Bluetooth 5.1 SoC wurde entwickelt, um Designgröße und Kosten zu senken

Bluetooth Low Energy hat bei der IoT-Revolution eine entscheidende Rolle gespielt – insbesondere für die drahtlose Kommunikation über kurze Distanzen in Geräten, bei denen die Batterielebensdauer entscheidend ist. Das Aufkommen von Fitness-Trackern und Smartwatches hat den Bluetooth-Markt weiter vorangetrieben.

Ein Bluetooth-Gerät (Abb. 1 ) besteht aus Host und Controller. Der Bluetooth-Stack und die aktuelle Anwendung werden auf dem Host ausgeführt, während die Basisbandoperationen auf dem Controller erfolgen, der entweder klassisches Bluetooth (BR/EDR) oder Low-Consumer (BLE) unterstützt. Beide kommunizieren über die Host-Controller-Schnittstelle (HCI).

Abb 1:Blockschaltbild der Bluetooth-Single-Mode- und -Dual-Mode-Architektur.

BLE ist die Bezeichnung für die speziellen Erweiterungen, die mit Version 4 begannen. Die Versionen 4.1 und 4.2 haben kleinere Verbesserungen gebracht, aber mit Version 5 kamen die großen Updates mit hoher Datenrate und geringem Stromverbrauch an.

Bluetooth 5 wurde in der zweiten Jahreshälfte 2016 angekündigt und wirbt mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 2 MB/s, einer Reichweite von 240 Metern und einem reduzierten Energieverbrauch. Aber diese Entwicklungen reichten immer noch nicht aus, um mit der drahtlosen Konnektivität der nächsten Generation Schritt zu halten.

So kündigte die gleiche Special Interest Group (SIG) Bluetooth Ende 2018 Spezifikationen für das neue Bluetooth 5.1 an. Die wichtigste Neuerung ist die Fähigkeit von Bluetooth 5.1, auch als Ortungsgerät mit einer Genauigkeit von wenigen Metern zu arbeiten . Die Bluetooth 5.1-Spezifikation bietet zwei verschiedene Methoden, um die Position der Geräte im Raum zu identifizieren:Ankunftswinkel (AoA) und Abflugwinkel (AoD).

Heutzutage arbeiten die meisten Wearables mit Bluetooth Low Energy. Diese Technologie gilt als kostengünstige Lösung, die sehr wenig Energie benötigt. Das Produkt kann in einigen Fällen über Monate oder sogar Jahre mit einer kleinen Batterie betrieben werden. Dialog Semiconductor hat das seiner Meinung nach kleinste und energieeffizienteste Bluetooth 5.1 SoC vorgestellt, den DA14531 . Das begleitende neue Modul vereinfacht auch die Entwicklung von Bluetooth-Produkten und ermöglicht breitere Einsatzmöglichkeiten für IoT-Anwendungen.

Der SmartBond TINY Chip basiert auf dem 32-Bit ARM Cortex M0+ Kern mit integrierten Speichern und einem kompletten Satz analoger und digitaler Peripherie. Seine Implementierung zielt darauf ab, die Probleme steigender Kosten für IoT-Gerätedesigns zu lösen, indem eine Reduzierung der Gesamtgröße des Systems bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer hohen Leistung ermöglicht wird. Dialog hat das SoC entwickelt, um die Kosten für das Hinzufügen von BLE-Funktionalität bei hohen Stückzahlen auf bis zu 0,50 USD zu senken.

Durch die geringe Größe eignet sich der SoC für jedes platzbeschränkte Design, wie z. B. elektronische Eingabestifte, Regaletiketten, Beacons oder aktive RFID-Tags für die Bestandsverfolgung. Der SoC kann auch in Anwendungen verwendet werden, die eine Bereitstellung erfordern, wie z. B. Kameras, Drucker und drahtlose Router.

Der DA14531 erweitert die drahtlose Konnektivität auch auf Anwendungen im vernetzten medizinischen Bereich. Beispiele sind Inhalatoren, Medikamentenspender, Waagen, Thermometer und Blutzuckermessgeräte. (Abb. 2 ).

