensorer kan BoosterPack-kringutrustning som LCD-displayer eller till och med egenutvecklade kretsar enkelt anslutas.

Komma igång med LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag-sats

För att komma igång med LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag-satsen, hämta programutvecklingssatsen SimpleLink CC13x2 och CC26x2 (SDK). Den här versionen är endast validerad för Rev. E-enheter, så för Rev. C eller tidigare ska v2.30.00.xx användas. När den har hämtats, gå till SimpleLink Academy där det finns steg för steg-anvisningar och exempel.

För att få samplingdata snabbt, är satsen förprogrammerad med ett Bluetooth 5-projekt (BLE5) som kallas Multi-Sensor som ansluts via en BLE-anslutning till smarttelefoner och plattor som har SimpleLink Starter-appen för både iOS och Android. Med den här inledande anslutningen kan konstruktörerna börja titta på sensordata, slå om lysdioder, läsa knappstatus och uppdatera den fasta programvaran med OTA Download-funktioner (OAD) (figur 5). Vid det här tillfället kan konstruktörerna även överföra data till molnet från den mobila enheten.

Figur 5: Konstruktörerna kan börja experimentera med LaunchPad SensorTag-satsen via en BLE-anslutning till en smarttelefon eller platta som har SimpleLink Starter-appen för både iOS och Android. (Bildkälla: Texas Instruments)

Tillsammans med BLE har LPSTK ytterligare två exempel: ett använder LPSTK som en Zigbee-strömbrytare, det andra använder det som sensornod i ett 802.15.4-nätverk. Alla tre exempelprojekten är tillgängliga i SDK enligt följande:

• Multisensor:
  • <simplelink_cc13x2_26x2_sdk install location>\examples\rtos\CC1352R1_LAUNCHXL\ble5stack\multi_sensor
• TI DMM sensornod:
  • \CC1352R1_LAUNCHXL\dmm\dmm_154sensor_remote_display_oad_lpstk_app
• Zigbee-omkopplare:
  • \CC1352R1_LAUNCHXL\dmm\dmm_zed_switch_remote_display_oad_app

Som komplement till SimpleLink och Starter-appen, erbjuder TI SysConfig ett enhetligt grafiskt användargränssnittsverktyg (GUI) för att aktivera, konfigurera och generera initieringskod för de olika SimpleLink SDK-komponenterna, inklusive TI-drivkretsar och stackkonfiguration för BLE, Zigbee, Thread och TI-15.4 (figur 6).

Figur 6: Som komplement till SimpleLink finns TI:s SysConfig som är en lättanvänd uppsättning grafiska hjälpmedel för konfigurering av stift, kringkretsar, radioenheter, subsystem och andra komponenter. (Bildkälla: Texas Instruments)

Som vid all systemdesign är det ovanligt att det inte innefattar någon form av felsökning. För detta steg är SensorTag utformat för att användas med den inbyggda XDS110-debuggern i en LaunchPad-utvecklingssats (i det här fallet LAUNCHXL-CC1352R som nämndes tidigare). Därför ingår en Arm 10-polig JTAG-kabel och en UART-kabel med två ledare. När de är anslutna möjliggör de fullständig felsökning, programmering och UART-kommunikation. Följ stegen nedan för att ansluta kablarna:

• Koppla från isolationsbyglarna på LaunchPad
• Anslut Arm JTAG-kabeln med tio stift till XDS110 OUT-stiftlisten på LaunchPad SensorTag
• Anslut den andra änden av Arm-kabeln med 10 stift JTAG-stiftlisten på LaunchPad SensorTag
• Anslut den tvåpoliga bygelkabeln till de övre stiften på RXD och TXD (grå kabel till RXD, vit till TXD)
• Anslut den andra änden av den tvåpoliga bygeln till stift 12/RX och 13/TX på the LaunchPad SensorTag (grå till 12/RX, vit till 13/TX)
• Anslut LaunchPad till en stationär eller bärbar dator

Den slutliga uppställningen ska se ut ungefär som i figur 7.

Figur 7: Vid felsökning måste SensorTag anslutas till LAUNCHXL-CC1352R LaunchPad-utvecklingssatsen med den 10-poliga Arm JTAG-kabeln och den tvåpoliga UART-kabeln som båda medföljer i SensorTag-satsen. (Bildkälla: Texas Instruments)

Det är värt att notera att eftersom en löpande avbildning inte kan uppdatera sig själv måste en inkommande OAD-avbildning lagras på en temporär plats medan den tas emot. Den här tillfälliga platsen kan reserveras i intern flashminnet eller utanför kretsen. Oavsett vilken lösning som väljs, när avbildningen har hämtats används en BIM (Boot Image Manager), som är lagrad permanent på SensorTag-enheten, för att avgöra om en ny avbildning är giltig och om den ska läsas in och köras (baserat på en bildrubrik).

BIM är särskilt användbar genom att den tillåter konstruktören att återgå till den ursprungliga fabriksavbildningen efter en OAD. Gör detta genom att hålla in BTN-1 (vänstra knappen) vid start eller under en återställning, så återgår BIM till fabriksavbildningen (Multi-Sensor).

Slutsats

Det finns många trådlösa gränssnitt att välja mellan vid implementering av en trådlös sensornod, men utvecklarna behöver inte lägga tid och resurser på att konstruera prototyper för varje gränssnitt för att se vilket som passar en given tillämpning bäst. Istället kan de använda LPSTK-CC1352R SensorTag-satsen och tillhörande LaunchPad-maskinvara, programvara och ekosystem för att snabbt och enkelt blanda och matcha gränssnitt, använda ett eller flera samtidigt och lägga till och byta BoosterPack-sensorer efter behov.