Diseño del Bluetooth® de baja energía 101: Desde chipsets hasta pilas de protocolo hasta módulos

El Bluetooth de baja energía o BLE, también conocido como Bluetooth Smart, se ha convertido en un elemento clave para dispositivos para vestir conectados, dispositivos inteligentes y etiquetas de proximidad. El estándar inalámbrico de corto alcance está diseñado para reducir el consumo de energía mediante conexiones más rápidas que transfieren cantidades de datos más pequeñas con menor latencia.

El hecho de que el Bluetooth Smart tiene como objetivo gastar alrededor de una décima parte de la energía en comparación con las conexiones del Bluetooth clásico solo demuestra la escala de esfuerzos de ingeniería que se están realizando para adaptar este mecanismo de conectividad inalámbrica para aplicaciones de factor de forma pequeño (Figura 1).

Bluetooth Smart utiliza un índice de bit de enlace de 1 Mbit/s y un rendimiento de las aplicaciones de 800 Kbit/s. Aquí, el índice de caída de bit de se compensa con la reducción de la latencia a 6 ms en comparación con 100 ms en la especificación del Bluetooth clásico. Gracias a estas innovaciones, el Bluetooth Smart está pasando de ser un vehículo de conectividad en los diseños para vestir usuales como relojes inteligentes y pulseras a una variedad más amplia de aplicaciones para vestir y de la Internet de las cosas (IoT).

Figura 1: El Bluetooth Smart o BLE ha evolucionado desde los protocolos existentes para servir a los dispositivos IoT y para vestir (cortesía de Aislelabs).

Por ejemplo, los sensores para vestir en una plataforma de juegos en movimiento de realidad virtual (VR) ahora usan las conexiones Bluetooth Smart para transferir datos a los auriculares inalámbricos con la mínima latencia. Luego, hay dispositivos auditivos que utilizan los enlaces BLE para realizar ajustes de sonido, enviar alertas, controlar el estado de la batería y realizar cambios de programas en un teléfono inteligente.

Las señales, los sensores remotos y los pasaportes biométricos para vestir son otros focos de actividad para la tecnología Bluetooth Smart donde facilita un sinfín de aplicaciones de comercio y publicidad móviles, de boletos, de cierre de puertas y otras aplicaciones de seguridad. Aquí, un dispositivo capaz de usar Bluetooth Smart (un teléfono inteligente, una computadora portátil, etc.) puede monitorear la ubicación, la aceleración y la proximidad de cualquier dispositivo etiquetado en un radio de 5 a 30 metros.

La última versión—La especificación de Bluetooth v4.2—está sentando las bases para la próxima generación de aplicaciones IoT y para vestir al permitir que más dispositivos o “cosas” se conecten en el mundo hiperconectado. Para empezar, prolonga los índices máximos de datos a 800 Kbit/s, que es 2.6 veces más rápido que las versiones previas y permite registros de datos más rápidos desde los sensores así como actualizaciones de firmware más rápidas.

Simplificación del diseño del BLE

Una nueva oferta de soluciones BLE integrales, que van desde el silicio hasta las pilas de software hasta los módulos, está añadiendo mejoras clave en el diseño del BLE desde las perspectivas de conectividad, seguridad y consumo de energía. Comencemos con la seguridad; no obstante, como ya se ha identificado claramente como un gran desafío para la IoT.

Bluetooth v4.2 viene con varias actualizaciones de seguridad, lo que al mismo tiempo dificulta el rastreo de dispositivos mediante conexiones Bluetooth. En primer lugar, viene con mecanismos de autenticación al nivel del Bluetooth clásico y permite la vinculación de dispositivos solo cuando las conexiones son del todo seguras.

En segundo lugar, ofrece vinculación automática así como comunicación de modo dual que facilita la vinculación en un modo abierto y requiere mayor seguridad para las transferencias de datos en un modo cerrado. Otra característica fundamental, en la intersección de la seguridad y la eficiencia energética, exige que las señales o etiquetas de proximidad requieran permiso de los dispositivos con los que se comunicarán.

Gracias a esa privacidad y funciones de filtrado, los chipsets Bluetooth Smart pueden activarse solo cuando un objeto designado como seguro entra en la proximidad del usuario. Además, los nuevos subsistemas BLE absorben la potencia incremental mientras que conservan la energía al cerrarse cuando no están en uso.

Figura 2: Los módulos y SoC con Bluetooth altamente integrados le permiten incorporar con rapidez enlaces BLE en los diseños IoT y ponibles. (Fuente de la imagen: Cypress Semiconductor)

Los chipsets con Bluetooth Smart ahora se pueden alternar entre varios modos de energía: activo, reposo, reposo profundo, hibernación y detención, para mantener controlado el uso de energía. Por ejemplo, el chip Bluetooth puede saber cuándo poner el dispositivo en modo “reposo profundo” si la CPU está apagada, pero el enlace BLE todavía está activo.