Abb 2:Blockschaltbild des DA14531.

In Paketen von nur 2,0 x 1,7 mm untergebracht, ist der SmartBond Tiny laut Dialog etwa halb so groß wie seine Vorgänger. Das SoC benötigt nur sechs externe Komponenten, eine einzige Taktquelle und eine Stromversorgung, um ein komplettes energiesparendes Bluetooth-System aufzubauen (Abb. 3 ). Auf diese Weise können Entwickler den Chip an fast jedes Design zur Überwachung von HF-Ressourcen anpassen.

„Die externen Komponenten sind wirklich begrenzt, daher werden zwei Kondensatoren benötigt. Der Leistungsinduktor kann unter bestimmten Bedingungen übersprungen werden“, sagte Adrie Van Meijeren, Product Marketing Manager Americas, Bluetooth Low Energy, bei Dialog Semiconductor.

Abb. 3:Diagramm des mit Alkalibatteriezellen betriebenen Systems — Boost-Konfiguration.

Das Modul gewährleistet eine lange Lebensdauer und Langlebigkeit auch bei kleinen Batterien und ermöglicht es Kunden, die neue Architektur im Rahmen der Produktentwicklung zu nutzen, anstatt ihre Plattformen zertifizieren zu müssen, was Zeit, Entwicklungsaufwand und Kosten spart. Der eingebaute DC/DC-Wandler des DA14531 ermöglicht eine breite Betriebsspannung von 1,1 V bis 3,3 V.

„Was Batterien und den DC/DC-Wandler betrifft, können wir neben 3-V-Batterien wie Knopfzellenbatterien mit jeder Art von 1,4-V/1,5-Volt-Batterien arbeiten. Und weil wir diesen Aufwärtswandler an Bord integriert haben, spart dies Kosten. Der Wirkungsgrad für DC/DC hängt ein wenig von der Qualität Ihres Induktors ab, aber Sie können einen Wirkungsgrad von etwa 85 % erreichen“, sagte Van Meijeren.

„Die DC/DC-Funktion ist wichtig, insbesondere bei Einwegbatterien. Diese Einwegbatterien haben sehr oft eine sehr kleine Kapazität von etwa 15 Milliamperestunden. Und wenn der DC/DC-Wandler startet, lädt ein Spitzenstrom die Induktivität und die Kondensatoren auf, und wir haben einen Strombegrenzer, den Sie zwischen 6 mA und 96 mA einstellen können, und das ermöglicht uns, mit jeder Batterie zu starten, was auch immer die Bedingung“, fügte er hinzu.

Mit dem geringen Stromverbrauch von Bluetooth Low Energy können Anwendungen mit einer kleinen Batterie vier oder fünf Jahre lang funktionieren. Dies ist wichtig für Anwendungen, die nur einen regelmäßigen Austausch kleiner Datenmengen benötigen.

Dialog bietet auch das DA14531 SmartBond TINY Development Kit , das den DA14531 Bluetooth Low Energy SoC integriert. Dank zweier mikroBUS-Header-Schnittstellen und einer Arduino-Schnittstelle bietet das System erweiterte Funktionalität (Abb. 4 ).

Abb. 4:DA14531 SmartBond TINY Development Kit Pro.

Bluetooth wird derzeit von rund 8,2 Milliarden Geräten weltweit verwendet, vom Smartphone bis zum Laptop, und ist der wichtigste Player in unserem technologischen Alltag. Cisco hat prognostiziert, dass bis 2020 über 50 Milliarden dieser intelligenten Geräte im Einsatz sein werden, wobei Bluetooth SIG bis zu einem Drittel dieser Geräte unterstützt.

Mit Milliarden von BLE-fähigen Smart Devices auf dem Markt ist die Liste der Anwendungen für dieses Protokoll unbegrenzt. Bei der Auswahl des BLE müssen eine Reihe von Attributen berücksichtigt werden:Formfaktor, elektrische Spezifikationen, gewünschte Funktionalität, Softwareentwicklungstools und technischer Support.