diseño wifi y bluetooth con módulos de comunicaciones wirelesstag
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NA – Diseño Wifi BLE - 1607
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Estrategias de diseño en WiFi y Bluetooth
Elección del método
Para el diseño de aplicaciones de alta frecuencia, especialmente WiFi o BLE, los ingenieros
electrónicos se encuentran ante dos opciones: utilizar circuitos integrados de comunicaciones
SoC (System on Chip) o módulos.
Los SoC contienen una pequeña memoria SRAM,
bucles de enganche de fase PLL, osciladores VCO,
toda la etapa de transmisión y recepción de alta
frecuencia, puertos globales de entrada/salida, y
buses SPI, SDIO, I2C y/o JTAG.
Los módulos de comunicaciones
incorporan el SoC y además lo
complementan con un pequeño
microcontrolador, cristal, antena o
conector para antena externa y carcasa
metálica de protección a modo de jaula de
Faraday.
El microcontrolador realiza las tareas primarias de comunicación con el módem de
comunicaciones de forma que, no sólo facilitan el diseño final, sino que liberan de carga al
algoritmo principal de la aplicación final. Asimismo, este firmware base permite también
implementar fácilmente las comunicaciones mediante comandos AT por puerto serie, como
si de un equipo módem acabado se tratase, a la par que deja accesibles los propios puertos
del SoC.
Diseñar en alta frecuencia
Realizar un diseño de alta frecuencia no es precisamente una tarea fácil, más bien muy
compleja. Hay que lidiar con múltiples aspectos y cualquier pequeño detalle podría afectar a
la integridad y fuerza de la señal.
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Algunas reglas básicas son:
- Elección precisa de los componentes pasivos.
- Control del retorno de corriente, conectando los planos de masa con resistencias de
0 Ohmios.
- Rodear, en la medida de lo posible, las pistas transportadoras de señal de alta
frecuencia con planos de masa.
- Acompañar con vías entre planos de masa la señal de la antena.
- Evitar cambios de dirección de pistas.
- Evitar rutear pistas en otras capas a la altura de los integrados de comunicación.
- Separar uniformemente las pistas paralelas.
- Calcular con exactitud el ancho de la pista para ajustar al detalle la impedancia
equivalente y la potencia que debe soportar la pista.
- Utilizar materiales de aislamiento en el diseño de las capas.
En definitiva, son muchos los factores que pueden afectar el rendimiento, incluso la ubicación
de los soportes.
Por ello es necesario no sólo disponer de un buen conocimiento de técnicas de diseño, sino
también haber acumulado cierta experiencia y saber hacer en diseño de alta frecuencia.
Utilizar módulos de comunicaciones en los diseños ahorra toda la ardua fase de
cálculo, diseño y testeo, y facilita la programación; lo que no sólo se traduce en un
considerable ahorro de tiempo y coste sino que también sociabiliza el diseño de equipos de
comunicaciones, haciéndolo apto al amplio abanico de ingenieros diseñadores de electrónica.
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Regulación y test
Una vez implementado el primer prototipo, el siguiente paso es asegurarse el cumplimiento
de las directivas de compatibilidad electromagnética (Directiva 2004/108/CE en Europa) y
obtener las pertinentes certificaciones: CE para Europa y FCC para América. En el caso de
Bluetooth, además se requiere la certificación Bluetooth SIG.
Los ensayos de compatibilidad electromagnética persiguen eliminar, disminuir y prevenir los
efectos de acoplamiento entre los equipos y el entorno electromagnético. Un equipo se
considera electromagnéticamente compatible cuando, funcionando en un ambiente
electromagnético, no produce interferencias o perturbaciones que afecten a los demás
equipos, y tampoco ve afectado su funcionamiento por el ambiente electromagnético en el
que se encuentre: esto es, presenta inmunidad electromagnética frente a perturbaciones
externas. Estos ensayos se realizan en cámaras anecoicas, que absorben las reflexiones
producidas por ondas acústicas y electromagnéticas. Para ello, suele ser necesario acudir a
laboratorios de ensayo y certificación.
Un diseño de complejidad media raramente supera las pruebas, teniendo que realizar varios
ciclos de modificación del prototipo inicial hasta cumplir con los requisitos impuestos en la
legislación.
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Módulos vs chips: Ventajas e inconvenientes
Las dificultades de diseño en alta frecuencia, de procedimientos de regulación y
test y de múltiples versiones de diseño se pueden evitar trabajando con módulos.
Es cierto que un SoC presenta menor coste que un módulo - alrededor de un 80% - y permite
personalizar el diseño y optimizar el espacio según las necesidades, además el coste de
fabricación por unidad es menor. Sin embargo, utilizar un módulo nos asegura que un
ingeniero de alto nivel ha realizado el diseño, optimizado el espacio en la justa
medida, con la antena adecuada, todos los ensayos superados con éxito y, lo más
importante: Funciona. Estos detalles no son baladí y, si tuvieran que ser asumidos,
repercutirían un coste y riesgo pocas veces asumibles.
