Construcción de dispositivos portátiles con módulos inalámbricos

La capacidad de integrar conexión y procesamiento en los dispositivos que usamos es un elemento cada vez más importante de muchos diseños, y los módulos con la versión más reciente de protocolos inteligentes Bluetooth 4.0 ofrecen a los diseñadores de sistemas portátiles una manera rápida y fácil de implementar la conectividad adecuada.

Los módulos precertificados como el PAN1326 de Panasonic y el BLE112 de BlueGiga permiten que el elemento inalámbrico del diseño pueda ser manipulado directamente y de forma sencilla sin tener que pasar por un complejo diseño de antena y un proceso de aprobación. Mientras que esto puede no resultar adecuado para los dispositivos portátiles más pequeños, con limitaciones de espacio, los módulos tienen un importante papel que desempeñar en muchas esferas, como los monitores de ritmo cardíaco portátiles, los sensores de presión arterial y los accesorios móviles. Los diseñadores de estos módulos también han optimizado la administración de energía y la interfaz inalámbrica mediante el uso de software incorporado para producir el menor consumo de energía. Esta optimización ahorra gran cantidad de tiempo en el proceso de desarrollo.

Los dispositivos portátiles también atraviesan fases relacionadas con la moda, así que es muy importante contar con la capacidad de cambiar fácilmente el diseño para cumplir con los últimos requisitos de la moda sin tener que atravesar el proceso de aprobación.

El estándar Bluetooth Low Energy (BLE) está diseñado para reducir el consumo de energía, al establecer conexiones muy rápidas y transferir pequeñas cantidades de datos. Utilizando estas técnicas, el consumo de energía se reduce a una décima parte del consumo experimentado por el Bluetooth clásico. Los dispositivos de Bluetooth de baja energía (BLE) se pueden colocar en modo desactivado y activarse para actividades como enviar archivos a una puerta de enlace, a una computadora o a un teléfono móvil. La optimización de la gestión de energía en un módulo como el PAN 1326 proporciona un consumo de energía máximo de menos de 15 mA y un consumo medio de energía de tan sólo 1 µA. Esto permite que una pequeña batería tipo botón, como por ejemplo una CR2032 alimente un dispositivo portátil durante al menos 10 años.


La serie PAN1326/1316 de interfaz controlada por host (HCI) también utiliza el dispositivo CC2564 de Texas Instruments en un formato de módulo fácil de utilizar con un espacio en placa de sólo 85.5 mm² con la antena incluida. Los módulos están diseñados para alojar un paso de almohadilla de PCB de 1.3 mm y un mínimo de dos capas para una fácil implementación y fabricación.

El uso del módulo permite agregar distintos niveles de rendimiento a los dispositivos portátiles sin tener que rediseñar el sistema. Por ejemplo, la familia de módulos PAN131x admite el Bluetooth clásico, el Bluetooth de baja energía (BLE) y un modo dual con ambos tipos de Bluetooth y el protocolo ANT de baja potencia, todos con el mismo patillaje, de modo que se pueda colocar fácilmente un nuevo módulo.

Del mismo modo, la familia PAN132x admite la misma gama de funciones con la antena incluida.

Series	Descripción	Compatibilidad
PAN1315A	BT Clásico	Patillaje 100% compatible
PAN1316	BT y BLE
PAN1317	Modo Dual BT y ANT
PAN1325A	BT Clásico con antena	Patillaje 100% compatible
PAN1326	BT y BLE con antena
PAN1327	Modo Dual BT y ANT con antena

La opción ANT se implementa en el dispositivo de silicio de Texas Instruments y de Nordic Semiconductor y está destinada a las redes de área personal en equipos portátiles para medición de rendimiento deportivo. Al igual que Bluetooth, utiliza la banda de 2.4 GHz y la técnica de ciclo de trabajo muy corto y los modos de suspensión profunda para asegurar un consumo de energía ultrabajo.

Cada nodo ANT puede funcionar como maestro o esclavo y puede transmitir y recibir así como funcionar como repetidor, lo que le da mayor alcance, y el protocolo utiliza un único canal de 1 MHz para varios nodos mediante la técnica múltiple de división de tiempo. Cada nodo transmite en su propio espacio de tiempo con un mensaje básico de una longitud de 150 µs, mientras que la velocidad del mensaje, el tiempo entre transmisiones, oscila entre 0.5 Hz y 200 Hz, con 8 bytes de datos por mensaje.

Sin embargo, es un protocolo Garmin, patentado y desarrollado por Dynastream Innovations, una empresa filial de GPS, en lugar de una especificación abierta, como Bluetooth, que es admitido por una amplia gama de dispositivos diferentes. Pero el hecho de disponer de un módulo que pueda ser admitido fácilmente, ayuda a los desarrolladores a aprovechar al máximo las opciones de conectividad para sus diseños portátiles.

