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Bluetooth-Low-Energy

SoC für einen elektronischen Würfel

11. Juli 2014, 17:06 Uhr | Alfred Goldbacher

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Single-Chip-Lösung erhielt den Vorzug

Auf der Suche nach geeigneten BLE-Chips wandte sich Dog Back an die niederländische Rutronik-Niederlassung in Gorinchem. In seinem Wireless Competence Center bündelt der Distributor langjährige Expertise zu allen gängigen Wireless-Technologien und -Produkten; die entsprechenden Komponenten sind alle bei Rutronik erhältlich. Das Wireless-Portfolio umfasst GSM/UMTS/LTE- und GNSS/GPS-Module ebenso wie die Kurzstrecken-Technologien Bluetooth, ZigBee, WLAN/WiFi und andere, außerdem RFID- sowie NFC-Produkte. Unter „Rutronik Embedded“ erhalten Kunden auch alle anderen Komponenten für Embedded-Systeme, z.B. intelligente Sensoren, Embedded Boards, Storage und Displays, smarte Energiespeicherlösungen sowie spezielle Lösungen zur Gestenerkennung.

Dog Back entschied sich schließlich für das Multiprotokoll-SoC nRF51822 (Bild 2) von Nordic Semiconductor, das auf energiesparende und sehr kleine Applikationen ausgelegt ist. Vor allem überzeugte die Entwickler der Ein-Chip-Ansatz, der BLE Transceiver mit dem 32-bit-Mikrocontroller Cortex-M0 von ARM auf einem Chip vereint. Von Vorteil waren auch die vielseitigen Support Tools wie das Nordic Master Control Panel. Es besteht aus einem BLE-Adapter (Dongle), der die Kommunikation mit Tablets und Smartphones ermöglicht. Der „Nordic BLE Sniffer“ überprüft darüber hinaus, welche Datenpakete tatsächlich über den BLE Link übertragen werden. Als offizieller Vertriebspartner half Rutronik, den ersten Kontakt zu Nordic herzustellen, und stand im Anschluss bei allen technischen und kommerziellen Fragen zur Verfügung. Nordic übernahm die Vorselektion und lieferte zunächst Muster für Tests und Evaluierungen.

Das nRF51822 ist hoch flexibel und in Verbindung mit den von Nordic kostenlos angebotenen Stacks sehr energieeffizient. Es unterstützt sowohl BLE-Protokoll-Stacks als auch andere 2,4-GHz-Protokoll-Stacks. Zusätzlich lässt sich auch das Open-Source-Protokoll namens Gazell einsetzen. „Durch die ausgereiften und erprobten Protokoll-Stacks wird der nRF51822 zu einem echten Superchip“, betont Vincent Busschers, Field Sales Engineer bei Rutronik. „Alle Stacks brauchen nur sehr wenig Energie. Mit dem BLE-Stack S110 von Nordic reduziert sich die Stromaufnahme beim nRF51822 im Vergleich zum Vorgängermodell nRF8001 sogar um bis zu 50 Prozent.“ Die BLE-Chips benötigen für ihren Betrieb nur eine einzelne Stromquelle. Für den Datentransfer von eDICE zu Tablet reicht eine wiederaufladbare, 0,61 cm3 große Lithium-Ionen-Knopfzelle mit einer Spannung von 3 V aus.

Zudem punkten sie mit ihren sehr kleinen Abmessungen: In 3,5 × 3,8 mm² großen 64-Ball Wafer-Level Chip Scale Packages ermöglicht der nRF51822 so ein sehr kleines Würfel-Design von gerademal 20 × 20 × 20 mm3. Im eDICE ist das SoC zusammen mit Beschleunigungsmesser, Antenne, Balun, Power Management und LEDs auf zwei 15 × 15 mm² großen Leiterplatten untergebracht. Um die Abmessungen der Leiterplatten auf ein Minimum zu reduzieren, verwendete Dog Back zudem ein Power Management IC, das einen VLDO-Spannungsregler mit einem Battery Energy Manager in einem Gehäuse vereint.

Einfache Programmierung inklusive

Dog Back wählte das nRF51822 mit einer Flash-Speicherkapazität von 256 KB aus. Etwa 80 KB dieses Speichers belegen Protokoll-Stacks. Die restlichen ca. 170 KB Flash konnten die Entwickler für ihre eigentlichen Anwendungen verwenden. Für die unterschiedlichen Aufgaben hinterlegten sie in der Empfangseinheit bzw. im Steuergerät verschiedene Profile. So zeigt beispielsweise das Profil „Battery Alert Service“ die restliche Laufzeit des Akkus an. Um relevante Daten vom eDICE aufnehmen zu können, wurde ein von Dog Back entwickeltes, benutzerdefiniertes Profil mit BLE-Notify-Funktion einprogrammiert.

Darüber hinaus lässt sich mit dem Profil „Device Information Service“ die Software-Versionsnummer über BLE Link abrufen. Die Profile ermöglichen es dem eDICE und dem Tablet, problemlos miteinander zu kommunizieren. Dabei erfasst ein MEMS-Beschleunigungssensor nach jedem Wurf die Ausrichtung des Würfels, so dass die integrierte Software die gewürfelte Augenzahl ermitteln kann. Die Ergebnisse werden über BLE an das Tablet übertragen, das alle fünf Werte gleichzeitig empfängt und verarbeitet.

Aktivieren lässt sich der eDICE nur dann, wenn er langsam in eine spezielle Richtung gedreht wird. Energieraubende Fehlstarts, zum Beispiel beim Transport, lassen sich so ganz einfach verhindern. „Bei der Implementierung der Profile arbeiteten wir direkt mit Nordic zusammen“, verrät Hoonakker. „Gerade weil wir sehr neue Technologien und teilweise noch nicht offiziell freigegebene Bauteile einsetzten, war hier die offene und direkte Kommunikation zwischen Hersteller, Distributor und unseren Entwicklern enorm wichtig.“
Alle Aufgaben werden von dem im nRF51822 integrierten ARM Cortex-M0 mit 16 KB RAM abgearbeitet. Die bekannte und unkomplizierte Programmierumgebung erlaubt eine flexible und kundenspezifische Gestaltung der Anwendungen. Ein zusätzlicher externer Mikrocontroller ist dank der 31 integrierten GPIOs, die sich individuell verschiedenen Pins zuordnen lassen, sowie PWM, ADC und weiterer Funktionen überflüssig.

Die Kombination mit dem Cortex-M0 war für Dog Back ein entscheidendes Kriterium: Mit der intelligenten Hardware-Struktur konnten die Designer ihre Würfel-Idee nicht nur sehr einfach umsetzen, sondern zusätzlich Platz, Kosten und Energie einsparen. Über einen Mikro-USB-Anschluss lässt sich der eDICE aufladen und programmieren.
Die vor kurzem veröffentlichte BLE-S110-Stack-Version 7 bietet zudem die Möglichkeit eines Firmware Update Over The Air (FOTA). Ein Update der Firmware ist so ohne Demontage des Würfels möglich.