發布日期：2022-04-17 點擊率：46
從 HVAC 和工廠自動化到汽車、醫療和消費類電子產品，無線連接感測設備的開發人員一直面臨著快速迭代和成本效益的挑戰，同時還要應對日益增長的法規、互操作性和性能挑戰。盡管經常想從頭開始設計無線傳感器產品以使其在性能和尺寸方面與眾不同，但使用專門的現成套件則會更快且更具成本效益。這些套件設計用于快速原型設計和開發，并且已建立起生態系統以提供支持和可擴展性。
Texas Instruments 的 LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag 套件就是這樣一種平臺。該套件以小巧、緊湊的外形尺寸將無線微控制器 (CC1352R)、傳感器、多個無線接口、相對較高的性能和較低的功耗結合在一起，同時具有龐大且久經考驗的軟件和工具支持生態系統。
本文說明了無線傳感器產品設計和原型開發的演變特性，并介紹了 CC1352R SensorTag 套件及其入門使用方法。
無線傳感器設備為設計人員帶來了一個棘手的問題。為了盡可能減少維護，這些器件在更換電池之前至少要在現場持續工作 1 到 10 年。它們還需要具備一定的板載處理和分析能力，因為盡可能接近物聯網 (IoT) 網絡邊緣來處理和分析數據可減少需要交換的數據量，這反過來又可降低功耗并更好地利用可用無線帶寬。
無線帶寬存在其自身的問題，因為設計人員必須從多個無線堆棧中進行選擇，包括以亞千兆赫茲 (GHz) 頻率或 2.45 GHz 運行的藍牙、Thread 和 Zigbee。就如何使用可用帶寬、功耗和處理資源而言，每種協議都有其自身的優缺點。若要從這些協議中進行選擇，需要就數據速率、覆蓋范圍、預期節點數、網絡拓撲、延時要求、占空比、功耗、網絡協議開銷、互操作性和法規要求方面對應用要求進行仔細分析。
選擇正確的接口進行全新的部署相對容易；但是，在工業物聯網 (IIoT) 應用中通常已經部署了無線網絡，因此設計人員需要決定是使用同一接口直接連接到其他節點，還是使用可能更適合該應用的其他接口，然后通過網關將舊接口連接到新接口。
這些都是設計人員需要解決的應用相關決策樹；但是當涉及到概念原型設計和開發時，很少值得從頭開始設計接口，然后選擇相關的處理器和傳感器，更不用說在軟件開發和集成方面的時間和資源投資了。誠然，“自己動手”設計可以為大眾市場設計帶來超高產量的好處。但是，在許多情況下，為自己的工廠生產線設計節點的工程師只需要幾個節點，即可從某些電動機、生產線的某個點或溫度計獲取數據，因此，高產量并不是設計要求。在這種情況下，現成的套件是理想選擇。
如果可能需要更高的產量，則可以使用已經過預先認證并符合法規要求的現成 RF 模塊。由于這些模塊具有豐富的固件和軟件支持，因此可以加快原型設計的速度，并維持低開發和部署成本。在這些情況下，設計人員仍然必須將所需的平臺處理器、傳感器以及每個傳感器和其他模塊的關聯軟件元素拼湊在一起。
當設計人員已經知道必須使用的無線接口時，這沒有關系。但是，當仍處于跨多種應用（具有舊式、通常不可互操作的無線接口）進行多種設計的考慮階段時，則需要一種更高集成度、更靈活的方法來進行無線傳感器原型設計和開發。
更好的方法是找到一個現成的平臺，該平臺將支持無線的感測和處理節點的核心元件與傳感器、軟件和生態系統集成在一起，以支持設計人員，同時仍然允許在更高的軟件開發堆棧層級進行探索和差異化。Texas Instruments (TI) 的 LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag 套件就是這樣的平臺（圖 1）。
圖 1：LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag 套件具有設計人員進行無線傳感器應用原型設計和開發所需的一切功能。（圖片來源：Digi-Key，基于 Texas Instruments 的資料）
該套件基于 TI 的 CC1352R 多頻段無線微控制器 (MCU)，圍繞此 MCU 添加了環境和運動傳感器以及軟件，全部都在一個可拆卸外殼中，并且附有一根外部 sub 1 GHz 旋轉天線、雙線母對母電纜、用于 JTAG 連接的 10 針扁平帶狀電纜以及快速入門指南。該套件未包含但建議一起使用的是 TI 的 LAUNCHXL-CC1352R1 Simplelink 多頻段 CC1352R 無線 MCU LaunchPad 開發套件。此外，盡管 SensorTag 也可以使用可安裝在板背面的專用電池座通過 CR2032 鈕扣電池來運行，但建議使用兩節 AAA 電池。
