In den letzten paar Jahren ist die Zahl der Anwendungen für das Internet der Dinge (IoT) explosionsartig gestiegen – zum Beispiel mit smarten Messgeräten, drahtlosen Sensoren, Wearables, Geräte zur Heimautomatisierung sowie Alarmsystemen. Drahtlose Vernetzung ist der zentrale Aspekt des IoT. Dazu arbeiten eine Anzahl Drahtlosstandards zusammen und decken so das gesamte Anwendungsspektrum ab.
Insbesondere Bluetooth Low Energy (BLE), auch als Bluetooth Smart bekannt, ist für Anwendungen in den Bereichen Fitness, Gesundheit, Sicherheit, Home-Entertainment und standortbasiertes Marketing im Einzelhandel (Beacons) konzipiert. Im Vergleich zu klassischem Bluetooth bietet Bluetooth Smart weniger Energieverbrauch, niedrige Kosten, schnelle Verbindungszeiten sowie eine hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit.
Mit Blue Gecko, dem neuesten Mitglied der Wireless Gecko SoC-Familie von Silicon Labs, können Entwickler eine neue Idee als Prototyp erstellen oder eine einfache BLE-Anwendung in nur 90 Minuten entwickeln und dabei die umfassenden Bausätze, Werkzeuge und verfügbare Demo-Software nutzen.
Silicon Labs Wireless Gecko-Familie
Mit der Wireless Gecko-Familie (EFR32) verfügt Silicon Labs über hochintegrierte, stabile, zuverlässige und benutzerfreundliche Wireless- und RF-Silicon-on-Chip-Lösungen (SoC). Wireless Gecko-Geräte basieren auf dem ARM Cortex M4 32-Bit-Kern plus Fließkommaeinheit, der mit bis zu 40 MHz arbeitet, über bis zu 256 kB Flash-Programmspeicher und 32 kB Arbeitsspeicher für Daten verfügt. Je nach Gerät umfassen die Peripheriegeräte Analog-Digital-Wandler, Komparatoren, PWM-Kanäle, AES-, ECC- und SHA-Verschlüsselung, I2C-Kommunikation und mehr.
Blue Gecko ist für Bluetooth Smart optimiert; andere SoCs sind beispielsweise Mighty Gecko für die ZigBee®- und Thread-Protokolle und Flex Gecko für proprietäre 2,4-GHz-Anwendungen.
Blue Gecko – Überblick
Die Blue Gecko SoC-Familie (EFR32BG) bietet Skalierbarkeit, Energieeffizienz, Sicherheit und einfaches Design für Bluetooth-Smart-Anwendungen. Außer drahtlosen SoCs umfasst das Blue-Gecko-Portfolio vorzertifizierte Drahtlosmodule, einen Bluetooth-Smart-Softwarestack sowie ein benutzerfreundliches Software-Entwicklungskit (SDK) in der Programmiersprache C.
Blue-Gecko-Hardware: SoC oder Modul?
Abbildung 1: Vergleich des Referenzdesigns für ein Blue Gecko BGM113-Modul mit einem SoC (Quelle: Silicon Labs)
Bei der Hardware gibt es zwei Hauptoptionen:
1. Verwenden eines vorkonzipierten Drahtlosmoduls, das den SoC enthält
2. Verwenden eines drahtlosen System-on-a-Chip (SoC) und Integrieren in Ihre personalisierte gedruckte Leiterplatte (PCB).
Das Modul umfasst ein voll charakterisiertes PCB-Design einschließlich RF-Optimierung und Antennenlayout, Abschirmung, Komponenten zur Zeitsteuerung und eine externe Stückliste (BOM). Ein Modul hat höhere Anschaffungskosten und könnte mehr Platz benötigen als ein personalisiertes SoC-Design. Silicon Labs Blue-Gecko-Module umfassen allerdings behördliche Genehmigungen und Standardzertifizierungen, was später im Entwicklungszyklus Zeit und Geld spart.
Das SoC ist kleiner und günstiger als ein Drahtlosmodul, und die Gesamtkosten pro Stück sind wahrscheinlich niedriger. Doch das vorkonzipierte Design bringt versteckte Kosten mit sich, die sorgfältig beachtet werden müssen. Einige der versteckten Kosten eines SoC-basierten Designs sind:
– RF-Ingenieure und ‑Design: Für ein Bluetooth-Design sind spezialisierte Design-Fertigkeiten nötig. Viele Faktoren können sich auf die Leistung auswirken, wie z. B. das PCB-Isolationsmaterial, die Spurform und sogar die Platzierung der Schrauben. Ein RF-Ingenieur kann bis zu 200.000 US-Dollar pro Jahr kosten.
