Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Entwicklung eines verkaufsfähigen Bluetooth-Produkts mit niedriger Energie (BLE)

Haben Sie eine Idee, die Sie gerne auf den Markt bringen möchten? In dieser Serie geht John Teel durch den Prozess der Skalierung vom Prototyp bis zur Produktion. Folgen Sie jeder Anleitung, um zu erfahren, wie Sie die einzelnen Komponenten einbauen.


Wenn Sie vorhaben, ein neues elektronisches Produkt zu entwickeln, das kleine Datenmengen drahtlos übertragen und empfangen muss, gibt es keine bessere Lösung als Bluetooth Low-Energy (BLE). Obwohl BLE nicht generell schnell genug ist, um Audio oder Video zu streamen oder große Datenmengen zu übertragen, eignet sich BLE ideal für Anwendungen, die eine moderate Datenübertragung erfordern.

Lassen Sie sich nicht durch den Begriff "energiesparend" täuschen, denn es ist eine großartige drahtlose Lösung, auch wenn die Akkulaufzeit nicht entscheidend ist Bluetooth Low-Energy (auch Bluetooth Smart genannt) ist die einfachste und kostengünstigste Wireless-Funktionalität, die in einem neuen Produkt implementiert werden kann.

Im Gegensatz zu Bluetooth Classic ist Bluetooth Low-Energy eine Single-Chip-Lösung. BLE-Lösungen verwenden einen so genannten System-on-a-Chip (SoC). Eine BLE-Chip-Lösung umfasst sowohl den HF-Transceiver als auch den Mikrocontroller, der den Bluetooth-Stack (Firmware) auf einem einzigen Chip ausführt. Bluetooth Classic hingegen ist eine komplexere Zwei-Chip-Lösung: einen Transceiver-Chip und einen separaten Mikrocontroller-Chip.

BLE ist nicht nur ein weniger komplexes Funkprotokoll, sondern auch erheblich billiger. Einer der größten Entwicklungskosten für Bluetooth Classic sind die Kosten für den Software-Stack, der separat erworben werden muss. Diese Stack-Kosten betragen in der Regel mindestens USD 10.000, - zuzüglich einer Lizenzgebühr pro Einheit für jede verkaufte Einheit.

Andererseits ist bei BLE der Stack bereits in den SoC integriert, so dass Sie nur den Chip selbst bezahlen müssen. Ein BLE-Chip kostet nur etwa 1 bis 2 USD (in Mengen von mindestens 1 000 Einheiten). Planen Sie weitere $ 1 bis $ 2 für alle vom BLE-Chip benötigten Trägerkomponenten (Kristall, Kondensatoren, Antennen usw.) ein.

Der Ardunio 101 verfügt beispielsweise über eine Chiplösung (den Nordic NRF51822). Mit BLE können Sie in unserem Board-Vergleichshandbuch nach weiteren Boards suchen.

Modul versus Chip-Lösung

Für die meisten drahtlosen Technologien ist es am besten, zunächst eine Modullösung anstelle einer benutzerdefinierten Lösung für diskrete Chips zu verwenden. Ein Bluetooth LE-Modul erspart Ihnen die hohen Vorlaufkosten, die für die FCC-Zertifizierung erforderlich sind.

Die Kosteneinsparungen bei der Verwendung eines Moduls für BLE sind jedoch nicht so drastisch wie bei anderen Funkprotokollen. Dies liegt daran, dass der Stapel für Bluetooth LE bereits in den Chip integriert ist, so dass keine zusätzlichen Stapelkosten anfallen.Trotzdem Umgehung der FCC-Zertifizierung (oder zumindest des teuersten Teils genannt) vorsätzlicher Kühler) ist immer noch ein erheblicher Vorteil für die Verwendung einer Modullösung für BLE. Dank der Module müssen Sie die Antenne nicht mehr abstimmen und sparen so ein paar tausend Dollar.

Bei Bluetooth Classic sind die Kosten einer Modullösung normalerweise wesentlich höher als bei einer Lösung mit diskreten Chips. Die meisten Entwickler sind jedoch anfangs bereit, überhöhte Stückkosten zu absorbieren, um ihre Vorlaufkosten zu reduzieren.

