Haga un inicio rápido en el diseño inalámbrico con la placa Curiosity de Microchip

Aunque la conectividad inalámbrica es omnipresente y cada vez más fácil de usar para los consumidores, diseñar proyectos inalámbricos sigue siendo una tarea desalentadora si se tiene poca experiencia en ingeniería de radiofrecuencia (RF).

Los módulos comerciales, que suelen incorporar procesadores integrados, transceptores, circuitos de sintonización de RF, administración de energía e incluso una o dos antenas, facilitan el trabajo porque gran parte del diseño y las pruebas de RF ya se han realizado. Sin embargo, algunos prototipos necesitan atención a detalles de diseño adicionales para garantizar el éxito incluso cuando se utiliza un módulo, como el WBZ451PE-I de Microchip Technology (Figura 1).

Figura 1: El módulo WBC451PE-1 hace que la fabricación de productos inalámbricos sea más accesible, pero aún quedan obstáculos para los incautos. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

Entran en juego cosas tan simples como la orientación del módulo en la placa, la ubicación de los planos de tierra, el blindaje contra interferencias electromagnéticas (EMI), la ubicación de otros componentes, la impedancia de traza de la placa de circuito impreso (CI) y muchos otros factores. Tanto es así que un producto inalámbrico bien diseñado con un módulo de RF puede presentar un mayor alcance, mayor tasa de producción y menor consumo de energía, en comparación con otro en el que el diseñador no haya prestado tanta atención a los detalles.

Es hora de codificar

El software también desempeñará un papel importante en el rendimiento general del producto. Un producto inalámbrico suele requerir tanto una pila de protocolos de RF como un software de aplicación.

Aunque es posible escribir el código para software de protocolo de RF como Bluetooth bajo consumo (LE), Zigbee o protocolos propietarios de 2.4 GHz, las pilas probadas y maduras suelen ser proporcionadas por el fabricante de transceptores o están disponibles en bibliotecas de código abierto. Esta es probablemente la forma más rentable y rápida de avanzar.

Transmitir paquetes de radio a través de un enlace inalámbrico es una cosa; asegurarse de que lleven una carga útil es otra muy distinta. El código de la aplicación determina el tipo, la prioridad, el formato y la frecuencia de transmisión de los datos, entre otros parámetros. El software puede hacer algo relativamente simple, como enviar información sobre la temperatura, la humedad o la frecuencia cardíaca. Las aplicaciones más complejas pueden requerir la transmisión de flujos de audio o múltiples frecuencias en tiempo real desde sensores de vibración de máquinas.

El protocolo de RF y el software de la aplicación pueden afectar el rendimiento del producto tanto como el hardware. Por ejemplo, un código de aplicación mal escrito podría provocar una interrupción constante de la pila de protocolos de RF, lo que compromete el rendimiento. O el software de la aplicación podría afectar negativamente el ciclo de trabajo o útil de la radio. Por ejemplo, podría indicarle a la radio que transmita datos con más frecuencia de la necesaria, aumentando innecesariamente el consumo de energía.

Obtener ayuda para un proyecto inalámbrico

La buena noticia es que hay muchos lugares a los que puede acudir en busca de ayuda a la hora de embarcarse en un proyecto inalámbrico. Los fabricantes están muy interesados en ayudar con ejemplos de diseño de hardware, protocolo y software de aplicación.

La ayuda en hardware a menudo viene en forma de kits de evaluación, que pueden ser diseños funcionales completos basados en el módulo o transceptor inalámbrico de destino. Los proveedores de silicio suelen ofrecer útilmente archivos Gerber de placa de CI y una lista de materiales (BOM) en la que se especifican los componentes del kit de evaluación, lo que facilita el uso del producto como diseño de referencia de hardware. Una parte vital del diseño de la placa de evaluación es el posicionamiento de la antena. Necesitará distancias adecuadas desde los planos de tierra y otros componentes para garantizar una sensibilidad óptima de la antena. Al utilizar el diseño del fabricante, puede evitar comprometer el rendimiento de la antena.

La placa Curiosity EV96B94A WBZ451 de Microchip Technology es un ejemplo de un kit de evaluación completo (Figura 2). La placa de evaluación facilita a los ingenieros la creación de prototipos de proyectos Bluetooth LE y Zigbee para aplicaciones de domótica y automatización industrial. En el centro de la placa Curiosity, se encuentra el módulo transceptor Bluetooth IWBZ451PE-I. Este módulo se basa en el PIC32CX-BZ2, un microcontrolador de 32 bits de bajo costo y de uso general que puede admitir interfaces inalámbricas multiprotocolo como Bluetooth LE (hasta la versión 5.2) y Zigbee (hasta la versión 3.0), al mismo tiempo que gestionar un transceptor de RF y una unidad de gestión de energía (PMU).

