Unterschiedliche Wireless-Technologien kombiniert auf einem Gerät

Mit der zunehmenden Vernetzung von Geräten und Applikationen in vielschichtigen Industrie- und Medizintechniksystemen verschmelzen auch die verschiedenen Funktechnologien für PAN (Personal Area Networks), LAN (Local Area Network) und WAN (Wide Area Network). Die unterschiedlichen Wireless-Anforderungen in einem einzigen Gerät zu kombinieren ist jedoch eine sehr komplexe und kostenintensive Aufgabe. Das gilt besonders für sehr leistungsfähige, eventuell gar mobile und batteriebetriebene Lösungen. Der Wunsch nach Kompaktheit und hoher Integrationstiefe stellt eine zusätzliche Herausforderung dar.

Vorbild Smartphone

Ein prominentes Beispiel für die Kombination unterschiedlicher Wireless-Technologien sind moderne Smartphones. Der Markt für Mobiltelefone ist immens groß, sodass der hohe Entwicklungsaufwand und die Kosten über die Stückzahlen aufgefangen werden. In der Industrie, in der Medizinelektronik, in Logistiksystemen oder speziellen Anwendungen, wie beispielsweise im öffentlichen Nahverkehr, sind die Stückzahlen jedoch kleiner, die Entwickler-Teams in der Regel weniger auf Funkanwendungen geschult und die finanziellen Mittel für Entwicklungen deutlich geringer.

Für diese Märkte ist es entsprechend wichtiger, ein Produkt einzusetzen, das bereits mehrere Technologien kombiniert. Die Leistungsdaten und der angebotene Support müssen die Anforderungen abdecken und die Kostenstruktur muss zu dem Gerät passen. Typische Anwendungen sind Diagnosegeräte in der Automobil- und der Medizintechnik, Agrargeräte sowie Anlagen für erneuerbare Energien wie beispielsweise Solarinverter.

Marvell-Chipset als Basis

Der schwedische Wi-Fi-Spezialist H&D Wireless hat mit dem SPB209 accelerate ein innovatives Funkmodul entwickelt, das vorrangig MSC Technologies in Europa vertreibt. Dieses brandneue Wi-Fi/Bluetooth/NFC-Kombi-Modul basiert auf einem Marvell-Chipset und erfüllt alle Industriestandards. Weitere Merkmale sind die hohe Performance, der erweiterte Temperaturbereich und die Langzeitverfügbarkeit. Das Modul unterstützt die Wi-Fi-Standards 802.11 a/b/g/n/ac und Bluetooth v4.2 Smart Ready und bietet damit die Möglichkeit, Bluetooth-Classic-Geräte und Bluetooth-Low-Energy-Geräte mit der Applikation zu verbinden. Als Besonderheit kommt noch die NFC-Kommunikation nach ISO/IEC 14443 dazu.

Das Short-Range-Multifunktions-Funkmodul SPB209 accellerate basiert auf einem Marvell-Chipset. MSC

Einsatzmöglichkeiten für das Modul SPB209 accelerate sind beispielsweise Patienten-Monitore für Krankenhäuser. Dabei wird das WLAN zur Kommunikation mit dem Netzwerk und zum Datenabgleich genutzt, das NFC übernimmt die Identifikation des Patienten (beispielsweise per Transponder am Bett oder elektronischer Krankenkarte) und Bluetooth Classic steht zur Sprachübertragung zur Verfügung. Per Bluetooth Low Energy lässt sich das Gerät außerdem mit einem Thermometer, Blutdruckmessgerät oder Glukose-Meter verbinden.

Unterschiedliche Wireless-Anbindungen

Die Anbindung des Funkmoduls erfolgt über die Hauptschnittstelle SDIO (4/8 Bit), wobei dies hauptsächlich vom WLAN genutzt wird. Ein UART dient zum Anschluss von Bluetooth, und zusätzlich ist eine PCM für die Sprach- und Audioverbindungen verfügbar. Die schnelle serielle Schnittstelle ist die Basis für den hohen Datentransfer, der mit PHY-Datenraten von bis zu 433 MBit/s auf die Funkschnittstelle erfolgt. Auch die Bluetooth-Transferraten von bis zu 3 MBit/s erfüllen selbst sehr hohe Ansprüche. Die Funkausgangsleistungen von bis zu +18 dBm Tx im 802.11b-Modus und +15 dBm Tx im 802.11a/g/n-Modus sind in der oberen Leistungsklasse anzusiedeln. Auch bei Bluetooth sind +8 dBm ein sehr guter Wert, der gute Reichweiten garantiert.

Das Blockdiagramm zeigt das komplexe Zusammenspiel der verschiedenen Technologien des Kombi-Moduls von H&D Wireless. MSC

Trotz seiner hohen Leistungsfähigkeit weist das SPB209 accelerate äußerst niedrige Stromverbrauchswerte auf. Im Wi-Fi-Sendemodus benötigt das Modul abhängig von der Modulation und des verwendeten Standards zwischen 320 und 489 mA. Im Deep-sleep-Modus geht der Stromverbrauch auf sehr niedrige 160 µA zurück.

