SimpleLink低功耗無線MCU平臺開發(fā)

無線連接是像智能燈泡、遙控裝置、智能建筑傳感器和執(zhí)行器、智能電表、可穿戴設(shè)備（含健身設(shè)備）、安全報警和信號燈這樣的各類智能連接設(shè)備的關(guān)鍵一環(huán)。

由于有多種適用的標準，市場和最終用戶的喜好也不斷變化，因此選擇正確的無線技術(shù)并不總是那么簡單。 開發(fā)團隊為了趕上預(yù)期發(fā)布日期必須提前開展工作，但在這么早的階段確定無線技術(shù)可能并非理想的做法。 另一方面，有些類型的產(chǎn)品可以通過推出采用不同無線電標準的變型來獲得靈活性，從而獲得在不同地區(qū)或市場的銷售優(yōu)勢。

但是，無線電是智能傳感應(yīng)用的核心組件，傳統(tǒng)方式要求盡早確定采用哪種標準。 以一個為應(yīng)用選擇 ZigBee? 技術(shù)的制造商為例。 在實踐中，這一決定固化了設(shè)計的多個方面，如收發(fā)器技術(shù)、PCB 布局、軟件堆棧以及接入無線電的 API。

假設(shè)在設(shè)計過程中出現(xiàn)了新的市場數(shù)據(jù)，表明使用智能藍牙? 技術(shù)能夠大幅擴大最終產(chǎn)品的目標市場。 這時就要更改無線電，應(yīng)用需要改用智能藍牙堆棧和新的 API，圍繞現(xiàn)有無線電設(shè)計展開的大量工作將付諸東流。 這實際相當于在項目的后期階段全盤開始重新設(shè)計，難度可想而知。 事實上團隊必須選擇是用錯誤的產(chǎn)品實現(xiàn)預(yù)期的上市時間，還是大幅推遲發(fā)布正確的產(chǎn)品。 此外還需要考慮增加的工程設(shè)計成本。

可擴展的嵌入式無線平臺

為了給制造商在選擇無線技術(shù)方面提供更大的靈活性，Texas Instruments (TI) 開發(fā)了 SimpleLink? 超低功耗無線微控制器 (MCU) 平臺。 該架構(gòu)基于 ARM? Cortex?-M3，目前可提供 32 KB 到 128 KB 閃存的存儲器配置。 它能為各種智能傳感應(yīng)用提供足夠的處理能力，可充當獨立的 MCU。

設(shè)計 SimpleLink 的目的是實現(xiàn)無線技術(shù)的可擴展性。 該器件系列采用引腳兼容型封裝方案，支持多種不同的無線電技術(shù)，包括智能藍牙、次 1 GHz、ZigBee、6LoWPAN、IEEE 802.15.4、RF4CE? 以及工作速度高達 5 Mbps 的專有模式。

從硬件角度而言，更改為采用不同集成式無線電的器件非常簡單。 所有 2.4 GHz 技術(shù)和所有次 1 GHz 技術(shù)都能直接兼容引腳。 不僅如此，不同 SimpleLink 器件的所有其他外設(shè)都是相同的。 這為制造商提供了極大的靈活性，使其能夠?qū)o線電技術(shù)的最終選定推遲到設(shè)計流程的晚期。

該平臺還能在所支持的各種標準之間兼容代碼。 不過，改變無線電確實會對應(yīng)用軟件設(shè)計產(chǎn)生一定的影響。 這種影響源于應(yīng)用必須考慮的無線電堆棧差異。 例如，與 6LoWPAN 協(xié)議棧的對接是使用 IP 消息實現(xiàn)的。 而使用智能藍牙時，應(yīng)用將會讀取或修改多種屬性。 這些差異已經(jīng)反應(yīng)到 TI 隨其每個 SimpleLink 無線 MCU 提供的 API 中。

作為最佳實踐，制造商可采用模塊化方式設(shè)計無線電接口。 讓應(yīng)用向無線電函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，而不是讓應(yīng)用直接訪問無線電，從而將無線 API 抽象出來。 然后，該函數(shù)可根據(jù)需要，使用相應(yīng)的 API 處理待發(fā)送或待接收的數(shù)據(jù)。 最終的效果是，如果需要在設(shè)計流程的后期更改無線電，只需移植該無線電函數(shù)即可。

