ใช้โมดูลไร้สายหลายโปรโตคอลเพื่อการออกแบบและการรับรองผลิตภัณฑ์ IoT ที่ง่ายขึ้น
Contributed By DigiKey's North American Editors
2023-06-29
การเชื่อมต่อไร้สายช่วยให้นักออกแบบเปลี่ยนผลิตภัณฑ์ปกติธรรมดาให้กลายเป็นอุปกรณ์อัจฉริยะแบบผสานรวมของระบบ Internet of Things (IoT) ที่สามารถส่งข้อมูลไปยังระบบคลาวด์สำหรับการวิเคราะห์โดยใช้ปัญญาประดิษฐ์ (AI) ในขณะที่อนุญาตให้อุปกรณ์รับคำแนะนำผ่านอากาศ (OTA), การอัปเดตเฟิร์มแวร์ และการปรับปรุงความปลอดภัย
แต่การเพิ่มการเชื่อมต่อไร้สายให้กับผลิตภัณฑ์นั้นเป็นสิ่งสำคัญ ก่อนที่จะเริ่มต้นขั้นตอนการออกแบบได้ นักออกแบบจำเป็นต้องเลือกโปรโตคอลไร้สาย ซึ่งอาจเป็นเรื่องที่น่ากังวล ตัวอย่างเช่น มาตรฐานไร้สายหลายมาตรฐานทำงานในสเปกตรัม 2.4 กิกะเฮิรตซ์ (GHz) ที่เป็นที่นิยมและไม่ต้องมีใบอนุญาต ซึ่งแต่ละมาตรฐานเหล่านี้มีการแลกเปลี่ยนในแง่ของช่วงการทำงาน ปริมาณการรับส่งข้อมูล และการใช้พลังงาน โดยการเลือกมาตรฐานที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานใด ๆ จำเป็นต้องมีการประเมินข้อกำหนดอย่างรอบคอบโดยเทียบกับคุณลักษณะของโปรโตคอล
จากนั้น แม้จะมีตัวรับส่งสัญญาณสมัยใหม่ที่มีการผสานรวมสูง แต่การออกแบบวงจรความถี่วิทยุ (RF) ก็ยังเป็นความท้าทายสำหรับทีมออกแบบจำนวนมาก ที่ทำให้ต้นทุนสูงและมีระยะเวลาการดำเนินการที่มากเกินไป ยิ่งไปกว่านั้น ผลิตภัณฑ์ RF จะต้องได้รับการรับรองสำหรับการดำเนินการที่อาจเป็นกระบวนการที่เกี่ยวข้อง ซับซ้อน และใช้เวลานาน
ทางออกหนึ่งคือการออกแบบโดยใช้โมดูลที่ผ่านการรับรองซึ่งใช้ระบบบนชิป (SoC) มัลติโปรโตคอล ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนของการออกแบบ RF ด้วยส่วนประกอบที่ไม่ต่อเนื่อง และช่วยให้มีความยืดหยุ่นในการเลือกโปรโตคอลไร้สาย แนวทางของโมดูลนี้นำเสนอโซลูชันไร้สายแบบดร็อปอินแก่นักออกแบบ ทำให้การผสานรวมการเชื่อมต่อไร้สายเข้ากับผลิตภัณฑ์และผ่านการรับรองทำได้ง่ายขึ้นมาก
บทความนี้พิจารณาถึงประโยชน์ของการเชื่อมต่อไร้สาย กล่าวถึงจุดแข็งของโปรโตคอลไร้สาย 2.4 GHz ที่สำคัญบางประการ วิเคราะห์ปัญหาการออกแบบฮาร์ดแวร์โดยสังเขป และแนะนำโมดูล RF ที่เหมาะสมจาก Würth Elektronik นอกจากนั้นบทความนี้ยังกล่าวถึงกระบวนการรับรองที่จำเป็นเพื่อให้เป็นไปตามข้อบังคับสากล พิจารณาการพัฒนาซอฟต์แวร์แอปพลิเคชัน และแนะนำชุดพัฒนาซอฟต์แวร์ (SDK) เพื่อช่วยให้นักออกแบบเริ่มต้นใช้งานโมดูล
ข้อดีของตัวรับส่งสัญญาณหลายโปรโตคอล
