Microchip의 Curiosity 기판을 사용하여 빠르게 무선 설계 시작

무선 연결은 보편적이고 소비자가 사용하기에 점점 더 쉬어지고 있지만, RF 엔지니어링에 대한 경험이 제한적이라면 무선 프로젝트를 설계하는 것은 여전히 벅찬 일입니다.

일반적으로 내장형 프로세서, 트랜시버, RF 조정 회로, 전력 관리, 심지어 한 개 또는 두 개의 안테나를 통합하는 상업용 모듈은 대부분의 RF 설계 및 테스트 작업이 완료되어 있으므로 이를 사용하면 작업이 쉬워집니다. 그러나 일부 프로토타입은 모듈(예:Microchip Technology의 WBZ451PE-I)을 사용해도 성공을 위해 추가적인 설계 세부 사항에 주의를 기울여야 합니다.

그림 1: WBC451PE-1 모듈은 건물 무선 제품에 대한 액세스를 더욱 향상시키지만 방심할 경우 함정이 남아 있습니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

기판에서 모듈의 방향, 접지면의 배치, 전자기 간섭(EMI) 차폐, 기타 부품의 위치, 인쇄 회로(PC) 기판 트레이스 임피던스 등의 여러 사항들을 고려해야 합니다. 따라서 RF 모듈이 통합된 잘 설계된 무선 제품은 설계자가 세부 사항에 많은 주의를 기울이지 않은 제품에 비해 더 넓은 범위, 더 높은 처리량, 더 낮은 전력 소비를 나타낼 수 있습니다.

코딩

소프트웨어도 전반적인 제품 성능에 있어 중요한 역할을 수행합니다. 무선 제품은 일반적으로 RF 프로토콜 스택과 응용 소프트웨어 모두를 필요로 합니다.

Bluetooth Low Energy(LE), Zigbee 또는 독점 2.4GHz 프로토콜과 같은 RF 프로토콜 소프트웨어의 코드를 작성할 수도 있지만, 일반적으로 트랜시버 제조업체 또는 오픈 소스 라이브러리를 통해 검증된 고급 스택을 사용할 수 있습니다. 이는 가장 비용 효율이 뛰어나고 가장 빠른 방법일 것입니다.

무선 링크에 걸쳐 무선 패킷을 전송하는 것과 유용한 페이로드를 전달하는 것은 완전히 다릅니다. 응용 코드는 유형, 우선 순위, 형식, 데이터가 전송되는 횟수를 결정합니다. 소프트웨어는 상대적으로 간단한 작업을 수행할 수 있습니다(예: 온도, 습도 또는 심박동수 정보 전송). 더 복잡한 응용 제품의 경우 머신 진동 센서에서의 오디오 스트림 또는 여러 실시간 주파수 전송을 요구할 수 있습니다.

RF 프로토콜 및 응용 소프트웨어는 하드웨어 만큼 제품 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 응용 코드를 잘못 작성하면 RF 프로토콜의 스택이 계속 중단되어 생산량이 저하될 수 있습니다. 또는 응용 소프트웨어는 무선 장치의 듀티 사이클에 좋지 않은 영향을 줄 수 있습니다. 예를 들어, 무선 장치에 필요 이상으로 자주 데이터를 전송하도록 지시하여 불필요하게 전력 소비를 증가시킬 수 있습니다.

무선 프로젝트를 위한 도움 제공

다행스러운 것은 무선 프로젝트에 들어갈 경우 도움을 청할 수 있는 곳이 많다는 것입니다. 제조업체는 하드웨어 설계, 프로토콜, 응용 소프트웨어 예제를 지원하는 데만 열중하고 있습니다.

하드웨어 지원은 종종 평가 키트의 형태로 제공되며 대상 무선 트랜시버 또는 모듈을 기반으로 하는 완전한 작동 설계일 수 있습니다. 실리콘 벤더에서는 제품을 하드웨어 참조 설계로 쉽게 사용할 수 있도록 평가 키트의 부품을 지정하는 PC 기판 거버 파일과 BOM(부품 명세서)을 유용하게 제공하는 경우가 많습니다. 평가 기판 설계의 중요한 부분은 안테나 위치 지정입니다. 최적의 안테나 감도를 보장하려면 접지면 및 기타 부품에서 적절한 공간거리를 두어야 합니다. 제조업체의 레이아웃을 사용하면 안테나 성능 저하를 피할 수 있습니다.

Microchip Technology의 EV96B94A WBZ451 Curiosity 기판은 완전한 평가 키트의 예입니다(그림 2). 이 평가 기판을 사용하면 엔지니어가 스마트 홈 및 산업 자동화 응용 분야를 위한 Bluetooth LE 및 Zigbee 프로젝트의 프로토타입을 더 쉽게 만들 수 있습니다. Curiosity 기판의 핵심에는 IWBZ451PE-I Bluetooth 트랜시버 모듈이 있습니다. 이 모듈은 Bluetooth LE(최고 버전 5.2) 및 Zigbee(최고 버전 3.0)와 같은 다중 프로토콜 무선 인터페이스를 지원할 수 있는 범용의 저가형 32비트 마이크로 컨트롤러인 PIC32CX-BZ2를 기반으로 하면서 RF 트랜시버 및 전력 관리 장치(PMU)도 관리합니다.

