Perinteinen tapa valita piirialusta esimerkiksi anturisovellukseen on valita ensin radiotekniikka, jota halutaan käyttää. Texas Instrumentsin SimpleLink tuo kehittäjille joustavuutta, jota aiemmin ei ole ollut tarjolla.

Yleiskäyttöisten mikroprosessorien skaalautuvuus on monisyinen asia. Vaadittujen standardioheislaitteiden lisäksi tuoteperhe tyypillisesti tarjoaa kehittäjälle laajan valikoima laitevaihtoehtoja eri nopeuksin, muistein, GPIO-nastoin ja koteloin. Esineiden internetin eli IoT:n kasvattama liitettävyyden tarve tuo uuden ulottuvuuden skaalautuvuuteen: langattomat liitäntätekniikat.

Yksi älykkäitä verkkoon liitettyjä laitteita suunnittelevan valmistajan haasteita on – erityisesti kulutus- ja teollisuuselektroniikassa – päättää, mitä langatonta standardia tietyssä sovelluksessa käytetään. Monilla markkinoilla tällaiset laitteet ovat vasta nousevaa (emerging) tekniikkaa. Esimerkiksi älykkäissä lampuissa tarjolla on useita liitäntätekniikoita. Radion valinta nousee kysymykseksi myös esimerkiksi kauko-ohjaimissa, koti- ja rakennusautomaatiossa, älymittareissa, lääketieteen laitteissa, päällepuettavassa elektroniikassa, turvajärjestelmissä ja monissa muissa.

Koska radio on älykkään aistivan sovelluksen ydinkomponentti, suunnittelijoiden on perinteisesti tarvinnut päättää haluamansa radiotekniikan suhteellisen aikaisessa vaiheessa suunnittelua. Perinteisesti valmistaja saattoi valita langattoman komponentin ja suunnitella laitteen sen ympärille. Kun tämä päätös oli tehty, moni osa suunnittelusta oli lyöty lukkoon, kuten vastaanotintekniikka, piirikortin sijoittelu, ohjelmistopino sekä rajapinta radioon.

Jos valmistaja on valinnut zigbee-yhteyden sovellukseensa, voi suunnitteluprosessin aikana käydä ilmi, että Bluetooth Smart -yhteys laajentaisi merkittävästi sovelluksen kohdemarkkinaa. Myöhäisessä vaiheessa suunnittelua radion vaihtaminen ei kuitenkaan ole helppoa. Bluetooth Smart -radio pitää ehkä hankkia toiselta toimittajalta. Kaikki alkuperäisen zigbee-radion ympärille tehty suunnittelutyö pitäisi heittää hukkaan. Lisäksi itse sovellus pitää sovittaa uuteen ohjelmistopinoon ja rajapintaan. Lopulta kyse on lähes täydellisesti uudelleen suunnittelusta, mikäli radion haluaa vaihtaa.

Vaikka Bluetooth Smart -radio tulisi samalta valmistajalta kuin alkuperäinen zigbee-radio, radiot pohjaavat yleensä täysin eri tekniikoihin. Nämä erot voivat merkittävästi rajoittaa sitä, kuinka paljon suunnittelusta voitaisiin hyödyntää uuden radion yhteydessä. Joka tapauksessa suunnittelun valmistuminen ja tuotteen markkinoille saaminen viivästyisi. Puhumattakaan siitä, että uudelleen suunnittelu kasvattaa kustannuksia.

Päätös vaihtaa keskeinen osa suunnittelua ei koskaan ole ollut helppo. Valmistajien on täytynyt valita sen välillä, tuodako ei-optimaalinen tuote aikataulussa markkinoille vai suunnittelemalla tuote uudelleen, jolloin menetetään ehkä kriittinenkin markkinamahdollisuus.

SimpleLink: vastaus muuttuviin markkinatarpeisiin

Texas Instruments näkee, että teknologian ketteryys on ensiarvoisen tärkeää, kun halutaan mennä uusilla markkinoille tai hyödyntää uutta tekniikkaa. Siinä missä joustavuuden puute voi johtaa tuotteen epäonnistumiseen markkinoilla, oikeantasoinen konfiguroitavuus voi näytellä tärkeää osaa sen tuotteen menestymisessä.

