Bluetooth-IoT-Applikationen erstellen

Prototyping mit Entwickler-Kit

13. Dezember 2021, 10:30 Uhr | von Rolf Horn, Applications Engineer bei Digi-Key Electronics
Bluetooth Embedded
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Für das Entwickeln von IoT-Applikationen und -Geräten benötigen Entwickler Zeit und Kreativität. Hilfreich sind zudem geeignete Werkzeuge und Entwicklerplattformen. Silicon Labs und Digi-Key arbeiten zusammen, um Entwickler mit den nötigen Tools zu unterstützen.

Entwicklern eröffnen sich mit vernetzten Plattformen und Produkten neue Optionen, IoT-Anwendungen umzusetzen. Grundlage für das Implementieren von energieeffizienten, produktreifen Designs sind Prozessoren, diverse Möglichkeiten der Vernetzung sowie Hardware-Komponenten.

In der frühen Phase des Produktlebenszyklus müssen Entwickler Prototypen aufbauen. Sie sind für frühe Konzeptnachweise und eine kundenspezifische Software-Entwicklung unerlässlich. Für den Aufbau von Prototypen eignen sich flexible Plattformen. Sie müssen auf den gleichen Bausteinen wie die spätere Hardware basieren.

Der Artikel zeigt, wie Entwickler mit Hard- und Software von Silicon Labs schnell und einfach Prototypen von vernetzten IoT-Geräten entwickeln können. Grundlage hierfür sind leicht erhältliche, handelsübliche Erweiterungskarten.

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Explorer Kit
Bild 1: Mit dem Explorer Kit von Silicon Labs können Entwickler Prototypen aufbauen und diverse Hardware-Konfigurationen evaluieren.
© Silicon Labs | Digi-Key

Start mit Entwicklerkit

Mit dem Explorer Kit ist es möglich, Anwendungen auf Bluetooth-Basis zu entwickeln. Es enthält

  • das Wireless-Gecko-Modul BGM220P von Silicon Labs,
  • das Debugging Tool J-Link von Segger,
  • einen Taster,
  • eine Leuchtdiode (LED) sowie
  • mehrere Erweiterungsoptionen (Bild 1).

Das Modul BGM220P adressiert kleine batteriebetriebene IoT-Geräte. Es integriert das Bluetooth-Funk-SoC »Blue-Gecko EFR32BG22«, das Eigenschaften wie eine geringe Leistungsaufnahme, Funktionen für Bluetooth-Einfalls- und -Austrittswinkel sowie eine Ortungsgenauigkeit von weniger als einem Meter aufweist. Entwickler können das Modul ebenso als eigenständiges System betreiben. In Zusammenhang mit dem SoC stehen 512 kB Flash-Speicher, 32 kB RAM, Hochfrequenz- (HF) und Niederfrequenz- (NF) Quarze, ein 2,4-GHz-Netzwerk sowie eine Keramikantenne bereit (Bild 2).

Modul BGM220P
Bild 2: Das Modul »BGM220P« von Silicon Labs kann als eigenständiges System zum Einsatz kommen und kombiniert das SoC »EFR32BG22« mit zusätzlichen Komponenten.
© Silicon Labs | Digi-Key

Das Modul kann entweder als eigenständiger Host für IoT Designs dienen oder als Netzwerk-Koprozessor (NCP) für einen Host-Prozessor – er ist über die UART-Schnittstelle des Moduls anzuschließen. Ein integrierter Bluetooth Stack führt drahtlose Dienste für Standalone Designs aus oder verarbeitet vom Host empfangene Befehle, falls es ein NCP-Design ist.

Funk-SoC hilft beim Energie sparen

Das SoC Blue-Gecko EFR32BG22 des BGM220P-Moduls läuft auf einem 32-bit-Arm-Cortex-M33-Kern. Außerdem integriert es ein 2,4-GHz-Funkgerät, Sicherheits- und Energiemanagement-Subsysteme sowie mehrere Timer und Schnittstellenoptionen. Es wurde speziell für batteriebetriebene Designs mit geringer Leistungsaufnahme entwickelt. Hierfür verfügt es über mehrere Energiemanagement-Funktionen. Sie ermöglichen einen Betrieb mit Knopfzellenbatterien für bis zu zehn Jahre.

Energiemanagementeinheit
Bild 3: Die Energiemanagementeinheit des SoC steuert die Übergänge zwischen den verschiedenen Energiesparmodi.
© Silicon Labs | Digi-Key

Betrieben wird das SoC mit einer externen Spannungsquelle – außerdem nutzt es seine Energieoptionen, um selbst interne Versorgungsspannungen zu erzeugen. Während des Betriebs steuert die Energiemanagementeinheit die Übergänge zwischen den fünf Energiemodi (EMs) des SoC. Jeder Modus reduziert die Leistungsaufnahme weiter, indem es immer weniger aktive Funktionsblöcke aufrechterhält. Also vom aktiven (EM0) in den Schlaf- (EM1), Tiefschlaf- (EM2), Stopp- (EM3) oder Abschaltmodus (EM4), dargestellt in Bild 3.

Die Energiesparmodi

Im aktiven Modus – EM0 – bei 76,8 MHz und 3 V unter Verwendung des internen DC/DC-Wandlers zieht das SoC 27 μA/MHz. EM0 ist der normale Betriebsmodus und der einzige, in dem der Cortex-M33-Prozessorkern und alle Peripherieblöcke verfügbar sind.
Im Ruhezustand (EM1) bleiben erst einmal alle Blöcke aktiv. Wechselt das System in die Modi EM2 bis EM4, schalten sich nach und nach immer mehr Blöcke ab: Das führt zu weniger aktiven Takten und Funktionsblöcken und somit zu einer deutlich geringeren Leistungsaufnahme:

  • 17 μA/MHz im Ruhemodus (EM1)
  • 1,40 μA im Tiefschlafmodus (EM2) mit 32 kB RAM-Erhalt und Echtzeituhr (RTC)
  • 1,05 μA im Stoppmodus (EM3) mit 8 kB RAM-Erhalt und RTC
  • 0,17 μA im Abschaltmodus (EM4)

  1. Prototyping mit Entwickler-Kit
  2. Aufwach- und Eintrittszeit

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