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
8 B9 S6 A  a7 u- }+ z" S8 y  l5 ?Nordic Semiconductor在2012年
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
# K( z% `  B0 n推出nRF52系列产品。例如最近推出
7 h4 }* b; t  r  \4 v% s的nRF52810 SoC，这是符合蓝牙5标
% B6 q: n; d) Y; O; T准的芯片，带有具有良好计算能力的
64MHz、32位ARM Cortex M4微控制
- [; t8 f: F7 f& S; F器，100dBm链路预算2.4GHz多协议
9 b$ c2 e( D: F% W7 e4 T: V无线电，以及分别为4.6mA(输出功率
! I4 }$ g6 r( ]' s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
' j9 X6 t9 y. G5 t  D级蓝牙5/低功耗蓝牙产品，可降低信
标应用材料清单(BoM)成本。这款SoC
+ @* |- N! f7 \  ^, y器件继承了nRF52系列SoC器件的高
性能。nRF52810 SoC集成了196kB
/ E1 P. g5 V' D! Z! W; P/ u8 YFlash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
件采用带有32个GPIO的6×6mm 48引
1 X. @7 b3 Y; G% G) C2 J2 o6 D脚QFN封装，或者采用带有16个GPIO
的5×5mm 32引脚QFN封装。
; K9 t8 H+ z; L3 T对于没有RF硬件设计经验的开发
人员来说，另一种方法是以开发套
7 ^8 q. g4 [% J1 {- r: `3 g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
) B; V; E+ W2 g( I4 l9 e品。就这部分而言，Nordic提供nRF52
开发套件(DK)，可以连接到PC或Mac
, o& z9 m  m6 l, R, e( ^0 ]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
/ i3 \# o0 N7 }$ @部硬件(图2)。

0 m) w/ Y; F' L* A% r; |5 ^/ |! c
1 ?! @  M- Z: s0 k) `. I这个DK通过连接器提供针对SoC
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
5 Q5 w& L5 t  H& pDK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
创建应用程序代码
4 M+ [2 W1 B, W) O- s: P& g0 C虽然低功耗蓝牙SoC供应商在开发方
面各师各法，但他们的软件都基于工
; q: N( w& U( r7 J3 I厂提供的蓝牙5/低功耗蓝牙RF协议
2 s# Q( j' I  C0 g栈。开发人员的任务是为其信标设计
编写应用程序代码。这需要克服一些
挑战：蓝牙技术联盟(SIG)没有制订用
4 |% W" z$ i/ d; p于信标的“规范(Profile)”(经过测试
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
: `. x# ^" T4 s8 o牙应用不同，即不建立配对，而是直
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
8 v2 ]; F& f1 ^/ c! h和Google Eddystone规范，以确保与
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
可能会被破坏，从而延长调试过程。
) k3 h0 Q; K! C; ]4 g, TNordic的低功耗蓝牙设计方法是
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
+ M. X, F/ Y3 Y# R$ ~方法意味着开发人员可以专注于应用
0 ~# b2 N2 w' d: z程序代码的质量，因为他们安心知道
7 [  ~% |1 _1 h堆栈在设计过程中不会被破坏。在编
译期间，开发工具负责管理Nordic RF
# z( ~5 r4 T) M/ G' }8 [6 B4 F协议栈与应用程序代码之间的链接，
2 n3 s% y" Z" x* h并且保持高效可靠的堆栈操作的关键
依赖性(图4)。
Nordic 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
1 j/ n- V8 C; a3 R* }( p载，并使用nRF Connect无缝移植到
DK的SoC上。nRF Connect是Nordic
, a, Y& o5 J( {) j的跨平台工具，可以通过低功耗蓝牙
进行测试和开发(nRF Connect提供桌
6 a1 D8 r+ c) o6 s面和移动版本，允许开发人员使用低
$ E, W, S# m; ~7 l. R) d功耗蓝牙连接，分别从PC或智能手机
/ G" ]6 y* [( o与其原型构建产品进行通信)。对于使
8 J6 u+ M$ q; q/ v! G+ T! s7 B用nRF52810 SoC的信标应用，推荐
使用S112堆栈，仅占用100kB Flash
8 `4 p7 F1 e7 L( u! W内存，这是用于构建信标等高性能低
9 d+ o% j' l' k6 z2 }6 U( [功耗蓝牙应用的蓝牙5兼容协议栈。
! H7 m5 S2 l, ?8 T  f* D& f( [使用Nordic技术时，应用软件开
! v* y- ?1 Z# C* x$ v$ e) D* J发人员需要三个基本工具，第一个是
1 c, l7 U/ O- u' Q3 P& L带有Nordic支持的编译器的集成开发
环境(IDE)(例如SEGGER Embedded
" Y0 W& x7 c" X  tStudio、MDK-ARM Keil、GNU/GCC
或IAR(所有这些IDE均支持Windows，
6 q% w+ {2 n9 v4 _& V, a8 }; R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
具。为了减低信标应用程序代码开发
的复杂性，nRF5 SDK包含软件示例、
. R( Q, i$ J) z2 t' H7 @4 v+ v源文件和其它有用的开发项目。
7 X6 x/ H$ A  f5 r重振信标应用
蓝牙4,4.1和4.2以及Apple和Google
7 A) B/ c+ E: \# D# ?! a' n4 H- J9 C9 |信标规范鼓励开发人员为机场、博物
5 N$ x, a6 L# K9 X* f6 Z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
0 ]" j7 S9 f2 y0 c; p# t2 X的核心规范中，广播信道的受限有效
载荷可能会限制创新。蓝牙5技术的
/ i( l: q) i& ?# L- [: M5 x1 E广播扩展功能可以实现先前无法达成
7 f  j8 ]' A3 j% V! S; r6 }$ f的零售和室内导航信标应用，从而重
$ K* A& _8 R& B+ R: _* M/ m振信标行业。
: ^" z; q. j! e; H5 Z- R- t对于缺乏经验的开发人员来说，
& X7 G% A! M8 s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
Semiconductor等成熟的低功耗蓝牙
: J- v; d! \& t1 E& K  \+ a5 l供应商合作，可以简化成功实施信标
应用的过程。
9 B$ ^0 s3 U2 V然而，与所有的工程设计一样，事
情有时会变得困难，特别是对于首次
3 {1 T" h- T& O3 D# D开发信标应用程序的开发人员而言。
2 v9 H/ k6 k+ o$ d2 k/ y好消息是，无线设计社群内有许多先
7 Q- J9 S/ X' ~% e% U锋，并且乐意分享经验。例如，Nordic
的DevZone开发社区云集了25,000名
设计人员，他们很可能会解决十分棘
手的信标设计问题。
. O  @# m1 b- U' ]* F+ {0 j用众多商用第三方盾中来增强功能

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带有具有良好计算能力的
64MHz、32位ARM Cortex M4微控制
5 m, V* E% `# }7 q  ?器