Wireless-Funktionen implementieren mit HF-Ready-Modulen

Der Markt für elektronische Produkte mit Funkanbindung verzeichnet ein rasches und anhaltendes Wachstum. Industriebeobachtern zufolge sollen die weltweiten Umsätze von 71,6 Milliarden US-Dollar im Jahr 2022 auf 219,9 Milliarden im Jahr 2030 ansteigen. Bereits heute verfügen Produkte von Smart-Home-Geräten, wie Thermostaten und Fernsehern, bis hin zu industrieller Beleuchtung, Smart Access und intelligenten Zugangssystemen für Autos über irgendeine Form von Wireless Anbindung. Die Funkanbindung hat sich von einem bloßen Vorteil zu einer grundlegenden Notwendigkeit für Consumer-, Industrie- und Automotive-Erzeugnisse entwickelt. Infolgedessen werden Elektronikprodukte ohne Funkfunktion künftig immer seltener auf den Markt kommen.

Weiterentwicklungen bei den Wireless-Technologien machen allerdings auch die praktische Umsetzung komplexer. Die Eintrittsbarriere in funkbasierte Lösungen hat sich deutlich erhöht, sodass Unternehmen, die Funk in ihre Produkte integrieren wollen, vor erheblichen Herausforderungen stehen. Newcomer sind daher deutlich im Nachteil gegenüber Anbietern, die über Funk-Fachwissen und Erfahrung bei der Implementierung verfügen.

Warum Wireless-Designs schwierig sein können

Die Wireless-Implementierung besteht im Wesentlichen aus drei Stufen:

• Hochfrequenz-Design (HF),
• behördliche Zertifizierungen,
• Softwareentwicklung

Das HF-Design ist dabei der komplexeste Aspekt. Es erfordert ein tiefgreifendes Verständnis der elektromagnetischen Theorie und ist selbst für erfahrene HF-Entwickler anspruchsvoll. Das HF-Design umfasst einen robusten Schaltungsentwurf, gefolgt von der Entwicklung einer störfesten Leiterkarte, die eine hohe Signalintegrität gewährleistet. Selbst kleinste Änderungen parasitärer Kapazitäten oder Induktivitäten können die Leistungsfähigkeit der Schaltung stark beeinträchtigen. Die Entwicklung einer robusten HF-Schaltung umfasst umfangreiche Tests, und diese wiederum erfordern spezielle Tools und Umgebungen, die aufwändig und kostspielig sein können.

Das HF-Design unterliegt Vorschriften: Verschiedene Normungsgremien definieren Standards für verschiedene Funkprotokolle in unterschiedlichen Regionen. So regelt die Federal Communications Commission (FCC) Funkprodukte in den USA, die UK Conformity Assessed (UKCA) in Großbritannien und die Radio Equipment Directive (RED) in Europa. Diese Regulierungsbehörden haben eine Reihe von Anforderungen und Tests festgelegt, die ein Funkprodukt erfüllen beziehungsweise bestehen muss, bevor es auf den jeweiligen Märkten verkauft werden darf. Je nach Normungsgremium und Funkprotokoll(en) kann das behördliche Zertifizierungsverfahren zwischen einigen Monaten und fast einem Jahr dauern und bis zu 20.000 US-Dollar kosten.

Der dritte der oben genannten Schritte, die Softwareentwicklung für ein Funkprotokoll, setzt ein umfassendes Verständnis dieses Protokolls voraus. Die Feinheiten des Zusammenspiels von Hardware und Software sind bereits komplex. Hinzu kommen die häufigen Aktualisierungen der Protokollspezifikationen und -funktionen durch die zuständigen Gruppen, um Schwachstellen zu beheben und zusätzliche Funktionen einzuführen. Außerdem ist die Softwareentwicklung für Funkkommunikation keine einmalige Aufgabe. Betrachten wir beispielsweise ein Smart-Home-System: Je nach Endknoten im System würde es wahrscheinlich eine Mischung aus Protokollen wie Bluetooth und Wi-Fi erfordern. In einer solchen Situation muss Software für diese Knoten entwickelt werden, die verschiedene Protokolle verwenden, damit diese Protokolle gut zusammenspielen. Dies erhöht den Schwierigkeitsgrad der Softwareentwicklung erheblich.

Die oben genannten Herausforderungen sind erhebliche Hürden für den Einstieg in die Funktechnik und können Innovationen behindern. Man stelle sich eine Lösung vor, die diese Probleme umgeht und eine Funkanbindung ergänzt, die keine HF-Entwicklung mehr erfordert – eine Lösung, die bereits behördlich zertifiziert ist und mit vorinstallierter Firmware geliefert wird, sodass sich die Entwicklung von Funksoftware erübrigt (Bild 1). An dieser Stelle wird der Nutzen von Plug-and-Play-Funkmodulen deutlich.