Es posible que un chip Bluetooth Smart, cuando se pone en modo reposo profundo, consuma menos de 500 nA mientras mantiene los datos en la memoria de retención. Por otro lado, los modos hibernación y detención interrumpen la conexión mientras que le permiten al chip consumir corriente en el rango de nanoamperios.

Como se mencionó, el costo de desarrollo y el espacio de la placa son los otros dos grandes desafíos que afrontan los diseños del BLE. Aquí, las soluciones de un solo chip Bluetooth y los módulos altamente integrados compatibles con la última versión de las especificaciones de Bluetooth ayudan a los diseñadores a optimizar el espacio de la placa y ahorrar costos en cuanto a una BOM inferior y menor tiempo de desarrollo.

Soluciones de un solo chip BLE

El uso de chips múltiples es contrario al diseño del BLE, tanto desde la perspectiva de la eficiencia energética como de la propiedad, por lo tanto, debe buscar sistemas en chip (SoCs) de energía ultra baja que combinen una arquitectura de procesador innovadora con circuitos de radio de protocolos múltiples que reduzcan costos, espacio ocupado y consumo de energía.

En estos SoC, el procesador integrado maneja funciones de control como la ejecución de modos de energía que satisfacen necesidades particulares en determinados momentos. Luego, con suficiente capacidad de memoria, ejecuta pilas calificadas de protocolo de Bluetooth Smart que incluyen seguridad y perfiles múltiples. El único CI también proporciona memoria para almacenamiento de datos y software de aplicación del cliente. Si se hace todo esto a bordo, se elimina la necesidad del segundo microprocesador, con los costos asociados, consumo de energía y pérdidas de energía de la interfaz de datos.

A continuación, el radio Bluetooth de protocolos múltiples le permite a los diseñadores optimizar los enlaces BLE para la transferencia de datos de funciones críticas mientras soporta aplicaciones de latencia baja como transferencia de audio con un protocolo de propiedad de 2.4 GHz. Con un incremento en la intensidad de la señal y un enfoque de transferencia de datos de múltiples facetas, podrá reducir la pérdida de vida útil de la batería mientras el rango de transmisión se mantiene constante.

Por supuesto, si tiene poca experiencia en Bluetooth o diseño RF en general, los SoC altamente integrados lo ayudan a abordar desafíos comunes de diseño y agregar de manera cómoda conectividad BLE a su diseño. Es más, los SoC con Bluetooth ofrecen sensibilidad mejorada del radio, mayor alcance y, sobre todo, un sistema de gestión de la energía completamente automático.

Figura 3: El SoC con Bluetooth de baja energía de Cypress está orientado a aplicaciones IoT y ponibles basadas en sensores.

Un buen ejemplo es el chipset PSoC 4 BLE de Cypress Semiconductor. Este integra front-ends analógicos, lógica digital, un radio Bluetooth Smart y un sensor capacitivo llamado CapSense. Este microcircuito, basado en un procesador ARM® Cortex®-M0, también incluye una pila de protocolo BLE libre de regalías que es compatible con la especificación del Bluetooth 4.2.

Cypress está trabajando para que a usted le resulte más fácil mediante la creación de un ecosistema de diseño completo alrededor del PSoC 4 que empieza con un módulo. El módulo EZ-BLE PSoC incluye el chip PSoC 4 BLE, una antena, cristales y todos los componentes pasivos necesarios para crear un subsistema Bluetooth para enchufar y usar.

Figura 4: Los módulos EZ-BLE de Cypress Semiconductor incluyen una amplia variedad de módulos programables completamente integrados y certificados que simplifican y aceleran el diseño, con cristales a bordo, antena de rastreo, escudo y pasivos. Para la perspectiva, los módulos de 10 x 10 x 1.80 mm son más pequeños que un centavo de EE.UU.

Además, Cypress proporciona una placa de evaluación que le permite a los ingenieros desarrollar y evaluar las aplicaciones en el módulo EZ-BLE PSoC. La placa de evaluación facilita la creación sencilla de prototipos mediante el enrutamiento de GPIO a componentes como CapSense, LED e interruptores. Alrededor de eso, envuelve la interfaz de usuario gráfica y de diseño rápido de PSoC Creator (Figura 5).