– Ausrüstung und Räumlichkeiten für ein Labor: Ein reflexionsfreier Raum kann 20.000 US-Dollar oder mehr kosten, plus 30.000–50.000 US-Dollar für Ausrüstung. RF-Prüfeinrichtungen können mehrere Tausend US-Dollar pro Tag kosten.
– PCB-Layout und Antennenwahl: SoC-Hersteller liefern normalerweise zwar detaillierte Referenzdesigns und Layoutrichtlinien, doch bei RF-Entwicklungen läuft selten alles genau nach Plan. Schon wenige schnelle PCB-Optimierungsrunden können die Kosten um Einiges in die Höhe treiben.
– Behördliche Zulassungen und Zertifizierungen: Ein Bluetooth-Smart-Produkt muss die behördlichen Anforderungen der FCC, EU oder einer anderen Autorität einhalten. Es muss auch vom Bluetooth SIG zertifiziert werden. Wird ein vorzertifiziertes Modul genutzt, können beim Endprodukt viele der Prüfungen ausgelassen werden.
– Weniger Produktgewinn wegen TTM-Verzögerungen: Im heutigen Marketingumfeld mit immer kürzeren Entwicklungszyklen kann schon eine kleine Verzögerung einen Gewinnverlust bedeuten.
– Lieferverwaltung und Versicherung: Für Produktionen mit niedrigen Stückzahlen können Module Lieferrisiken mindern. Die Beschaffung eines einzelnen Moduls ist viel einfacher als die Beschaffung aller Komponenten, um ein SoC auf die Platine zu setzen.
Zwar ist jedes Design anders, doch selbst einige Hersteller von Mobiltelefonen mit hohen Stückzahlen haben sich für eine Modullösung entschieden. Eine detaillierte Analyse von SoC im Vergleich zum Moduldesign findet sich hier.
Bluetooth Smart Wireless Starter Kit
Egal, wie Sie sich entscheiden – mit dem Bluetooth Smart Wireless Starter Kit (WSTK) können Sie Blue-Gecko-Hardware schnell und einfach ausprobieren und mit der Softwareentwicklung beginnen. Es besteht aus der Hauptplatine, einer zusätzlichen Funkplatine und optionalen Erweiterungsplatinen.
Die Hauptplatine umfasst Ethernet- und USB-Anschlüsse, den Si7021 Temperatur- und Feuchtigkeitssensor, einen 128 x 128-Pixel-Bildschirm, einen Batteriehalter für Knopfzellen und andere Peripheriegeräte.
Abbildung 2: Das Wireless Starter Kit (WSTK) mit dem BGM111 Blue-Gecko-Drahtlosmodul und einer Erweiterungsplatine. (Quelle: Silicon Labs)
Für die Entwicklung mit Blue Gecko sind eine Reihe Funkplatinen verfügbar. Für Module gibt es zwei Versionen, BG111 und BG113, mit unterschiedlichen Spezifikationen; für SoC-Arbeit ist auch die EFR32BG-Funkplatine verfügbar. Die Erweiterungsplatine bietet zusätzliche Funktionen wie einen Beschleunigungsmesser, Joystick, LEDs und zwei Tasten.
Softwareentwicklung für Blue Gecko – Optionen
Zur Bluetooth-Smart-Codeentwicklung mit Blue-Gecko-SoCs oder -Modulen haben Sie die Auswahl zwischen zwei flexiblen Entwicklungsumgebungen, die sich mit dem WSTK nutzen lassen.
Für eine einfache Anwendung mit Standardfunktionen oder zum Erstellen eines Prototypen mit minimalem Aufwand sollten Sie BGScript nutzen. Dabei handelt es sich um eine Skriptsprache im Stil von BASIC, mit der Sie eine Umgebung zum schnellen und einfachen Entwickeln von Software haben. Mit BGScript werden einfache Bluetooth-Smart-Anwendungen erstellt, die auf dem BGM111 oder dem BGM113 laufen.
Bei komplexeren Anforderungen, oder wenn Sie personalisierte Hardware konzipieren, können Sie Anwendungen mit eingebettetem C über Simplicity Studio und seiner Eclipse-basierten IDE und umfassenden Suite an Optimierungstools auch selbst entwickeln. Der kompilierte Code läuft nativ auf einem Blue Gecko Bluetooth-Smart-SoC.
Zum schnellen Ausprobieren von Blue-Gecko-Code eignet sich die Blue-Gecko-App, die auf Smartphones oder Tablets mit Bluetooth 4.0 oder höher lauffähig ist. Sie enthält vier Beispielanwendungen: ein Gesundheitsthermometer, ein Einzelhandels-Beacon, eine Betrugserkennung für Schlüssel sowie eine Prüf-App für BLE-Stack und ‑Profil.
