כיצד לפשט חיבוריות Bluetooth Low-Energy‏ באמצעות מודולי Drop-In‏ זעירים

שיפורי ה-Bluetooth‏ (BT) וה-Bluetooth Low Energy‏ (BLE‏) שלה הפכו לטכנולוגיות מפתח עבור תקשורת. הם מאפשרים להתקני אינטרנט של דברים (IoT) להתחבר ולהעביר נתונים באופן אלחוטי, החל מטקסט ואודיו ועד הזרמת וידאו.

עם זאת, התכנון, המימוש וההרשאה של צומת BT שלם דורשים מומחיות בפונקציות אנלוגיות ודיגיטליות בפס-בסיס, עיבוד משובץ מונע-קושחה, ותכני תדרי רדיו (RF) הן של מגבר הקצה-הקדמי של המקלט עם רעש נמוך והן של מגבר ההספק של המשדר.

פונקציות אלה חייבות להיות נתמכות גם על ידי ניהול הספקת-כוח יעיל. בנוסף, כל צומת BT חייב לעמוד ברשימה מקיפה של יעדים הקשורים לביצועים, כמו גם בדרישות רגולטוריות בנוגע להפרעות RF‏ (RFI‏) והפרעות אלקטרומגנטיות (EMI). מחויבויות אלה עלולות לסבך את התכנון ולהאט את פריסת ההתקן.

מאמר זה מעניק סקירה קצרה של BLE והתאמתו עבור התקני IoT בהספק-נמוך. לאחר מכן הוא מציג מודולי BLE מוכנים לשימוש של Ezurio‏ ומראה כיצד הם יכולים לסייע בהאצת פיתוח צומתי IoT מאופשרי-BLE.

מ-Bluetooth‏ ל-BLE

Bluetooth‏ הוא תקן כלל-עולמי פתוח להעברת נתונים וקול באופן אלחוטי, המאפשר חיבוריות אלחוטית בעלות נמוכה ולטווחים קצרים בין התקנים אלקטרוניים שונים. הטכנולוגיה פועלת בתחום התדרים התעשייתי, מדעי ורפואי (ISM) של GHz‏ 2.4‏, ויישומיה כוללים שידור למרחקים מוגבלים של אודיו, טקסט, תמונות, הזרמת וידאו, צימוד בין סמארטפון לאוזניות וחיבורי IoT באנרגיה נמוכה.

מפרט Bluetooth 1.0‏ דרש טווח של 10 מטר (עבור התקני Class-2), רשת Peer-to-Peer‏ פשוטה וקצב נתונים של 732.2 קילו-ביט לשנייה (kbits/s); המוצרים הראשונים הוצגו בשנת 2000. שיפורים בגרסות 2.0 (2004) ו-3.0 (2009) הגדילו את קצבי הנתונים ל-3 ו-24 מגה-ביט לשנייה (Mbit/s), בהתאמה.

עם זאת, דרישות ההספק עבור קישור BT המקורי היו גבוהות מדי עבור רבים מיישומי היעד. בשנת 2010 אומצה גרסה 4.0 (BLE), וגרסות קודמות נקראו באופן לא-רשמי כ-Bluetooth Classic (איור 1). BLE הפחית את צריכת ההספק בכ-90% באמצעות אופן לא-פעיל עם צריכת הספק אולטרה-נמוכה המבוסס על חבילת פרוטוקולים ברוחב-פס נמוך המותאמת עבור התקני IoT. אופן לא-פעיל זה מאפשר לחיישני IoT, משואות מיקום, צומתי בית חכם, התקנים רפואיים ועוקבי כושר גופני לפעול במשך שנים על סוללת תא-כפתור זעירה.

איור 1: מוצג סיכום של השוואה בין Bluetooth Classic (גרסות 1.0 עד 3.0) ו-BLE (גרסות 4.0 עד 6.0). (מקור התמונה: MOKOSmart‏)

כל גרסה של BT מאפשרת למתכננים לבחור ולאזן פשרות מבחינת מרחק, קצב נתונים והספק. הגרסה האחרונה של BLE היא 6.0 (2024), והיא תומכת בקצבי נתונים מקסימליים בין 1 מגה-ביט/שנייה עד 2 מגה-ביט/שנייה עם אופן הספק נמוך יותר, טווח מורחב, וטופולוגיות Peer-to-Peer‏, Star‏, Broadcast‏ ו-Mesh‏.

