초소형 드롭인 모듈을 사용하여 Bluetooth Low Energy 연결을 간소화하는 방법

Bluetooth(BT) 및 Bluetooth Low Energy(BLE)는 통신을 위한 핵심 기술로 자리 잡았습니다. 이를 통해 사물 인터넷(IoT) 장치는 텍스트 및 오디오부터 스트리밍 비디오에 이르는 데이터에 무선으로 연결 및 전송할 수 있습니다.

그러나 완전한 BT 노드의 설계, 구현 및 인증에는 기저대역 아날로그 및 디지털 기능, 펌웨어로 구동되는 임베디드 처리, 그리고 수신기의 저잡음 프런트엔드 증폭기와 송신기의 전력 증폭기 모두에 대한 무선 주파수(RF) 설계 분야의 전문 지식이 필요합니다.

이러한 기능은 또한 효과적인 전력 관리로 지원되어야 합니다. 또한 각 BT 노드는 성능과 관련된 포괄적인 목표 목록을 충족해야 하며, RF 간섭(RFI) 및 전자기 간섭(EMI)에 관한 규제 요구 사항도 충족해야 합니다. 이러한 의무 사항은 설계를 복잡하게 만들고 장치 배치 속도를 늦출 수 있습니다.

이 기사에서는 BLE를 간단히 살펴보고 저전력 IoT 장치에 대한 적합성을 설명합니다. 그런 다음 즉시 사용 가능한 Ezurio의 BLE 모듈을 소개하고 이러한 모듈이 BLE 지원 IoT 노드의 개발을 가속화하는 데 어떻게 도움이 되는지 보여줍니다.

Bluetooth에서 BLE로

Bluetooth는 무선 데이터 및 음성 전송을 위한 개방형 글로벌 표준으로, 다양한 전자 장치 간에 저비용의 단거리 무선 연결을 가능하게 합니다. 2.4GHz 산업, 과학, 의료(ISM) 대역에서 작동하는 이 장치의 응용 분야에는 오디오 및 텍스트 이미지의 제한된 거리 전송, 비디오 스트리밍, 스마트폰-이어버드 페어링, 저에너지 IoT 연결이 포함됩니다.

Bluetooth 1.0 사양은 10m의 범위(Class-2 장치의 경우), 단순한 피어 투 피어 네트워킹, 732.2킬로비트/초(kbit/s)의 데이터 전송률을 요구했으며, 최초의 제품은 2000년에 출시되었습니다. 버전 2.0(2004) 및 3.0(2009)의 개선을 통해 데이터 전송률은 각각 3Mbit/s 및 24Mbit/s로 향상되었습니다.

그러나 원래 BT 링크의 전력 요구 사항이 너무 높아 대다수의 대상 응용 분야에는 적합하지 않았습니다. 2010년, 버전 4.0(BLE)이 도입되었고, 이전 버전은 비공식적으로 Bluetooth Classic으로 이름이 변경되었습니다(그림 1). BLE는 IoT 장치용으로 고안된 최적화된 저대역폭 프로토콜 스택을 기반으로 하는 초저전력 유휴 모드를 사용하여 전력을 약 90% 감소했습니다. 이 유휴 모드를 통해 IoT 센서, 위치, 비콘, 스마트홈 노드, 의료용 장치, 피트니스 트래커는 매우 작은 동전형 전지 배터리에서 수년 동안 작동할 수 있습니다.

그림 1: Bluetooth Classic(버전 1.0 ~ 3.0)과 BLE(버전 4.0 ~ 6.0)의 요약 비교 (이미지 출처: MOKOSmart)

BT의 각 버전을 통해 설계자는 거리, 데이터 전송률, 전력 간 절충점을 선택하고 균형을 맞출 수 있습니다. BLE의 최신 버전은 6.0(2024)이며, 이는 저전력 모드, 확장된 범위, 피어 투 피어, 스타, 브로드캐스트, 메시 토폴로지에서 1Mbit/s ~ 2Mbit/s의 최대 데이터 전송률을 지원합니다.