Vastatakseen valmistajien tarpeeseen saada enemmän vaihtoehtoja langatonta tekniikkaa valitessaan TI on kehittänyt erittäin vähävirtaisen mikro-ohjainalustan SimpleLink. Arkkitehtuuri perustuu ARM Cortex-M3-suorittimeen ja tarjoaa tällä hetkellä flash-muistia 32 kilotavusta aina 128 kilotavuun asti. Sen suorituskyky riittää toimimaan erillisenä mikro-ohjaimena laajalle valikoimalle älykkäitä aistivia sovelluksia.

SimpleLinkin tekee kuitenkin ainutlaatuiseksi sen skaalautuvuus eri langattomiin tekniikoihin. Piirit tukevat laajaa valikoimaa erilaisia radioita nastayhteensopivin kotelovaihtoehdoin. Tuettuna ovat Bluetooth Smart, alle 1 gigahertsin radiot, zigbee, 6LoWPAN, IEEE 802.15.4, RF4CE ja erilaiset asiakaskohtaiset radiot aina 5 megabitin datanopeuksiin asti.

Laitenäkökulmasta käytettävän radion vaihtaminen on hyvin yksinkertaista. Kaikki 2,4 gigahertsin tekniikoiden ja alle 1 gigahertsin tekniikoiden piirit ovat nastoitukseltaan täysin yhteensopivia. Lisäksi kaikki muut oheislaitteet ovat täysin samat kaikissa SimpleLink-piireissä. Tämä tuo valmistajalle paljon joustavuutta, sillä radio voidaan valita suunnittelun myöhäisessä vaiheessa.

Alusta on myös koodiltaan yhteensopiva kaikkien tukemiensa radiostandardien kesken. Radion vaihtaminen vaikuttaa kuitenkin jonkin verran sovellussuunnitteluun. Tämä johtuu eroista radioprotokollissa, joka täytyy sovelluksessa ottaa huomioon. Esimerkiksi liitäntä 6LoWPAN-pinoon tehdään IP-viestin avulla. Bluetooth Smartissa sovellus lukee tai modifioi erilaisia attribuutteja. Tämä eroavuudet ovat mukana niissä API-rajapinnoissa, joita TI tarjoaa jokaisen SimpleLink-ohjainpiirin kanssa.

Paras tapa valmistajalle on suunnitella radioliitäntä modulaarisesti. Sen sijaan, että sovellus liittyisi suoraan radioon, langaton rajapinta voidaan abstrahoida siten, että sovellus lähettää dataa radiotoiminnolle. Tämä toiminto voi sitten prosessoida datan lähetettäväksi tai vastaanotettavaksi halutulla tavalla sopivaa rajapintaa käyttämällä. Näin radion vaihtaminen myöhäisessä vaiheessa suunnittelua vaatisi vain radiotoiminnon porttaamista.

Joustavuutta skaalautuvuuden kautta

SimpleLink-arkkitehtuurin avulla laitevalmistajat voivat viivyttää langattoman protokollan valitsemista suunnitteluprosessin loppuun. Suunnittelijat pystyvät itse asiassa suunnittelemaan useita radioita samanaikaisesti, koska toisen radion vaihtaminen ei tuo juurikaan lisätyötä. Koska suunnitteluihin voidaan vaihtaa radio, valmistajat voivat tukea eri radiotekniikoita samalla suunnittelulla. Valmistajan ei tarvitse veikata, mikä radiotekniikka valtaa markkinat.

Kaksi ensimmäistä SimpleLink-piiriä ovat CC2640 Bluetooth Smartille ja CC2630, joka tukee 6LowPAN-tekniikkaa ja zigbeetä. Lisäksi alusta tukee zigbee RF4CE-tekniikkaa (CC2620) ja alle yhden gigahertsin radioita CC1310-piirillä, joka tulee tarjolle myöhemmin tänä vuonna (ks. kuva 1). Jokainen näistä ohjaimista on optimoitu ultravähävirtaiseen toimintaan, joka tarkoittaa useamman vuoden toiminta-aikaa nappiparistolla tai jopa ilman paristoa energiankeruun avulla.

Kuva 1. SimpleLink-alusta on markkinoiden ensimmäinen piiriperhe, joka tukee skaalautuvaa langattomuutta anturisovelluksiin. Jokainen piiri on sekä kustannus- että teho-optimoitu, joten valmistaja saa joustavuuden lisäksi sovelluskohtaisen komponentin kilpailukykyisellä hinnalla.

