Bienvenido al conjunto de opciones inalámbricas: Bandas de RF y opciones de protocolo para desarrolladores integrados, Parte 2

Nota del editor: La Parte 1 de esta serie de dos partes analizó las diversas opciones de conectividad inalámbrica disponibles para los diseñadores de sistemas integrados y presentó algunos ejemplos relevantes. La Parte 2 presentará las características de los módulos inalámbricos con más detalle, junto con información sobre cómo usarlos de manera efectiva.

La rápida evolución del Internet de las cosas (IoT) y la inteligencia artificial (AI) aumenta la necesidad de conectividad del sistema inalámbrico, por lo que es imperativo que los desarrolladores elijan el protocolo correcto y lo diseñen de manera rápida y a bajo costo. Para ayudar, hay muchos módulos inalámbricos disponibles, pero los diseñadores deben seguir un proceso de selección e integración lógico para garantizar el éxito del diseño.

Este artículo analiza un proceso de 4 pasos para seleccionar e implementar un protocolo inalámbrico apropiado y un módulo inalámbrico para aplicaciones integradas. Los pasos son los siguientes:

1. Seleccionar una interfaz y un protocolo inalámbricos según los requisitos de ancho de banda, alcance y costo.
2. Decidir si el módulo inalámbrico debe incluir capacidad de procesamiento para la aplicación incorporada además de implementar el protocolo inalámbrico.
3. Identificar los requisitos de E/S para el módulo o chip inalámbrico.
4. Seleccionar el módulo o chip apropiado en función de las decisiones tomadas en los primeros tres pasos.

El artículo incluye descripciones de seis módulos inalámbricos seleccionados como una muestra representativa de los muchos que están disponibles para diseñar sistemas integrados conectados de forma inalámbrica.

Paso 1: Seleccione el protocolo inalámbrico.

Se muestran varios de los protocolos inalámbricos más comunes en relación con el ancho de banda y el plano del alcance (Figura 1).

Figura 1: Diagrama conceptual del alcance (en metros a kilómetros) versus ancho de banda (en bits por segundo a megabits por segundo) para varios protocolos inalámbricos. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Este diagrama simple permite una selección rápida de opciones basada simplemente en los requisitos del alcance y ancho de banda. Los protocolos de la izquierda (Wi-Fi, Bluetooth y Bluetooth LE [bajo consumo]) brindan cientos de kilobits por segundo (Kbits/s) o megabits por segundo (Mbits/s) en intervalos medidos en decenas de metros (m). Estos protocolos son apropiados principalmente para redes en construcción. Los protocolos a la derecha brindan datos en kilómetros. Estos protocolos son apropiados para dispositivos integrados localizados de forma remota en un campus o una ciudad.

Los módulos que implementan Wi-Fi, Bluetooth y Bluetooth LE (o una combinación de estos) a menudo tienen antenas incorporadas. Por ejemplo, se muestra claramente la antena integrada incorporada en el módulo 3320 Wi-Fi/Bluetooth/Bluetooth LE de Adafruit (Figura 2). Es el rastro en zigzag en la parte superior de la placa de circuito.

Las antenas integradas simplifican en gran medida el diseño de sistemas integrados de red inalámbrica porque el trabajo complejo de desarrollo de antenas ya está hecho.

Figura 2: El módulo 3320 Wi-Fi/Bluetooth/Bluetooth LE de Adafruit opera a velocidades de hasta 150 megabits por segundo. (Fuente de la imagen: Adafruit)

Este módulo está diseñado para montarse en una placa de circuito y requiere circuitos adicionales, por lo que puede no ser el mejor lugar para comenzar la creación de prototipos. El módulo está disponible soldado a una placa de circuito pequeña como un kit de desarrollo, ESP32-DEVKITC de Espressif Systems, que se muestra en la Figura 3. ESP32-DEVKITC divide todas las clavijas del módulo en cabezales de 0,1 pulgadas, incorpora un chip adaptador serie USB a TTL, botones de programación y reinicio, y un regulador de 3,3 voltios incorporado.

Figura 3: ESP32-DEVKITC de Espressif Systems divide todas las clavijas del módulo Adafruit 3320 en cabezales de 0,1 pulgadas, incorpora un chip adaptador serial USB a TTL, botones de programación y reinicio, y un regulador de 3,3 voltios incorporado. (Fuente de la imagen: Espressif Systems)

Los protocolos inalámbricos de largo alcance y las antenas integradas no se mezclan

Las comunicaciones de redes inalámbricas de larga distancia requieren antenas externas y las complicaciones que las acompañan. Por ejemplo, el SX1276MB1LAS de Semtech Corp. es un transceptor LoRa que incorpora dos conectores SMA para conectar antenas de alta y baja frecuencia (Figura 4).

