Schwerpunkte

Neuer Mikrocontroller von Espressif

WiFi für einen Dollar

11. Februar 2020, 14:33 Uhr   |  Von Stefan Tauschek


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Der neue Prozessorkern: Xtensa LX7

In vergleichbaren Mikrocontrollern sind fast ausnahmslos ARM-Prozessorarchitekturen verbaut, Espressif hat dagegen von Anfang an auf Tensilica-Prozessorkerne gesetzt. So wurde im ESP8266 der mit 160 MHz getaktete Xtensa LX106 eingesetzt und im ESP32-DxWD der Xtensa LX6 mit zwei Kernen, getaktet mit maximal 240 MHz.

Im neuen ESP32-S2 ging Espressif wieder auf einen Prozessorkern zurück, integrierte aber den neueren und etwas leistungsfähigeren LX7-Kern. Damit geht natürlich die Möglichkeit echt nebenläufiger Prozesse [3] verloren, aber man profitiert immerhin von den Verbesserungen des neuen Prozessors LX7.

In die neue Prozessorplattform LX7 [4] hat Cadence auch den aktuellen DSP »Vision P6« für die Bild- und CNN-Verarbeitung (Convolutional Neural Network) sowie den neuen DSP »Fusion G3« für allgemeine Fest- und Gleitkommaanwendungen aufgenommen. Man darf gespannt sein, wie weit Espressif das alles im ESP32-S2 implementiert hat und mit einem neuen Repository seiner Entwicklungsumgebung (ESP-IDF 4.0) unterstützt.

Neben weiteren Innovationen zur Sensorfusion steigert der Xtensa LX7 die üblichen Steuerungsleistungs-Benchmarks um mehr als 15 % und vereinfacht die SoC-Einbindung durch zahlreiche architektonische Verbesserungen. Dazu gehört ein neuer integrierter DMA-Controller (iDMA), der das AMBA AXI4-Protokoll umfassender unterstützt und damit die Integration von Tensilica-Prozessoren in Anwendungsprozessoren, Schnittstellen-IP und den zugehörigen komplexen Verbindungsstrukturen vereinfacht.

Den integrierten RAM- und ROM-Speicher hat Espressif bei seinem neuen SoC erheblich verkleinert – aus den 520 KByte SRAM wurden beim S2 320 KByte und aus 448 KByte ROM bleiben noch 128 KByte zum Booten und für Kern-Funktionen. Allerdings wurde die Möglichkeit zur Anbindung externen Flash- und SRAM-Speichers – PSRAM und SPI NOR-Flash – erheblich erweitert, es können jetzt von beiden Speicherarten bis zu 1 GByte extern verwendet werden.

Laufzeitmessung oder 802.11mc

Mit dem ESP32-S2 adressiert Espressif vor allem Smart-Home-Anwendungen, also Produkte wie steuerbare Leuchtmittel, Türschlösser, Steckdosen, Haushalts- und Küchengeräte aber auch Videosignalübertragungen, z.B. einfache Überwachungskameras. Da für dieses Anwendungsfeld fast ausschließlich WiFi gebraucht wird, hat Espressif beim S2 auf einen Bluetooth-Transceiver verzichtet.

Zwar hat auch der ESP32-DxWD nur eine HF-Eingangsstufe und er kann WiFi und Bluetooth nicht wirklich gleichzeitig betreiben, doch ist es dank einem ausgeklügelten Multiplexverfahren möglich, quasi-simultan beide Übertragungswege zu nutzen. Diese Ausstattung nutzt beispielsweise ESP-Touch [5], um WiFi-Geräte in der Erstkonfiguration mittels Bluetooth-Verbindung zu iOS- oder Android-Apps parametrisieren zu können.

Weiterhin arbeitet die HF-Eingangsstufe beim S2 nur im 2,4-GHz-Band (802.11b/g/n) mit maximal 150 Mbit/s, es sind aber einige Erweiterungen implementiert, vor allem des 802.11n-Standards. Ein Dual-Band-IC steht bei Espressif auf der Entwicklungs-Roadmap, doch gibt es bislang noch keine verbindliche Angabe zum Termin.
Die HF-Sendeleistung des S2 ist justierbar, was Optionen für das Power-Management eröffnet, denn Sendeoperationen gehören mit deutlich über 100 mA Stromaufnahme zu den Energiefressern von IoT-Anwendungen. Die neue HF-Eingangsstufe verfügt zudem über eingebaute Kalibrierroutinen und vereinfacht damit Test- und Zulassungsroutinen der mit dem SoC ausgestatteten Geräte.

Zur Verbesserung der Übertragungsqualität unterstützt der ESP32-S2 Antennendiversität – es können zwei Antennen über einen externen HF-Schalter angeschlossen werden, die durch ihre jeweils unterschiedliche Position unterschiedliche Signalstärken und damit unterschiedliche Übertragungsqualitäten liefern. Über sein RSSI-Signal (Received Signal Strength Indication) entscheidet sich der ESP32-S2 für die jeweils aktuell »bessere« Antenne und schaltet diese Antenne an seinen HF-Eingang [6].

Wichtig für viele Anwendungen im Bereich IoT und Gebäudeautomatisierung ist eine Möglichkeit, topografische Positionen in Bezug auf Zugangsknoten innerhalb von Gebäuden zu ermitteln, um damit eine Navigation im Gebäude zu realisieren. Und zu diesem Zweck wurde im S2 das Protokoll 802.11mc implementiert, das sogenannte Fine Time Measurements (FTM) der Round Trip Time (RTT) ermöglicht, zusammengefasst unter dem Begriff Laufzeitmessung (Time of Flight, ToF) und zwingende Voraussetzung für eine halbwegs genaue Positionsbestimmung innerhalb von Gebäuden [7].

Bislang gab es zwei unterschiedliche Methoden, die Entfernung eines WiFi-Knotens zum nächsten Zugangsknoten zu bestimmen. Beide sind recht unzuverlässig:
Die naheliegende Methode setzt auf die Empfangsfeldstärke, den RSSI-Wert, der mit steigender Entfernung invers quadratisch abnimmt. Leider unterliegt der RSSI-Wert noch zahlreichen anderen Einflüssen von ähnlicher Größenordnung, wodurch sich die Beziehung Entfernung zu RSSI eher als Wolke zeigt denn als saubere, liegende Parabel.

Die zweite Methode nutzt die CSI-Werte (Channel State Information) der empfangenen Präambel. Enthalten sind, aufgrund der OFDM-Modulation, 56 komplexe Werte, in denen sich mehr Informationen über die Entfernung bzw. Übertragungsqualität befinden als im simplen RSSI-Wert. Allerdings zeigt die Praxis, dass sich auch damit keine zuverlässige Positionsbestimmung realisieren lässt.
Die Methode im 802.11mc-Standard misst die Zeit die benötigt wird, um ein Paket vom Zugangsknoten zum Gerät und wieder zurück zu senden (Round Trip Time) [8] (Bild 3). Elegant an dieser Methode ist, dass die Uhren (RTC, Real Time Clock) von Zugangsknoten und Gerät nicht synchronisiert werden müssen, weil nur die jeweiligen Differenzzeiten in die Berechnung eingehen. Die erzielbare Genauigkeit liegt bei immerhin 1 m.

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1. WiFi für einen Dollar
2. Der neue Prozessorkern: Xtensa LX7
3. Ultra-low-Power-Coprozessor mit RISC-V-Architektur

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