ส่วนไร้สายช่วงสั้นเพียงตัวเดียวไม่มีอิทธิพลเหนือส่วนอื่น เพราะแต่ละส่วนมีการแลกเปลี่ยนเพื่อตอบสนองการใช้งานเป้าหมาย ตัวอย่างเช่น ช่วงการทำงานและ/หรือปริมาณการรับส่งข้อมูลที่มากขึ้นมาพร้อมกับต้นทุนการใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้น ปัจจัยสำคัญอื่น ๆ ที่ต้องพิจารณา ได้แก่ การป้องกันสัญญาณรบกวน ความสามารถของเครือข่ายแบบตาข่าย และความสามารถในการทำงานร่วมกันของอินเทอร์เน็ตโปรโตคอล (IP)
ในบรรดาเทคโนโลยีไร้สายระยะใกล้ที่ได้รับการยอมรับ มีสามเทคโนโลยีที่โดดเด่น ได้แก่ Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE), Zigbee และ Thread ซึ่งทั้งสามมีความคล้ายคลึงกันเนื่องจาก DNA ที่ใช้ร่วมกันจากข้อกำหนด IEEE 802.15.4 ข้อกำหนดดังกล่าวอธิบายเลเยอร์ทางกายภาพ (PHY) และการควบคุมการเข้าถึงสื่อ (MAC) สำหรับเครือข่ายพื้นที่ส่วนบุคคลแบบไร้สาย (WPAN) ที่มีอัตราข้อมูลต่ำ ซึ่งเทคโนโลยีโดยทั่วไปทำงานที่ 2.4 GHz แม้ว่าจะมี Zigbee รุ่นย่อยบางรุ่นที่ทำงานที่ความถี่แตกต่างกันก็ตาม
Bluetooth LE เหมาะกับการใช้งาน IoT เช่น เซ็นเซอร์บ้านอัจฉริยะที่อัตราการรับส่งข้อมูลอยู่ในระดับปานกลางและไม่บ่อยนัก (รูปที่ 1) โดยการทำงานร่วมกันของ Bluetooth LE กับชิป Bluetooth ที่ควบคุมโดยสมาร์ทโฟนส่วนใหญ่ยังเป็นข้อได้เปรียบอย่างมากสำหรับการใช้งานที่มุ่งเน้นที่ผู้บริโภค เช่น อุปกรณ์สวมใส่ ข้อเสียที่สำคัญของเทคโนโลยีคือการที่จะต้องใช้เกตเวย์ที่มีราคาแพงและกินไฟสูงเพื่อเชื่อมต่อกับระบบคลาวด์และความสามารถในการสร้างเครือข่ายแบบตาข่ายขนาดใหญ่
รูปที่ 1: Bluetooth LE เหมาะสมอย่างยิ่งกับเซ็นเซอร์ในบ้านอัจฉริยะ เช่น กล้องและเทอร์โมสตัท การทำงานร่วมกันกับสมาร์ทโฟนช่วยลดความยุ่งยากในการกำหนดค่าผลิตภัณฑ์ที่เข้ากันได้ (แหล่งที่มาภาพ: Nordic Semiconductor)
Zigbee ยังเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการใช้งานพลังงานและปริมาณการรับส่งข้อมูลต่ำในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม เชิงพาณิชย์ และภายในบ้าน ซึ่งเทคโนโลยีนี้มีปริมาณการรับส่งข้อมูลที่ต่ำกว่า Bluetooth LE ในขณะที่มีช่วงการใช้งานและการใช้พลังงานใกล้เคียงกัน โดย Zigbee ไม่สามารถทำงานร่วมกับสมาร์ทโฟนได้ และไม่ได้มีความสามารถ IP ดั้งเดิม ข้อได้เปรียบที่สำคัญของ Zigbee มาจากการที่ออกแบบสำหรับเครือข่ายแบบตาข่ายตั้งแต่ต้น
