Bluetooth 5.1 SoC: Ultra-kompakte, kostengünstige Lösung für IoT-Geräte

Bluetooth Low Energy (BLE) ist zum Rückgrat des IoT-Ökosystems geworden und ermöglicht kurzreichweitige, niedrigenergetische Wireless-Verbindungen, die batteriebetriebene Gadgets monate- oder sogar jahrelang am Laufen halten. Das explosive Wachstum von Fitness-Trackern, Smartwatches und anderen Wearables hat die Adoption von BLE in der Industrie beschleunigt.

Ein typisches Bluetooth-Gerät (Abb. 1) besteht aus einem Host und einem Controller. Der Host führt den Bluetooth-Stack und die host-seitige Applikationslogik aus, während der Controller Baseband-Operationen für entweder klassisches Bluetooth (BR/EDR) oder BLE handhabt. Beide kommunizieren über das Host-Controller-Interface (HCI).

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

BLE erschien erstmals in Bluetooth 4.0, mit nachfolgenden Revisionen 4.1 und 4.2, die inkrementelle Verfeinerungen brachten. Der eigentliche Sprung kam mit Bluetooth 5, das eine 2 MB/s Datenrate, vierfache Reichweitensteigerung auf 240 m und signifikante Stromspar-Verbesserungen einführte.

Bluetooth 5.1, Ende 2018 angekündigt, baute auf diesen Gewinnen auf, indem es Ortungsfähigkeiten hinzufügte. Der Standard unterstützt zwei Positionierungstechniken – Angle of Arrival (AoA) und Angle of Departure (AoD) –, die es Geräten ermöglichen, gegenseitige Positionen mit Meter-Genauigkeit zu bestimmen.

Heute verlassen sich die meisten Wearables auf BLE, da es eine kosteneffektive, ultraniedrigenergetische Lösung bietet, die von einer winzigen Batterie monate- oder jahrelang betrieben werden kann. Dialog Semiconductor hat den nach eigenen Angaben kleinsten und energieeffizientesten Bluetooth 5.1 SoC vorgestellt, den DA14531. Das begleitende Modul strafft Entwicklung und eröffnet breitere Möglichkeiten für IoT-Einsätze.

Der SmartBond TINY SoC basiert auf einem 32-Bit ARM Cortex-M0+ Kern, mit integrierten Speichern und einem umfassenden Satz analoger und digitaler Peripheriegeräte. Durch enge Integration dieser Funktionen reduziert Dialog den Footprint von BLE-Lösungen bei hoher Performance. In großen Stückzahlen kann die BLE-Fähigkeit des SoC für nur 0,50 $ hinzugefügt werden.

Sein 2,0 × 1,7 mm Gehäuse macht den DA14531 ideal für platzbeschränkte Geräte wie elektronische Stifte, Regaletiketten, Beacons und aktive RFID-Tags für Asset-Tracking. Der Chip eignet sich auch für Applikationen, die Provisioning erfordern, wie Kameras, Drucker und Wireless-Router.

Der DA14531 erweitert Wireless-Konnektivität in den Connected-Medical-Bereich. Potenzielle Use Cases umfassen Inhalatoren, Medikamentenspender, Waagen, Thermometer und Glukosemesser (Abb. 2).

Abb. 2: Blockdiagramm des DA14531.

In einem 2,0 × 1,7 mm Gehäuse untergebracht, ist der SmartBond TINY laut Dialog etwa halb so groß wie seine Vorgänger. Der SoC benötigt nur sechs externe Komponenten – eine einzelne Taktquelle und eine Stromversorgung – um ein vollständiges Low-Energy Bluetooth System zu bilden (Abb. 3). Dieser minimale Footprint ermöglicht Designern, den Chip in praktisch jedes RF-Monitoring-Design zu integrieren.

„Die externen Komponenten sind wirklich begrenzt; zwei Kondensatoren sind erforderlich. Die Strominduktivität kann unter bestimmten Bedingungen weggelassen werden“, sagte Adrie Van Meijeren, Product Marketing Manager Americas, Bluetooth Low Energy, bei Dialog Semiconductor.

Abb. 3: Alkaline-Batterie-betriebenes Systemdiagramm – Boost-Konfiguration.

Das Modul-Design garantiert Langlebigkeit und Zuverlässigkeit selbst mit kleinen Batterien und befreit Kunden von der Last, ihre eigenen Plattformen zu zertifizieren, was Zeit, Aufwand und Kosten spart. Der DA14531's integrierter DC/DC-Wandler unterstützt einen weiten Eingangsbereich von 1,1 V bis 3,3 V.

„Bezüglich Batterien und DC/DC-Wandler können wir mit jeder 1,4-V/1,5-V-Batterie zusätzlich zu 3-V-Knopfzellen arbeiten. Da der Boost-Wandler an Bord ist, reduziert er Kosten. Die DC/DC-Effizienz hängt leicht von der Induktivitätsqualität ab, aber man kann rund 85 % Effizienz erreichen“, erklärte Van Meijeren.

„Das DC/DC-Feature ist entscheidend, besonders für Einwegbatterien. Diese haben oft winzige Kapazitäten – rund 15 mAh. Der Startstrom des Boost-Wandlers begrenzt Induktivität und Kondensatoren, und wir bieten einen Strombegrenzer, der zwischen 6 mA und 96 mA eingestellt werden kann, sodass wir von jeder Batterie starten können, unabhängig von ihrem Zustand“, fügte er hinzu.

Mit BLEs ultraniedrigem Stromverbrauch können viele Applikationen mit einer einzigen kleinen Batterie vier bis fünf Jahre laufen, was essenziell für Geräte ist, die nur intermittierend kleine Datenmengen austauschen.

Dialog bietet auch das DA14531 SmartBond TINY Development Kit, das den SoC beinhaltet und zwei mikroBUS Header und ein Arduino Interface für erweiterte Funktionalität bereitstellt (Abb. 4).

Abb. 4: DA14531 SmartBond TINY Development Kit Pro.

Bluetooth ist in etwa 8,2 Milliarden Geräten weltweit präsent, von Smartphones bis Laptops. Cisco prognostiziert, dass bis 2020 mehr als 50 Milliarden smarte Geräte im Einsatz sein werden, wobei Bluetooth SIG bis zu einem Drittel davon unterstützt.

Mit Milliarden BLE-fähiger Geräte am Markt ist das Anwendungsspektrum praktisch grenzenlos. Die Auswahl von BLE für ein Projekt erfordert sorgfältige Abwägung von Formfaktor, elektrischen Eigenschaften, gewünschter Funktionalität, Software-Entwicklungstools und technischem Support.