그림 2: 위쪽 끝에 WBZ451PE-I 모듈이 실장된 EV96B94A Curiosity 기판의 상단 뷰. 최적의 성능을 보장하기 위해 모듈의 PC 기판 안테나에 대한 내장된 여유 공간을 확인하세요. (이미지 출처: Microchip Technology)

WBZ451PE-I 모듈은 마이크로 컨트롤러를 포함하고 있으며 PC 기판 안테나 또는 외부 안테나용 u.FL 커넥터를 지원합니다. 이 모듈에는 ADC(아날로그-디지털 컨버터)와 같은 표준 마이크로 컨트롤러 주변 장치 세트와 SPI(직렬 주변 장치 인터페이스), I2C(아이스퀘어씨), QSPI(쿼드 SPI) 및 UART(범용 비동기식 수신기-송신기)와 같은 인터페이스가 장착되어 있습니다.

Curiosity 기판에는 또한 Microchip 외부 QSPI 플래시 메모리 칩, 아날로그 전압 온도 센서, 외부 프로그래밍 장치/디버거용 10핀 Arm 직렬 전선 디버그(SWD) 헤더도 포함되어 있습니다.

프로토타입 개발을 위한 환경

Curiosity 기판을 시작하는 것은 상대적으로 쉽습니다. 이 기판은 메인 하드웨어를 형성하지만, 이를 PC 및 Android 또는 iOS Bluetooth 지원 스마트폰에 연결하기 위해 유형 A(수) - 마이크로 B 케이블이 필요할 수도 있습니다. 개발에 필요한 소프트웨어에는 MPLAB IDE(통합 개발 환경), MPLAB XC32 컴파일러, PKOB4 툴 팩, 즉각적인 사용이 가능한 데모가 포함됩니다. 외부 5V 공급 장치 또는 4.2V Li-Po 배터리에서 기판에 전력을 공급할 수 있습니다. 그림 3에 Curiosity 기판의 하드웨어 구성도가 나와 있습니다.

그림 3 : Curiosity 기판의 하드웨어 구성도는 외부 5V 공급 장치 또는 Li-Po 배터리에서 기판에 전력을 공급하는 방법을 보여줍니다. 이 기판은 또한 예제 프로그램에 사용할 수 있는 온도 센서와 RGB LED를 제공합니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

이 기판에는 통합 프로그래밍 장치 및 디버거(PKOB4 툴 키트의 일부)가 포함되어 있습니다. 이 장치는 호스트 PC에서 마이크로 B USB 커넥터까지 WBZ451PE-I 모듈을 프로그래밍 및 디버깅할 수 있습니다. 기본적으로, 온보드 디버거는 WBZ451PE-1 모듈의 프로그래밍 핀(SWDIO 및 SWDCLK) 에 연결되어 있습니다.

이 기판에는 단일 애플리케이션에서 두 가지 일반적인 Bluetooth LE 및 Zigbee 사용 사례를 시연하는 소프트웨어가 장착되어 있으며 두 인터페이스 스택이 동시에 실행될 수 있습니다. 구체적으로 말하면, 이 애플리케이션은 Bluetooth LE 센서 모니터링, Bluetooth LE 조명 제어, Zigbee 조명 제어 및 모니터링을 지원합니다. 센서 예제는 Curiosity Board의 온보드 온도 센서에서 가져온 데이터로 완전한 기능을 갖춘 Bluetooth LE 온도 센서를 구현합니다. 이 기판은 또한 RGB LED를 포함하고 있습니다.

Zigbee 조명 제어 소프트웨어 예제는 기판 상의 RGB LED에 대한 완전한 Bluetooth LE 제어를 포함합니다. Bluetooth LE를 통한 Zigbee 커미셔닝은 Bluetooth LE 링크를 사용하여 Zigbee 커미션 데이터를 교환합니다. 두 Zigbee 및 Bluetooth LE 작업 모두 FreeRTOS에서 동시에 실행됩니다. 그림 4의 '조명'(기판에서 RGB LED로 표시됨)은 Bluetooth LE 또는 Zigbee 네트워크에서 제어할 수 있습니다. 연결되면 사용자는 Bluetooth LE 연결을 통해 LED의 밝기, 색상, ON/OFF 상태를 제어할 수 있습니다.

그림 4 : Curiosity 기판의 조명 제어 예제는 Zigbee 및 Bluetooth LE 스택의 동시 작동을 보여줍니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

예제를 실행한 후에는 자신만의 고유한 코드를 실험해 볼 수 있습니다. 코딩 경험이 없는 경우 Microchip이 제공하는 애플리케이션 빌딩 블록을 사용할 수 있습니다. 이 콤팩트한 교육 모듈은 WBZ451PE-I 모듈의 Bluetooth LE 기능에 중점을 둡니다. 빌딩 블록을 이동하면서 소프트웨어, MPLAB 코드 구성기 및 관심 있는 기능을 구현하는 데 필요한 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스(API)에 익숙해질 수 있습니다.

결론

무선 설계는 경험이 없는 사람에게는 어려울 수 있지만, 칩 벤더의 평가 기판과 RF 모듈을 사용하면 훨씬 쉽게 설계할 수 있습니다. 또한 제조업체는 입증되고 신뢰할 수 있는 RF 프로토콜 스택을 제공하며, 더 복잡한 애플리케이션의 기반이 되는 샘플과 빌딩 블록을 제공하여 응용 소프트웨어를 쉽게 시작할 수 있도록 합니다.