Figura 5: La herramienta PSoC Creator de Cypress facilita un diseño rápido, en este caso un monitor de frecuencia cardíaca BLE con un front-end análogo personalizado (AFE). (Fuente de la imagen: Cypress Semiconductor)

La herramienta proporciona componentes prediseñados en una interfaz gráfica para arrastrar y soltar y una vez que se completa el diseño, genera un conjunto de interfaces de programación de aplicaciones (API) para cada componente en el esquema. El componente BLE simplifica la configuración de perfiles y pilas.

Módulo: Un subsistema BLE completo

Es bueno para los diseñadores a los que los proveedores de los SoC con Bluetooth Smart como Atmel, Cypress y Silicon Labs también les ofrecen módulos. También es bueno para ellos, los CI y le proporcionan más valor, en cuanto a costos, espacio ocupado y baja energía. Tanto que los módulos BLE son en realidad la próxima frontera de diseño en suministrar un subsistema de hardware completo para dispositivos para vestir y productos IoT.

Los módulos incorporan hardware y firmware necesarios para el desarrollo de aplicaciones basadas en BLE. Combinan un SoC con Bluetooth Smart con antena e interfaces para conectar periféricos y sensores. Estos módulos están precalificados y les permiten a los diseñadores evitar el diseño de antena y los procesos de aprobación complejos.

Dicho esto, es posible que encargarse de la comunicación por RF a través de la antena Bluetooth aún sea complicado. El diseño de la antena es fundamental en el Bluetooth porque tiene que montarse en una posición específica con un perfil de salida específico. De lo contrario, si la antena se entierra en un lugar equivocado en la placa, el rendimiento puede verse seriamente afectado (potencia radiada de salida y sensibilidad de recepción) y, luego, la vida útil de la batería.

Varios módulos BLE ahora vienen integrados con el front-end que combina antena de chip de cerámica, filtro de paso bajo y balun compatible. Un balun empareja antenas mediante la conversión de señales entre modos balanceados y no balanceados. Eso reduce significativamente los armónicos y las emisiones espurias que, a su vez, le permite a los diseños para vestir reducir el espacio ocupado de diseño general.

Por ejemplo, el módulo frontal (FME) SKY66111-11 de Skyworks Solutions incluye un interruptor de antena y TX/RX, filtro y amplificador (Figura 6). Lo más probable es que lo encuentre junto a radios Bluetooth de Nordic Semiconductor, Dialog Semiconductor, Texas Instruments y otros. El módulo frontal elimina las malas conexiones con los CI Bluetooth del host y reduce el consumo de energía hasta 10 mA a +10 dBm.

Figura 6: El SKY66111-11 de Skyworks Solutions es un buen ejemplo de un módulo frontal de RF (FEM) que usted debería agregar a un SoC para ampliar el alcance. Parece sencillo pero está altamente integrado y desempeña una función esencial en el dominio de RF en lo relativo al rendimiento.

Mientras que el módulo EZ-BLE de Cypress mide 10 x 10 mm, el FEM de Skyworks solo añade 3.3 x 3.0 mm, incluso con 20 clavijas. Se opera desde 1.8 a 5 V y tiene una corriente de apagado inferior a 1 µA. En uso, debe tener cuidado de no sobrecargar el interruptor al aplicar demasiada RF en la entrada. En cambio, comience con una potencia de entrada de -20 dBm e incremente desde aquí.

A continuación, tome el módulo Bluetooth de baja energía Blue Gecko BGM113 de Silicon Labs que combina un microcircuito inalámbrico Blue Gecko de 2.4 GHz con una antena de chip de alta eficiencia, de nuevo, para minimizar el esfuerzo y tiempo de desarrollo. El módulo viene con una pila de software compatible con Bluetooth 4.1, pero es software actualizable hasta Bluetooth 4.2. Además de eso, Silicon Labs ofrece herramientas de desarrollo como Energy Profiler y Packet Trace.

Figura 7: El módulo Blue Gecko BGM113 de Silicon Labsis es unaplataforma montada y probada de antemano que viene con certificaciones, una antena y una pila a bordo.

El BGM113 viene con su propio convertidor CC-CC y también destaca la seguridad, con un acelerador de cifrado de hardware autónomo y un verdadero generador de números aleatorios (TRNG).

Conclusión

Está claro que cuando se trata de llegar al mercado de manera rápida y confiable, los módulos Bluetooth Smart y los módulos frontales adjuntos son un camino excelente hacia el éxito. Tanto los diseñadores como los distribuidores y proveedores lo saben y están proporcionando los sistemas de apoyo necesarios y ecosistemas de software para que ocurra la innovación, incluso más rápido. Después de haber combinado la atención a los detalles en el diseño, los componentes adecuados y el desarrollo de software, usted está al mando cuando se trata de aplicaciones creativas para vestir, para el hogar conectado y muchas otras aplicaciones IoT.