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Cómo diseñar dispositivos portátiles encendidos permanentemente de baja energía: Parte 3; optimización de la conectividad inalámbrica Bluetooth

Por Bill Giovino

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Nota del editor: Esta es la Parte 3 de una serie de tres partes acerca del diseño de dispositivos electrónicos portátiles encendidos permanentemente y alimentados por batería. Esta parte se enfoca en tres áreas en las que se puede optimizar la energía. La Parte 1 describió cómo configurar el microcontrolador para prolongar la duración de la batería y reducir las recargas. La Parte 2 analizó cómo mantener la batería de forma segura para alargar el tiempo entre una recarga y otra. La Parte 3 examina las redes inalámbricas para dispositivos portátiles y la forma de optimizar la conectividad inalámbrica para una baja energía.

Los dispositivos portátiles desafían los límites de los diseñadores en cuanto a la optimización del espacio y de la baja energía. Cada milímetro cuadrado importa y cada miliamperio desperdiciado contribuye a una vida útil más corta de la batería, lo que lleva inexorablemente a una mala experiencia del usuario. Uno de los principales factores de consumo de la batería en un dispositivo portátil es la interfaz inalámbrica, y están surgiendo muchas soluciones para ayudar a los diseñadores a minimizar el consumo de la batería.

Este artículo analiza cómo funcionan las conexiones inalámbricas para un dispositivo portátil y cómo configurar la interfaz inalámbrica para minimizar el consumo de la batería. Luego examina los chips inalámbricos de Dialog Semiconductor y analiza cómo configurar correctamente una conexión Bluetooth para un dispositivo portátil.

Comunicaciones inalámbricas en los dispositivos portátiles de consumo

Los dispositivos portátiles de consumo generalmente se conectan a un dispositivo móvil que ejecuta una aplicación desarrollada por el fabricante. Si bien los dispositivos portátiles pueden funcionar sin conectarse a un dispositivo móvil, el modo de funcionamiento más común es la sincronización con un dispositivo móvil, dentro de un intervalo establecido y del alcance. Esta sincronización no necesita realizarse en tiempo real, lo cual es un factor crítico en la optimización de la energía.

Por ejemplo, un dispositivo portátil para fitness sincroniza los datos con la aplicación, incluido un registro de frecuencia cardíaca, pasos y distancia a lo largo del tiempo. Estos datos no necesitan enviarse en tiempo real, incluso si el usuario se está ejercitando. Un intervalo de actualización de uno a cinco segundos puede ser aceptable y, a menudo, el usuario puede configurarlo. El dispositivo portátil también recibe alertas del dispositivo móvil, incluidas las llamadas entrantes y los mensajes de texto. Estas alertas se emiten bajo demanda y solo cuando es necesario.

Existen muchas interfaces inalámbricas que los diseñadores pueden usar para conectarse a un dispositivo portátil, pero, a los efectos de la interoperabilidad, pocas pueden competir con Bluetooth, que proporciona una conexión directa entre el dispositivo portátil y el dispositivo móvil. La wi-fi también se puede usar para conectar el dispositivo portátil a internet cuando el móvil está fuera del alcance. El dispositivo portátil se puede configurar para conectarse a una red pública o a cualquier otra red a la que esté autorizado para acceder. Los datos se pueden intercambiar bidireccionalmente. Por ejemplo, los datos se pueden transferir desde el dispositivo portátil a través de la red wi-fi a la nube del fabricante de dispositivos portátiles, desde donde se pueden enviar a través de la red celular al dispositivo móvil. Al mismo tiempo, el dispositivo móvil puede actualizar el dispositivo portátil en condiciones locales relevantes, así como enviar notificaciones por correo electrónico o mensaje de texto.

Como la wi-fi es rara en un dispositivo portátil debido a la energía y el costo adicionales involucrados, y dado que los dispositivos portátiles casi siempre están cerca del dispositivo móvil con el que se emparejaron, este artículo se centrará en Bluetooth.

Bluetooth para dispositivos portátiles

Bluetooth se desarrolló originalmente para conexiones integrales con el fin de transmitir datos a una velocidad de 1 a 3 megabits por segundo (Mbit/s). Esta especificación Bluetooth original hoy se conoce como Bluetooth 3.0 o Bluetooth Classic. Si bien estas primeras versiones de Bluetooth fueron útiles para transmitir archivos de audio y multimedia, el diseño requería de demasiada energía para datos de sensores y señales de control intermitentes y de baja potencia y velocidad de datos. Para estas aplicaciones, se desarrolló Bluetooth 4.0.