相同的器件，不同的無線電

該平臺由用于智能藍牙的 CC2640 無線 MCU、支持 6LoWPAN 和 ZigBee 的 CC2630、用于次 1 GHz 的 CC1310 以及支持 ZigBee RF4CE 的 CC2620 構(gòu)成。 如圖 1 所示，這些器件提供多種封裝樣式。

圖 1：SimpleLink 策略消除了無線再分配難題造成的硬件問題。

TI 還將發(fā)布 CC2650 多標準器件。 這種“超集”器件可以在硬件和軟件中動態(tài)配置，以支持多種不同的 2.4 GHz 無線電中的一種。 采用 CC2650 搭建的設(shè)計在進入生產(chǎn)時也可以不鎖定選擇，并可在現(xiàn)場安裝時進行配置。 這樣，制造商完全可以等到最后一刻才決定采用哪種無線電，且無需更改天線設(shè)計。

由于允許改變支持的無線電，CC2650 還使應(yīng)用能夠使用單一芯片支持多種無線電。 因此，通過在現(xiàn)場對 CC2650 進行重新編程，系統(tǒng)可以與基于 ZigBee 和基于藍牙的設(shè)備進行通信。

多處理器架構(gòu)

如圖 2 所示，SimpleLink 平臺集成了多個處理器，可提供智能傳感應(yīng)用執(zhí)行各種任務(wù)所需的不同級別的計算能力。 通過為手頭的任務(wù)選擇正確的處理器，可以讓器件以最可能低的功耗運行。

圖 2：SimpleLink 架構(gòu)將感測、處理和通信操作的能耗降至最低。

應(yīng)用處理器為 ARM? Cortex?-M3，是 SimpleLink 超低功耗平臺的主處理器。 它能提供作為能夠智能管理傳感器型系統(tǒng)的獨立 MCU 所需的必要性能。 Cortex-M3 具有足夠的處理能力來應(yīng)對應(yīng)用和高級堆棧任務(wù)處理，并且非常節(jié)能。

該無線電處理器是一款集成式 Cortex-M0，專用于管理系統(tǒng)的各種低級無線電任務(wù)。 這樣就減輕了主 CPU 的時序關(guān)鍵型任務(wù)負荷。

第三個處理器是一種超低功耗集成 MCU，專用于快速、高效地監(jiān)控傳感器。 此傳感器控制器的作用旨在精確提供合適的處理水平，以便進行數(shù)據(jù)采樣并簡化傳感器決策。 此外，它的存儲器容量有限，沒有無關(guān)的外設(shè)。 對于像定期輪詢傳感器輸出、確定是否發(fā)生閾值事件之類任務(wù)，這款控制器非常節(jié)能，而且能夠避免在不必要時無謂地喚醒主 CPU。

TI 采用 SimpleLink 無線 MCU，通過提供操作無線電和與之對接所需的軟件簡化了設(shè)計。 這也使無線電設(shè)計得到了簡化，開發(fā)人員只需置入相應(yīng)的 SimpleLink 器件便可快速使用無線電，而無需進行大量的配置和調(diào)節(jié)。 為此，無線電控制器附帶了經(jīng)優(yōu)化的生產(chǎn)代碼，可實現(xiàn)最高效的無線電操作。

高能效感測

由于傳感器控制器需要監(jiān)控傳感器，做出決策，并根據(jù)特定應(yīng)用采取行動，因此開發(fā)人員需要能夠配置其操作。 TI 提供軟件開發(fā)工具 Sensor Controller Studio，供用戶配置傳感器控制器。 該工具可輸出傳感器控制器接口驅(qū)動程序，其中包含生成的傳感器控制器機器代碼和相關(guān)的定義。 可以配置傳感器控制器執(zhí)行常見任務(wù)，而無需寫入任何代碼，另一方面，對于需要自定義代碼的應(yīng)用，將通過類似 C 語言的腳本語言提供支持。 通過使用傳感器控制器的測試和調(diào)試功能，Sensor Controller Studio 可加速開發(fā)過程。 這樣可實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)和算法驗證的實時可視化。

