Провода не понадобятся: беспроводные приложения на базе микроконтроллеров Stellaris

Статьи по схожей тематике: RFID, SimpliciTI, Texas Instruments, ZigBee, Микроконтроллеры

Андрей Самоделов (г. Москва)

Беспроводные решения для стандартов Ethernet, ZigBee, SimpliciTI и RFID можно реализовать с помощью выпускаемых компанией Texas Instruments комплектов для разработки и отладки на базе МК Stellaris. Микроконтроллеры семейства Stellaris – это 32 разряда и возможность беспроводной передачи данных с помощью внешних радиочастотных модулей.

Недавно компания Texas Instruments (TI) анонсировала выход трех новых наборов для разработчика на базе микроконтроллеров семейства Stellaris®. Они созданы на базе традиционных радиочастотных модулей и набора разработчика DK-LM3S9B96 для микроконтроллера LM3S9B96 с ядром ARM® Cortex^TM-M3 и сочетают в себе производительность и простоту использования микроконтроллеров Stellaris® с передовыми решениями для обмена данными. Наборы для Stellaris DK-LM3S9B96 Development Kit предлагают инженерам законченное решение, состоящее из программного обеспечения и образцов разработки, позволяющих добавить в существующие изделия функции RFID, маломощного ВЧ-обмена данными и ZigBee-протокола.

Таким образом, TI добавила к широкому спектру выпускаемых 16-разрядных решений для беспроводного обмена данными на базе MSP430^TM с ультранизким энергопотреблением производительность 32-разрядных микроконтроллеров Stellaris.

При объединении с платой разработки DK-LM3S9B96 Development Board каждый набор становится законченным комплектом программного и аппаратного обеспечения, необходимого для начала конструирования и быстрого запуска приложений, и позволяет разработчику незамедлительно оценить работающую сеть менее чем за 10 минут.

Производительность и интеграция MCU Stellaris совместно с передовыми беспроводными решениями, несомненно, помогут разработчикам направить силы на расширение функциональности беспроводных сетевых приложений. Среди дополнительных функций - предоплата и бесконтактная идентификация, удаленный мониторинг устройств домашней автоматики, устройства резервного хранения данных для систем безопасности и систем сигнализации, а также заводское оборудование.

Набор разработчика Stellaris® LM3S9B96 Microcontroller Development Kit

Набор разработчика Stellaris® LM3S9B96 Microcontroller Development Kit (DK-LM3S9B96) от Texas Instruments является полнофункциональным набором для разработки устройств на микроконтроллерах LM3S9000. Набор предоставляет инженерам полный комплект инструментария, необходимого для разработки и макетирования встраиваемых приложений без использования дополнительного оборудования.

В состав набора входят:

Плата разработки Stellaris® LM3S9B96 Development Board;
Кабель USB Mini-B для отладки приложений;
USB-кабель с разъемами Micro-A и Std-A (для подключения flash-устройств в стандарте США);
USB-кабель с разъемами Std-A и Micro-B (для подключения к ПК как USB-устройство);
Накопитель USB Flash Drive (128 Мбайт);
20-проводной кабель для программирования и отладки внешних устройств через ARM® JTAG-интерфейс;
Кабель Ethernet;
Карта MicroSD;
CD с инструментарием, документацией и исходными кодами.

Набор отличается простотой индивидуальной настройки, поскольку он содержит все исходные коды, примеры приложений и файлы конструкторской документации.

Разработка программного обеспечения для DK-LM3S9B96 может происходить с использованием хорошо зарекомендовавших себя интегрированных сред разработки (IDE) от компаний Keil, IAR, Code Sourcery, Code Red и Texas Instruments.

Зашитая в ПЗУ микроконтроллера LM3S9B96 библиотека StellarisWare® от Texas Instruments включает в себя графическую библиотеку, библиотеку USB и библиотеку драйверов периферии.

Плата разработки LM3S9B96 Development Board

Плата разработки LM3S9B96 Development Board (рис. 1) имеет широкий набор периферии для демонстрации возможностей микроконтроллера и обеспечивает максимальную гибкость путем переключения перемычек для всех линий ввода/вывода.

