Drahtlos-Technologien bilden das Rückgrat unserer in rapider Entwicklung begriffenen vernetzten Welt und schieben die Grenzen in Bezug auf die Datenrate, die Reichweite und die Integration immer weiter hinaus. Dementsprechend sind Endausrüstungs-Hersteller auf der Suche nach Lösungen, mit denen einfacher an Designs für das Internet of Things (IoT) herangegangen werden kann.

ECK-DATEN

Die BAW-Technologie (Bulk Acoustic Wave) von Texas Instruments eignet sich für leistungsfähige Resonatoren mit hoher Timing-Genauigkeit, die sich in das MCU-Gehäuse integrieren lassen und den Verzicht auf sperrige externe Quarze ermöglichen, ohne dass Abstriche an der Leistungsaufnahme, der Latenz oder der Frequenzstabilität gemacht werden müssen.

Mit BAW-Resonatoren (Bulk Acoustic Wave), einer innovativen Technologie von Texas Instruments, ist hinsichtlich des Integrationsgrads ein weiterer Schritt nach vorn möglich, denn damit lassen sich die weltweit ersten ohne Quarz auskommenden Simple-Link Wireless-Mikrocontroller herstellen.

Wireless-MCUs bilden die Bausteine des IoT

Der Begriff Internet of Things deckt sämtliche Konnektivitäts-Aspekte ab – von der auf maschinellem Lernen beruhenden Prozessautomatisierung in Automobilfabriken bis zur Fernsteuerung eines Toasters. Die Bezeichnung ist sogar ziemlich treffend, denn unter IoT-fähigen Produkten versteht man in vielen Fällen eine Ansammlung von „Dingen”, die sich irgendwo in einem breiten Spektrum befindet, das von dem, was für den nächsten Autonomiegrad benötigt wird (Stichwort: Künstliche Intelligenz) bis zu Dingen reicht, die das Leben erleichtern (eben der besagte Toaster). Unstrittig ist, dass der Vernetzungsbedarf allgegenwärtig und unstillbar ist und nahezu unmerklich die Art und Weise revolutioniert, wie wir Problembeschreibungen und ihre Lösungen konstruieren. Die Diskussion darüber, welche Macht den Daten innewohnt und wie wir die Erkenntnisse, die wir aus diesen Daten gewinnen, zum Erzielen einer höheren Lebensqualität nutzen können, wäre ohne das IoT nicht möglich.

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Bild 1a: Piezoelektrisches Material fungiert als Resonator. Texas Instruments

Die zentrale Technologie für diese vernetzten Produkte sind die Wireless-MCUs, die einen Brückenschlag zwischen traditionellen unabhängigen Sensorknoten (zum Beispiel einer Türsprechanlage oder einem Schloss) und dem Internet bilden. Die hochintegrierten Wireless-MCUs der Simple-Link-Familie von TI lassen sich auf vielfältige Weise zur Vernetzung von Sensorknoten einsetzen, denn sie halten ein breites Angebot an drahtlosen Konnektivitäts-Optionen bereit, die von proprietären Lösungen für große Übertragungsdistanzen bis zu standardbasierten Protokollen wie Bluetooth Low Energy, Zigbee, Thread und Wi-Fi reichen.

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Bild 1b: BAW-Technologie auf einem Siliziumchip. Texas Instruments

Auch wenn diese Drahtlos-Technologien in immer größerem Umfang genutzt werden, wird der Ausbau des IoT nach wie vor von zahlreichen Faktoren gebremst. Hier sind eine längere Markteinführungszeit, Mehrkosten und größere Produktabmessungen (bedingt durch die vermehrte Designkomplexität, die drahtlose Technologien mit sich bringen) zu nennen. Befassen wir uns einmal mit einigen dieser Probleme und untersuchen außerdem, wie sich diese Schwierigkeiten mithilfe der quarzlosen MCUs auf Basis der BAW-Technologie von TI bewältigen lassen.

Einfacheres IoT-Design ohne Performance-Abstriche

Die BAW-Technologie von TI ist der entscheidende Wegbereiter für chipintegrierte, MEMS-basierte Resonatoren. Diese bestehen aus einem piezoelektrischen Material, das in einer Sandwich-Struktur zwischen zwei Elektroden eingebettet ist (Bild 1). Das Material kann elektrische Energie in mechanisch-akustische Energie umwandeln und zuverlässige Schwingungen erzeugen, aus denen ein hochfrequenter, stabiler Taktausgang resultiert. Dieser stabile Takt wiederum eignet sich als präzise Referenzquelle für ein hochfrequentes Timing, mit dem eine Funkeinheit zuverlässig arbeiten kann, ohne dass Kompromisse an Parametern wie dem Frequenzfehler hingenommen werden müssen. Auch eine enge Temperaturtoleranz ist gegeben.