Diese HF-Ready-Module verfügen bereits über ein robustes HF-Design und lassen sich einfach in die Leiterplatte integrieren. Leistungsmerkmale wie hohe Sendeleistung, Antennenanpassungsschaltung, On-Board-Antenne und umfassende Tests sind bereits implementiert.

Bezüglich ihrer Zertifizierung wurden die Module von den zuständigen Aufsichtsbehörden beispielsweise in den USA, Kanada, Großbritannien, Europa, China, Taiwan, Japan und Korea getestet und genehmigt. Darüber hinaus basieren die Vorschriften vieler Länder, die noch nicht abgedeckt sind, auf einer der bestehenden Zertifizierungen, was Zeit und Geld spart und die Markteinführung beschleunigt.

Die Funkmodule sind auch mit vorinstallierter Firmware ausgestattet. Entwickler müssen sie lediglich über UART mit einer Host-MCU oder -MPU verbinden und grundlegende Befehle im ASCII- oder AT-Stil eingeben. Die Firmware auf diesen Modulen handhabt die komplexen Aspekte des Protokolls und erfordert keine Kenntnisse oder Implementierung seitens des Entwicklers. Darüber hinaus sind die Module Linux-kompatibel, sodass sich Funkfunktionen unabhängig vom Hostsystem mit minimalem Aufwand integrieren lassen.

Beispielhaft soll Bluetooth Low-Energy (BLE) zu einer Anwendung hinzugefügt werden. Dafür ist lediglich ein Plug-and-Play-Bluetooth-Modul RNBD451 erforderlich (Bild 2). Mit dem Add-on-Board RNBD451 (Bild 3) lassen sich innerhalb weniger Minuten Prototypen erstellen; dazu wird das Board einfach über ein USB-C-Kabel an einen Rechner angeschlossen. Mit der sofortigen Verfügbarkeit von Advertising-Daten beim Start ist Bluetooth verfügbar, sobald das Modul eingeschaltet wird. Nach dem Anschließen muss nur noch ein Terminal der Wahl gestartet werden, und schon lässt sich ein Prototyp erstellen.

Um das RNBD451 in den Befehlsmodus zu versetzen, sendet man ‚$$$‘. In diesem Modus lassen sich ASCII-Befehle über UART übertragen, um auf die gewünschten Funktionen zuzugreifen, etwa das Scannen nach BLE-Geräten oder das Aktivieren von Energiesparmodi, wenn Bluetooth nicht verwendet wird. Angenommen, man möchte nach allen BLE-Geräten in der Nähe suchen, wird dazu der Befehl ‚F‘ über das Terminal gesendet. Das RNBD451 beginnt dann, alle erkannten BLE-Geräte in der Nähe anzuzeigen. Bei Bedarf lassen sich die Parameter anpassen, um das Standard-Scanintervall und -Scanfenster zu ändern. Um eine Verbindung mit einem Gerät herzustellen, kommt der Verbindungsbefehl ‚C‘, gefolgt von einer ‚0‘ oder ‚1‘ für öffentliche oder private Adresse und der MAC-Adresse des gewünschten Geräts zum Einsatz.

Die RNBD451-Module können sich mit mehreren Bluetooth-Geräten verbinden, da sie Multi-Link und -Role unterstützen. Außerdem bieten sie eine hohe Sendeleistung von +12 dBm und unterstützen einen kodierten PHY, was große Reichweite gewährleistet. Die Module bieten auch einen Fernsteuermodus, der die Übertragung von Befehlen über ein angeschlossenes Bluetooth-Gerät ermöglicht. So entsteht ein eigenständiger Modus, bei dem das Senden von Befehlen keinen Host erfordert. Darüber hinaus enthält das Modul RNBD451 spezifische Verbesserungen für Bluetooth 5.x, wie die Advertising Extension. Diese Funktion erweitert den Spielraum für die Konfiguration von Advertising-Daten und macht es zur idealen Wahl für verschiedene BLE-Beacon-Anwendungen.

Fazit: Wireless für alle

Ein Plug-and-Play-Konzept für funkbasierte Lösungen senkt die Einstiegsschwelle und reduziert den Aufwand für die Funkintegration. Die gebrauchsfertige HF-Lösung ist weltweit für die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften zertifiziert und kann über einen einfachen AT-Befehlssatz per UART verwaltet werden. Sie soll Produktentwickler unterstützen, die Wireless-Funktionen hinzufügen möchten, aber nicht über die für das HF-Design erforderlichen Kenntnisse oder Ressourcen verfügen. Dieser Ansatz verbessert den Zugang zu Funktechnik über verschiedene Protokolle hinweg. Entwickler sind damit in der Lage, Bluetooth, Wi-Fi oder beides einzubinden, ohne sich mit den Feinheiten der jeweiligen Technik auseinandersetzen zu müssen. (laa)