Softwareentwicklung mit BGScript
BGScript bietet Zugriff auf sämtliche benötigten Funktionen, damit Sie sofort programmieren können, ohne sich über die komplexen Zusammenhänge des Bluetooth-Protokolls, eingebetteter Hardware, Zeitplanung, Speicherverwaltung usw. Gedanken machen zu müssen. Anwendungen können genutzt werden, um häufige Bluetooth-Smart-Funktionen zu automatisieren, wie etwa das Öffnen einer Verbindung, das Abfragen von GPIO-Interrupts und sogar das Lesen und Schreiben von Daten über die UART-, SPI-, I2C- oder GPIO-Schnittstellen.
Abbildung 3: Das BGScript-Programmiermodell (Quelle: Silicon Labs)
Mit BGScript-Anwendungen lassen sich mithilfe der verfügbaren Arithmetik-, Bit-, Puffer- und Datenvergleichsoperationen von BGScript auch einfache Datenverarbeitungsaufgaben ausführen.
BGScript basiert auf der BGAPI-Ebene im Bluetooth Smart-Softwarestack und wird auf einem BGM111- oder BGM113-Drahtlosmodul direkt ausgeführt.
Es handelt sich um eine ereignisgesteuerte Programmiersprache; ein Ereignis, wie etwa der System-Boot, eine Bluetooth-Verbindung oder ein Ein-/Ausgabe-Interrupt löst die Ausführung des Anwendungscodes aus, der mit diesem Ereignis verknüpft ist. Der Skriptcode wird zur Laufzeit von einem BGScript-Interpreter interpretiert, der Teil der Firmware ist.
Komplette Anwendungen können ohne einen externen Hostcontroller implementiert werden, was die Stückkosten senkt und die Platine so klein wie möglich hält.
Softwareentwicklung in 90 Minuten
Abbildung 4: BGScript-Beispielcode, der den Boot-Ereignisempfänger mit seinen Aufrufen der BGAPI zeigt (Quelle: Silicon Labs)
Da ein BGScript-Anwendungsprogramm hauptsächlich aus Aufrufen der BGAPI besteht, kann eine Anwendung sehr schnell zusammengesetzt werden. In Abbildung 4 wird ein Beispielcode gezeigt: Der Boot-Ereignisempfänger für die Anwendung Gesundheitsthermometer, eine der vier Beispielanwendungen, die im Blue Gecko SDK enthalten sind. Der Anwendungscode für das Boot-Ereignis besteht aus mehreren Aufrufen der BGAPI:
– Setzen eines GPIO-Pins hoch zur Steuerung einer LED auf der Probeplatine
– Setzen der Werbeparameter auf ein 100-ms-Intervall
– Start des Sendens verbindbarer Werbepakete, die von entfernten BLE-Geräten erfasst werden können, um dann eine Verbindung herzustellen
– Einrichten eines jede Sekunde ausgeführten Timers, um die Temperatur auszulesen.
Eine detailliertere Beschreibung dieser Anwendung ist hier zu finden. Zwei nützliche Dokumente über Blue Gecko BGScript-Entwicklung sind das BGScript-Entwicklungshandbuch, das die Sprachfunktionen, Syntax und integrierte Operatoren behandelt, sowie das API-Referenzhandbuch für den BGM111 oder BGM113, das Details über jede verfügbare API-Methode im Stack enthält.
BGScript – Vorteile und Einschränkungen
Als interpretierte Sprache hat BGScript Vor- und Nachteile.
BGScript bietet unter anderem folgende Vorteile:
– Erstellen Sie Standalone-Anwendungen, die direkt auf einem Modul laufen
– Einfache Syntax, minimale Programmier-Erfahrung notwendig
– Verwenden Sie Standardfunktionen und ‑operationen von Programmiersprachen
– Umfasst Funktionen zur Vereinfachung komplexer Aufgaben und Zugriff auf allgemeine BGAPI-Funktionen
– Erfordert keine personalisierte C-Programmierung und keine Compiler-Lizenz
Einige der Einschränkungen:
– Da es sich um eine interpretierte Sprache handelt und bei der Ausführung zusätzlicher Overhead erzeugt wird, ist BGScript nicht so leistungsstark wie bei einer externen API-Steuerung. Mit BGScript können mehrere Tausend Befehle pro Sekunde ausgeführt werden. BGScript ist zwar sowohl auf Modulen als auch auf SoCs lauffähig, aber das SDK erlaubt keinen Vollzugriff auf die zugrundeliegenden Hardware-Peripheriegeräte.