Рис. 1. Плата разработки Stellaris® LM3S9B96 Development Board

Плата LM3S9B96 Development Board предоставляет платформу для оценки как требовательных к памяти приложений, так и приложений, которые используют новые функции класса Tempest class, такие как I²S аудио, расширенный периферийный интерфейс (EPI) и возможность независимого обмена данными по интерфейсам Ethernet, USB OTG, CAN и USART. Приложения, которые можно разрабатывать и отлаживать на плате, включают сетевые устройства, графические интерфейсы пользователя (GUI) и устройства класса интерфейс «человек-машина» (HMI). Плата разработки LM3S9B96 Development Board также является удобным средством разработки для систем программирования, использующих Microsoft.NET Micro Framework и Embedded LabView от National Instruments.

Ядром платы разработки LM3S9B96 Development Board (рис. 2) является микроконтроллер LM3S9B96, работающий на частоте 80 МГц и имеющий 256 кбайт Flash-памяти, 96 кбайт SRAM и интегрированные интерфейсы обмена данными: Ethernet MAC+PHY, USB OTG и CAN.

Рис. 2. Блок-схема платы разработки LM3S9B96 Development Board

В ПЗУ микроконтроллера записаны операционная система реального времени SafeRTOS^TM и библиотека для работы с периферийными модулями StellarisWare®, что позволяет значительно сократить размер кода основного приложения. Плата имеет встроенный 3,5" TFT ЖКИ-модуль с разрешением 320x240, горизонтальной ориентацией и интерфейсом резистивного сенсорного экрана. Выведенные на разъем сигналы расширенного периферийного интерфейса (EPI) позволяют подключать различные платы расширения. На плате дополнительно установлены: 1 Мбайт SerialFlash памяти; прецизионный источник опорного напряжения 3 В; I²S стерео аудиокодек; разъемы «Линейный выход/Выход» на телефоны и «Микрофонный вход/Линейный вход»; разъем CAN-интерфейса, разъем 10/100 BaseT Ethernet; разъем USB OTG (режимы Device, Host и OTG); пользовательский светодиод и кнопка; потенциометр с ручкой; слот для карт MicroSD.

Для удобства отладки на плате установлен стандартный 20-контактный разъем ARM® JTAG-отладчика и интегрированный интерфейс внутрисхемной отладки (ICDI). Входящий в комплект USB-кабель служит одновременно для отладки приложения и для организации последовательного обмена данными через виртуальный COM-порт. Переключение функций индивидуальных линий ввода/вывода производится с помощью джамперных перемычек.

Дополнительные платы расширения

Для расширения функциональных возможностей основного набора разработчика Stellaris® LM3S9B96 Development Kit корпорация Texas Instruments выпускает дополнительные платы:

Плата расширения памяти Stellaris® Flash and SRAM Memory Expansion Board (DK-LM3S9B96-FS8) обеспечивает дополнительные 8 Мбайт Flash-памяти, 1Мбайт SRAM и отображенный в память вывод информации на ЖКИ для увеличения его производительности.
Плата расширения Stellaris® FPGA Expansion Board (DK-LM3S9B96-FPGA) служит для захвата видео с использованием цветного VGA CMOS-датчика изображения, подключенного к Xilinx Spartan 3E FPGA, и отображения захваченного видеокамерой платы Stellaris® FPGA Expansion Board изображения на большом сенсорном экране с диагональю 3,5 дюйма (90мм) основной платы DK-LM3S9B96.
Плата расширения Stellaris® LM3S9B96 EM2 Expansion Board служит основой для подключения дочерних модулей при разработке беспроводных приложений.

Каждая плата расширения работает с основной платой через интерфейс внешней периферии (EPI) микроконтроллера Stellaris®.

Плата расширения Stellaris® LM3S9B96 EM2 Expansion Board

Плата расширения Stellaris® EM2 Expansion Board (DK-LM3S9B96-EM2) (рис. 3, 4) от Texas Instruments является дополнительной платой, которая присоединяется непосредственно к порту расширенного периферийного интерфейса (EPI) платы разработки Stellaris DK-LM3S9B96 Development Board. EM2 Expansion Board обеспечивает обмен данными между разъемом расширенного периферийного интерфейса (EPI) Stellaris® и разъемом оценочного ВЧ-модуля (EM). Плата DK-LM3S9B96-EM2 позволяет проводить разработку беспроводных приложений на платформе Stellaris® DK-LM3S9B96, используя маломощные ВЧ- или RFID-оценочные модули.