Thread ทำงานโดยใช้ IEEE 802.15.4 PHY และ MAC เช่นเดียวกับ Zigbee และได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับเครือข่ายแบบตาข่ายขนาดใหญ่ที่มีอุปกรณ์สูงสุด 250 ชิ้น สิ่งที่ Thread แตกต่างจาก Zigbee คือการใช้ 6LoWPAN (การรวมกันของ IPv6 และ WPAN ที่ใช้พลังงานต่ำ) ทำให้การเชื่อมต่อกับอุปกรณ์อื่นๆ และระบบคลาวด์ตรงไปตรงมา แม้จะผ่านอุปกรณ์ขอบเครือข่ายที่เรียกว่า Border router (ดู "คำแนะนำโดยย่อเกี่ยวกับสิ่งที่สำคัญในเทคโนโลยีไร้สายระยะสั้น”)
ในขณะที่โปรโตคอลที่อิงตามมาตรฐานนั้นเป็นผู้นำในตลาด แต่ก็ยังมีที่สำหรับโปรโตคอลที่เป็นกรรมสิทธิ์ 2.4 GHz แม้ว่าจะจำกัดการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์อื่นๆ ที่ติดตั้งชิปของผู้ผลิตรายเดียวกัน แต่โปรโตคอลดังกล่าวสามารถปรับแต่งอย่างละเอียดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ช่วงการทำงาน การป้องกันสัญญาณรบกวน หรือพารามิเตอร์การทำงานที่สำคัญอื่นๆ IEEE 802.15.4 PHY และ MAC สามารถรองรับเทคโนโลยีไร้สายที่เป็นกรรมสิทธิ์ 2.4 GHz ได้อย่างสมบูรณ์แบบ
ความนิยมของโปรโตคอลระยะสั้นทั้งสามนี้และความยืดหยุ่นจากเทคโนโลยีที่เป็นกรรมสิทธิ์ของ 2.4 GHz ทำให้ยากต่อการเลือกโปรโตคอลให้เหมาะสมกับชุดการใช้งานที่หลากหลายมากที่สุด ก่อนหน้านี้ นักออกแบบต้องเลือกเทคโนโลยีไร้สายอย่างใดอย่างหนึ่ง จากนั้นจึงออกแบบผลิตภัณฑ์ใหม่ หากมีความต้องการรุ่นที่ใช้โปรโตคอลอื่น แต่เนื่องจากโปรโตคอลใช้ PHY บนพื้นฐานของสถาปัตยกรรมที่คล้ายคลึงกันและทำงานในสเปกตรัม 2.4 GHz ผู้จำหน่ายซิลิคอนหลายรายจึงเสนอตัวรับส่งสัญญาณหลายโปรโตคอล
ชิปเหล่านี้ช่วยให้การออกแบบฮาร์ดแวร์ชิ้นเดียวสามารถกำหนดค่าใหม่สำหรับโปรโตคอลต่างๆ ได้โดยการอัปโหลดซอฟต์แวร์ใหม่ ยิ่งไปกว่านั้น ผลิตภัณฑ์สามารถจัดส่งพร้อมกับชุดซอฟต์แวร์หลายชุด โดยสลับไปมาระหว่างชุดซอฟต์แวร์แต่ละชุดที่ควบคุมโดยหน่วยไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) สิ่งนี้อาจช่วยให้สามารถใช้ Bluetooth LE เพื่อกำหนดค่าเทอร์โมสตัทบ้านอัจฉริยะจากสมาร์ทโฟนก่อนที่อุปกรณ์จะสลับโปรโตคอลเพื่อเข้าร่วมเครือข่าย Thread
SoC รุ่น nRF52840 ของ Nordic Semiconductor รองรับ Bluetooth LE, Bluetooth mesh, Thread, Zigbee, IEEE 802.15.4, ANT+ และ 2.4 GHz ที่เป็นเอกสิทธิ์เฉพาะ โดย Nordic SoC ยังรวมเอา Arm® Cortex®-M4 MCU ซึ่งดูแลโปรโตคอล RF และซอฟต์แวร์แอปพลิเคชัน รวมถึงหน่วยความจำแฟลช 1 เมกะไบต์ (Mbyte) และ RAM 256 กิโลไบต์ (Kbyte) เมื่อทำงานในโหมด Bluetooth LE ชิป SoC