SensorTag 套件的核心是 CC1352R 多頻段無線 MCU（圖 2）。這是 TI Simplelink MCU 平臺的組成部分，該平臺旨在為安全、低功耗的網絡拓撲提供所有構件。
圖 2：TI 的 CC1352R 多頻段無線微控制器獲得 FCC、CE 和 IC 的認證，可在 2.4 GHz 和 sub 1 GHz 下實現雙頻運行，并構成 LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag 套件的核心。（圖片來源：Texas Instruments）
CC1352R 微控制器獲得 FCC、CE 和加拿大工業部 (IC) 的認證，可在 2.4 GHz 和 sub 1 GHz 下實現雙頻運行，并支持低功耗藍牙 (BLE)、Thread、Zigbee、智能對象的 IPv6 低功耗無線個人局域網 (6LoWPAN)，以及其他基于 IEEE 802.15.4g 物理層 (PHY) 的專有協議，包括 TI 的 Simplelink TI 15.4 堆棧（sub 1 GHz 和 2.4 GHz）。通過使用動態多協議管理器 (DMM)，它能夠同時運行多個協議。
在 Simplelink 遠程模式下，無線電接收器的靈敏度為 -121 dBm（分貝數基準為 1 (mW)）；50 kbps 下為 -110 dBm；以及 125 kbps 下藍牙靈敏度為 -105 dBm（具有 LE 編碼 PHY）。在 sub-GHz 頻段下，最大發射功率為 +14 dBm，其中消耗 24.9 毫安 (mA) 電流；在 2.4 GHz 下，最大發射功率為 +5 dBm，消耗 9.6 mA 電流。該器件的待機電流引人注目，在全 RAM 保持的情況下為 0.85 微安 (μA)。它也支持工業物聯網，在 105?C 下的待機電流為 11 μA。設計人員可以使用各種待機模式和模數轉換器 (ADC) 采樣率來優化低功耗。例如，可以將 ADC 設置為 1 赫茲 (Hz) 的采樣率，此時系統消耗 1 μA。
CC1352R 的中央處理器基于 48 兆赫茲 (MHz) Arm? Cortex?-M4F 核心，并配備 352 KB 系統內可編程閃存、用于協議和庫函數的 256 KB ROM，以及 8 KB 高速緩存 SRAM。該器件支持無線 (OTA) 升級，并具有 AES 128 和 AES 256 加速器。
RF 前端設計人員面臨的問題之一是濾波、阻抗匹配和其他功能所需的額外分立無源元器件的數量。這些增加了 BOM 并使布局復雜化。為簡化 CC1352R 的實施，TI 與 Johanson Technology 合作開發了尺寸為 1 x 1.25 x 2 毫米 (mm) 的定制集成無源元器件 (IPC) 封裝，使元器件數從 23 個減少至 3 個（圖 3）。
圖 3：為了簡化 TI 的 CC1352R 實施，TI 與 Johanson Technology 合作開發了 IPC，將需要的無源元器件數從 23 個降至 3 個。（圖片來源：Digi-Key Electronics，來自 Johanson Technology 的資料）
雖然 SensorTag 套件隨附了四個傳感器，但是如果需要更多或不同的傳感器，則可以使用 TI 的 BoosterPack LaunchPad 插件模塊選擇并快速添加它們。SensorTag 套件隨附的四個傳感器是：
TI 的 HDC2080 濕度和溫度傳感器
TI 的 OPT3001 環境光傳感器
TI 的 DRV5032 霍爾效應開關
TI 的 ADXL362 加速計
圖中顯示了傳感器的布局和連接（圖 4）。
圖 4：SensorTag 套件隨附濕度和溫度、環境光、加速度和霍爾效應傳感器。（圖片來源：Texas Instruments）
連接器與 LaunchPad 兼容，因此可以輕松連接傳感器、BoosterPack 外設（例如 LCD 顯示器），甚至定制電路。
要開始使用 LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag 套件，請下載 ink-CC13X2-26X2-SDK" target="_blank">Simplelink CC13x2 和 CC26x2 軟件開發套件 (SDK)。此版本僅針對修訂版 E 的器件進行了驗證，因此對于修訂版 C 或更早的版本，請使用 v2.30.00.xx。下載完成后，請轉到 Simplelink Academy，其中提供了分步說明和示例。