Die Technologie ist jetzt in die Wireless-MCUs der Simple-Link-Familie von TI integriert worden, und zwar im Einzelnen in die Multi-Protokoll-Familie CC2652R mit Unterstützung für Bluetooth Low Energy, Thread und Zigbee, sodass der Mikrocontroller ohne externe Oszillatoren arbeiten kann. Das in Bild 2 dargestellte Blockschaltbild des BAW-basierten Wireless-Mikrocontrollers CC2652RB bietet eine vergrößerte Ansicht des Funk-Cores. Außerdem hält dieser Mikrocontroller folgende Funktionselemente bereit:

  • Separate Application-Core-CPU (Central Processing Unit) auf der Basis von ARM M4F-Technologie.
  • Zusätzlicher autonomer Core für stromsparende Sensing-Funktionen und ein Actuation Ultra-Low Power Sensor Controller (ULP-SC).
  • Mehrere Peripheriefunktionen für die leitungsgebundene Kommunikation.
  • Integrierter nichtflüchtiger Speicher (608 KByte), darunter Wireless-Stacks in 256 KByte ROM und 352 KByte Embedded-Flash für die anwenderseitige Programmierung.
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Bild 2: Quarzloser, auf BAW-Technologie basierender Simple-Link-Mikrocontroller CC2652RB mit erweiterter Darstellung des Funk-Subsystems mit dem integrierten TI BAW-Resonator. Texas Instruments

Wie aus Bild 1 zu entnehmen ist, ist der BAW-Resonator vollständig in das 7 mm × 7 mm messende QFN-Gehäuse (Quad Flat No-lead) des CC2652RB integriert. Er fungiert als präzise Frequenzreferenz für die digitale PLL-Stufe (Phase-Locked Loop) und ermöglicht dieser den zuverlässigen Betrieb mit 48 MHz. Um eine herausragende Frequenzstabilität über verschiedene Temperaturen und Betriebsspannungen hinweg zu erreichen, verfügt der BAW-Resonator über eine aktive Kompensation. Diese erfolgt in dem integrierten Funk-Core, ohne dass sich Auswirkungen auf die MCU-Bandbreite der Applikation ergeben, und verleiht dem CC2652RB einen geringen Frequenzfehler von nur 40 ppm über den vollen Betriebsspannungs- und Betriebstemperaturbereich (1,8 V bis 3,6 V und so weiter -40 °C bis +85 °C). Im Vergleich damit weisen externe 48-MHz-Quarze zwar bei Zimmertemperatur einen recht guten Frequenzfehler von typisch etwa 10 ppm auf, jedoch ist über den vollen Temperaturbereich ein Fehler zu verzeichnen, der sich im zweistelligen ppm-Bereich bewegt. Die Entscheidung für den auf TI BAW-Technologie basierenden CC2652RB macht deshalb die komplexe Auswahl eines passenden Quarzes überflüssig (besonders wenn knappe ppm-Spezifikationen erfüllt werden müssen) und macht damit die Design-Entscheidungen insgesamt einfacher.

Als ein weiterer Vorteil des quarzlosen Designs kommt die Einsparung der Kosten für den Quarz von -,40 bis -,80 US-Dollar hinzu, ganz zu schweigen von der reduzierten Stückliste, bei der Risiken hinsichtlich der Beschaffung des Quarzes (bei langen Lieferzeiten für externe Quarze) entfallen.

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Bild 3: HF-Frequenzgenauigkeit des quarzlosen Simple-Link-Mikrocontrollers CC2652RB. Texas Instruments

Bild 3 gibt ein typisches Diagramm des Frequenzfehlers von integrierten BAW-Resonatoren des CC2652RB im Vergleich zu einem handelsüblichen externen Quarz wieder. Wie man sieht, ist die Frequenzgenauigkeit des quarzlosen Wireless-Mikrocontrollers genau so gut wie die des Wireless-Mikrocontrollers mit externem Quarz. 40 ppm ist übrigens die für Protokolle wie Bluetooth Low Energie, Thread oder Zigbee geltende Frequenzfehler-Spezifikation, um die Verbindungs-Integrität zu wahren und eine zuverlässige Datenübertragung zu gewährleisten. Eine weitere wichtige Folgewirkung der Frequenzgenauigkeit wird an der Empfänger-Empfindlichkeit sichtbar. Diese ist als das schwächste Signal definiert, das ein Empfänger mit einer vorgegebenen Paketfehlerrate (PER) identifizieren kann.

Vergleicht man die Empfänger-Empfindlichkeit des CC2652RB mit der eines Systems auf der Basis eines externen Quarzes (Bild 4), so stellt man fest, dass der BAW-basierte Baustein gleichauf liegt und weder zu einer geringeren Empfänger-Empfindlichkeit führt noch eine Verschlechterung über die Betriebsbedingungen erkennen lässt.