Figura 2: Vista lateral superior de la placa Curiosity EV96B94A con el módulo WBZ451PE-I en la punta superior. Tenga en cuenta los espacios libres incorporados para la antena de la placa de CI en el módulo para garantizar un rendimiento óptimo. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

El módulo WBZ451PE-I incorpora el microcontrolador y admite una antena de placa de CI o un conector u.FL para una antena externa. El módulo está equipado con un conjunto de periféricos de microcontrolador estándar, como un convertidor de analógico a digital (ADC), e interfaces como la interfaz periférica serial (SPI), el circuito interintegrado (I2C), el SPI cuádruple (QSPI), y el transmisor receptor asíncrono universal (UART).

La placa Curiosity también cuenta con un chip de memoria flash QSPI externo de Microchip, un sensor de temperatura de voltaje analógico y una cabecera de depuración de cable serie (SWD) Arm de diez pines para un programador/depurador externo.

Configuración para el desarrollo de prototipos

Descubrirá que empezar a utilizar la placa Curiosity será relativamente fácil. La placa constituye el hardware principal, pero también necesitará un cable USB tipo A macho a Micro-B para conectarla a una PC y a un teléfono inteligente con Bluetooth Android o iOS. El software necesario para el desarrollo incluye el entorno completo de desarrollo integrado (IDE) MPLAB, el compilador MPLAB XC32, el paquete de herramientas PKOB4 y una demostración lista para usar. Puede alimentar la placa desde una fuente externa de 5 voltios o una batería Li-Po de 4.2 voltios. El diagrama de bloques del hardware de la placa Curiosity se muestra en la Figura 3.

Figura 3: Un diagrama de bloques del hardware de la placa Curiosity muestra cómo se puede alimentar la placa desde una fuente externa de 5 voltios o una batería Li-Po. La placa también cuenta con un sensor de temperatura incorporado y un LED RGB para usar con programas de ejemplo. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

La placa incluye un programador y un depurador integrados (parte del kit de herramientas PKOB4). El dispositivo admite la programación y depuración del módulo WBZ451PE-I desde la PC host a través del conector USB Micro-B. De forma predeterminada, el depurador integrado está conectado a los pines de programación (SWDIO y SWDCLK) del módulo WBZ451PE-1.

La placa está equipada con software que demuestra dos casos de uso comunes de Bluetooth LE y Zigbee en una sola aplicación, con ambas pilas de interfaz capaces de ejecutarse en simultáneo. Específicamente, la aplicación admite monitoreo de sensor Bluetooth LE, control de iluminación Bluetooth LE, y control y monitoreo de iluminación Zigbee. El ejemplo del sensor implementa un sensor de temperatura Bluetooth LE completamente funcional con datos extraídos del sensor de temperatura integrado de la placa Curiosity. La placa también incorpora un LED RGB.

El ejemplo del software de control de iluminación Zigbee incluye control Bluetooth LE completo para el LED RGB en la placa. La puesta en servicio de Zigbee a través de Bluetooth LE utiliza el enlace Bluetooth LE para intercambiar datos de comisión de Zigbee. Tanto las tareas de Zigbee como las de Bluetooth LE se ejecutan simultáneamente en FreeRTOS. Las "luces" en la Figura 4 (representadas por los LED RGB en la placa) se pueden controlar a través de Bluetooth LE o desde la red Zigbee. Una vez conectado, el usuario puede controlar el brillo, el color y el estado de ENCENDIDO/APAGADO del LED a través de la conexión Bluetooth LE.

Figura 4: El ejemplo de control de iluminación para la placa Curiosity demuestra el funcionamiento simultáneo de pilas Zigbee y Bluetooth LE. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

Después de jugar con los ejemplos, puede experimentar con su propio código. Para el codificador sin experiencia, Microchip ofrece bloques de creación de aplicaciones. Estos módulos de formación compactos se centran en las funciones Bluetooth LE del módulo WBZ451PE-I. Al avanzar por los componentes básicos, podrá familiarizarse con el software, MPLAB Code Configurator, y las interfaces de programación de aplicaciones (API) necesarias para implementar las funciones de interés.

Conclusión

El diseño inalámbrico puede resultar desalentador para los inexpertos, pero se hace mucho más fácil gracias a las placas de evaluación y los módulos de RF de los proveedores de chips. Además, los fabricantes suministran pilas de protocolos de RF probadas y confiables, y simplifican el inicio del software de aplicaciones al proporcionar muestras y bloques de construcción sobre los cuales basar aplicaciones más complejas.