Premiers pas dans la conception sans fil avec la carte Curiosity de Microchip

Bien que la connectivité sans fil soit omniprésente et de plus en plus facile à utiliser pour les consommateurs, la conception de projets sans fil reste intimidante si vous n'avez qu'une expérience limitée en ingénierie RF.

Les modules commerciaux, qui intègrent typiquement des processeurs embarqués, des émetteurs-récepteurs, des circuits d'accord RF, un système de gestion de l'alimentation et même une ou deux antennes facilitent le travail, car une grande partie de la conception et des tests RF a déjà été effectuée. Toutefois, certains prototypes nécessitent de prêter attention à d'autres détails de conception pour garantir leur réussite, même lors de l'utilisation d'un module, comme le WBZ451PE-I de Microchip Technology (Figure 1).

Figure 1 : Le module WBZ451PE-1 rend la conception de produits sans fil plus accessible, mais des pièges subsistent pour les personnes peu méfiantes. (Source de l'image : Microchip Technology)

Des éléments aussi simples que l'orientation du module sur la carte, le placement des plans de masse, le blindage contre les interférences électromagnétiques (EMI), l'emplacement des autres composants, l'impédance des pistes de circuit imprimé et bien d'autres facteurs entrent en ligne de compte. À tel point qu'un produit sans fil bien conçu avec un module RF peut présenter une plus grande portée, un débit supérieur et une consommation énergétique plus faible qu'un produit dont le concepteur n'a pas prêté autant d'attention aux détails.

Place au codage

Le logiciel joue également un rôle important dans les performances globales du produit. Un produit sans fil exige typiquement une pile de protocoles RF et un logiciel d'application.

Même s'il est possible d'écrire le code d'un logiciel de protocole RF comme Bluetooth Low Energy (LE), Zigbee ou des protocoles 2,4 GHz propriétaires, des piles éprouvées et matures sont généralement fournies par le fabricant de l'émetteur-récepteur ou disponibles dans des bibliothèques open-source. Il s'agit probablement de la solution la plus rentable et la plus rapide.

Transmettre des paquets radio via une liaison sans fil est une chose ; s'assurer qu'ils contiennent une charge utile en est une autre. Le code de l'application détermine le type, la priorité, le format et la fréquence de transmission des données, parmi d'autres paramètres. Le logiciel peut faire quelque chose de relativement simple, comme envoyer des informations sur la température, l'humidité ou la fréquence cardiaque. Des applications plus complexes peuvent exiger la transmission de flux audio ou de multiples fréquences en temps réel provenant de capteurs de vibrations sur des machines.

Le protocole RF et le logiciel d'application peuvent avoir autant d'impact sur les performances du produit que le matériel. Par exemple, un code d'application mal écrit peut entraîner une interruption constante de la pile de protocoles RF, compromettant ainsi le débit. Le logiciel d'application peut également avoir un impact négatif sur le rapport cyclique de la radio. Par exemple, il peut demander à la radio de transmettre des données plus fréquemment que nécessaire, ce qui augmente inutilement la consommation d'énergie.

Obtenir de l'aide pour un projet sans fil

La bonne nouvelle, c'est qu'il existe de nombreux endroits où vous pouvez trouver de l'aide lorsque vous vous lancez dans un projet sans fil. Les fabricants ne demandent qu'à vous aider en matière de conception matérielle, de protocole et d'exemples de logiciels d'application.

L'aide matérielle se présente souvent sous forme de kits d'évaluation, qui peuvent être des projets de conception complets basés sur l'émetteur-récepteur ou le module sans fil cible. Les fournisseurs de puces proposent souvent des fichiers Gerber pour le circuit imprimé et une nomenclature spécifiant les composants du kit d'évaluation, ce qui facilite l'utilisation du produit comme conception de référence matérielle. Le positionnement de l'antenne est un élément essentiel de la conception de la carte d'évaluation. Vous aurez besoin de dégagements adéquats par rapport aux plans de masse et aux autres composants pour garantir une sensibilité optimale de l'antenne. En utilisant la disposition préconisée par le fabricant, vous pouvez éviter de compromettre les performances de l'antenne.

La carte Curiosity EV96B94A WBZ451 de Microchip Technology est un exemple de kit d'évaluation complet (Figure 2). La carte d'évaluation permet aux ingénieurs de prototyper plus facilement des projets Bluetooth LE et Zigbee pour des applications de maison intelligente et d'automatisation industrielle. Le module d'émetteur-récepteur Bluetooth IWBZ451PE-I est au cœur de la carte Curiosity. Ce module est basé sur le PIC32CX-BZ2, un microcontrôleur 32 bits à usage général et à faible coût qui peut prendre en charge des interfaces sans fil multiprotocoles comme Bluetooth LE (jusqu'à la version 5.2) et Zigbee (jusqu'à la version 3.0), tout en gérant un émetteur-récepteur RF et une unité de gestion de l'alimentation (PMU).