จะให้ปริมาณการรับส่งข้อมูลดิบสูงสุด 2 เมกะบิตต่อวินาที (Mbits/s) กระแสส่งที่ดึงจากแหล่งจ่ายอินพุตกระแสตรง 3 โวลต์คือ 5.3 มิลลิแอมป์ (mA) ที่ 0 เดซิเบลอ้างอิงถึงกำลังไฟฟ้าเอาพุต 1 มิลลิวัตต์ (mW) และกระแสรับ (RX) 6.4 mA ที่อัตราข้อมูลดิบ 1 เมกะบิต/วินาที โดยกำลังส่งสูงสุดของ nRF52840 คือ +8 dBm และมีความไวที่ -96 dBm (Bluetooth LE ที่ 1 Mbit/s)
ความสำคัญของการออกแบบ RF ที่ดี
แม้ว่า SoC แบบไร้สาย เช่น nRF52840 ของ Nordic จะเป็นอุปกรณ์ที่มีความสามารถสูง แต่ก็ยังต้องใช้ทักษะการออกแบบอย่างมากเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ RF ให้สูงสุด โดยเฉพาะอย่างยิ่ง วิศวกรจำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยต่างๆ เช่น การกรองแหล่งจ่ายไฟ วงจรคริสตัลไทม์มิ่งภายนอก การออกแบบและการวางเสาอากาศ และที่สำคัญคือการจับคู่อิมพีแดนซ์
พารามิเตอร์สำคัญที่แยกวงจร RF ที่ดีออกจากวงจรที่ไม่ดีคืออิมพีแดนซ์ (Z) ที่ความถี่สูง เช่น 2.4 GHz ที่ใช้โดยวิทยุช่วงสั้น อิมพีแดนซ์ ณ จุดที่กำหนดบนลายวงจร RF จะสัมพันธ์กับอิมพีแดนซ์คุณลักษณะของลายวงจรนั้น ซึ่งจะขึ้นอยู่กับวัสดุพิมพ์ของแผงวงจรพิมพ์ (PC) ขนาดของลายวงจร ระยะห่างจากโหลด และอิมพีแดนซ์ของโหลด
ปรากฎว่าเมื่อโหลดอิมพีแดนซ์ ซึ่งสำหรับระบบส่งสัญญาณจะเป็นเสาอากาศและระบบรับคือ SoC ตัวรับส่งสัญญาณนั้นมีค่าเท่ากับอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะ อิมพีแดนซ์ที่วัดได้จะยังคงเหมือนเดิมในทุกระยะตามลายวงจรจากโหลด ผลที่ตามมาคือ การสูญเสียในไลน์จะลดลง และให้กำลังส่งจากเครื่องส่งสัญญาณไปยังเสาอากาศสูงสุด จึงช่วยเพิ่มความทนทานและระยะสัญญาณ นั่นทำให้เป็นแนวทางการออกแบบที่ดีในการสร้างเครือข่ายที่ตรงกันซึ่งรับรองว่าอิมพิแดนซ์ของอุปกรณ์ RF เท่ากับอิมพีแดนซ์คุณลักษณะของลายวงจรในบอร์ดพีซี (ดู "Bluetooth 4.1, 4.2 และ SoC ทั้ง 5 และเครื่องมือ Bluetooth พลังงานต่ำที่เข้ากันได้ตอบสนองความท้าทายของ IoT (ตอนที่ 2)”)
เครือข่ายการจับคู่ประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำแบบแยกหนึ่งตัวขึ้นไปและตัวเก็บประจุแบบอนุกรม ความท้าทายของนักออกแบบคือการเลือกโทโพโลยีเครือข่ายและค่าคอมโพเนนต์ที่ดีที่สุด ผู้ผลิตมักจะเสนอซอฟต์แวร์จำลองเพื่อช่วยในการออกแบบวงจรจับคู่ แต่ถึงแม้จะปฏิบัติตามกฎการออกแบบที่ดีแล้ว วงจรที่ได้ก็มักจะแสดงประสิทธิภาพ RF ที่น่าผิดหวัง ขาดช่วงและความน่าเชื่อถือ ซึ่งนำไปสู่การออกแบบซ้ำเพิ่มเติมเพื่อแก้ไขเครือข่ายการจับคู่ (รูปที่ 2)