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Bild 4: Empfänger-Empfindlichkeit des Mikrocontrollers CC2652RB. Texas Instruments

Nachdem die wichtigen Performance-Aspekte wie etwa der Frequenzfehler über die Betriebsbedingungen zur Sprache kamen, soll es nun um die Leistungsaufnahme der integrierten BAW-Technologie gehen. Hierbei ist es am besten, als Anwendungsfall standardisierte Funk-Protokolle wie etwa Bluetooth Low Energy (BLE) zu Grunde zu legen. Die Nutzung des BAW-Resonators ist dabei nahtlos in den BLE-Stack integriert, und die Software kann den Resonator auf intelligente Weise nach Bedarf ein- und ausschalten (Duty Cycling), um den Stromverbrauch zu minimieren. Durch den integrierten BAW-Resonator steigt der Stromverbrauch deshalb nur um einen im Bereich von 500 µA liegenden Wert an. Tabelle 1 macht deutlich, dass die aktive Leistungsaufnahme beim Einsatz eines TI BAW-Resonators in einer mit Duty Cycling arbeitenden Applikation nur minimal ansteigt. Der minimale zusätzliche Stromverbrauch wird allerdings durch die Vorteile des höheren Integrationsgrads und der verbesserten Zuverlässigkeit des CC2652RB aufgewogen.

Der Platz ist knapp? Die TI BAW-Technologie schafft Abhilfe

Ein neuer Trend bei den vernetzten Produkten ist das Voranschreiten drahtloser Technologien in den Medizinmarkt, wo sie für eine signifikante Steigerung der Lebensqualität sorgen. Beispiele für IoT-Applikationen, die sich als richtungsweisend erwiesen haben, sind Herzschrittmacher, kontinuierlich arbeitende Blutzucker-Messgeräte, Infusionspumpen und Patienten-Fernüberwachungssysteme, mit denen sich die qualitativ hochwertige Patientenversorgung auf einfache und kostengünstige Weise weltweit ausweiten lässt. Bei medizinischen Wearables muss die Einführung der drahtlosen Konnektivität die Optimierung der Abmessungen als wichtigsten Design-Aspekt berücksichtigen, denn in diesem Bereich kann jeder Quadratmillimeter an gespartem Platz entscheidend für die Nutzungseigenschaften des finalen Produkts sein.

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Bild 5: Dieses Leiterplatten-Layout lässt den Platzbedarf des externen Quarzes auf dem Launchxl-cc26x2r1 klar erkennen. Texas Instruments

Bild 5 zeigt das Leiterplatten-Layout für den CC2652R mit externem Quarz. Deutlich ist in dieser Abbildung der für den externen Quarz erforderliche Platz mit den entsprechenden Leiterbahnen erkennbar. In einem Beispiel wurde der Standard-Quarz, der in den CC2652R Launchpad Development Kits verwendet wurde (1,7 mm × 2 mm), durch einen CC2652RB mit integriertem BAW-Resonator ersetzt, was eine Flächenersparnis von 12 Prozent ergab.

Nachdem wir uns mit verschiedenen hardwareorientierten Aspekten der CC2652RB-MCUs mit integrierter TI BAW-Technologie auseinandergesetzt haben, stellt sich die Frage nach der Benutzerfreundlichkeit. Die Taktung des HF-MCU-Cores durch den BAW-Resonator ist für den Entwickler völlig transparent, da er nahtlos in die vom Simple-Link-Ökosystem unterstützten Wireless-Stacks integriert ist. Erste Versionen des Simple-Link Software Development Kits werden das Protokoll Bluetooth Low Energy 5.0 unterstützen, jedoch ist für die Zukunft auch Support für Thread, Zigbee und Mehrprotokoll-Fähigkeiten geplant. Für Entwickler, die derzeit bereits mit Simple-Link-Produkten arbeiten, entsteht durch das Portieren der Software auf den BAW-basierten CC2652RB nur minimaler Aufwand. Näheres über die Verwendung der CC2652RB-MCUs ist dem Getting Started Guide zu entnehmen.

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Tabelle 1: Stromverbrauchs-Vergleich zwischen Bausteinen mit externem Quarz und so weiter mit integrierter TI BAW-Technologie. Texas Instruments

Nächster Integrationsschritt ohne Performance-Einbußen

Die quarzlosen Simple-Link Wireless-MCUs mit integrierter TI BAW-Resonatortechnologie halten sowohl für Hardwaredesigner als auch für Applikationsentwickler überzeugende Vorteile bereit. Sie stellen eine zuverlässige, robuste und platzbedarfs-optimierte Alternative zu externen Quarzen dar, die außerdem keine Abstriche an der Leistungsfähigkeit erfordert. Der durch die quarzlosen MCUs ermöglichte, bisher nie dagewesene Integrationsgrad erschließt IoT-Produkten reizvolle neue Anwendungsmöglichkeiten und verändert die Nutzung, Implementierung und Anwendung drahtloser Technologien in Edge-Knoten, während gleichzeitig eine intelligentere Vernetzungsmöglichkeit geschaffen wird.