Figure 2 : Vue de dessus de la carte Curiosity EV96B94A avec le module WBZ451PE-I tout en haut. Notez les dégagements intégrés pour l'antenne de carte sur le module pour garantir des performances optimales. (Source de l'image : Microchip Technology)

Le module WBZ451PE-I intègre le microcontrôleur et prend en charge une antenne de carte ou un connecteur u.FL pour antenne externe. Le module est équipé d'un ensemble de périphériques de microcontrôleurs standard, comme un convertisseur analogique-numérique (CAN), et d'interfaces comme SPI, I²C, QSPI et UART.

La carte Curiosity comporte également une puce de mémoire Flash QSPI externe de Microchip, un capteur de température analogique et une embase Arm SWD (Serial Wire Debug) à dix broches pour programmateur/débogueur externe.

Préparer le développement du prototype

Vous verrez que les premiers pas avec la carte Curiosity sont relativement simples. La carte constitue le matériel principal, mais vous aurez également besoin d'un câble USB Type-A mâle vers Micro-B pour la connecter à un PC et à un smartphone Android ou iOS compatible Bluetooth. Le logiciel requis pour le développement inclut l'environnement de développement intégré (IDE) MPLAB, le compilateur MPLAB XC32, le pack d'outils PKOB4 et une démonstration prête à l'emploi. La carte peut être alimentée par une alimentation externe de 5 V ou par une batterie Li-Po de 4,2 V. Le schéma fonctionnel matériel de la carte Curiosity est illustré à la Figure 3.

Figure 3 : Le schéma fonctionnel de la carte Curiosity montre comment la carte peut être alimentée par une alimentation externe de 5 V ou par une batterie Li-Po. La carte est également équipée d'un capteur de température intégré et d'une LED RVB à utiliser avec les programmes d'exemple. (Source de l'image : Microchip Technology)

La carte inclut un programmateur et un débogueur intégrés (qui font partie du kit d'outils PKOB4). Le dispositif prend en charge la programmation et le débogage du module WBZ451PE-I à partir du PC hôte via le connecteur USB micro-B. Par défaut, le débogueur intégré est connecté aux broches de programmation (SWDIO et SWDCLK) du module WBZ451PE-I.

La carte est équipée d'un logiciel qui illustre deux cas d'utilisation courants de Bluetooth LE et de Zigbee dans une seule application, avec les deux piles d'interface capables de fonctionner simultanément. Plus précisément, l'application prend en charge la surveillance des capteurs Bluetooth LE, le contrôle de l'éclairage Bluetooth LE, ainsi que le contrôle et la surveillance de l'éclairage Zigbee. L'exemple du capteur implémente un capteur de température Bluetooth LE entièrement fonctionnel. Les données proviennent du capteur de température intégré à la carte Curiosity. La carte intègre également une LED RVB.

L'exemple du logiciel de contrôle de l'éclairage Zigbee inclut un contrôle Bluetooth LE complet pour la LED RVB sur la carte. La mise en service Zigbee via Bluetooth LE utilise la liaison Bluetooth LE pour échanger des données de mise en service Zigbee. Les tâches Zigbee et Bluetooth LE s'exécutent simultanément sous FreeRTOS. Les « lumières » de la Figure 4 (représentées par la LED RVB sur la carte) peuvent être contrôlées par Bluetooth LE ou à partir du réseau Zigbee. Une fois connecté, l'utilisateur peut contrôler la luminosité, la couleur et l'état marche/arrêt de la LED via la connexion Bluetooth LE.

Figure 4 : L'exemple de contrôle de l'éclairage pour la carte Curiosity illustre le fonctionnement simultané des piles Zigbee et Bluetooth LE. (Source de l'image : Microchip Technology)

Après avoir joué avec les exemples, vous pouvez faire des essais avec votre propre code. Pour les codeurs inexpérimentés, Microchip propose des modules d'application. Ces modules de formation compacts ciblent les fonctionnalités Bluetooth LE du module WBZ451PE-I. En parcourant les modules, vous pouvez vous familiariser avec le logiciel, l'environnement MPLAB Code Configurator et les interfaces de programmation (API) nécessaires pour implémenter les fonctionnalités qui vous intéressent.

Conclusion

La conception sans fil peut être intimidante pour les personnes inexpérimentées, mais elle est grandement facilitée par les cartes d'évaluation et les modules RF des fournisseurs de puces. De plus, les fabricants fournissent des piles de protocoles RF éprouvées et fiables, et aident à se lancer facilement avec les logiciels d'application en fournissant des exemples et des modules sur lesquels baser des applications plus complexes.