Рис. 3. Блок-схема Stellaris® DK-LM3S9B96-EM2

Рис. 4. Плата расширения Stellaris® EM2 Expansion Board

Плата расширения EM2 Expansion Board имеет два комплекта EM-разъемов для поддержки до двух оценочных ВЧ-модулей, 1 кбит I²C для хранения данных настроек и обнаружения платы расширения EM2, разъемы для цифровых и аудиосигналов EM, разъемы EM MOD1 SDIO и 32 кГц генератор для низкочастотного источника тактового сигнала в первичном разъеме EM2 Expansion Board.

При объединении с набором разработчика DK-LM3S9B96 плата расширения EM2 Expansion Board обеспечивает потребности основной платы при разработке и макетировании беспроводных встраиваемых приложений.

В комплект поставки входит только плата расширения Stellaris® DK-LM3S9B96-EM2 Expansion Board.

Беспроводные сети ZigBee 2,4 ГГц на микроконтроллерах семейства Stellaris®

Программное обеспечение ZigBee нацелено на удовлетворение потребности рынка в рентабельных, основанных на стандартных сетях решениях, которые поддерживают низкие скорости обмена данными, малую потребляемую мощность, защищенность и надежность. Такие сети обычно содержат большое количество устройств с батарейным питанием, соединенных в сеть посредством массива маршрутизаторов, которые перенаправляют данные центральному координатору. Технологии ZigBee отличает востребованность на мировом рынке и функциональная совместимость с принципом «Низкая стоимость и малая мощность»

Решение типа Stellaris® ZigBee позволяют разработчикам прикладного программного обеспечения ознакомиться с работой оценочного модуля CC2520EMK, используя платформу для встраиваемых микроконтроллеров Stellaris от Texas Instruments без необходимости вдаваться в подробности реализации ВЧ-части системы. Плата расширения Stellaris EM2 позволяет подключить до двух модулей расширения, используя SPI как первичный интерфейс к модулю DK-EM2-2520Z.

Набор разработчика Stellaris® DK-EM2-2520Z

Набор Stellaris® 2,4 GHz ZigBee Wireless Networking Kit от Texas Instruments обеспечивает создание маломощных сетевых ВЧ-решений для конечного пользовательского оборудования. Решение совмещает запатентованную Texas Instruments реализацию Z-Stack протоколов ZigBee и ZigBee Pro с новой платой расширения Stellaris EM2 и оценочными модулями Chipcon 2.4 GHz 802.15.4. В комплект поставки входит полный набор инструментов, необходимых инженеру для разработки и макетирования ZigBee-приложения на основе микроконтроллеров Stellaris. Комплект для беспроводных приложений DK-EM2-2520Z в качестве базового использует наиболее популярный набор разработчика для микроконтроллеров семейства Stellaris - DK-LM3S9B96.

Набор отличает поддержка ZigBee (набор функций ZigBee 2006 и ZigBee PRO 2007) и обоих профилей приложений: «Home Automation» и «Smart Energy». В качестве дополнительных особенностей можно отметить защищенность полученной сети и возможность ее самовосстановления.

В комплект (рис. 5) входят примеры прикладных программ для ZigBee координатора, датчика температуры и пример реализации системы сбора данных.

Рис. 5. Состав комплекта DK-EM2-2520Z

В состав набора Stellaris® 2.4 GHz ZigBee Wireless Networking Kit входят:

Плата расширения DK-LM3S9B96 EM2;
Оценочный модуль CC2520EMK 2.4 GHz 802.15.4;
Два оценочных модуля CC2530EMK 2.4 GHz 802.15.4 (с интегрированным процессором 8051);
Две платы источников питания SmartRF05BB Battery Boards;
Отладчик CC-Debugger;
CD с инструментарием, документацией и исходными кодами.

Набор предоставляет инженеру все необходимое для разработки и отладки беспроводных ZigBee приложений без использования дополнительного инструментария.