傳感器控制器的另一個主要優(yōu)勢在于它與主 CPU 的集成。 傳統(tǒng)上，任何附加的傳感器控制器都是通過另一個不那么強大的 MCU 來實現(xiàn)的，用以減少主應(yīng)用處理器的負荷。 這樣，在低功耗傳感器控制器監(jiān)控和管理傳感器時，應(yīng)用處理器可保持休眠模式，從而實現(xiàn)節(jié)能。 另一方面，由于輔助 MCU 位于應(yīng)用處理器的外部，開發(fā)人員必須設(shè)計并管理兩個處理器之間的通信，還需要實現(xiàn)中斷功能，以便控制器能夠喚醒應(yīng)用處理器。

在 SimpleLink 平臺中，傳感器控制器的實現(xiàn)方式不僅具備所有能效優(yōu)勢，而且不會產(chǎn)生復(fù)雜的設(shè)計。 由于傳感器控制器、無線電 MCU 和應(yīng)用傳感器全部集成在同一硅晶上，因而極大地簡化了硬件和軟件設(shè)計。

SimpleLink 平臺提供了一個易于編程的無線 MCU，并避免了嘗試集成 PHY 和堆棧帶來的難題。 應(yīng)用代碼在許多設(shè)計人員已非常熟悉的標準 MCU — ARM Cortex-M3 上運行。 TI 為其每種無線電技術(shù)提供了 API，最大限度地減輕了開發(fā)人員的學(xué)習(xí)負擔。 射頻和天線設(shè)計已經(jīng)過簡化，并且不會影響可靠性或性能。 內(nèi)置強大的安全性功能，并且協(xié)議棧已做好生產(chǎn)準備。

使用 SimpleLink 進行設(shè)計

要使用 SimpleLink 器件進行設(shè)計，開發(fā)人員可以選擇多種全功能設(shè)計環(huán)境，如 Code Composer Studio? 集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 或 IAR 嵌入式工作臺。

提供的評估套件也可用于快速啟動設(shè)計。 其中，SimpleLink CC2650 開發(fā)套件包含兩個 CC2650 評估模塊和兩塊 SmartRF06 主板，可用于支持軟件開發(fā)和運行無線電性能測試。 由于 CC2650 能夠支持多種 2.4 GHz 無線電標準，因此該平臺也可用于 CC2640 智能藍牙和 CC2630 ZigBee?/6LoWPAN 無線 MCU 的應(yīng)用開發(fā)。 套件中的微控制器已使用軟件進行過預(yù)編程，可用于范圍測試。 在 TI-RTOS 之上還構(gòu)建了低功耗藍牙和 ZigBee 堆棧，其中集成了設(shè)備驅(qū)動程序和電源管理功能。

CC2650 無線 MCU 也是 TI 的 SensorTag IoT 套件的核心組件。 SensorTag 可連接到云，無需任何編程經(jīng)驗即可使用。 它含有十個傳感器，包括光、濕度和壓力傳感器，一個數(shù)字麥克風(fēng)、磁性傳感器、加速計、陀螺儀、磁力儀、物體溫度傳感器、環(huán)境溫度傳感器，以及內(nèi)置的 iBeacon 技術(shù)。 利用相關(guān)的移動應(yīng)用，用戶可查看啟動時的傳感器瞬時讀數(shù)，并根據(jù) SensorTag 數(shù)據(jù)和物理位置定制內(nèi)容。

結(jié)論

TI 的 SimpleLink 超低功耗無線 MCU 平臺可簡化智能無線設(shè)備的開發(fā)，為開發(fā)團隊帶來了靈活性。如有必要，即使在設(shè)計周期的晚期也能更改為不同的無線標準。 這樣可以讓項目盡早開始，并將最終決策留到后期做出，從而使 OEM 廠商能在正確的時間向市場交付優(yōu)化的產(chǎn)品。 能耗敏感的多處理器架構(gòu)可幫助開發(fā)人員更輕松地滿足許多智能檢測應(yīng)用嚴格的功耗和性能要求。