รูปที่ 2: Nordic nRF52840 ต้องการวงจรภายนอกเพื่อใช้ประโยชน์จากฟังก์ชันการทำงาน วงจรภายนอกประกอบด้วยการกรองแรงดันไฟฟ้าอินพุต รองรับเวลาคริสตัลภายนอก และเชื่อมต่อกับพินเสาอากาศ (ANT) ของ SoC วงจรจับคู่อิมพีแดนซ์ระหว่าง SoC และเสาอากาศ (แหล่งที่มาภาพ: Nordic Semiconductor)
ข้อดีของโมดูล
มีข้อดีบางประการในการออกแบบวงจรไร้สายระยะสั้นโดยใช้ส่วนประกอบแบบแยก โดยเฉพาะอย่างยิ่งต้นทุนรายการวัสดุ (BoM) ที่ต่ำกว่าและการประหยัดพื้นที่ อย่างไรก็ตาม แม้ว่าผู้ออกแบบจะปฏิบัติตามหนึ่งในการออกแบบอ้างอิงที่ยอดเยี่ยมจากซัพพลายเออร์ SoC แต่ก็ยังมีปัจจัยอื่น ๆ เช่น คุณภาพส่วนประกอบและความคลาดเคลื่อน เค้าโครงของบอร์ดและลักษณะของวัสดุพิมพ์ และบรรจุภัณฑ์ของอุปกรณ์ปลายทางที่อาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของ RF อย่างมาก
อีกวิธีหนึ่งคือใช้การเชื่อมต่อไร้สายโดยใช้โมดูลอื่น โดยโมดูลจะได้รับการประกอบอย่างสมบูรณ์ ปรับให้เหมาะสม และทดสอบโซลูชันที่ช่วยให้สามารถเชื่อมต่อไร้สายแบบ "ดร็อปอิน" ได้ ในส่วนใหญ่ โมดูลจะได้รับการรับรองสำหรับใช้ในตลาดโลกอยู่แล้ว ช่วยให้นักออกแบบประหยัดเวลาและเงินที่จำเป็นในการผ่านการรับรองกฎระเบียบ RF
มีข้อเสียบางประการในการใช้โมดูล ซึ่งรวมถึงค่าใช้จ่ายที่เพิ่มขึ้น (ขึ้นอยู่กับปริมาณ) ขนาดผลิตภัณฑ์ที่ใหญ่ขึ้น การพึ่งพาผู้จำหน่ายรายเดียวและความสามารถในการจัดส่งในปริมาณมาก และ (บางครั้ง) จำนวนพินที่เข้าถึงได้ลดลงเมื่อเทียบกับ SoC ที่โมดูลใช้ แต่ถ้าความเรียบง่ายของการออกแบบและเวลาในการออกสู่ตลาดที่เร็วขึ้นนั้นคุ้มค่ามากกว่าข้อเสียเหล่านี้ ฉะนั้นโมดูลคือคำตอบ
ตัวอย่างหนึ่งที่ใช้ Nordic nRF52840 เป็นหัวใจหลักคือ 2611011024020 ซึ่งเป็นโมดูลวิทยุ Setebos-I 2.4 GHz ของ Würth Elektronik โมดูลขนาดกะทัดรัดที่มีขนาด 12 × 8 × 2 มิลลิเมตร (มม.) มีเสาอากาศในตัว ฝาปิดเพื่อลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และมาพร้อมกับเฟิร์มแวร์เพื่อรองรับ Bluetooth 5.1 รวมถึงโปรโตคอล 2.4 GHz ที่เป็นกรรมสิทธิ์ (รูปที่ 3) ตามที่อธิบายไว้ข้างต้น SoC ที่เป็นหัวใจของโมดูลยังสามารถรองรับ Thread และ Zigbee ได้ด้วยการเพิ่มเฟิร์มแวร์ที่เหมาะสม
รูปที่ 3: โมดูลวิทยุ Setebos-I 2.4 GHz มาในรูปแบบกะทัดรัด มีเสาอากาศในตัว และมาพร้อมกับฝาปิดเพื่อจำกัด EMI (แหล่งที่มาภาพ: Würth Elektronik)
