低功耗蓝牙SoC器件nRF52产品介绍

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低功耗蓝牙SoC器件nRF52产品介绍
Nordic Semiconductor在2012年
# |/ g# j$ Y1 S4 _, B推出nRF51产品系列，率先设计和开
发了低功耗蓝牙SoC器件，其后继续
推出nRF52系列产品。例如最近推出
的nRF52810 SoC，这是符合蓝牙5标
: J0 _  a( c3 w8 B( J准的芯片，带有具有良好计算能力的
64MHz、32位ARM Cortex M4微控制
器，100dBm链路预算2.4GHz多协议
8 R3 H0 K  |0 B1 M无线电，以及分别为4.6mA(输出功率
为0dBm)和4.6mA(吞吐量为1Mbps)的
峰值Tx和Rx功耗以提供长电池寿命。
nRF52810 SoC是Nordic的入门
$ ?  }! l  F; ^3 L级蓝牙5/低功耗蓝牙产品，可降低信
7 W, t. s: h+ |3 X: O+ R% r3 O标应用材料清单(BoM)成本。这款SoC
( u$ f! j! p  p' P9 K4 Q: L器件继承了nRF52系列SoC器件的高
% Y* `' A. j: @" D8 }8 P7 [% P性能。nRF52810 SoC集成了196kB
Flash和24kB RAM。内存配置足以运
行典型的高容量、低成本应用程序代
码，并支持OTA固件更新。这款SoC器
2 ]' x- z% f, J% Y* l* O+ |件采用带有32个GPIO的6×6mm 48引
脚QFN封装，或者采用带有16个GPIO
: O! \& Q4 L: ^; c的5×5mm 32引脚QFN封装。
对于没有RF硬件设计经验的开发
- r  f: i9 B; U% A$ _! F. P人员来说，另一种方法是以开发套
件(DK)的形式投资经过组装和测试的
硬件，大多数芯片制造商提供此类产
- I. f4 h7 y1 [* U品。就这部分而言，Nordic提供nRF52
开发套件(DK)，可以连接到PC或Mac
7 ?& ?. v  R- Q" B: k& G2 F上用于开发，并构成使用nRF52810
SoC进行信标产品原型设计所需的全
部硬件(图2)。
# ~: e. F2 @& m* \6 y
7 T0 y8 `& c, f8 `: @7 U. D- Y
$ k4 n) P8 E+ U( E( X0 B" Y" b这个DK通过连接器提供针对SoC
& Z$ a3 X2 I  r; g; S5 c, K所有I/O和接口的直接访问，并且包
括四个用户可编程LED和按钮。这个
DK的另一个方便功能就是与Arduino
Uno(修订版3)标准硬件兼容，可以使
$ I  Q4 m, @; O. A创建应用程序代码
+ G* ]# N% b; z虽然低功耗蓝牙SoC供应商在开发方
* M3 h( e0 U% y7 l. }! Y4 p& @9 T面各师各法，但他们的软件都基于工
  }3 [: R" }  x: n2 a, ]. P厂提供的蓝牙5/低功耗蓝牙RF协议
栈。开发人员的任务是为其信标设计
. S: ^2 M7 B, e5 l编写应用程序代码。这需要克服一些
) F' D: I- t: R/ e$ U+ S挑战：蓝牙技术联盟(SIG)没有制订用
2 F) A+ x. [; }于信标的“规范(Profile)”(经过测试
6 D( A$ `. I( Z1 H和验证的应用软件)；在信标通信中，
广播信道的使用方法与其它低功耗蓝
8 R) F7 r  _: A4 p* B9 T9 V牙应用不同，即不建立配对，而是直
+ x8 t/ A3 F; z) d# u' X6 n接向范围内的设备广播数据；此外，
应用程序代码需要遵守Apple iBeacon
' a# {2 h1 D& l8 q和Google Eddystone规范，以确保与
5 \% }/ J. o' k5 U  ?; [- [Apple和安卓手机的互操作性。如果
没有适当的管理，在应用程序代码编
译期间，供应商的低功耗蓝牙协议栈
; }* L& \3 B$ }- P! w# E  x$ p可能会被破坏，从而延长调试过程。
5 p, A, ^: K" D) Z) ~Nordic的低功耗蓝牙设计方法是
) i. I1 ]- L. W# f从开发人员那里简化这种复杂性，这
种方法的关键是该公司独特的软件架
