У вас есть идея, которую вы хотели бы реализовать на рынке? В этой серии Джон Тил описывает процесс масштабирования от прототипа до производства. Следуйте каждой статье, чтобы подробнее узнать, как объединять отдельные компоненты.
Если вы планируете разработать новый электронный продукт, который должен передавать и получать небольшие объемы данных по беспроводной сети, то нет лучшего решения, чем Bluetooth Low-Energy (BLE). Хотя BLE обычно недостаточно быстр для потоковой передачи аудио или видео или передачи больших объемов данных, он идеально подходит для приложений, которым требуется умеренный уровень передачи данных.
Не дайте себя обмануть термином «низкое энергопотребление», поскольку это отличное беспроводное решение, даже если время автономной работы не имеет решающего значения. Bluetooth Low-Energy (также называемый Bluetooth Smart) - это самая простая и недорогая беспроводная функция, которую можно реализовать в новом продукте.
В отличие от Bluetooth Classic, Bluetooth Low-Energy представляет собой одночиповое решение. В решениях BLE используется так называемая система на кристалле (SoC). Чиповое решение BLE включает в себя радиочастотный приемопередатчик и микроконтроллер, на котором работает стек Bluetooth (прошивка), все в одном чипе. Bluetooth Classic, с другой стороны, представляет собой более сложное двухчиповое решение: чип приемопередатчика и отдельный чип микроконтроллера.
BLE - это не только менее сложный в реализации беспроводной протокол, но и значительно более дешевый. Одной из самых больших затрат на разработку Bluetooth Classic является стоимость программного стека, который необходимо приобретать отдельно. Стоимость этого стека обычно составляет не менее 10 000 долларов США авансом плюс лицензионный сбор за каждую проданную единицу.
С другой стороны, в BLE стек уже встроен в SoC, поэтому вам придется платить только за сам чип. Чип BLE стоит всего от 1 до 2 долларов США (при объеме не менее 1 тыс. единиц). Запланируйте еще 1–2 доллара на все вспомогательные компоненты (кристалл, конденсаторы, антенну и т. д.).) требуется чипом BLE.
Модуль или чип-решение
Для большинства беспроводных технологий лучше начать с использования модульного решения, а не специального решения на дискретном чипе. Модуль Bluetooth LE экономит большие первоначальные затраты, необходимые для сертификации FCC.
Однако экономия при использовании модуля для BLE не такая значительная, как при использовании других беспроводных протоколов. Это связано с тем, что в случае Bluetooth LE стек уже встроен в чип, поэтому дополнительных затрат на стек не требуется. Тем не менее, обход сертификации FCC (или, по крайней мере, самой дорогой части, называемой «преднамеренным радиатором»), по-прежнему является значительным преимуществом для использования модульного решения для BLE. Модули также устраняют необходимость в настройке антенны, экономя вам пару тысяч долларов.
Для Bluetooth Classic стоимость модульного решения обычно значительно превышает стоимость решения на дискретном чипе. Однако большинство застройщиков изначально готовы принять завышенную стоимость единицы продукции, чтобы снизить первоначальные затраты.
Еще одним дополнительным преимуществом BLE является то, что модуль стоит всего на несколько долларов дороже, чем решение на дискретной микросхеме. Фактически, для большинства продуктов вам понадобятся объемы не менее 500 тыс. единиц, прежде чем использование чипа вместо модуля станет более экономичным.
Как только вы достигнете таких высоких объемов и решите перейти на чиповое решение, это будет довольно простым изменением конструкции, особенно если вы используете тот же чип, что и ваш модуль.
В таблице ниже показаны несколько наиболее популярных чипов BLE.
Мощность передачи |
MCU |
Постоянная память |
Комментарии |
|
Диалог DA14580/3 |
0 дБм | Кортекс-М0 | 32кБ / 128кБ | Сверхнизкое энергопотребление. |
Кипарис PSoC |
3 дБм | Кортекс-М0 | 256кБ | Хорошее решение. Только для того, чтобы предлагать доступные чипы и модули. |
Qualcomm CSR101x |
7,5 дБм |
Собственность | Внешний | Лучшая мощность передачи. Сетка. |
Nordic nRF51822 |
4 дБм | Кортекс-М0 | 512 кБ | Очень низкий ток. Высокая мощность передачи. |
Nordic nRF52832 |
4 дБм | Кортекс-М4 | 512кБ | Самый быстрый микроконтроллер. Низкий ток. Высокая мощность передачи. |
TI CC2541 |
0 дБм | 8051 | 256кБ | На основе старого 8-битного микроконтроллера. |
TI CC2650 |
5 дБм | Кортекс-М3 | 128 кБ | Хорошая мощность передачи. Хороший MCU. |
Atmel ATBTLC1000 |
3 дБм | Кортекс-М0 | Внешний | Чип с самым низким энергопотреблением. |
Дизайн антенны
Если вы не используете модуль со встроенной антенной, одним из наиболее важных аспектов вашей конструкции будет антенна. Для таких продуктов обычно доступны два типа антенн: керамическая антенна и трассирующая антенна.
Преимуществом керамической антенны является меньший размер и упрощенная настройка. Антенна всех беспроводных устройств должна быть настроена на максимальную производительность (максимальный радиус действия). Настройка - довольно сложный процесс, требующий очень дорогого оборудования, поэтому настройку обычно передают компаниям, специализирующимся на радиочастотной настройке.
Антенная схема обычно использует пи-сеть для согласования (т.е. настройки) антенны. Номинал конденсаторов и катушек индуктивности, используемых в пи-сети, подбирается для оптимизации настройки антенны. Если дальность действия не очень важна для приложения, то чип-антенна не обязательно требует настройки для BLE, по крайней мере, для раннего тестирования.
Антенна трассировки встроена в саму печатную плату (PCB). Основным преимуществом трассирующей антенны на печатной плате является снижение стоимости. Фактически, поскольку антенна представляет собой просто дорожку печатной платы, антенна практически бесплатна.
Однако чиповые антенны довольно дешевы, поэтому я обычно рекомендую чиповые антенны, по крайней мере, на начальном этапе. Как только продукт достигнет действительно больших объемов производства, вы можете рассмотреть возможность замены чип-антенны на трассирующую антенну для печатной платы, чтобы снизить затраты и увеличить размер прибыли.
Антенны на печатной плате сложнее настраивать, и для оптимизации настройки может потребоваться несколько модификаций печатной платы. Изменения в печатной плате также могут оказать более существенное влияние на производительность трассировочной антенны по сравнению с чип-антенной.
Сводка
Bluetooth Low-Energy - фантастическая технология. В основном это связано с его простотой и, конечно же, сверхнизким энергопотреблением. Поэтому при выборе вашего продукта обязательно рассмотрите BLE перед любыми другими более сложными беспроводными технологиями.
Я создал подробную таблицу, в которой сравниваются восемь чипов Bluetooth Low-Energy, имеющихся в настоящее время на рынке. Он также включает доступные модули в зависимости от каждого чипа и ориентировочные цены. Вы можете скачать его бесплатно.