Äärimmäistä joustavuutta varten TI tarjoaa kehittäjille useaa standardia tukevan CC2650-piirin. Tämä piiri voidaan dynaamisesti konfiguroida sekä raudalla että ohjelmistolla tukemaan mitä tahansa 2,4 gigahertsin radiotekniikoista. CC2650-piiriin pohjautuvat suunnittelu voivat mennä tuotantoon niin, että konfigurointi tapahtuu vasta kentällä. Tämän ansiosta valmistaja voi todella odottaa viimeiseen hetkeen, minkä radion valitsee, eikä antennisuunnittelua tarvitsee muuttaa.

CC2650:n avulla sovellukset voivat tukea useita raidoita yhdellä sirulla, koska tuettava radio voidaan vaihtaa. Koska CC2650-piiri voidaan uudelleen ohjelmoida kentällä, järjestelmä voi kommunikoida sekä zigbee- että Bluetooth Smart -laitteiden kanssa.

Moniprosessoritehoa alhaisimmalla virralla

Useiden älykkäiden anturisovellusten täytyy toimia vuosia aina-päällä -tilassa pelkällä yhdellä nappiparistolla. Toisissa suunnitteluissa ei ole edes paristoa, joten niiden täytyy operoida energiakeruun menetelmillä tuotetulla rajoitetulla energialla. Päällepuettavissa laitteissa energiankulutus on tietysti erittäin keskeinen tekijä.

Osa SimpleLink-alustan innovaatiota on se, miten siihen on integroitu useita prosessoreja tuomaan eritasoista laskentaa, jota anturisovelluksissa tarvitaan. Käyttämällä tehtävään sopivaa prosessori SimpleLink-ohjaimet voivat operoida mahdollisimman pienellä virrankulutuksella.

- Sovellusprosessori: ARM cortex-M3 toimii alustan pääprosessorina. Sen suorituskyky riittää erillisohjaimeksi, joka hallitsee anturipohjaista ratkaisua. Cortex-M3:lla on riittävästi laskentatehoa suoriutumaan sovellus- ja korkean tason protokolapinolaskennasta, ja se on hyvin energiatehokas 48 MIPSin suorituskyvyllään. EEMBC:n ULPBench-testin mukaan CC26xx/CC13xx-piirit ovat alueensa vähävirtaisimpia.
- Radioprosessori: SimpleLink-alustalla on myös Cortex-M0-ohjain, joka huolehtii järjestelmän alemman tason radiotehtävistä. Tämä pienentää laitteen isäntäprosessorille tulee rasitusta.
- Anturiohjain: Ultravähävirtainen mikro-ohjain monitoroi anturia nopeasti ja tehokkaasti. Se on suunniteltu tuomaan juuri riittävästi laskentatehoa datan näytteistämiseen ja yksinkertaisten anturiratkaisujen tekemiseen. Sen muistin määrä on rajoitettu, eikä mukana ole ylimääräisiä oheislaitteita. Näin ohjain on erittäin energiatehokas ratkaisu esimerkiksi anturilukeman säännölliseen ottamiseen tai sen määrittelyyn, onko esimerkiksi jokin raja-arvo ylitetty. Isäntäprosessoria ei tarvitse herättää, mikäli siihen ei ole tarvetta.

TI on helpottanut SimpleLink-pohjaista suunnittelua ohjelmistolla, joka tarvitaan langattoman radion operoimiseen ja sen liittämiseen. Tämän ansiosta suunnittelija voi vain ”pudottaa” sopivan SimpleLink-piirin suunnitteluun ja ryhtyä käyttämään radiota ilman ylenmääräistä konfigurointia tai säätämistä. Radio-ohjain toimitetaan tuotantokoodin kera, joka on optimoitu takamaan mahdollisimman tehokas radion toiminta.

Koska anturiohjaimen pitää monitoroida antureita, tehdä päätöksiä ja toimia kulloisenkin sovelluksen mukaisesti, kehittäjien täytyy pystyä konfiguroimaan sen toimintaa. TI tarjoaa tähän Sensor Controller Studio -työkalua, jolla anturiohjain konfiguroidaan. On mahdollista muokata ohjaimen toimintoja ilman, että joutuisi kirjoittamaan riviäkään koodia. Mikäli koodia joudutaan kirjoittamaan, sitä tuetaan C:n kaltaisella kuvauskielellä. Työkalu nopeuttaa kehitystä käyttämällä itse anturiohjainta testaamisen ja virheiden tarkistukseen eli debuggaamiseen. Tämän ansiosta anturidataa voidaan visualisoida reaaliajassa ja algoritmeja voidaan verifioida.

