Bezdrátově komunikující MCU = ZigBee obvod TI CC2530

Vše na jednom čipu, uvnitř jednoho pouzdra. Zvenku to vypadá jako trošku větší MCU, zatímco uvnitř se mimo CPU jádra 8051 a různých periferií nachází i plná radiová ZigBee komunikace. Tak to je integrovaný obvod TI CC2530.

Doposud byly na poli bezdrátové komunikace vidět hlavně tzv. bezdrátové moduly v podobě miniaturních destiček, které jsou vestavět do zařízení. Některé společnosti se však vydali cestou plně integrovaného řešení vše na jednom čipu, čímž vznikly tzv. bezdrátové MCU. Společnost Texas Instruments pak letos vypustila nový „klasický“ integrovaný obvod, který však v sobě obsahuje MCU i ZigBee vysílač/přijímač.

ZigBee SoC obvod TI CC2530

Obvod CC2530 je podobně, jako třeba některé integrované obvody Jennic, plně integrovaný komunikační ZigBee systém na jednom čipu = SoC (System-on-Chip). Umožňuje tak relativně snadno realizovat aplikace vyžadující bezdrátovou komunikaci v podobě IEEE 802.15.4, Zigbee nebo nejnověji bezdrátové ovládání ZigBee RF4CE. V jednom pouzdře pak CC2530 kombinuje kvalitní RF transceiver (radiový vysílač / přijímač) s dobře zavedeným a často využívaným CPU jádrem 8051 doplněný o in-system programovatelnou Flash pamětí o velikosti 32 až 256 kB (dle provedení), 8 kB RAM a všemi obyklými periferiemi, které najdete u klasického MCU. Z pohledu softwaru v něm může běžet známý Z-Stack (ZigBee protocol stack od společnosti Texas Instruments. Ten poskytuje vše potřebné pro kvalitně realizaci ZigBee komunikace. Pokud se však nasadí RemoTI stack rázem lze obvodem realizovat aplikace vzdáleného řízení pomocí standardu ZigBee RF4CE.

Integrovaný SoC obvod CC2530 představuje kombinaci RF transceiveru, ZigBee stacku a výkonného MCU

Rádiová část

Jak již bylo zmíněno, radiová část je tvořena IEEE 802.15.4 kompatibilním transceiverem, kde digitální RF jádro řídí koncové analogové moduly. Zároveň vytváří rozhraní mezi MCU částí čipu a radiovou částí a umožňuje jej řídit prostřednictvím příkazů, zjišťovat aktuální stavy a automatizovat a sekvencovat průběh samotného vysílání a příjmu. Zároveň již na rádiové straně může provádět filtraci paketů a provádět adresovou identifikaci modulů.

CPU a paměť

„ Klasické“ CPU jádro 8051 vykonávající příkazy v jednom instrukčním cyklu poskytuje tři různé přístupy do integrované paměti prostřednictvím 3 rozdílných sběrnic SFR, DATA a CODE/XDATA. Řadič přerušení obsluhuje celkem 18 zdrojů přerušení rozdělených do 6 skupin, kde každá je přiřazena k jedné ze čtyř přerušovacích priorit. Přerušení také mohou součástku probouzet z ze všech tří nízkopříkonových / spících režimů.
Důležitým prvkem je paměťový arbiter, který propojuje CPU a DMA řadič s pamětí a všemi periferiemi prostřednictvím SFR sběrnice. Dále mapuje různé fyzické paměti (8kB RAM, Flash paměť a XREG/SFR registry) do jednoho paměťového prostoru. Přičemž rychlá SRAM paměť se mapuje do datového prostoru a části XDATA prostoru a data v ní zůstávají zaznamenány i v případě přepnutí do nízkopříkonových modů. 32 / 64 / 128 nebo 256 kB Flash paměť se pak mapuje do programového prostoru a XDATA prostoru pro zachování nahraného programu a případně zadaných konstant i při kompletně vypnutém napájení.

Periferie

Univerzální 5kanálový DMA řadič je možné využít pro přístup do datové SRAM paměti a XDATA Flash paměti. Každý kanál lze nastavit odlišně DMA deskriptorem, kdekoliv v paměti. DMA mohou využívat takové periferie jako jsou AES šifrovací jádro, řadič flash paměti, sériová USART rozhraní, časovače, A/D převodník apod., kterým DMA významně urychluje přenos dat mezi SFR nebo XREG registry a Flash či RAM pamětí.

K dispozici je 16bitový časovač s funkcí časování/ čítání a PWM modulace obsahující 16bitovou předděličku a 5 individuálně programovatelnými čítacími / zachytávacími kanály, každý s porovnáním referenční 16bitové hodnoty. Také může být využit v režimu generování časování pro IR signály.
Dále je zde druhý časovač, tzv. MAC časovač, speciálně navržen pro IEEE 802.15.4 MAC a další časově dělené softwarové protokoly. Proto má programovatelnou časovou periodu a 8bitový čítač přetečený, které lze využít pro počítání počtu vyslaných period. Třetí a čtvrtý již jen 8bitové časovače mají podobné možnosti jako ten 16bitový a každý čítací kanál může pracovat jako PWM výstup. Nesmíme však zapomenout i na nízkopříkonový sleep časovač využívající 32 kHz krystalový nebo RC oscilátor, který běží v sleep módech 1 a 2 jako reálný časovač a umožňuje časové řízení probuzení. Samozřejmostí je watchdog.

Další důležitou periferií je jistě 8kanálový A/D převodník s nastavitelným rozlišením na 7 až 12 bitů ve 30 nebo 4 kHz pásmu. Zabírá tak celý port 0 a umožňuje jak převod audio signálu, tak i stejnosměrné složky. Vstup může být vztažený k centrální nule nebo může být plavoucí diferenciální.