Conocida ampliamente en la actualidad como Bluetooth LE, la especificación Bluetooth 4.0 puede transferir datos a una velocidad tan baja como 125 kilobits por segundo (Kbit/s). Además, los chips Bluetooth LE pasan la mayor parte de su tiempo en modo Suspensión, consumiendo una energía mínima hasta que se necesitan. Esto es perfecto para un dispositivo portátil de baja energía con una batería pequeña.

Para implementar una radio Bluetooth LE en un dispositivo portátil, un desarrollador puede usar un microcontrolador con una radio integrada o una radio externa. Los requisitos del sistema determinan cuál puede ser la opción de energía más baja.

Por ejemplo, si la radio Bluetooth LE se integra como un periférico en el microcontrolador, puede ahorrar un valioso espacio en la placa de CI. Sin embargo, requiere que el microcontrolador esté al menos parcialmente alimentado para permitir que funcione el periférico de la radio.

La radio Bluetooth LE también puede ser externa al microcontrolador. Si bien esto requiere espacio adicional en la placa de CI, ofrece la ventaja de que solo el chip de la radio tiene que estar activo y el microcontrolador puede estar en modo Baja energía. Esto también tiene la ventaja adicional de un enfoque modular para el diseño portátil. Esto permite cambiar el microcontrolador host por uno más potente en un nuevo diseño, mientras que el chip de radio Bluetooth LE sigue siendo el mismo. También puede acelerar el ciclo de diseño, ya que la radio y la pila Bluetooth no se tienen que codificar en el microcontrolador.

Uso de un chip Bluetooth externo

El chip Bluetooth externo de un dispositivo portátil debe contar con una interfaz simple para el microcontrolador, que no aumente significativamente el consumo de energía, y también debe poder activar el microcontrolador desde un estado de suspensión. Un dispositivo adecuado para dispositivos portátiles es el SoC (sistema en chip) Bluetooth DA14585 de Dialog Semiconductor que se muestra en la Figura 1.

El DA14585 se basa en un núcleo Arm® Cortex®-M0 que funciona a 128 kilobytes (Kbyte) de ROM programada de fábrica. También cuenta con 64 Kbyte de memoria de OTP (programación única) que se pueden personalizar. Esto permite el desarrollo de firmware de aplicación Bluetooth personalizado para el DA14585. Este firmware también puede acceder a los periféricos adicionales en el chip, que incluyen:

  • Se puede usar un ADC (convertidor analógico a digital) de cuatro canales y 10 bits para monitorear la batería.
  • Se puede usar un decodificador en cuadratura para interactuar con un HID (dispositivo de interfaz humana) de tres ejes, como un contador de pasos con dirección.
  • Se puede usar un periférico controlador de teclado para conectar y eliminar botones.

Diagrama de la solución completa de SoC Bluetooth DA14585 de Dialog SemiconductorFigura 1: El DA14585 de Dialog Semiconductor es una solución completa de SoC Bluetooth con una pila completa de Bluetooth 5.0, un transceptor de radio de 2.4 gigahercios (GHz) y hardware adicional para personalizar un periférico Bluetooth. (Fuente de la imagen: Dialog Semiconductor)

El DA14585 también integra un transceptor de 2.4 GHz, un procesador de banda base y una pila Bluetooth LE 5.0 calificada para minimizar el tiempo que un desarrollador tiene que pasar aprendiendo los matices del diseño de semiconductores Bluetooth. Admite hasta ocho conexiones Bluetooth LE simultáneas, aunque un dispositivo portátil normalmente solo requiere una.

El chip puede conectarse a un microcontrolador utilizando una SPI (interfaz periférica serial), UART (un transmisor receptor asíncrono universal) o una interfaz I2C. Si bien el dispositivo incluye firmware predeterminado para las comunicaciones del host, para un diseño de sistema portátil más eficiente, Dialog admite la personalización del desarrollador de las comunicaciones del host utilizando la OTP en el chip. Los UART admiten velocidades de datos de hasta 1 Mbit/s con control de flujo de hardware, por lo que el microcontrolador host debe admitir una interfaz de UART compatible.

El DA14585 también es pequeño. Está disponible en un WLCSP (paquete de escala de chip de nivel de oblea) de 34 pines que mide solo 5 milímetros (mm) x 5 mm, lo que le da un espacio mínimo en la placa. Tiene un perfil de 0.9 mm, lo que lo hace adecuado para dispositivos portátiles ultra delgados.