Yksi keskeinen etu anturiohjaimessa on, että se on integroitu isäntäprosessorille. Perinteisesti anturiohjaimet on toteutettu erillisellä, vähemmän tehokkaalla mikroprosessorilla, jotta varsinaista sovellusprosessoria rasitettaisiin vähemmän. Suurin etu energiankulutuksessa saadaan siitä, että sovellusprosessori voidaan nukuttaa sleep-tilaan, jolloin energiatehokkaampi ohjain monitoroi ja hallitsee antureita.

Koska nämä toiset ohjaimet ovat sovellusprosessorin ulkopuolella, kehittäjien täytyy suunnitella ja hallita viestintää prosessorien välillä. Heidän täytyy myös toteuttaa keskeytykset, jotta ohjain pystyy herättämään sovellusprosessorin toimintaan.

SimpleLink-alusta on ainutlaatuinen siinä, että siihen on integroitu myös anturiohjain (ks. kuva 2). Tämä tuo kaikki energiatehokkuuden edut ilman, että suunnittelua täytyy monimutkaistaa. Koska anturiohjain, radio-ohjain ja sovellusprosessori on kaikki istutettu samalle sirulle, laite- ja ohjelmistosuunnittelu yksinkertaistuu huomattavasti. Tuloksena on myös selvästi parempi energiatehokkuus.

Tietenkin kehittäjillä on pääsy Cortex-M3:n ohjelmoitavuuteen sovelluskehityksessään. TI tarjoaa myö rajapinnan jokaiselle radiotekniikalleen, joten kehittäjät voivat nopeasti tuoda langattomat yhteydet sovelluksiinsa hyvin minimaalisella opiskelulla.

Kuva 2. Integroimalla anturiohjain, radio ja mikro-ohjain samaan koteloon laitesuunnittelu helpottuu merkittävästi ja suunnittelussa päästään parempaan energiatehokkuuteen.

TI:n visiona oli luoda langaton mikro-ohjain, joka on helppo ohjelmoida ja jossa vältetään fyysisten osien ja protokollien integroimiseen liittyvät haasteet. Sovelluskoodia ajetaan ARM Cortex-M3:lla, standardilla mikro-ohjaimella, jonka monet suunnittelijat jo tuntevat. RF- ja antennisuunnittelu on myös tehty hyvin yksinkertaiseksi ilman, että luotettavuus tai suorituskyky kärsisi. Tietoturva on rakennettuun alustaan sisälle ja protokollapinot ovat tuotantovalmiita.

SimpleLink-alustan käyttö on myös helppoa TI:n kehitystyökalujen ja työkaluja toimittavien kolmansien osapuolten ekosysteemin tuella. Kehittäjät voivat valita täysimittaisen ympäristön kuten Code Composer Studion tai IAR:n Embedded Workbenchin. Kehityksessä pääsee pikaisesti käyntiin valmiiden evaluointikorttien avulla.

SimpleLink-ohjaimet ovat tarjolla eri kotelovaihtoehtoina, joten niillä voidaan täyttää eri sovellusten I/O-tarpeet. 4X4-millisissä ohjaimissa on 10 GPIO:ta, kun 5x5 millin siruissa liitäntöjä on viisitoista. Mikäli sovellus tarvitsee enemmän I/O-liitäntöjä, tarjolla on myös 31 GPIO:n 7x7-millinen kotelo.

TI on kehittänyt alan ainoa useampaa langatonta standardia tukevan mikro-ohjainalustan, joka operoi pienellä virralla ja helppo suunnitella. Tällaisen skaalautuvan alustan avulla valmistajat saavat selvästi aiempaa enemmän ketteryyttä. Kehittäjät voivat SimpleLink-alustan avulla valita haluamansa radiotekniikan paljon myöhäisemmässä vaiheessa suunnittelua. Tämä antaa kehittäjille enemmän aikaa ja joustavuutta valita paras ratkaisu markkinoille. Lisäksi SimpleLink tuo valmistajalle sovelluskohtaisesti räätälöidyn laitteen suorituskyvyn ja tehonkulutuksen, joten monen anturisovellusten koviin vaatimuksiin on helpompi vastata.

Lisätietoa SimpleLink-alustasta löytyy TI:n verkkosivuilta.