為了快速獲取樣本數據，該套件已通過名為 Multi-Sensor 的藍牙 5 (BLE5) 項目進行了預編程，此項目通過 BLE 連接到裝有 iOS 和 Android 版本 Simplelink Starter 應用的智能手機和平板電腦。通過使用該初始連接，設計人員可以開始查看傳感器數據、切換 LED、讀取按鈕狀態，以及使用 OTA 下載 (OAD) 功能更新固件（圖 5）。此時，設計人員還可以將數據從移動設備推送到云中。
圖 5：設計人員可以通過 BLE 連接至裝有 iOS 和 Android 平臺版本 Simplelink Starter 應用的智能手機或平板電腦，開始試用 LaunchPad SensorTag 套件。（圖片來源：Texas Instruments）
除了 BLE，LPSTK 還提供了另外兩個示例：一個示例使用 LPSTK 作為 Zigbee 燈開關；另一個將其用作 802.15.4 網絡中的傳感器節點。SDK 中提供了所有三個示例項目，如下所示：
多傳感器：
TI DMM 傳感器節點：
CC1352R1_LAUNCHXLdmmdmm_154sensor_remote_display_oad_lpstk_app
Zigbee 開關：
CC1352R1_LAUNCHXLdmmdmm_zed_switch_remote_display_oad_app
作為 Simplelink 和 Starter 應用的補充，TI 提供了 SysConfig，這是一個統一的圖形用戶界面 (GUI) 工具，用于為各種 Simplelink SDK 組件啟用、配置和生成初始化代碼，包括 BLE、Zigbee、Thread 和 TI-15.4 的 TI 驅動程序和堆棧配置（圖 6）。
圖 6：作為 Simplelink 的補充，TI 的 SysConfig 是一組易于使用的圖形實用工具，用于配置引腳、外設、無線電、子系統和其他組件。（圖片來源：Texas Instruments）
與任何系統設計一樣，都會需要一定程度的調試。在此階段，SensorTag 設計搭配 LaunchPad 開發套件中的板載 XDS110 調試器使用（在本例中為前面提到的 LAUNCHXL-CC1352R），因此包括 Arm 10 針 JTAG 電纜和雙線 UART 電纜。連接之后，即可進行完整的調試、編程和 UART 通信。按照以下步驟連接電纜：
斷開 LaunchPad 上的隔離跳線
將 Arm 10 針 JTAG 電纜連接到 LaunchPad SensorTag 上的 XDS110 OUT 針座
將 Arm 10 針 JTAG 電纜的另一端連接到 LaunchPad SensorTag 上的 JTAG 針座
將兩針跳線連接到 RXD 和 TXD 的頂部引腳（灰色線連接至 RXD，白色線連接至 TXD）
將兩針跳線的另一端連接到 LaunchPad SensorTag 上的引腳 12/RX 和 13/TX（灰色線連接至 12/RX，白色線連接至 13/TX）
將 LaunchPad 連接到 PC 或筆記本電腦
完整的設置應類似于圖 7 所示。
圖 7：為了進行調試，需要使用 SensorTag 套件中隨附的 Arm 10 針 JTAG 電纜和兩針 UART 電纜，將 SensorTag 連接到 LAUNCHXL-CC1352R LaunchPad 開發套件。（圖片來源：Texas Instruments）
值得注意的是，由于正在運行的映像無法自行更新，因此傳入的 OAD 映像在接收時需要存儲在一個臨時位置。該臨時位置可以預留在內部閃存中或片外。在任一情況下，映像下載完成后，就會使用永久駐留在 SensorTag 設備上的引導映像管理器 (BIM) 來確定新映像是否有效以及是否應予以加載和運行（基于映像標題）。
BIM 特別有用，例如允許設計人員在 OAD 之后還原為原開箱即用的映像。為此，在開機或復位期間按住 BTN-1（向左按鈕），然后 BIM 會恢復為開箱即用的映像（即 Multi-Sensor）。
雖然在實施無線傳感器節點時有許多無線接口可供選擇，但是開發人員不必花時間和資源針對每個接口進行原型設計，以查看哪種接口最適合給定的應用。而是通過使用 LPSTK-CC1352R SensorTag 套件以及關聯的 LaunchPad 硬件、軟件和生態系統，設計人員可以快速輕松地混合和匹配接口、使用一個或同時使用多個接口，并可根據需要添加和交換 BoosterPack 傳感器。
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