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Bienvenue dans le forum sans fil : options de bandes RF et de protocoles pour les développeurs de solutions embarquées, 2e partie

Par Steve Leibson

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

Note de l'éditeur : la 1re partie de cette série en deux parties a abordé les nombreuses options de connectivité sans fil disponibles pour les concepteurs de systèmes embarqués avec quelques exemples pertinents. Cette 2e partie examine plus en détail les caractéristiques des modules sans fil et fournit des conseils pour les utiliser plus efficacement.

L'évolution rapide de l'Internet des objets (IoT) et de l'intelligence artificielle (IA) augmente la demande en matière de connectivité des systèmes sans fil, si bien qu'il est devenu impératif pour les développeurs de choisir le bon protocole, avec une conception rapide et économique. De nombreux modules sans fil sont disponibles pour leur faciliter la tâche, mais les concepteurs doivent procéder à une sélection et un processus d'intégration logiques pour garantir la réussite de leur conception.

Cet article traite d'un processus en 4 étapes dédié à la sélection et la mise en œuvre d'un protocole sans fil et d'un module sans fil adaptés aux applications embarquées. Ces étapes sont les suivantes :

  1. Sélection d'une interface et d'un protocole sans fil en fonction des exigences de bande passante, de portée et de coûts
  2. Décision sur l'ajout d'une capacité de traitement dans le module sans fil pour l'application embarquée en plus de la mise en œuvre du protocole sans fil
  3. Identification des exigences E/S pour la puce ou le module sans fil
  4. Sélection de la puce ou du module approprié en fonction des décisions prises lors des trois premières étapes

L'article inclut les descriptions de six modules sans fil choisis à titre d'exemple représentatif des nombreuses solutions disponibles dans la conception de systèmes embarqués à connexion sans fil.

Étape 1 : sélection du protocole sans fil

Certains des protocoles sans fil les plus courants sont illustrés sur le plan de la bande passante et de la portée (Figure 1).

Schéma conceptuel de la correspondance entre la portée (des mètres aux kilomètres) et la bande passante (des bits par seconde en mégabits par seconde)

Figure 1 : Schéma conceptuel de la correspondance entre la portée (des mètres aux kilomètres) et la bande passante (des bits par seconde en mégabits par seconde) de certains protocoles sans fil. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

Ce schéma simplifié permet de rapidement réduire les options uniquement en fonction des exigences de portée et de bande passante. Les protocoles sur la gauche, Wi-Fi, Bluetooth et Bluetooth Low-Energy (BLE), fournissent des centaines de kilobits par seconde (kbps) ou mégabits par seconde (Mbps) sur des portées mesurées en dizaines de mètres (m). Ces protocoles sont surtout adaptés aux réseaux internes des bâtiments. Les protocoles sur la droite fournissent des données sur plusieurs kilomètres. Ces protocoles sont adaptés aux dispositifs embarqués situés à distance d'un campus ou d'une ville.

Les modules mettant en œuvre un protocole Wi-Fi, Bluetooth ou Bluetooth LE (ou une combinaison de ces protocoles) ont souvent des antennes intégrées. Par exemple, l'antenne intégrée dans le module Wi-Fi/Bluetooth/Bluetooth LE 3320 d'Adafruit est clairement visible (Figure 2). Il s'agit de la trace en zigzag sur le dessus de la carte.

Les antennes intégrées simplifient considérablement la conception des systèmes embarqués à réseau sans fil puisque cela permet d'éviter la tâche complexe que représente le développement des antennes.

Image du module Wi-Fi/Bluetooth/Bluetooth LE 3320 d'Adafruit

Figure 2 : Le module Wi-Fi/Bluetooth/Bluetooth LE 3320 d'Adafruit fonctionne à un débit de 150 Mbps. (Source de l'image : Adafruit)

Ce module est conçu pour une installation sur un circuit imprimé et requiert des circuits additionnels. Par conséquent, il ne constitue pas le choix idéal pour démarrer le prototypage. Une version du module soudé sur un petit circuit imprimé est disponible en tant que kit de développement, l'ESP32-DEVKITC d'Espressif Systems, illustré à la Figure 3. L'ESP32-DEVKITC répartit toutes les broches du module sur des embases de 2,54 mm, et intègre une puce d'adaptateur série USB-TTL, des boutons de programmation et de réinitialisation et un régulateur de 3,3 V.

Image de l'ESP32-DEVKITC d'Espressif Systems

Figure 3 : L'ESP32-DEVKITC d'Espressif Systems répartit toutes les broches du module 3320 d'Adafruit sur des embases de 2,54 mm, et intègre une puce d'adaptateur série USB vers TTL, des boutons de programmation et de réinitialisation et un régulateur de 3,3 V. (Source de l'image : Espressif Systems)

Les protocoles sans fil longue portée et les antennes intégrées ne sont pas compatibles

Les communications de réseau sans fil longue distance nécessitent des antennes externes, et impliquent les complications associées. Par exemple, le SX1276MB1LAS de Semtech Corp. est un émetteur-récepteur LoRa intégrant deux connecteurs SMA pour la connexion d'antennes haute et basse fréquence (Figure 4).