Важное замечание: программное обеспечение Z-Stack ZigBee, поставляемое с данным набором, в настоящее время находится на стадии разработки и пока не сертифицировано ZigBee-альянсом. До сертификации для получения ссылки на загрузку программного обеспечения необходимо подписать соответствующее свидетельство. Чтобы получить сообщение о том, когда будет сертифицировано и одобрено для промышленного использования программное обеспечение Z-Stack, зайдите на сайт www.ti.com/stellariswireless и выберите «Alert me about changes to this product» («Сообщить мне об изменениях в данном продукте») в верхнем правом углу страницы.

Протокол 2,4 ГГц SimpliciTITM на микроконтроллерах семейства Stellaris®

Программное обеспечение с открытым исходным кодом SimpliciTI помогает в разработке простых ВЧ-сетей и создано для реализации на нескольких ВЧ-платформах от Texas Instruments. Упомянутые сети обычно содержат ограниченное количество устройств с батарейным питанием, для которых необходимы большое время работы от одного комплекта батарей, низкая скорость обмена данными и низкий коэффициент заполнения, чтобы обмениваться данными либо напрямую между собой, либо через дополнительные точки доступа и расширители диапазона. Минимальные требования к ресурсам для реализации протокола SimpliciTI^TM делают такие проекты весьма недорогим решением для беспроводного обмена данными.

Решение Stellaris® SimpliciTI^TM позволяет разработчикам прикладного программного обеспечения ознакомиться с работой CC2500EMK, используя платформу для встраиваемых микроконтроллеров Stellaris от Texas Instruments и не вдаваясь в подробности реализации ВЧ-части системы. Плата расширения Stellaris EM2 позволяет подключить до двух беспроводных модулей расширения CC2500EMK, используя SPI как первичный интерфейс к модулю DK-EM2-2500S.

Комплект разработчика Stellaris® DK-EM2-2500S

Комплект для разработки беспроводных приложений Stellaris® 2.4 GHz SimpliciTI^TM Wireless Kit (DK-EM2-2500S) (рис. 6) от Texas Instruments обеспечивает построение маломощной ВЧ-сети для конечного пользовательского оборудования.

Рис. 6. Состав набора DK-EM2-2500S

Решение объединяет простой в использовании протокол SimpliciTI^TM от TI с новой платой расширения Stellaris EM2 и оценочным модулем Chipcon CC2500EM 2.4 GHz. В комплект поставки входит полный набор инструментов, необходимых инженеру для разработки и макетирования беспроводных приложений диапазона 2,4 ГГц на основе микроконтроллеров Stellaris. В качестве базового комплект для беспроводных приложений DK-EM2-2500S использует наиболее популярный набор разработчика для микроконтроллеров семейства Stellaris, DK-LM3S9B96.

Создаваемые с помощью DK-EM2-2500S приложения отличает:

Малая потребляемая мощность:
Запатентованный TI протокол для маломощных сетей;
Гибкость;
Непосредственная связь между устройствами;
Простейшая сеть типа «звезда» с точкой доступа для буферизации и перенаправления данных к множеству оконечных устройств со сверхмалым энергопотреблением;
Расширитель дальности связи для увеличения дальности до четырех хопов;
Простота программной реализации- используется всего 5-функций API;
Низкая скорость передачи данных и низкий коэффициент заполнения;
Удобство изучения и удобство использования.

В комплект поставки входят примеры прикладных программ, реализующие:

Простейшее соединение точка-точка (Peer-to-Peer);
Каскадирование конечных устройств;
Опрос с использованием точки доступа:

Точка доступа,
Конечные устройства,
Расширитель диапазона;

Точка доступа в качестве Data Hub:

Точка доступа,
Конечное устройство,
Сниффер канала;

Точка доступа для eZ430-Chronos (с платой CC1101EM, продается отдельно)

В состав набора Stellaris® 2.4 GHz SimpliciTI^TM Wireless Kit входят:

Плата расширения DK-LM3S9B96-EM2;
Оценочный модуль CC2500EMK 2.4 GHz;
Инструментарий для разработки беспроводных приложений ez430-RF2500 MSP430 в составе:

MSP430F2274,
Комплект батарей AAA с платой расширения (батареи в комплекте),
CD-ROM со средствами разработки для MSP430,
Отладочный интерфейс eZ430-RF USB,
2 целевых платы беспроводных приложений eZ430-RF2500T;

CD с инструментарием, документацией и исходными кодами.