构，它将Nordic的RF协议栈(称为“堆
栈”)与应用程序代码完全分开，这种
方法意味着开发人员可以专注于应用
0 f7 U9 M5 p4 o3 O% L" f程序代码的质量，因为他们安心知道
8 k5 E8 w& ]% C; O. k堆栈在设计过程中不会被破坏。在编
  ^+ x4 q6 I; D/ f% [2 q译期间，开发工具负责管理Nordic RF
协议栈与应用程序代码之间的链接，
并且保持高效可靠的堆栈操作的关键
依赖性(图4)。
, G: K/ n6 L; _3 W' @# a3 G( U0 ENordic DK的主机低功耗蓝牙SoC
在交付时是空白的，所需堆栈的预
编译二进制文件从Nordic的网站上下
载，并使用nRF Connect无缝移植到
8 k9 U3 c! s/ t; L; C" A# l& Z7 pDK的SoC上。nRF Connect是Nordic
* ]5 O& H, K' }5 E的跨平台工具，可以通过低功耗蓝牙
: W* L9 h: A8 ?! Z进行测试和开发(nRF Connect提供桌
面和移动版本，允许开发人员使用低
功耗蓝牙连接，分别从PC或智能手机
与其原型构建产品进行通信)。对于使
用nRF52810 SoC的信标应用，推荐
5 H2 X$ w7 f# V$ Q: E使用S112堆栈，仅占用100kB Flash
内存，这是用于构建信标等高性能低
, J; Z  n* C  ?( z* o功耗蓝牙应用的蓝牙5兼容协议栈。
+ x% u5 z! T8 O3 V使用Nordic技术时，应用软件开
6 F. T/ }' q) I( j; U0 Y发人员需要三个基本工具，第一个是
' q4 y9 ~; s5 G: _9 F; [5 C3 m带有Nordic支持的编译器的集成开发
环境(IDE)(例如SEGGER Embedded
Studio、MDK-ARM Keil、GNU/GCC
+ k8 F% k+ h, M! u# i或IAR(所有这些IDE均支持Windows，
4 m: h7 B$ |0 l. G' j但只有SEGGER和GNU/GCC同时支
持Linux和OSX))。
开发人员还需要使用Nordic的
nRF5软件DK(SDK)和nRF5x命令行工
' w5 s+ x6 q- G' {6 {8 T具。为了减低信标应用程序代码开发
& y2 n; k3 f! J# y4 h的复杂性，nRF5 SDK包含软件示例、
# W! k, u6 P9 c8 r- i源文件和其它有用的开发项目。
重振信标应用
蓝牙4,4.1和4.2以及Apple和Google
信标规范鼓励开发人员为机场、博物
馆和画廊等公共场所提供零售和定位
应用的早期设计。但是，在这些版本
- C( H" {- ]+ d的核心规范中，广播信道的受限有效
7 I" w" m, G7 Y. r, K6 H载荷可能会限制创新。蓝牙5技术的
广播扩展功能可以实现先前无法达成
$ ?% F+ S% d, T+ \, n的零售和室内导航信标应用，从而重
振信标行业。
对于缺乏经验的开发人员来说，
利用这个协议增强功能似乎是一件十
分困难的事情。不过，通过与Nordic
9 N& F* k$ N% x4 A. z# w  USemiconductor等成熟的低功耗蓝牙
供应商合作，可以简化成功实施信标
应用的过程。
然而，与所有的工程设计一样，事
% x2 P' i. C  ]8 J& E/ w情有时会变得困难，特别是对于首次
开发信标应用程序的开发人员而言。
. q* \2 X$ M, T  [8 R  Y. \% y" ~好消息是，无线设计社群内有许多先
锋，并且乐意分享经验。例如，Nordic
. {' S* s3 [: v! E  W; a的DevZone开发社区云集了25,000名
6 H8 z4 B0 a: U1 n% u* t* R3 j设计人员，他们很可能会解决十分棘
- Z- T- F8 ?& F4 t1 X/ A0 r手的信标设计问题。
- [: \5 L- m  L" V: o) ~0 R用众多商用第三方盾中来增强功能
7 x; D$ G$ C1 K$ z) M
; c; e9 _! ~2 m2 T3 }- h

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带有具有良好计算能力的
64MHz、32位ARM Cortex M4微控制
! {, U8 i7 H& Z( J器