Image du module émetteur-récepteur LoRa SX1276MB1LAS de Semtech

Figure 4 : Le module émetteur-récepteur LoRa SX1276MB1LAS de Semtech comprend deux connecteurs SMA pour les antennes RF à faible et large bande. (Source de l'image : Semtech Corp.)

Les deux ports d'antenne sont nécessaires pour permettre au module de traiter séparément les bandes de fréquences de 433 MHz et 915 MHz utilisées pour les communications LoRa aux États-Unis. Le module présente un bilan de liaison minimal de 168 dB pour fournir une portée atteignant plusieurs kilomètres. Cependant, le câblage coaxial et les connecteurs SMA entre le module et l'antenne externe consomment une parte de ce bilan de liaison.

Pour simplifier la réalisation d'une conception prête à l'emploi, Semtech fournit également le kit de développement SX1276DVK1JAS, basé sur le module émetteur-récepteur LoRa SX1276MB1LAS. Le kit inclut deux émetteurs-récepteurs LoRa, deux plateformes Eiger, deux câbles mini-USB, deux stylets pour écran tactile et des antennes dipôles pour hautes et faibles bandes de fréquences.

Le modem cellulaire Digi XBee LTE Cat 1 XBC-V1-UT-001 de Digi International requiert également une antenne externe et applique une approche identique, quoique légèrement différente d'une connexion d'antenne, comme illustré à la Figure 5.

Image du modem cellulaire XBee LTE Cat 1 XBC-V1-UT-001 de Digi International

Figure 5 : Le modem cellulaire XBee LTE Cat 1 XBC-V1-UT-001 de Digi International permet d'installer un système embarqué sur un réseau de communications cellulaires Verizon. (Source de l'image : Digi International)

Le modem de Digi inclut deux connecteurs RF U.FL subminiatures pour la connexion des antennes LTE principale et secondaire. L'antenne principale est requise. L'antenne secondaire permet d'améliorer les performances du récepteur dans certaines situations et son utilisation est recommandée par Digi. Les antennes doivent se situer le plus loin possible du module de modem cellulaire (et des autres objets métalliques). Si les antennes principale et secondaire sont toutes deux installées, elles doivent être orientées perpendiculairement pour optimiser les résultats.

Étape 2 : le traitement d'application est-il requis dans le module de réseau sans fil ?

Certains modules de réseau sans fil incluent des processeurs intégrés. Et d'autres non. Si le système embarqué à développer comprend déjà un processeur, l'ajout d'un processeur programmable sur le module sans fil peut ne pas être nécessaire. Si le module sans fil doit exécuter un code d'application de système embarqué, les outils de programmation disponibles et les capacités d'exécution du module font partie intégrante du processus de décision. L'utilisation de l'intelligence intégrée dans les modules de réseau sans fil pour exécuter une application embarquée permet d'économiser de l'espace carte. En outre, cela permet de simplifier la conception matérielle et de réduire les coûts de nomenclature.

Certains des modules mentionnés ci-dessus mettent en œuvre un environnement de programmation complet. Dans le cas du modem cellulaire XBee XBC-V1-UT-001 de Digi mentionné ci-dessus, l'environnement MicroPython intégré permet d'appliquer l'intelligence intégrée du modem à des applications simples. Par exemple, il est possible de lire, traiter et transmettre les données des capteurs connectés aux broches E/S analogiques et numériques du module. Les commandes d'actionneur peuvent être reçues et exécutées. Le module est doté de 13 broches E/S numériques et de 4 broches d'entrée analogique de 10 bits. MicroPython peut également simplifier la gestion de l'alimentation des systèmes alimentés par batteries basés sur le modem.

La programmation s'effectue en branchant le XBC-V1-UT-001 sur une carte d'interface XBIB-U-DEV de Digi et en connectant un PC à la carte d'interface avec un câble USB, puis en lançant le programme du terminal. La configuration XCTU de Digi et le logiciel utilitaire de test comprennent un programme de terminal MicroPython. Le module XBC-V1-UT-001 offre 24 ko de RAM et 8 ko de mémoire Flash pour le stockage.

Il est possible de bénéficier de plus de performances à partir de l'intelligence intégrée dans les autres modules de réseau sans fil. Par exemple, le module Wi-Fi/Bluetooth/Bluetooth LE du kit de développement ESP32-DEVKITC d'Espressif Systems, mentionné dans l'Étape 1 ci-dessus, intègre deux cœurs de processeur Xtensa LX6 RISC 32 bits, s'exécutant tous les deux à 160 MHz. Par convention, l'un des processeurs est le processeur de protocole et l'autre est celui de l'application. Cependant, les deux processeurs peuvent accéder à toutes les ressources intégrées. Cela représente une puissance de traitement suffisante pour la plupart des applications embarquées.