El núcleo y la pila de Bluetooth LE son totalmente compatibles con la especificación Bluetooth v5.0 (Figura 2). Una ventaja de tener la pila en el DA14585 en lugar del microcontrolador es que cuando se actualiza la especificación Bluetooth, Dialog simplemente puede actualizar la pila del DA14585. El dispositivo portátil seguirá funcionando como antes, mientras que el desarrollador tiene la opción de actualizar el firmware de la aplicación del microcontrolador host para aprovechar cualquier cambio en la especificación.

Diagrama del DA14585 de Dialog SemiconductorFigura 2: El DA14585 Dialog Semiconductor requiere componentes externos mínimos. Implementa un núcleo y una radio Bluetooth v5.0 completos para que el desarrollador no necesite conocer los detalles de la creación de una solución de semiconductores Bluetooth. (Fuente de la imagen: Dialog Semiconductor)

La radio Bluetooth requiere pocos componentes externos. Es compatible con todos los tipos de paquete y dispositivo Bluetooth . Además, la radio se puede apagar para ahorrar energía. El núcleo Cortex-M0 lo considera un periférico AHB (bus de alto rendimiento).

Dialog Semiconductor cuenta con el DA14586, que tiene la misma ROM, OTP y conjunto periférico que el DA14585, pero con la adición de 2 Mbit de memoria Flash. Si bien la memoria Flash se puede programar muchas veces y la OTP solo una vez, la OTP consume significativamente menos energía en comparación con Flash. El DA14585 también funciona con 0.9 a 3.6 voltios, mientras que el DA14586 requiere 1.8 a 3.3 voltios.

Implementación de un dispositivo portátil Bluetooth LE

El núcleo Bluetooth del DA14585 ofrece dos modos de funcionamiento: Activo y Suspensión profunda. En modo Activo, la transmisión y la recepción de la radio se realizan través de la conexión inalámbrica Bluetooth; el modo de suspensión profunda desactiva el núcleo y, opcionalmente, elimina la alimentación de la radio. Debido a que un dispositivo portátil es, en el mejor de los casos, un dispositivo casi de tiempo real, para ahorrar energía, el núcleo y la radio se pueden programar para un evento periódico de suspensión y activación.

Por ejemplo, el núcleo Bluetooth se puede programar para que se active primero el modo Suspensión profunda durante un período de tiempo, luego el modo Activo a fin de administrar cualquier mensaje o notificación para el usuario o sobre él (es decir, correos electrónicos, actualizaciones de frecuencia cardíaca) y finalmente el modo Suspensión profunda de nuevo. El período de duración de este ciclo depende del desarrollador. Cuanto más tiempo esté el núcleo en Suspensión profunda, se ahorrará más energía de la batería; sin embargo, si permanece en este modo durante un tiempo prolongado, se puede provocar un retraso en los mensajes Bluetooth. El núcleo se puede programar para estar en modo Activo durante más tiempo a fin de reducir la latencia y los tiempos de respuesta, pero esto consumirá más energía. El desarrollador debe experimentar con diferentes períodos en modo Suspensión profunda y Activo para optimizar la potencia , en lugar del tiempo de respuesta, a fin de que el usuario disfrute de una mejor experiencia.

El procesador principal Arm Cortex-M0 para el DA14585 admite cuatro modos de energía: Activo, Suspensión, Suspensión prolongada y Suspensión profunda. Tenga en cuenta que estos modos de energía no deben confundirse con los modos de energía del núcleo Bluetooth: el núcleo de Bluetooth puede estar en modo Activo mientras que el núcleo Arm y los periféricos están en su propio modo de Suspensión prolongada.

  • En modo Activo, el núcleo Arm y los periféricos están todos activos y funcionando. Este es el modo en que se encuentra el DA14585 durante una conexión de datos Bluetooth activa. En modo Activo, con el DA14585 alimentado por un suministro de 3 voltios, el dispositivo consume 5.3 miliamperios (mA) durante la recepción y 4.9 mA durante la transmisión.
  • En el modo Suspensión, el núcleo Arm está inactivo, pero se conserva su estado. Esto ahorra energía cuando Bluetooth está activo y el núcleo Arm espera que termine la transmisión para que pueda actuar sobre los datos. El consumo actual en el modo Suspensión varía según los periféricos que estén activos.
  • En el modo Suspensión prolongada, el núcleo Arm está inactivo junto con los periféricos seleccionados. Este modo puede usarse para ahorrar energía cuando el núcleo Bluetooth está en su propio modo de Suspensión profunda y también durante largos períodos de inactividad de Bluetooth. El periférico Bluetooth y la interfaz del host pueden estar activos, y cualquiera de los dos puede activar el núcleo Arm con una interrupción en la actividad detectada. Este modo consume una cantidad mínima de energía. En el modo Suspensión prolongada, el DA14585 extrae 3.3 microamperios (µA) con 64 Kbyte de RAM retenidos.
  • El modo de energía más bajo para Arm y los periféricos es el modo Suspensión profunda. Esto apaga todo, incluida la radio Bluetooth. Esto puede ser útil si el usuario decide desactivar Bluetooth y no se necesita ninguno de los periféricos DA14585. En Suspensión profunda, el DA14585 puede consumir muy poca energía, aproximadamente 610 nanoamperios (nA), o 1.4 µA si es necesario retener 16 Kbyte de RAM.