BLE 모듈을 통해 디자인인 간소화

BT는 단거리·저전력 무선 링크에 적합한 다목적 기술이지만, 실제 구현에는 프로세서, 메모리, 아날로그 RF 프런트엔드, RF 전력 증폭기, 안테나에 걸친 여러 부품과 기술의 조합이 필요합니다. 또한, 소프트웨어 기반의 데이터 링크 프로토콜 및 스택이 있습니다. 이러한 다양한 소자의 선택 및 디자인인은 어려울 수 있습니다.

BLE 지원 장치의 설계를 간소화하기 위해 Ezurio는 필요한 소자를 BL54L15 BLE 모듈에 통합했습니다(그림 2). 이러한 모듈의 핵심에는 Nordic Semiconductor의 nRF54L15 시스템 온 칩(SoC)이 있습니다.

그림 2: BL54L15 BLE 모듈 제품군은 성공적인 무선 구현에 필요한 모든 기능을 포함하는 완전하고 고도로 통합된 솔루션으로 구성되어 있습니다(이미지 출처: Ezurio).

이러한 모듈의 주요 특징에는 다음이 포함됩니다.

• 128MHz Arm Cortex-M33 및 128MHz RISC-V 코프로세서 기반의 듀얼 코어 처리
• 1.5Mbyte의 비휘발성 메모리(NVM)와 256Kbyte의 랜덤 액세스 메모리(RAM)로 구성된 대용량 메모리
• 향상된 보안

이러한 모듈은 BLE 및 802.15.4에 대한 안전하고 강력한 지원을 제공하여 Nordic nRFConnect 소프트웨어 개발 키트(SDK), Zephyr 실시간 운영 체제(RTOS), Ezurio Canvas 소프트웨어 제품군을 통해 유연한 프로그래밍 역량을 제공합니다. Canvas는 MicroPython 스크립팅 기능을 실현하여, 응용 제품 개발을 간소화하고 가속화합니다. 전반적인 구성에는 nRF54L15 하드웨어의 모든 기능과 역량을 사용합니다.

두 가지 BL54L15 모듈은 사전 인증된 인쇄 회로 기판(PCB) 트레이스 안테나를 갖춘 453-00001R(그림 3, 왼쪽)과, 외부 안테나를 지원하기 위한 MHF4 커넥터가 있는 453-00044R(그림 3, 오른쪽)입니다. 두 모듈 모두 1.7V_DC ~ 3.5V_DC 전원에서 작동하며, 각각 콤팩트한 14mm × 10mm × 1.6mm의 패키지로 제공됩니다.

그림 3: 453-00001R(왼쪽)은 사전 인증된 PCB 트레이스 안테나를 갖추고 있으며, 453-00044R(오른쪽)은 외부 안테나를 지원하기 위한 MHF4 커넥터를 갖추고 있습니다(이미지 출처: Ezurio).

이 모듈의 멀티프로토콜 무선부는 최대 7dBm의 송신(TX) 전력을 제공하며(1dB 단계), 1Mbit/s 처리량에 대해 수신기(RX) 감도는 -94dBm입니다. 하드웨어는 -40°C ~ +105°C의 산업 온도에 대해 설계 및 인증되었습니다.

이 모듈은 또한 최첨단 보안을 갖추고 있으며 Secure Boot, Secure Firmware Update, Secure Storage를 지원합니다. 통합된 훼손 방지 센서는 물리적 공격을 감지하며, 암호 가속기는 사이드 채널 공격에 대해 강화되어 있습니다. 또한 이 모듈은 BLE 성능과 RFI/EMI 방출 및 민감도에 관한 모든 관련 국제 표준과 규제 의무 사항을 충족합니다.

안테나 수용

안테나는 BL54L15 모듈의 기능에 필수적인 수동 부품입니다. 일부 설계자는 성능, 배치, 패키지 크기 또는 비용상의 이유로 표면 실장 안테나를 선호하는 반면, 다른 설계자는 PCB 트레이스 안테나를 선호합니다. 이러한 선호를 고려해 Ezurio는 두 가지 BL54L15 모듈을 제공하지만, 사용 시 주의가 필요합니다.