Набор предоставляет инженеру все необходимое для разработки и отладки беспроводных приложений диапазона 2,4 ГГц на основе протокола SimpliciTI^TM без использования дополнительного инструментария.

13,56 МГц RFID-протокол на микроконтроллерах семейства Stellaris®

Технология RFID выбрана для большинства проектов бесконтактных смарт-карт и является наиболее востребованной для автоматической идентификации объектов в промышленности. Кроме того, продукты RFID успешно применяются и в других приложениях, таких как учет рабочего времени, взимание различных платежей с водителей автомобилей и управление доступом. Технология RFID основывается на международном стандарте ISO/IEC 14443 Type A для систем бесконтактных карт, состоящих из карты и считывающего устройства с типовым расстоянием для операций чтения/записи порядка 10 см (4 дюйма).

Рис. 7. Блок-схема Stellaris® 13.56 MHz RFID

Решение Stellaris® 13.56 MHz RFID позволяет разработчикам прикладного программного обеспечения ознакомиться с работой микросхемы многостандартного, полностью интегрированного 13.56 MHz RFID-считывателя TRF7960TB, используя платформу разработки Stellaris DK-LM3S9B96 от Texas Instruments и не вдаваясь в подробности реализации ВЧ-части системы. Плата расширения Stellaris EM2 Expansion Board (DK-LM3S9B96-EM2) позволяет подключить до двух беспроводных модулей расширения13.56 MHz RFID, используя SPI как первичный интерфейс к модулю TRF7960TB.

Системы RFID на базе Stellaris® 13.56 MHz RFID отличают следующие особенности:

Платформа с открытой архитектурой- удобная, быстрая, гибкая;
Широчайшая линейка продуктов и доступные поставщики:

Возможность смешанной поставки,
Множество заводов-изготовителей для карт (50) и устройств чтения (200),
Соответствие стандарту ISO/IEC 14443A и возможность использования более 80% доступных на сегодняшний день карт;

Проверенная, надежная и устойчивая технология:

Более 1 миллиарда микросхем для смарт-карт,
Более 7 миллионов компонентов для устройств чтения,
Возможность работы в жестких условиях эксплуатации и ненужность обслуживания;

Совместимость, подтвержденная компетентным и независимым институтом сертификации;
Хорошо известная, функционирующая всемирная инфраструктура;
Самый высокий уровень защиты доступный для бесконтактных интерфейсов:

Внешняя сертификация по общим критериям.

Набор разработчика Stellaris® DK -EM2-7960R

Набор Stellaris® 13.56 MHz RFID Wireless Kit от Texas Instruments является законченным системным решением для добавления функции RFID в конечные пользовательские приложения. В качестве базового это решение использует наиболее популярное средство разработки для микроконтроллеров семейства Stellaris®, DK-LM3S9B96, платы расширения Stellaris® EM2 Expansion Board и модуль TRF7960TB HF RFID Reader от Texas Instruments вместе со всеми необходимыми исходными кодами и программным обеспечением для получения законченной RFID-среды для разработки и интерактивной демонстрации систем.

Рис. 8. Состав набора DK-EM2-7960R

Для быстрого ознакомления инженеров с особенностями работы RFID в комплект поставки входят примеры прикладных программ для:

Построения классических 1K и 4K устройств чтения RFID;
Одновременного доступа для одной или двух карт;
Отображения UID и сектора данных одновременно для двух карт;
Изменение данных в отображаемом секторе посредством интерфейса сенсорного экрана: форматирование, инкрементация/декрементация и стирание;
Доступ из командной строки через последовательный порт: чтение/запись и отображение содержимого любого блока на совместимых картах.