C-basierte Softwareentwicklung mit Simplicity Studio und dem Bluetooth Smart C-SDK
Abbildung 5: Simplicity Studio ist ein leistungsstarkes Softwareentwicklungs-Framework, das auf einer Eclipse-IDE basiert (Quelle: Silicon Labs)
BGScript bedient viele Standardoperationen und bietet eine Abstraktionsebene für den Bluetooth-Smart-Stack, eignet sich aber eher für einfachere Anwendungen, denn die BGScript-API ermöglicht keinen unbeschränkten Zugriff auf die zugrundeliegende Hardware.
Wenn Sie eine komplexe Anwendung mit schnellen Timern oder Interrupts haben, oder wenn Ihre Anwendung mit einem externen Gerät wie etwa einem Mikrocontroller über ein UART kommunizieren muss, brauchen Sie Simplicity Studio, eine vollständige Entwicklungsumgebung, die auf einer Eclipse-basierten IDE aufbaut. Die IDE gibt Entwicklern Flexibilität, indem der Embedded Workbench ARM-Compiler unterstützt wird. Sie bietet auch nahtlose Integration in Optimierungstools, wie z. B.:
– den AppBuilder, ein interaktives Werkzeug zum Konfigurieren von Codemodulen, die von Silicon Labs bereitgestellt werden, um Anwendungen zu implementieren
– den Profiler, mit dem sich Code in Echtzeit auf seinen Energieverbrauch untersuchen lässt
– den Netzwerkanalysator, der die Aktivität des Drahtlosnetzwerks mitverfolgt
– den Hardwarekonfigurator, der automatisch Code für Hardware-Peripheriegeräte und Port-I/O erzeugt
– Das Bluetooth Smart C-SDK, mit dem Sie System-On-Chip (SoC)-Softwareanwendungen in C auf einem einzigen Mikrocontroller entwickeln können.
Abbildung 6: Bluetooth-Smart-Entwicklung mit Simplicity Studio (Quelle: Silicon Labs)
Abbildung 6 zeigt das Modell für BT-Smart-Entwicklung mit Simplicity Studio. Im Gegensatz zur BGScript-Version interagiert die Anwendung direkt mit der BGAPI.
Für die Blue-Gecko-Entwicklung werden folgende Komponenten von Simplicity Studio benötigt:
– Simplicity Studio Framework mit dem EFR32BG-Supportpaket
– Bluetooth Smart C-SDK
– IAR Embedded Workbench (IAR Systems) für ARM 7.3 oder neuer – wird als Compiler in der Simplicity-Studio-Umgebung verwendet.
Simplicity Studio – Vorteile und Einschränkungen
Simplicity Studio ist ein umfassendes Entwicklungssystem. Wie bei ähnlichen Systemen ist Zeit nötig, um mit den vielen Bluetooth-Smart-Entwicklungsinstrumenten vertraut zu werden.
Einige der Vorteile:
– Kompilierter C-Code ergibt schnelleren Betrieb als eine interpretierte BGScript-Lösung
– Das Bluetooth Smart C-SDK bietet Zugriff auf die zugrundeliegende Hardwareperipherie und sorgt für mehr Flexibilität beim Entwickeln von Kundenanwendungen
– Der Hardwarekonfigurator bietet Zugriff auf SoC-Peripheriegeräte und personalisierte Konfiguration von SoC-Peripheriegeräten auf OEM-PCBs
– Der Energieprofiler ermöglicht die Energieoptimierung von Code in Echtzeit, indem der native Energieverbrauch gemessen wird (ohne zusätzliche Messausrüstung oder Hardwareuntersuchungen)
Einige der Nachteile:
– Längere Entwicklungszeit
– Erfordert umfassendes Wissen über C
– Erfordert Kauf einer Lizenz für IAR Embedded Workbench (IAR Systems) für ARM 7.3 oder höher
Fazit
Blue Gecko bietet die perfekte Kombination von Eigenschaften, mit denen BLE-Entwickler ihr Produkt in kürzester Zeit in den Markt einführen können, ungeachtet dessen, ob ein vorzertifiziertes Modul verwendet oder eine personalisierte SoC-basierte Lösung neu entwickelt wird.
Blue Gecko basiert auf dem Branchenstandard ARM Cortex-M4-Kern und bietet dadurch das Beste von beidem. Zum schnellen Ausprobieren von neuen Ideen oder Standard-Anwendungen lassen sich mit einer BGScript-basierten Entwicklungsumgebung Anwendungen fast sofort zum Laufen bringen. Zur Entwicklung von Grund auf eignet sich Simplicity Studio, denn damit können Entwickler jeden Aspekt ihres Designs anpassen, wobei eine große Vielzahl an Optimierungswerkzeugen und vorgeschriebenen Codemodulen verfügbar ist.
Egal, welche Softwareplattform genutzt wird, Blue Gecko SoC- und Modullösungen sind voll miteinander kompatibel. Dadurch können Entwickler schnell vom Modul auf SoC umsteigen, wenn sich die Anforderungen ändern.
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