Figura 4: El módulo transceptor SX1276MB1LAS LoRa de Semtech tiene dos conectores SMA para antenas de RF de banda alta y baja. (Fuente de la imagen: Semtech Corp.)

Se requieren los dos puertos de antena para permitir que el módulo maneje por separado las bandas de frecuencia de 433 MHz y 915 MHz utilizadas para las comunicaciones LoRa en los Estados Unidos. El módulo tiene un presupuesto de enlace máximo de 168 dB, lo que le da varios kilómetros de alcance. Sin embargo, el cableado coaxial y los conectores SMA entre el módulo y la antena externa consumirán parte de ese presupuesto de enlace.

Para ayudar a que un diseño se implemente, Semtech también ofrece el kit de desarrollo SX1276DVK1JAS basado en el módulo de transceptor LoRa SX1276MB1LAS. El kit incluye dos transceptores LoRa, dos plataformas Eiger, dos cables Mini USB, dos lápices de pantalla táctil y antenas dipolo para bandas de alta y baja frecuencia.

El módem celular LTE Cat 1 de Digi XBee XBC-V1-UT-001 de Digi International también requiere una antena externa y adopta un enfoque similar pero ligeramente diferente a la conexión de antena, como se muestra en la Figura 5.

Figura 5: El módulo celular LTE Cat 1 de XBee XBC-V1-UT-001 de Digi International coloca un sistema integrado en la red de comunicaciones celulares de Verizon. (Fuente de la imagen: Digi International)

El módem de Digi tiene dos conectores de RF subminiatura U.FL para conectar antenas LTE primarias y secundarias. Se requiere la antena primaria. La antena secundaria mejora el rendimiento del receptor en ciertas situaciones y Digi lo recomienda. Las antenas se deben ubicar lo más lejos posible del módulo de módem celular (y otros objetos metálicos). Si se instalan antenas primaria y secundaria, se deben orientar en ángulo recto entre sí para obtener los mejores resultados.

Paso 2: ¿Se requiere el procesamiento de aplicaciones en el módulo de red inalámbrico?

Algunos módulos de red inalámbrica tienen procesadores integrados. Algunos no. Si el sistema integrado en desarrollo ya tiene un procesador, es posible que no sea necesario otro procesador programable en el módulo de red inalámbrica. Si el módulo inalámbrico debe ejecutar el código de aplicación del sistema integrado, entonces las herramientas de programación disponibles y las capacidades de ejecución del módulo se vuelven parte del proceso de decisión. El uso de la inteligencia incorporada de los módulos de red inalámbrica para ejecutar la aplicación integrada definitivamente ahorra espacio en la placa. Además, puede simplificar el diseño del hardware y reducir los costos de la lista de materiales (BOM).

Algunos módulos analizados anteriormente implementan un entorno de programación completo. En el caso del módem celular XBee XBC-V1-UT-001 de Digi mencionado anteriormente, existe un entorno MicroPython integrado que aplica la inteligencia integrada del módem a aplicaciones simples. Por ejemplo, los sensores conectados a las clavijas de E/S digitales y analógicas del módulo se pueden leer, procesar y transmitir. Los comandos del actuador se pueden recibir y actuar en consecuencia. El módulo tiene 13 clavijas de E/S digitales y cuatro clavijas de entrada analógica de 10 clavijas bits. MicroPython también puede ayudar a administrar la energía en los sistemas integrados alimentados por batería basados en el módem.

La programación se realiza cuando conecta el XBC-V1-UT-001 a una placa de interfaz XBIB-U-DEV de Digi, conecta una PC a la placa de interfaz con un cable USB y activa un programa de terminal. Hay un programa de terminal MicroPython en el software de configuración y prueba de XCTU de Digi. El módulo XBC-V1-UT-001 viene con 24 kilobytes (Kbytes) de RAM y 8 Kbytes de memoria flash para el almacenamiento.

Es posible obtener más rendimiento de la inteligencia incorporada en otros módulos de redes inalámbricas. Por ejemplo, el módulo Wi-Fi/Bluetooth/Bluetooth LE en el kit de desarrollo ESP32-DEVKITC de Espressif Systems, analizado en el Paso 1 anterior, incorpora dos núcleos de procesador Xtensa LX6 RISC de 32 bits, ambos funcionando a 160 MHz. Por convención, uno de estos procesadores es el procesador de "protocolo" y el otro es el procesador de "aplicación". Sin embargo, ambos procesadores pueden acceder a todos los recursos incorporados. Eso es suficiente alimentación de procesamiento para la mayoría de las aplicaciones integradas.