В состав набора Stellaris® 13.56 MHz RFID Wireless Kit входят:

Плата расширения DK-LM3S9B96 EM2 Expansion Board;
Модуль считывателя TRF7960TB HF RFID;
Две бесконтактных смарт-карты ISO/IEC 14443A (MIFARE® 1K Classic);
Упаковка ISO/IEC 15693;
CD с инструментарием, документацией и исходными кодами.

Набор предоставляет инженеру все необходимое для разработки и отладки беспроводных 13.56 MHz RFID-приложений без использования дополнительного инструментария.

Важная информация: программное обеспечение для RFID, входящее в состав этого набора, поставляется как в двоичном формате, так и в исходных кодах. Поскольку программное обеспечение для RFID содержит функции шифрования, оно является объектом экспортного контроля США. После принятия экспортных условий и ограничений пользователь получает ссылку для скачивания программного обеспечения.

Более подробную информацию об экспортных ограничениях можно найти на странице www.ti.com/stellariswireless, а также в статье Андрея Соколова в этом номере журнала.

Расширенная поддержка протокола

Данный набор поставляется со ссылкой на загрузку программного обеспечения для RFID. Лежащее в основе RFID радиорешение можно программно расширить на все поддерживаемые TRF7960TB протоколы:

ISO 14443B (Бесконтактные карты),
ISO 15693 (Идентификационные карты),
ISO 18000-3 (Управление предметами),
Tag-it^TM (Бесконтактные метки).

Корпорация Texas Instruments планирует создать основанные на микроконтроллерах Stellaris решения для всех этих протоколов.

Портирование на другие микроконтроллеры семейства Stellaris®

Поскольку для создания примеров прикладного программного обеспечения, входящего в комплекты разработки беспроводных приложений, использовалась библиотека StellarisWare® от Texas Instruments, то исходный код можно легко портировать на другие микроконтроллеры семейства Stellaris®. Изменения исходного кода при этом будут, в основном, заключаться в переопределении функциональных модулей и назначения выводов микроконтроллера и в замене вызовов функций библиотеки StellarisWare®, расположенных в ПЗУ микроконтроллера (что справедливо для LM3S9B96, имеющего код StellarisWare®, зашитый во внутреннее ПЗУ), на вызовы функций из стандартной библиотеки, компонуемой вместе с кодом приложения, в случае, если микроконтроллер не имеет встроенного ПЗУ с библиотекой StellarisWare®.

Поддерживаемые дополнительно оценочные наборы

Корпорация Texas Instruments выпускает также ряд наборов разработчика и оценочных модулей для маломощных ВЧ-приложений, основанных на различных приемопередатчиках для разных частотных диапазонов. Набор Stellaris® 2.4 GHz SimpliciTI^TM Wireless Kit делает простым освоение полной однородной маломощной ВЧ-сети за счет наличия всех компонентов, необходимых для ее развертывания. Кроме того, возможно отдельно приобрести другие наборы, которые также поддерживаются входящим в данный набор программным обеспечением. Программное обеспечение для микроконтроллеров Stellaris, включенное в рассматриваемый набор (и в набор DK-LM3S9B96-EM2) поддерживает также следующие наборы разработчика и оценочные модули от Texas Instruments.

Плата расширения Stellaris® LM3S9B96 EM2 Expansion Board дополнительно поддерживает приемопередатчики, совместимые с ней по разъемам (табл. 1)

Таблица 1. Приемопередатчики, совместимые с платой расширения LM3S9B96 EM2

CC1101EMK433	CC1101EMK868-915	CC2520EMK

Оценочный модуль на базе CC1101 для частоты 433 МГц	Оценочный модуль на базе CC1101 для частоты 868...915 МГц	Набор оценочных модулей на базе CC2520

Набор разработчика DK-LM3S9B96 совместно с платой расширения DK-LM3S9B96-EM2 и платами реализации беспроводных протоколов может использоваться с дополнительным оборудованием, выпускаемым корпорацией Texas Instruments (табл. 2)

Таблица 2. Дополнительное оборудование для набора разработчика DK-LM3S9B96

EZ430-CHRONOS	MSP-EXP430FG4618	Платы SmartRF04/05

Средство разработки eZ430-Chronos Wireless Watch	Плата для экспериментов MSP430FG4618/F2013	Плата для экспериментов SmartRF04