Étape 3 : identification des exigences E/S pour la puce ou le module sans fil

Que le module de réseau sans fil exécute ou non une application embarquée en interne, il devra certainement se connecter à un autre composant du système embarqué. Il devra se connecter à un CPU hôte dans le système embarqué ou directement à des capteurs et actionneurs. Il se peut aussi qu'il doive faire les deux.

La méthode la plus simple est l'approche plug-and-play. Branchez un module, chargez les pilotes et le tour est joué. La carte mini PCIe 802.11b/g/n EWM-W151H01E d'Advantech Corp. se branche à un connecteur femelle mini PCIe et communique avec le CPU hôte via PCIe (Figure 6).

Image de la carte mini PCIe EWM-W151H01E 1T demi-taille d'Advantech

Figure 6 : La carte mini PCIe EWM-W151H01E 1T demi-taille d'Advantech met en œuvre les normes Wi-Fi IEEE 802.11b/g/n. (Source de l'image : Advantech Corp.)

Pour commencer le développement à l'aide de la carte EWM-W151H01E, chargez les pilotes Windows (version 7, 8 ou 10) ou Linux. Le système embarqué peut être connecté aux systèmes Wi-Fi existants à des débits de données atteignant 150 Mbps. Le format mini PCIe plug-in de la carte, ainsi que les pilotes pour Windows et Linux, font de ce module de carte une solution plus adaptée aux conceptions embarquées de PC (processeur x86).

La discussion sur l'ESP32-DEVKITC d'Espressif Systems mentionne les entrées analogiques et les broches E/S numériques simples du module pouvant être utilisées pour une connexion à des capteurs et des actionneurs. Cependant, le module comprend également des interfaces série plus complexes, y compris trois UART, deux ports I2C, trois ports SPI et deux ports I2S. Ces interfaces peuvent être utilisées pour une connexion à différents types de périphériques et servir d'interface pour un CPU hôte. Voici quelques caractéristiques de chaque interface :

  • L'UART du module affiche une vitesse de transfert maximum de 5 Mbps
  • Les ports I2C prennent en charge des vitesses de transfert de 100 kbps (mode standard) et 400 kbps (mode rapide)
  • Les ports I2S prennent en charge des transferts de 40 Mbps
  • Les ports SPI prennent en charge 50 Mbps

Si le module de protocole le plus adapté est dépourvu des capacités E/S nécessaires, le système embarqué requiert une puce d'extension E/S qui occupe plus d'espace de carte, entraîne une hausse de la consommation énergétique, renforce la complexité du programme et augmente le coût de la nomenclature. Il est largement préférable de réaliser l'ensemble du processus avec un module de réseau sans fil si possible.

Étape 4 : sélection et mise en œuvre

À ce stade du processus, les sélections doivent être réduites à quelques options voire à une seule option. Les exigences de bande passante et de portée doivent réduire le champ des possibilités à un ou deux protocoles adaptés. La nécessité d'un traitement d'application intégrée par un module de réseau sans fil et l'ampleur du traitement intégré doivent éliminer d'autres options supplémentaires. Enfin, les exigences E/S doivent permettre de restreindre les dernières options à un nombre limité. À ce stade, le choix doit être évident. Sinon, quelques options acceptables peuvent se présenter, auquel cas, le dernier critère de sélection dépendra de la bonne connaissance et de la simplicité de la mise en œuvre.

Conclusion

La demande en matière de connectivité sans fil embarquée ne cesse d'augmenter. La multiplicité des protocoles disponibles peut, au premier abord, porter à confusion pour certains concepteurs de solutions embarquées. Mais chaque protocole correspond à une niche dédiée à la portée/puissance/vitesse de données, ce qui simplifie considérablement la sélection selon cette perspective.

Cet article a présenté un processus en 4 étapes pour choisir parmi les douzaines, voire centaines de modules de réseau sans fil disponibles.

  1. Sélection d'un protocole sans fil en fonction des conditions de bande passante, de portée et de coûts.
  2. Décision sur l'ajout d'une capacité de traitement dans le module sans fil pour l'application embarquée en plus de la mise en œuvre du protocole sans fil.
  3. Identification des exigences E/S pour la puce ou le module sans fil.
  4. Sélection de la puce ou du module approprié en fonction des décisions prises lors des trois premières étapes.

Quelle que soit votre application, vous serez certain de trouver au moins un protocole sans fil standardisé et plusieurs modules associés répondant parfaitement aux exigences.

Avertissement : les opinions, convictions et points de vue exprimés par les divers auteurs et/ou participants au forum sur ce site Web ne reflètent pas nécessairement ceux de Digi-Key Electronics ni les politiques officielles de la société.

À propos de l'auteur

Steve Leibson

Steve Leibson a été ingénieur système pour HP et Cadnetix, rédacteur en chef pour EDN et Microprocessor Report, blogger technique pour Xilinx et Cadence (entre autres), et il est intervenu en tant qu'expert technologique dans deux épisodes de "The Next Wave with Leonard Nimoy". Il a aidé les ingénieurs de conception à développer des systèmes améliorés, plus rapides et plus fiables pendant 33 ans.

À propos de l'éditeur

Rédacteurs nord-américains de Digi-Key