โมดูลรับอินพุต 1.8 ถึง 3.6 โวลต์ และเมื่ออยู่ในโหมดสลีป จะดึงไฟเพียง 0.4 ไมโครแอมแปร์ (µA) ความถี่ในการทำงานครอบคลุมย่านอุตสาหกรรม วิทยาศาสตร์ และการแพทย์ (ISM) ซึ่งมีศูนย์กลางอยู่ที่ 2.44 GHz (2.402 ถึง 2.480 GHz) ในสภาวะที่เหมาะสม ด้วยกำลังเอาต์พุต 0 dBm ช่วงเส้นทางที่ปราศจากสิ่งกีดขวางระหว่างตัวส่งและตัวรับสูงถึง 600 เมตร (ม.) และปริมาณการรับส่งข้อมูล Bluetooth LE สูงสุดคือ 2 Mbits/s โมดูลนี้มีเสาอากาศในตัวความยาวคลื่นหนึ่งในสี่ส่วน (3.13 เซนติเมตร (ซม.)) แต่ก็สามารถเพิ่มช่วงได้โดยการเชื่อมต่อเสาอากาศภายนอกเข้ากับขั้วต่อ ANT บนโมดูลดังกล่าว (รูปที่ 4)
รูปที่ 4: โมดูลวิทยุ Setebos-I 2.4 GHz มีพินสำหรับเสาอากาศภายนอก (ANT) เพื่อขยายช่วงของวิทยุ (แหล่งที่มาภาพ: Würth Elektronik)
โมดูลวิทยุ Setebos-I ให้การเข้าถึงพินของ nRF52840 SoC ผ่านแผ่นบัดกรี ตารางที่ 1 แสดงรายการฟังก์ชันของพินโมดูลแต่ละพิน โดยพิน “B2” ถึง “B6” คือ GPIO ที่ตั้งโปรแกรมได้ซึ่งมีประโยชน์สำหรับการเชื่อมต่อเซ็นเซอร์ เช่น อุณหภูมิ ความชื้น และอุปกรณ์คุณภาพอากาศ
|
ตารางที่ 1: แสดงการกำหนดค่าพินของโมดูลวิทยุ Setebos-I 2.4 GHz สามารถใช้เอาต์พุต LED เพื่อระบุการส่งและรับสัญญาณวิทยุ (แหล่งที่มาภาพ: Würth Elektronik)
การรับรองผลิตภัณฑ์ไร้สายระยะสั้น
แม้ว่าย่านความถี่ 2.4 GHz เป็นการจัดสรรคลื่นความถี่ที่ไม่มีใบอนุญาต แต่อุปกรณ์วิทยุที่ใช้งานในย่านความถี่ยังคงต้องเป็นไปตามข้อบังคับในท้องถิ่น เช่น ที่กำหนดโดยคณะกรรมการกลางกำกับดูแลกิจการสื่อสารแห่งสหรัฐอเมริกา (FCC), มาตรฐานความสอดคล้องในทวีปยุโรป (CE) หรือศูนย์วิศวกรรมโทรคมนาคม (TELEC) ในประเทศญี่ปุ่น การผ่านข้อบังคับจำเป็นต้องส่งผลิตภัณฑ์สำหรับการทดสอบและการรับรอง ซึ่งอาจใช้เวลานานและมีราคาแพง หากผลิตภัณฑ์ RF ไม่ผ่านการทดสอบส่วนใดส่วนหนึ่ง จะต้องทำการส่งใหม่ทั้งหมด หากจะใช้โมดูลในโหมดบลูทูธ ก็จะต้องมีรายการบลูทูธจาก Bluetooth Special Interest Group (SIG) ด้วย
การรับรองสำหรับโมดูลไม่ได้เป็นการรับรองให้กับผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายที่ใช้โมดูลนั้นโดยอัตโนมัติ แต่โดยทั่วไปแล้ว การรับรองสำหรับผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายจะเป็นงานด้านเอกสารแทนที่จะเป็นงานทดสอบซ้ำที่เพิ่มเข้ามา หากไม่ได้ใช้อุปกรณ์ไร้สายเพิ่มเติม เช่น Wi-Fi โดยทั่วไปจะเป็นเช่นเดียวกันเมื่อได้รับรายการบลูทูธ เมื่อผ่านการรับรองแล้ว ผลิตภัณฑ์ที่ใช้โมดูลจะมีฉลากระบุ FCC, CE และหมายเลข ID ที่เกี่ยวข้องอื่นๆ (รูปที่ 5)