Pro potřeby šifrování komunikace a dat nechybí plně hardwarové 128bitové AES šifrovací jádro vyžadující MAC vrstva standardu IEEE 802.15.4, včetně ZigBee standardu, a 16bitový LFSR generátor pseudonáhodných čísel.

Pro drátovou datovou komunikaci s okolím pak slouží dva sériové synchronní rozhraní USART 0 a USART 1, které mohou pracovat buď jako SPI master/slave nebo jako klasický asynchronní UART. Poskytují bufferování vysílání i příjmu i hardwarové řízení toku, přičemž mají vlastní baud-rate generátor, takže výše uvedené časovače jsou stále volně k dispozici.

Příklad typického zapojení s obvodem CC2530 a jeho realizace v podobě destiček plošných spojů jako základní CC2530 vývojový kit

Přehled vlasností a parametrů obvodu TI CC2530

Integrované RF rozhraní:

2.4 GHz IEEE 802.15.4 RF rozhraní
Velká stabilita a odolnost vůči interferencím
Programovatelný vysílací výkon až do 4.5 dBm
Pouze několik externích součástek
Nutnost pouze jednoho krystalu pro Mesh sítě
Pouzdro: 6 mm × 6 mm QFN40
Splňuje vysílací normy:
- ETSI EN 300 328
- EN 300 40 (Europe)
- FCC CFR47 Part 15 (US)
- RF4CE ARIB STD-T-66 (Japan)

Integrovaný mikrokontrolér:

Výkonné klasické jádro 8051 s předzpracováním instrukcí
32, 64, 128, nebo 256 kB interní Flash paměti
8 kB interní RAM s zálohováním ve všech výkonových módech
Podpora hardwarového ladění

Periferie:

5kanálové DMA
Časovače: IEEE 802.15.4 MAC, víceúčelové 8 a 16bit., 32 kHz sleep časovač, watchdog
Hardwarová podpora CSMA/CA a digitálních RSSI/LQI
Měření napájecího napětí a teploty součástky
8 kanál. 12bitový A/D převodních s nastavitelným rozlišením
Nastavení rozlišení vysílače/ přijímače
Bezpečnostní koprocesor pro AES šifrování
2x USART rozhraní pro sériovou komunikaci
21 víceúčelových vstupních / výstupních vývodů

Vývojové nástroje:

CC2530 vývojový kit
CC2530 ZigBee® vývojový kit
CC2530 RemoTI™ vývojový kit pro RF4CE dálkové řízení
SmartRF™ software
Odchytávač paketů
Pro programování je možné použít program IAR Embedded Workbench™

CC2530 ZigBee® vývojový kit společnosti Texas Instruments může posloužit nejen k vývoji a testování aplikací

SoC ZigBee obvody a výroky konkurenčních společností

Tak například jedním z přímých konkurentů jsou již v úvodu zmíněné SoC obvody JN5121 a JN5139 společnosti Jennic. Tedy hlavně novější a vyspělejší zástupce JN5139. Ten se výbavou obvodu CC2530 přibližuje, pouze neobsahuje plnohodnou mnohonásobně in-system programovatelnou Flash paměť. Nadruhou stranu zase obsahuje již výkonné 32bitové CPU RISC jádro a hlavně plnohodnotný 11bitový D/A převodník, což jistě velké plus pro potřeby snadné regulace i v multimediálních aplikacích.

Většina dalších výrobců, třeba společnost Meshnetics či Radiocraft, se pak nevydali cestou kompletně integrovaných řešení na jednom čipu (SoC obvod), ale jednodušší cestou biť miniaturních, ale ne tak kompaktních bezdrátových modulů. Ty obvykle tvoří na desce plošných spojů umístěné a propojené dva integrované obvody v podobě integrovaného RF transceiveru a klasického MCU. V případě výrobků Meshnetics jsou to obvody ATMEL (MCU ATmega). I když vlastnosti jsou podobné jako u SoC, není implementace celé destičky na další DPS zařízení tak elegantní a spolehlivé řešení, jako připájení jedné součástky. Na druhou stranu k SoC obvodu je samozřejmě nutné přidat několik externích součástek a i rozhraní / konektor pro připojení antény apod., což moduly již samozřejmě mají. Takže závěr by mohl být takový, že zatímco integrované SoC řešení se více hodí spíše pro sériově vyráběná zařízení, u kterých se již s nasazením ZigBee počítá při jejich konstrukci, modulové provedení je naopak vhodnější pro vestavbu do již stávajících konstrukcí a pro speciální aplikace realizovaných v malém počtu kusů. Takže každé řešení má svá pro a proti a je nutné si zvolit to pravé.

Ukázka kompletního SoC ZigBee MCU společnosti Jennic (vlevo) a na na něm postavené vestavné moduly Jennic (vpravo)

Závěr

Bezdrátová komunikace PLC, řídících jednotek či bezdrátová čidla jsou dnes stále častější. Proto se výrobci předhánějí v nabídce různých vestavných modulů nebo bezdrátově komunikujících integrovaných obvodů, které mají usnadnit vývojářům větších zařízení jejich práci. Plně integrované SoC ZigBee obvody pak představují zajímavé řešení bezdrátově síťově komunikujícího mikrokontroléru typu vše v jednom pouzdře, což zvláště pro nově konstruovaná zařízení představuje velkou výhodu, protože stačí jen doplnit několika pasivními součástkami a anténou. V tomto směru pak SoC obvody Texas Instruments představují špičku.

Antonín Vojáček