예를 들어, 453-00001R에 통합된 PCB 트레이스 안테나의 성능은 호스트 PCB 토폴로지에 민감합니다. 안테나가 제대로 방사하도록 하려면 453-00001R을 호스트 PCB의 가장자리에 배치하는 것이 매우 중요합니다(그림 4). 이 킵아웃 영역은 너비가 약 5mm, 길이가 28.6mm이며, 453-00001R 모듈 아래의 PCB 유전체(구리 없음) 높이는 1.57mm입니다.

그림 4: 453-00001R 모듈의 PCB 트레이스 안테나 킵아웃 영역(빨간색으로 윤곽 표시)은 최적의 성능을 달성하는 데 매우 중요합니다(이미지 출처: Ezurio).

Ezurio는 이 통합 PCB 트레이스 안테나를 플라스틱 및 금속 인클로저와 함께 사용할 때 몇 가지 중요한 권장 사항을 제공합니다.

• 안테나 튜닝 성능이 심각하게 저하되는 것을 방지하기 위해, 금속에 대한 최소 안전 거리는 위/아래에서 40mm, 좌우에서 30mm입니다.
• PCB 트레이스 모노폴 안테나에 금속이 가까이 있으면(어느 방향이든) 안테나 성능을 저하시킵니다. 성능 저하의 정도는 전적으로 시스템에 따라 달라지며, 설계자는 호스트 응용 제품에서 테스트를 수행해야 합니다.
• 킵아웃 영역에서 금속이 20mm 이상 가까워지면 성능(S11, 이득, 방사 효율)이 현저하게 저하되기 시작합니다.
• 인클로저 높이와 재료(금속 또는 플라스틱) 및 호스트 PCB 접지의 영향을 평가하기 위해 제품의 목업 또는 시제품 제작으로 통신 거리를 테스트하십시오.

453-00001R의 대안으로, 설계자는 MHF4 마이크로 동축 커넥터가 있는 453-00044R BL54L15 모듈을 선택할 수 있습니다. 적합한 외부 안테나 옵션으로는, 곡면 및 공간 제약이 있는 하우징을 위해 유연한 PCB를 갖춘 표면 실장형 EMF2449A1-10MH4L(그림 5, 왼쪽)(36mm × 12mm × 0.1mm)이 있습니다. 또 다른 안테나 옵션으로는 EBL2400A1-10MH4L(그림 5, 오른쪽)(44.45mm × 12.7mm × 0.81mm)이 있습니다. 이 안테나는 공진기 구조에 접지면을 통합하므로, 효율적인 방사를 위한 추가 접지면이 필요하지 않습니다.

그림 5: 453-00044R 모듈에 사용할 수 있는 안테나 옵션으로는 EMF2449A1-10MH4L 연성 회로 기판 안테나(왼쪽)와 일체형 접지면을 갖춘 EBL2400A1-10MH4L 안테나(오른쪽)가 있습니다(이미지 출처: Ezurio).

BLE 연결에 더해, BL54L15 계열은 Zigbee 및 NFC-A 태그를 지원합니다.

평가 기판 및 소프트웨어 지원

완전한 제품 개발 주기를 가속화하기 위해 Ezurio는 두 가지 평가 기판을 제공합니다. 하나는 PCB 트레이스 안테나가 통합된 453-00001R을 위한 453-00001-K1(그림 6)이고 다른 하나는 표면 실장 안테나가 있는 453-00044R을 위한 453-00044-K1입니다.

그림 6: 453-00001R BLE 모듈용 453-00001-K1 개발 기판(이미지 출처: Ezurio)

결론

BLE는 단거리, 저전력 연결을 위한 중요한 무선 표준이자 프로토콜이 되었습니다. Ezurio는 설계자가 BLE를 최종 제품에 빠르게 효과적으로 통합할 수 있도록 콤팩트한 BLE 모듈, 평가 기판, 소프트웨어를 제공합니다.