En funcionamiento básico, el núcleo Bluetooth del dispositivo portátil basado en DA14585 pasará la mayor parte de su tiempo en modo Suspensión profunda, mientras que Arm está en modo Suspensión o de Suspensión prolongada. Luego el núcleo Bluetooth se activa periódicamente a un intervalo programado en modo Activo para verificar los datos inalámbricos, mientras que el núcleo Arm se activa en modo Activo y comunica los datos con el microcontrolador host. Cuando se completa la transmisión, el núcleo Bluetooth entra en modo Suspensión profunda, mientras que el núcleo Arm pasa al modo Suspensión o Suspensión prolongada. Esto proporciona una conexión activa y confiable al dispositivo móvil al tiempo que conserva la energía.

Introducción al DA14585

Para comenzar con el DA14585, Dialog proporcionó el kit de desarrollo básico Bluetooth para el DA14585 DA14585-00ATDEVKT-B (Figura 3).

Imagen de la placa de evaluación básica del DA14585 Dialog SemiconductorFigura 3: La placa de evaluación básica DA14585 de Dialog Semiconductor se conecta a una PC a través de una interfaz USB y contiene todo lo que un desarrollador necesita para probar y depurar los controladores del microcontrolador y el firmware de la aplicación para el dispositivo. (Fuente de la imagen: Dialog Semiconductor)

El kit de desarrollo básico del DA14585 admite la depuración completa a través de una interfaz USB. Está controlado por un microcontrolador host de Microchip Technology que utiliza memoria de programa Flash externa. El firmware de la aplicación para el microcontrolador se puede cargar en la memoria Flash a través de la interfaz USB. El desarrollador puede cargar los programas de ejemplo incluidos con el kit y usarlos para interactuar con otro dispositivo Bluetooth, como una PC. El firmware personalizado del desarrollador se puede cargar y depurar.

Conclusión

Los diseñadores de dispositivos portátiles deben realizar optimizaciones para un consumo de energía mínimo y mejorar así la experiencia del usuario, mientras tienen en cuenta el tiempo y el costo de desarrollo. Una interfaz inalámbrica puede consumir una gran parte del presupuesto de energía, pero esto puede mitigarse en gran medida a través de una cuidadosa selección e implementación de la interfaz.

Como se muestra, el uso de un chip Bluetooth externo con un microcontrolador host puede acelerar el tiempo de desarrollo, lo que permite a los desarrolladores crear un dispositivo portátil sin diseñar una interfaz Bluetooth desde cero. El uso apropiado de los modos de baja potencia disponibles puede extender la vida útil de la batería mientras se garantiza un funcionamiento confiable.

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Acerca de este autor

Bill Giovino

Bill Giovino es ingeniero electrónico con un BSEE de la universidad de Syracuse y es uno de los pocos profesionales capaz de pasar de ingeniería en diseño a ingeniería de aplicación en campo a marketing tecnológico de forma exitosa.

Durante más de 25 años, Bill ha disfrutado promocionar las nuevas tecnologías a audiencias técnicas y no técnicas por igual en muchas empresas, entre ellas STMicroelectronics, Intel y Maxim Integrated. Mientras trabajó en STMicroelectronics, Bill ayudó a dirigir los primeros éxitos de la empresa en la industria de microcontroladores. En Infineon, Bill estuvo a cargo de que el diseño del primer controlador de la empresa tuviera éxito en la industria automotriz de EE. UU. Como consultor de marketing para CPU Technologies, Bill ha ayudado a muchas empresas a convertir sus productos con bajo rendimiento en casos de éxito.

Bill fue uno de los primeros en adoptar el Internet de las cosas, incluso colocar la primera pila de TCP/IP en un microcontrolador. Bill es un ferviente creyente de "Vender a través de la educación" y de la gran importancia de contar con comunicaciones claras y bien escritas a la hora de promocionar productos en línea. Es moderador del grupo en Linkedin denominado Semiconductor Sales & Marketing (Marketing y ventas de semiconductores) y habla sobre el concepto B2E (empresa-empleado) de manera fluida.

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