El valor de los módulos como el BLE112 de BlueGiga es su capacidad de ofrecer todas las características de ahorro de energía de Bluetooth tales como la radio, la pila, los perfiles y el espacio de aplicación para las aplicaciones de los clientes, por lo que no se requiere un procesador externo. El módulo también proporciona interfaces de hardware flexibles para conectar sensores e interfaces de usuario simples o incluso cuenta con pantalla directamente conectada al módulo, lo cual ofrece al programador más opciones para el diseño portátil. En el modo de reposo con la más baja potencia, consume sólo 400 nA y se activa en tan solo unos pocos cientos de microsegundos por lo que puede ser alimentado directamente mediante una batería tipo moneda estándar de 3 V o un par de baterías triple A, lo cual ayuda a reducir el espacio necesario para los equipos portátiles.


Hay temas que se deben considerar en el diseño de equipos que utilizan estos módulos, en su mayor parte en torno al diseño y la fabricación. Es posible que la antena se haya implementado en una posición determinada con cierto perfil de salida y esto ha de tenerse en cuenta en el diseño portátil, de ser posible. Si el equipo final resulta tener una antena que está inmersa entre los materiales, el rendimiento de la conexión inalámbrica puede verse reducido. Esto puede significar que se requiera más energía de la batería para compensar esta situación y la fiabilidad del dispositivo se vea afectada.

A pesar de que el módulo ya está construido y aprobado, todavía debe ser colocado en la placa de circuito impreso y conectado con el resto del diseño. Esto significa que se deben tener en cuenta los correspondientes requisitos de reflujo durante la fase de fabricación para asegurarse de que el módulo continúe siendo totalmente funcional después de la última fase de montaje.

Front end RF

Para ahorrar a los diseñadores el esfuerzo de tener que implementar sus propios front end, el front end RF en el BLE112 incluye la combinación de balun acoplado, filtro de paso bajo y antena de chip de cerámica con la red correspondiente. Esto proporciona una óptima adaptación combinada con eficaz filtro de paso bajo para emisiones muy bajas de espurios y armónicas en banda, y ayuda en los diseños portátiles con muy poco espacio. Hay una opción en la que el RF se puede vincular a un conector integrado o a la clavija RF del módulo para conectar una antena externa.

Diseño

Para el óptimo rendimiento de la antena, BlueGiga recomienda colocar el módulo en la esquina de la placa de circuito impreso sin restos metálicos o componentes próximos o incluso utilizar materiales plásticos o dieléctricos, ya que esto puede desafinar la antena hacia frecuencias más bajas. Esto puede ser difícil en un diseño portátil que tiene un pequeño factor de forma y puede estar rodeado de tela.

Todas las clavijas de tierra deben ser conectadas directamente a un plano TIERRA (GND) sólido con las vías tan cerca de las clavijas GND como sea posible. Mediante el uso de buenas prácticas de diseño, se pueden evitar ruidos excesivos al acoplar a las líneas de señal o líneas de voltaje de alimentación lo cual reduce el rendimiento y aumenta el consumo de energía.

Montaje

El módulo BLE112 es deliberadamente compatible con el estándar industrial perfil de reflujo para soldaduras sin plomo. El perfil de reflujo que se utiliza depende de la masa térmica de la placa de circuito impreso completamente montada, la eficiencia de transferencia térmica del horno y el tipo específico de soldadura en pasta utilizada.

Como el perfil de reflujo depende del proceso y del diseño, se debe examinar el perfil óptimo caso por caso pero hay que tener en cuenta la pasta de soldadura específica para las configuraciones de perfil y evitar utilizar más de un flujo. La fiabilidad de las juntas soldadas y la alineación automática de los componentes dependen del volumen de la soldadura pero se recomienda un mínimo espesor de plantilla de 150 µm con un tamaño de la apertura del mismo tamaño que la almohadilla.


Conclusión

Los módulos proporcionan una manera sencilla de agregar conectividad inalámbrica a un diseño portátil. Los módulos con precertificación permiten a los diseñadores concentrarse en los elementos de valor añadido de hardware y software, y trabajar sobre el pequeño perfil y la interfaz de usuario, en lugar de la conectividad inalámbrica. Con la potencia y el front end RF ya optimizados por los proveedores, estos módulos ofrecen una larga vida útil de la batería y una conectividad confiable que mejoran la funcionalidad del equipo portátil sin añadir costos adicionales o más tiempo de desarrollo. Incluso es posible colocar módulos de sustitución con compatibilidad de clavijas para proporcionar diferentes niveles de conexión Bluetooth, desde la compatibilidad clásica para transmisión por secuencias hasta la transferencia de datos de baja potencia e incluso protocolos patentados. Todo esto ofrece al diseñador de equipos portátiles más flexibilidad sin tener que preocuparse de los detalles de implementación de la conectividad inalámbrica.