מודולי BLE מפשטים את התכנון

למרות ש-BT היא טכנולוגיה רב-תכליתית ומתאימה עבור קישורים אלחוטיים עם טווח קצר יותר ובהספק נמוך יותר, יישומה בפועל דורש שילוב של מספר רכיבים וטכנולוגיות, הכוללים מעבד, זיכרון, קצה-קדמי אנלוגי RF, מגבר הספק RF ואנטנה. בנוסף, קיימת חבילת פרוטוקולי קישור-נתונים מונע-תוכנה. הבחירה והתכנון של אלמנטים שונים אלה יכולים להיות מאתגרים.

כדי לפשט את תכנון התקנים מאופשרי-BLE‏, Ezurio‏ שילבה את האלמנטים הדרושים במודולי BLE‏ BL54L15‏ (איור 2‏) שלה. בליבת המודולים הללו נמצאת מערכת-על-שבב (SoC‏) nRF54L15‏ של Nordic Semiconductor‏.

איור 2: משפחת מודולי BLE‏ BL54L15 כוללת פתרונות שלמים ומשולבים ביותר, הכוללים את כל הפונקציות הדרושות עבור מימוש אלחוט מוצלח. (מקור התמונה: Ezurio)

בין המאפיינים הבולטים של מודולים אלה:

• עיבוד בשתי-ליבות המבוסס על M33‏-Cortex‏ Arm‏ ב-128 מגה-הרץ (MHz‏) ומעבד-עזר RISC-V‏ MHz‏ 128‏.
• קיבולת זיכרון גדולה הכוללת 1.5 מגה-בייט (Mbytes) של זיכרון לא-נדיף (NVM) ו-256 קילו-בייט (Kbytes) של זיכרון גישה אקראית (RAM)
• אבטחה משופרת

מודולים אלה מעניקים תמיכה מאובטחת וחסונה עבור BLE ו-802.15.4, ומציעים יכולות תכנות גמישות באמצעות ערכת פיתוח תוכנה (SDK‏) nRFConnect‏ של Nordic‏, מערכת הפעלה בזמן-אמת (RTOS‏) Zephyr‏, וחבילת התוכנה Canvas‏ של Ezurio‏. Canvas מאפשר יכולות כתיבת סקריפטים MicroPython, ומפשט ומאיץ את פיתוח האפליקציות. התצורה הכוללת משתמשת בכל מאפייני ויכולות החומרה של nRF54L15.

שני מודולי ה-BL54L15 הם ה-453-00001R‏ (איור 3, משמאל), עם אנטנת פס-מוליך בלוח מעגלים מודפסים (PC board) מורשה-מראש, וה-‎453-00044R‏ (איור 3, ימין) עם מחבר MHF4 לתמיכה באנטנה חיצונית. שני המודולים פועלים מ-_DC‏V‏ 1.7‏ עד _DC‏V‏ 3.5‏, וכל אחד מהם נתון במארז קומפקטי של 14 מ"מ × 10 מ"מ × 1.6 מ"מ.

איור 3: ל-453-00001R (משמאל) יש אנטנת פס מוליך מורשית-מראש בלוח PCB‏, בעוד של-453-00044R (מימין) יש מחבר MHF4 לתמיכה באנטנה חיצונית. (מקור התמונה: Ezurio)

הרדיו רב-הרוטוקולים של המודולים מציע עד 7 דציבלים ביחס להספק שידור (TX) של 1 מיליוואט (dBm) (בצעדים של dB‏ 1‏) ורגישות מקלט (RX) של dBm‏ 94‏- עבור תפוקה Mbit/s‏ 1‏. החומרה מתוכננת ומורשית עבור תחום טמפרטורות תעשייתי של C‏°‏40‏- עד C‏°‏105‏+.

מודולים אלה כוללים גם אבטחה מתקדמת, תמיכה באתחול מאובטח, עדכון קושחה מאובטח ואחסון מאובטח. חיישני ניסיון השחתה משולבים מזהים התקפות פיזיות, בעוד שהמאיצים הקריפטוגרפיים מוקשחים מפני התקפות ערוץ-צד. הם גם עומדים בכל התקנים הבינלאומיים הרלוונטיים והדרישות הרגולטוריות עבור ביצועי BLE ופליטות ורגישות RFI/EMI.

התאמת אנטנה

האנטנה היא רכיב פסיבי שהוא קריטי לתפקוד מודולי BL54L15. מתכננים מסוימים מעדיפים אנטנה להרכבה משטחית מסיבות של ביצועים, מיקום, גודל מארז או עלות, בעוד שאחרים מעדיפים אנטנת פס-מוליך בלוח PCB‏. העדפות אלו הן הסיבה לכך ש-Ezurio מציעה שני מודולים של BL54L15; עם זאת, על המתכננים לנקוט משנה זהירות בעת השימוש בהם.