Paso 3: Identifique los requisitos de E/S para el módulo o chip inalámbrico.

Independientemente de si el módulo de red inalámbrica ejecuta o no la aplicación incorporada internamente, es probable que necesite conectarse a otra cosa en el sistema integrado. O necesitará conectarse a una unidad central de procesamiento dentro del sistema integrado, o tendrá que conectarse directamente a sensores y actuadores. Quizás necesite hacer ambas cosas.

El camino más simple es el enfoque de enchufar y jugar. Conecte un módulo, cargue los controladores, y eso es todo. La tarjeta Mini PCIe EWM-W151H01E 802.11b/g/n de Advantech Corp. se conecta a una ranura Mini PCIe y se comunica con una unidad central de procesamiento host a través de PCIe (Figura 6).

Figura 6: La tarjeta de tamaño medio Mini PCIe EWM-W151H01E 1T de Advantech implementa los estándares de Wi-Fi basados en IEEE 802.11b/g/n. (Fuente de la imagen: Advantech Corp.)

Para comenzar el desarrollo con el EWM-W151H01E, cargue los controladores de Windows (7, 8 o 10) o de Linux, y el sistema integrado está listo para conectarse a los sistemas Wi-Fi existentes a velocidades de datos de hasta 150 Mbits/s. El factor de forma conectable de Mini PCIe de la tarjeta, junto con los controladores para Windows y Linux, hacen que este módulo de tarjeta sea más adecuado para diseños de PC integrada (procesador x86).

El análisis de Espressif Systems ESP32-DEVKITC menciona las entradas analógicas y las clavijas de E/S digitales simples en el módulo que se pueden usar para conectar sensores y actuadores. Sin embargo, el módulo también tiene interfaces serie más complejas que incluyen tres UART, dos puertos I²C, tres puertos SPI y dos puertos I²S. Estos se pueden usar para conectarse a una variedad de dispositivos periféricos y se pueden usar como una interfaz para una unidad central de procesamiento host. Estos son algunos detalles sobre cada uno:

• Los UART del módulo tienen una tasa máxima de transferencia de 5 Mbits/s.
• Sus puertos I²C admiten velocidades de transferencia de 100 Kbits/s (modo estándar) y 400 Kbits/s (modo rápido).
• Sus puertos I²S admiten transferencias de 40 Mbits/s.
• Sus puertos SPI admiten 50 Mbits/s.

Si el módulo de protocolo más adecuado carece de las capacidades de E/S necesarias, el sistema integrado requerirá la adición de un chip de expansión de E/S que ocupa más espacio en la placa, causa el incremento del consumo de energía, aumenta la complejidad de la programación e incrementa el costo de BOM. De ser posible, es mucho mejor lograr todo con un solo módulo de red inalámbrico.

Paso 4: Elija e implemente.

En este punto del proceso, las selecciones se deben reducir a unas pocas opciones o quizás solo a una. Los requisitos de ancho de banda y alcance deben limitar el campo a uno o dos protocolos adecuados. La necesidad de procesamiento de aplicaciones a bordo por parte del módulo de red inalámbrico y la cantidad de procesamiento a bordo deberían eliminar muchas más opciones. Finalmente, los requisitos de E/S deben reducir las opciones a unos pocos. En ese punto, la elección es obvia o hay algunas buenas opciones, en cuyo caso los criterios de selección restantes pueden ser familiares o fáciles de implementar.

Conclusión

El requisito de conectividad inalámbrica integrada continúa aumentando. La gran cantidad de protocolos disponibles puede ser confusa para algunos diseñadores integrados a primera vista, pero cada protocolo ocupa un nicho de alcance/potencia/velocidad de datos, por lo que la selección es mucho más sencilla si se la considera desde esa perspectiva.

Este artículo ha presentado un proceso de cuatro pasos para seleccionar entre docenas, incluso cientos de módulos de red inalámbrica disponibles.

1. Seleccione un protocolo inalámbrico basado en el ancho de banda, el alcance y los requisitos de costo.
2. Decida si el módulo inalámbrico debe incluir capacidad de procesamiento para la aplicación incorporada además de implementar el protocolo inalámbrico.
3. Identifique los requisitos de E/S para el módulo o chip inalámbrico.
4. Seleccione el módulo o chip apropiado en función de las decisiones tomadas en los primeros tres pasos.

Cualquiera sea la aplicación, es probable que haya al menos un protocolo inalámbrico estandarizado y varios módulos asociados que cumplan bien con los requisitos.