รูปที่ 5: ตัวอย่างฉลาก ID ต่อท้ายโมดูล Setebos-I เพื่อแสดงว่าผ่านการรับรอง CE และ FCC RF โดยทั่วไปการรับรองสามารถสืบทอดโดยผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายโดยไม่ต้องทดสอบซ้ำ ดำเนินการผ่านเอกสารง่ายๆ (แหล่งที่มาภาพ: Würth Elektronik)
โดยทั่วไปแล้ว ผู้ผลิตโมดูลจะไปถึงการได้รับการรับรอง RF (และรายการ Bluetooth หากเหมาะสม) สำหรับโมดูลของตนสำหรับภูมิภาคที่พวกเขาตั้งใจจะจำหน่ายผลิตภัณฑ์ Würth Elektronik ดำเนินการนี้กับโมดูลวิทยุ Setebos-I แม้ว่าจะต้องใช้กับเฟิร์มแวร์จากโรงงานก็ตาม ในกรณีของการทำงานของ Bluetooth โมดูลจะได้รับการรับรองล่วงหน้า หากใช้กับสแต็ค S140 Bluetooth LE จากโรงงานของ Nordic หรือสแต็กที่มาจากชุดพัฒนาซอฟต์แวร์ nRF Connect SDK ของบริษัท
เฟิร์มแวร์ของ Würth และ Nordic นั้นทนทานและผ่านการพิสูจน์แล้วสำหรับทุกการใช้งาน แต่ถ้าผู้ออกแบบตัดสินใจที่จะตั้งโปรแกรมใหม่ให้กับโมดูลด้วย Bluetooth LE แบบมาตรฐานเปิดหรือ 2.4 GHz ที่เป็นกรรมสิทธิ์ของสแต็ค หรือจากซัพพลายเออร์รายอื่น พวกเขาจะต้องเริ่มโปรแกรมการรับรองตั้งแต่เริ่มต้นสำหรับภูมิภาคที่ต้องการดำเนินการ
เครื่องมือพัฒนาสำหรับโมดูลวิทยุ Setebos-I
สำหรับนักพัฒนาขั้นสูง nRF Connect SDK ของ Nordic นำเสนอเครื่องมือการออกแบบที่ครอบคลุมสำหรับการสร้างซอฟต์แวร์แอปพลิเคชันสำหรับ nRF52840 SoC โดยส่วนขยาย nRF Connect สำหรับ VS Code เป็นสภาพแวดล้อมการพัฒนาแบบรวม (IDE) ที่แนะนำในการเรียกใช้ nRF Connect SDK นอกจากนี้ยังสามารถใช้ nRF Connect SDK เพื่ออัปโหลดโปรโตคอลทางเลือกที่เป็นกรรมสิทธิ์ของ Bluetooth LE หรือ 2.4 GHz ไปยัง nRF52840 (อ้างอิงความคิดเห็นด้านบนเกี่ยวกับผลกระทบที่มีต่อการรับรองโมดูล)
nRF Connect SDK ทำงานร่วมกับชุดพัฒนา nRF52840 DK (รูปที่ 6) ฮาร์ดแวร์มีคุณสมบัติ nRF52840 SoC และรองรับการพัฒนาและทดสอบโค้ดต้นแบบ เมื่อซอฟต์แวร์แอปพลิเคชันพร้อมแล้ว nRF52840 DK สามารถทำหน้าที่เป็นโปรแกรมเมอร์ J-LINK เพื่อส่งโค้ดไปยังหน่วยความจำแฟลช nRF52840 ของโมดูลวิทยุ Setebos-I ผ่านพิน “SWDCLK” และ “SWDIO” ของโมดูล
รูปที่ 6: สามารถใช้ nRF52840 DK ของ Nordic ในการพัฒนาและทดสอบซอฟต์แวร์แอพพลิเคชั่นได้ ชุดพัฒนาสามารถใช้เพื่อตั้งโปรแกรม nRF52840 SoC อื่นๆ เช่น ชุดที่ใช้กับโมดูล Setebos-I (แหล่งที่มาภาพ: Nordic Semiconductor)