Un primer listado de los costes complementarios a tener en cuenta sería:
- Ingenieros de diseño de RF: como ya se ha comentado, la dificultad del diseño en
alta frecuencia requiere que el ingeniero de diseño de alta frecuencia esté
suficientemente cualificado y disponga de la experiencia adecuada.
- Análisis y selección de componentes: no es inmediato, puede llegar a requerir la
adquisición y prueba de diferentes muestras hasta disponer de una selección óptima.
- Diseño, adecuación y optimización de la antena: aunque los fabricantes de antenas
facilitan pautas de diseño, los desarrollos requieren de diferentes pruebas de campo.
- Implementación de los primeros prototipos: coste asociado a la fabricación de los
primeros prototipos y sus modificaciones en laboratorio.
- Utilización de material de laboratorio para medidas de alta frecuencia.
- Ensayos de compatibilidad electromagnética: se debe alquilar una cámara anecoica
o, directamente, un servicio de ensayos. Hay que tener en cuenta que, aparte del
coste, hay importante tiempo muerto en este proceso, fruto de las listas de espera
para el acceso a las cámaras anecoicas y del tiempo de elaboración del informe
completo del ensayo.
- Obtención de certificaciones.
- Riesgos y retrasos del time-to-market: el diseño en módulos es inmediato, y por
tanto, el inicio del negocio es más rápido. Un retraso de diseño en la vorágine
tecnológica actual supone pérdida de cuota de mercado.
- Disponibilidad de producto: la adquisición de módulos es más ágil que la de SoC. En
el proceso de compra de SoC el pedido mínimo es mucho más alto. Además, el nivel
de soporte técnico ofrecido por un fabricante de SoC es casi nulo, desarrollándose
en foros, totalmente opuesto al soporte que sí ofrecen los fabricantes de módulos.
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Por otro lado, la garantía y compromiso que pueda ofrecer un fabricante de SoC
estará disponible sólo para grandes volúmenes de negocio, corriendo el riesgo de
que el SoC escogido quede obsoleto y ponga en riesgo el negocio.
- Tipo de encapsulado: los SoC suelen presentarse en encapsulados más complejos y
avanzados que los módulos, y por tanto, requieren herramientas de soldadura y
desoldadura de gama más alta.
Todo ello hace que el umbral de rentabilidad para el uso de SoC sea muy elevado. En el caso
de los diseño de Bluetooth, se considera generalmente entre 200.000 y 300.000 unidades.
Oferta de módulos Wifi y Bluetooth
La oferta en módulos es creciente. Para el diseño de aplicaciones WiFi y Bluetooth,
Wireless-Tag (uno de los fabricantes más populares de módulos) presenta una gama de
productos basada en el SoC de Espressif (WiFi) y de Nordic (BLE), respectivamente.
Módulos WiFi
Para WiFi, se ofrece la gama WT8266, basada en el chip de Expressif ESP8266. Estos
módulos incorporan el procesador L106 Diamond de Tensilica, de 32 bits y carcasa
de metálica de protección. Se trata de unos módulos de tamaño ultra-reducido
(18,6 x 15 mm), y de rango extendido de temperatura (de -10ºC a 85 ºC). Destaca que
el consumo en modo sleep no supera los 10uA.
Al integrar el SoC de Espressif, soporta los
estándares de WiFi 2.4 GHz b/g/n, seguridad
WPA/WPA2.
El Hardware ofrece puertos SDIO, SPI y puerto serie UART, que permiten utilizarlo con otro
procesador. También dispone de un convertidor analógico digital de alta precisión de 10 bits.
En cuanto a diseño de alta frecuencia, destacar que dispone de switch de transmisión y
recepción con amplificador de bajo ruido (LNA) y balanceador de ruido integrado (balun);
amplificador de potencia y acoplador de red.
El firmware dispone del stack TCP/IP y soporta los modos de operación de estación (STA) y
de punto de acceso (PA), de forma individual o conjunta. Es configurable con comandos AT
a través de la UART.
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Se presenta en tres variantes, todas ellas con el mismo pinaje:
- WT8266-S1: incorpora antena embebida integrada.
- WT8266-S2: incorpora conector Ipex para antena externa.
- WT8266-S2EX: incorpora antena cerámica integrada.
Todos los módulos están avalados con las certificaciones FCC/CE/RoHS. Esta gama se
complementa con la placa de evaluación WT8266-DK, que permite conectar un ordenador
por bus USB y probar el módulo. Se entrega con un software de evaluación. La placa de
evaluación no incorpora el chip, por tanto, podemos escoger la variante que más se adapte
a nuestro proyecto y realizar los test en las mismas condiciones de cobertura que tendrá
nuestro dispositivo final.