Datensicherheit muss sein

Bei der Übertragung von sensiblen Daten, vor allem in der Medizintechnik und in der Logistik, aber auch in der Industrieautomatisierung ist die Datensicherheit ein hohes Gebot. Daher werden Sicherheits-Features wie 64-Bit- oder 128-Bit-AES-Hardware-Verschlüsselung und integrierte Sicherheitsmechanismen wie 64/128-Bit-WEP, WPA, WPA2 bereitgestellt. Auch Wi-Fi Protected Setup (WPS) zur schnellen Verbindung von Geräten und zur nutzerfreundlichen Einbindung in das Netzwerk ist vorhanden.

Auf der Software-Seite unterstützt das Kombi-Modul Funktionen wie WLAN Station Mode oder WLAN μAccess Point mit Support für bis zu 10 Clients sowie Wi-Fi Direct. Darüber hinaus wird in der Firmware Bluetooth unterstützt.

Da gerade in den performanten Anwendungen in der Automatisierung und der Medizintechnik Prozessoren mit Cortex A5 bis Cortex A9 als Hardware-Plattform zum Einsatz kommen, ist das SPB209 zunächst mit Linux-Treibern für die Freescale-i.MX6-Plattform erhältlich. Zukünftig werden auch andere Controller und weitere Betriebssysteme wie Android, Windows EC7 und andere unterstützt.

Die unterschiedlichen Funktechnologien innerhalb eines Geräts  können sich gegenseitig beeinflussen. Daher sind Koexistenz-Funktionen für Bluetooth und WLAN, aber auch für ISM und LTE verfügbar. Das Modul wird mit einem Shield ausgeliefert, was grundsätzlich die Gefahr von Interferenzen senkt. Bei Co-Location eines LTE-Moduls dienen zwei Features der Reduktion von Einflüssen: ein eingebauter Filter, der externe Komponenten überflüssig macht und ein serieller Port für die Coexistence Communication mit einem externen LTE-Modul. Deshalb ist das Modul auch für Anwendungen gut geeignet, in denen beispielsweise LTE als WAN-Technologie eingesetzt wird.

Auf die Antenne kommt es an

Eine große Rolle spielt bei der Integration des Moduls die Berücksichtigung der passenden Antenne, denn ohne gute Antennenleistung nützt das beste Funkmodul nichts. Eine Integration des kompakten Moduls mit Abmessungen von 14 mm × 14 mm × 2,5 mm kann ohne integrierte Antenne über ein 50-Ohm-Pad erfolgen, dies wird vorzugsweise bei externer Antennenplatzierung auf Grund eines Metallgehäuses eingesetzt. Die etwas größere Ausführung (19 mm × 14 mm × 2,5 mm) mit keramischer Antenne ist für Anwendungen mit Kunststoffgehäusen zum Beispiel für die Medizintechnik geeignet.

Bei der Platzierung von Funkmodulen auf Embedded Boards ist auch das Thema „Co-Location“ zu berücksichtigen. MSC

Ein Modul mit integrierter Antenne muss an einer Ecke des Boards möglichst weit entfernt von der Spannungsversorgung platziert werden. Das gilt besonders dann, wenn das Modul ohne integrierte Antenne mittels Pad und U.FL-oder SMA-Connector verbunden wird.

Richtige Platzwahl

Auch bei der Positionierung der Antennen spielt das Thema Co-Location eine große Rolle. Die Antennen der verschiedenen Funkstandards sollten so weit wie möglich auseinander positioniert sein. Darüber hinaus müssen sie auch bezüglich der unterschiedlichen Abstrahlcharakteristik im optimalen Winkel zueinander stehen.

Schon in einer frühen Design-Phase der heute zumeist sehr kompakten Geräte sollten die ersten Messungen der Antennen beginnen. Auch hier ist es wichtig, auf Ressourcen von Spezialisten zurückzugreifen, besonders dann, wenn noch weitere Funktechnologien wie beispielsweise Cellular-Technik zum Einsatz kommen. Bei solchen Co-Location-Thematiken sind für den Großteil der Kunden erfahrene Partner für die Entwicklung von Modul und Antenne sowie zusätzlich ein kompetentes Testlabor unabdingbar.

Leistungsfähige und kostenoptimierte Module hoher Integrationsdichte sind Voraussetzungen, um Lösungen mit Koexistenz-Eigenschaften der Funktechnologien zu entwickeln. Hinzu kommen ein optimaler Software-Support und eine ideale Integration der Antenne, die mit passenden Design-In-Partnern zu lösen sind. Nur so können auch Time-to-Market, Entwicklungs- und Testkosten niedrig gehalten werden.

(pet)