ซอฟต์แวร์แอปพลิเคชันที่สร้างขึ้นโดยใช้เครื่องมือการพัฒนาของ Nordic ได้รับการออกแบบให้ทำงานบน Arm Cortex-M4 MCU แบบฝังตัวของ nRF52840 แต่อาจเป็นกรณีที่ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายที่ติดตั้ง MCU อื่นไว้แล้ว และผู้พัฒนาต้องการใช้โค้ดนั้นเพื่อเรียกใช้โค้ดแอปพลิเคชันและควบคุมการเชื่อมต่อไร้สาย หรือผู้พัฒนาอาจคุ้นเคยกับเครื่องมือการพัฒนาสำหรับโฮสต์ไมโครโปรเซสเซอร์ยอดนิยมอื่นๆ เช่น STM32F429ZIY6TR ของ STMicroelectronics ซึ่งโปรเซสเซอร์นี้ยังคงใช้แกน Arm Cortex-M4
เพื่อเปิดใช้งานไมโครโปรเซสเซอร์โฮสต์ภายนอกเพื่อรันซอฟต์แวร์แอปพลิเคชันและดูแล nRF52840 SoC บริษัท Würth Elektronik จึงขอเสนอ SDK การเชื่อมต่อไร้สาย โดย SDK เป็นชุดเครื่องมือซอฟต์แวร์ที่เปิดใช้งานการรวมซอฟต์แวร์อย่างรวดเร็วของโมดูลไร้สายของบริษัทกับโปรเซสเซอร์ยอดนิยมมากมาย รวมถึงชิป STM32F429ZIY6TR ซึ่ง SDK ประกอบด้วยไดรเวอร์และตัวอย่างใน C ที่ใช้อุปกรณ์ต่อพ่วง UART, SPI หรือ USB ของแพลตฟอร์มพื้นฐานเพื่อสื่อสารกับอุปกรณ์วิทยุที่เชื่อมต่อ (รูปที่ 7) นักพัฒนาเพียงส่งโค้ด SDK C ไปยังโฮสต์โปรเซสเซอร์ สิ่งนี้ช่วยลดเวลาที่จำเป็นในการออกแบบส่วนต่อประสานซอฟต์แวร์สำหรับโมดูลวิทยุได้อย่างมาก
รูปที่ 7: ไดรเวอร์ SDK การเชื่อมต่อไร้สายช่วยให้นักพัฒนาสามารถขับโมดูลวิทยุ Setebos-I ผ่านพอร์ต UART ได้ง่ายโดยใช้โฮสต์ไมโครโปรเซสเซอร์ภายนอก (แหล่งที่มาภาพ: Würth Elektronik)
โมดูลวิทยุ Setebos-I ใช้ "อินเทอร์เฟซคำสั่ง" สำหรับงานการกำหนดค่าและการดำเนินงาน ซึ่งอินเทอร์เฟซนี้มีคำสั่งสูงสุด 30 คำสั่งที่ทำงานให้สำเร็จ เช่น การอัปเดตการตั้งค่าอุปกรณ์ต่างๆ การส่งและรับข้อมูล และทำให้โมดูลเข้าสู่โหมดพลังงานต่ำโหมดใดโหมดหนึ่งที่หลากหลาย โดยอุปกรณ์วิทยุที่เชื่อมต่อต้องทำงานในโหมดคำสั่งเพื่อใช้ Wireless Connectivity SDK
สรุป
การตัดสินใจเลือกโปรโตคอลไร้สายเดียวสำหรับผลิตภัณฑ์ที่เชื่อมต่ออาจเป็นเรื่องยาก และเป็นสิ่งที่ท้าทายยิ่งขึ้นในการออกแบบวงจรวิทยุตั้งแต่เริ่มต้น โมดูลวิทยุ เช่น Setebos-I ของ Würth Elektronik ไม่เพียงแต่ให้ความยืดหยุ่นในการเลือกโปรโตคอลเท่านั้น แต่ยังนำเสนอโซลูชันการเชื่อมต่อแบบดร็อปอินที่ตรงตามข้อกำหนดด้านกฎระเบียบของภูมิภาคต่างๆ โดยโมดูล Sebetos-1 มาพร้อมกับ Wireless Connectivity SDK ของ Würth ซึ่งทำให้ง่ายและรวดเร็วสำหรับนักพัฒนาในการควบคุมโมดูลโดยใช้โฮสต์ MCU ที่ตนเลือกเอง

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.