Módulos Bluetooth
Para Bluetooth, Wireless-Tag ofrece la gama WT51822,
basada en el SoC de Nordic nRF51822. Este SoC soporta
BLE 4.1, de clase II; esto es, distancia máxima de 45 m.
También es compatible con BLE 4.0. Además, presenta una
sensibilidad de hasta 93dBm y tasas de transferencia de hasta
2Mbps. Como complementos de hardware ofrece un convertidor
analógico digital de 8 canales, 31 pines de E/S, tres temporizadores
con modo contador, bus SPI y compatibilidad I2C. Dispone de un
decodificador de cuadratura, adecuado para sensores ópticos y
mecánicos y encriptación AES directa por Hardware.
Wireless-Tag resuelve todo el diseño de alta frecuencia integrándolo en tres variantes:
- WT51822-S1: es el módulo más sencillo, se presenta sin antena y es
programable por SWD.
- WT51822-S2: con antena embebida integrada y programable por SWD.
- WT51822-S4AT: se presenta con antena embebida integrada y es accesible
por comandos AT. Además, por medio de los comandos AT, permite
modificar parámetros básicos como el puerto serie, la tasa de transmisión,
el nombre, la dirección MAC del módulo o el Identificador Único Universal
UUID, entre otros.
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Igual que los módulos WiFi, todos los módulos BLE están avalados con las certificaciones
FCC/CE/RoHS. El modelo WT51822-S4AT es el más popular de los tres. Debido a la facilidad
del control por comandos AT junto con la antena integrada, aceleran de forma considerable
la etapa de diseño.
La gama BLE se complementa también con la placa de evaluación WT51822-DK, con la que
fácilmente se puede conectar cualquiera de los módulos vía USB. Éste incorpora unas placas
Xbee de adaptación. Según el módulo escogido, se deberá utilizar una u otra y soldar el
mismo en ésta.
Módulo combinado WiFi + BLE
El creciente uso de WiFi y BLE hace que los usuarios esperen disponer de ambas
tecnologías en sus dispositivos. Este hecho ha obligado a los fabricantes a diseñar y
ofrecer módulos combinados con ambas tecnologías. En esta línea, Wireless-Tag tiene
previsto ofrecer próximamente un módulo combinado especialmente potente. Se trata del
modelo ESP32-WROOM-03, basado en el SoC combo de Espressif ESP32.
La parte WiFi trabajará en los estándares b/g/n y ofrecerá cuatro interfaces MAC. Se podrá
conectar en modo de punto de acceso (AP), estación (ST), combinado (SoftAP+ST) o punto
a punto (P2P), y ofrecerá los protocolos de seguridad WPA/WPA2/WPS/TLS y encriptaciones
WEP/TKIP/AES/RSA/SHA. En cuanto a protocolos de red, comprenderá la nueva IPv6,
seguridad SSL; y TCP, UDP, HTTP y FTP.
La parte de Bluetooth soportará BLE4.2 tanto en clase I y II; y compatibilidad con BR (Basic
Rate) y EDR (Enhanced Data Rate).
Basándose en la CPU de doble núcleo de Cadence, Xtensa Lx6, a nivel de hardware estará
excelentemente dotado, ofreciendo UART, temporizadores, contadores de pulso para control
de PWM de motores, soporte para tarjetas SD/eMMC/SDIO, convertidores analógicos-
digitales y digitales-analógicos, 4 controladores SPI y 32 puertos generales. Además, la
interfaz también dispondrá de sensor táctil capacitivo, de sensor de temperatura y pre-
amplificador de bajo ruido LNA.
A nivel de Software destaca el control por comandos AT y compatibilidad con Android e iOS,
así como la posibilidad de actualizar el firmware, aparte de por puerto serie, por vía aérea
FOTA (Firmware Over The Air) a través de la red o desde un servidor.
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Todas estas características harán de este módulo un todo terreno apto para todo
tipo de aplicaciones, desde wearables hasta aplicaciones de control de motores
por pulso o de complemento de comunicación de alta gama en sistemas
complejos, ya que, además, está preparado para operar en rango extendido de
temperatura, entre -40 y 125ºC.
Conclusiones
Es notable la creciente disponibilidad de módulos. Incluso, los propios fabricantes de SoC,
aconsejan directamente a sus clientes el uso de módulos, prefiriendo dar soporte a los
fabricantes de módulos que utilizan sus SoC antes que darlo al conjunto global del mercado.
De hecho, los nuevos dispositivos de gran volumen de producción tales como teléfonos,
televisiones y tablets, empiezan a decantarse por el diseño con módulos. Tal como se
observa en las siguientes imágenes.
Iphone 6 y Ipad utilizando módulos WiFi y BLE.
En definitiva, la diferencia de coste apreciable al comparar SoC frente a módulos, se
compensa por muchos factores. Hoy en día, los fabricantes de módulos de gran volumen ya
ofrecen precios muy competitivos gracias a su economía de escala y ofrecen soluciones
competitivas de rápida implementación y última tecnología.