לדוגמה, ביצועי אנטנת פס-מוליך בלוח PCB‏ המשולבת של ה-453-00001R רגישים לטופולוגיית לוח ה-PCB‏ המארח. חשוב מאוד למקם את ה-453-00001R בקצה לוח ה-PCB‏ המארח כדי לאפשר לאנטנה להקרין כראוי (איור 4). אזור שמור זה הוא ברוחב של כ-5 מ"מ ובאורך של 28.6 מ"מ, עם גובה הדיאלקטרן של לוח ה-PCB‏ (ללא נחושת) של 1.57 מ"מ מתחת למודול 453-00001R.

איור 4: האזור השמור של אנטנת פס-מוליך בלוח ה-PCB‏ (מסומן באדום) עבור מודול 453-00001R הוא קריטי להשגת ביצועים אופטימליים. (מקור התמונה: Ezurio)

Ezurio מעניקה כמה הצעות קריטיות בעת שימוש באנטנת פס-מוליך בלוח PCB‏ עם מארזים מפלסטיק ומתכת כאחד:

• כדי למנוע פגיעה חמורה בכוונון האנטנה, המרחק המינימלי הבטוח למתכות הוא 40 מ"מ מלמעלה/למטה, ו-30 מ"מ משמאל ומימין.
• מתכת הקרובה לאנטנה מונו-פולרית פס-מוליך בלוח PCB‏ (בכל כיוון) תפגע בביצועי האנטנה. כמות הפגיעה תלויה לחלוטין במערכת; והמתכננים יצטרכו לבצע בדיקות עם היישום המארח שלהם.
• כל מתכת הקרובה יותר מ-20 מ"מ לאזור השמור תתחיל לפגוע משמעותית בביצועים (S11, הגבר, יעילות קרינה).
• בדקו את הטווח בעזרת דגם או אב טיפוס של המוצר כדי להעריך את ההשפעות של גובה המארז והחומר (מתכת או פלסטיק), כמו גם של הארקת לוח ה-PCB‏ המארח.

כחלופה ל-453-00001R, המתכננים יכולים לבחור את מודול 453-00044R BL54L15 עם המחבר המיקרו-קואקסיאלי MHF4 שלו. אפשרות אנטנה חיצונית מתאימה כוללת את האנטנה EMF2449A1-10MH4L‏ בהרכבה משטחית (איור 5, משמאל) (36 × 12 × 0.1 מ"מ), הכוללת לוח PCB‏ גמיש עבור מארזים מעוקלים מוגבלי-מקום. אפשרות אנטנה נוספת היא ה-EBL2400A1-10MH4L‏ (איור 5, מימין) (44.45 מ"מ × 12.7 מ"מ × 0.81 מ"מ). אנטנה זו משלבת משטח הארקה במבנה המהוד שלה, ובכך מבטלת את הצורך במשטח הארקה נוסף כדי להקרין ביעילות.

איור 5: בין אפשרויות האנטנה הזמינות עבור מודול 453-00044R נמצאות אנטנת לוח מעגלים גמישה EMF2449A1-10MH4L (משמאל) ואנטנת EBL2400A1-10MH4L עם משטח הארקה אינטגרלי (מימין). (מקור התמונה: Ezurio)

בנוסף לחיבוריות BLE, סדרת BL54L15 תומכת בתגי-Zigbee ו-NFC-A‏.

לוחות הערכה ותמיכת תוכנה

כדי להאיץ את מחזור פיתוח המוצר המלא, Ezurio מציעה שני לוחות הערכה. אלו הם ה-‎453-00001-K1‏ (איור 6) עבור ה-453-00001R עם אנטנת פס-מוליך בלוח ה-PCB‏ המשולב שלו, וב-‎453-00044-K1‏ עבור ה-453-00044R עם אנטנה בהרכבה-משטחית.

איור 6: מוצג לוח הפיתוח ‎453-00001-K1‏ עבור מודול BLE‏ ‎453-00001-K1‏. (מקור התמונה: Ezurio‏)

סיכום

ה- BLE הפך לתקן ופרוטוקול אלחוט חיוניים עבור חיבורים קצרי-טווח בהספק-נמוך.  Ezurio מציעה למתכננים מודולי BLE קומפקטיים, לוחות הערכה ותוכנה עבור שילוב מהיר ויעיל של BLE במוצרים סופיים.