Ein zusätzlicher Vorteil von BLE ist, dass ein Modul nur wenige Dollar mehr kostet als eine Lösung mit diskreten Chips. Tatsächlich benötigen Sie für die meisten Produkte ein Volumen von mindestens 500.000 Einheiten, bevor die Verwendung eines Chips über einem Modul wirtschaftlicher wird.

Sobald Sie ein so hohes Volumen erreicht haben und zu einer Chip-Lösung übergehen möchten, ist dies eine ziemlich unkomplizierte Konstruktionsänderung, insbesondere wenn Sie den gleichen Chip verwenden, der in Ihrem Modul verwendet wird.

Die folgende Tabelle zeigt einige der beliebtesten BLE-Chip-Lösungen.

Sendeleistung

MCU

Permanenter Speicher

Bemerkungen

Dialog DA14580 / 3

0 dBm

Cortex-M0

32 kB / 128 kB

Extrem geringer Stromverbrauch

Cypress PSoC

3 dBm

Cortex-M0

256 kB

Gute Lösung. Nur um bezahlbare Chips und Module anzubieten.

Qualcomm CSR101x

7,5 dBm

Proprietär

Externe

Beste Sendeleistung. Mesh.

Nordic nRF51822

4 dBm

Cortex-M0

512 kB

Sehr geringer Strom. Hohe Sendeleistung.

Nordic nRF52832

4 dBm

Cortex-M4

512 kB

Schnellste MCU. Niedriger Strom Hohe Sendeleistung.

TI CC2541

0 dBm

8051

256 kB

Basierend auf alten 8-Bit-MCUs.

TI CC2650

5 dBm

Cortex-M3

128 kB

Gute Sendeleistung. Gute MCU.

Atmel ATBTLC1000

3 dBm

Cortex-M0

Externe

Niedrigster Energiechip verfügbar.

Antennenentwurf

Wenn Sie kein Modul mit eingebauter Antenne verwenden, ist die Antenne eines der wichtigsten Aspekte Ihres Designs. Für ein solches Produkt stehen im Allgemeinen zwei Arten von Antennen zur Verfügung: eine Keramikantenne und eine Antennenantenne.

Die Vorteile einer Keramikantenne liegen in der geringeren Größe und der vereinfachten Abstimmung. Für alle drahtlosen Geräte muss die Antenne auf maximale Leistung (maximale Reichweite) eingestellt sein. Tuning ist ein ziemlich komplizierter Prozess, für den sehr teure Geräte erforderlich sind. Daher wird das Tuning im Allgemeinen an Unternehmen vergeben, die auf HF-Tuning spezialisiert sind.

Eine Antennenschaltung verwendet normalerweise ein Pi-Netzwerk zum Abgleichen (d. H. Abstimmen) der Antenne. Der Wert der Kondensatoren und Induktivitäten, die im Pi-Netzwerk verwendet werden, ist optimiert, um die Antennenabstimmung zu optimieren. Wenn die Reichweite für die Anwendung nicht besonders kritisch ist, muss eine Chipantenne nicht unbedingt für BLE eingestellt werden, zumindest für ein frühes Testen.

In die Leiterplatte selbst ist eine Antennenantenne integriert. Der Hauptvorteil einer PCB-Antennenantenne besteht in geringeren Kosten. Da es sich bei der Antenne lediglich um eine Leiterbahn handelt, ist die Antenne grundsätzlich frei.

Chipantennen sind jedoch recht günstig, daher empfehle ich Chipantennen zumindest anfangs. Wenn das Produkt ein wirklich hohes Produktionsvolumen erreicht, können Sie die Chipantenne durch eine Leiterplattenantenne ersetzen, um Ihre Kosten zu senken und Ihre Gewinnmargen zu steigern.

PCB-Antennen sind komplizierter in der Abstimmung und erfordern möglicherweise mehrere PCB-Revisionen, um die Abstimmung zu optimieren. Änderungen an der Leiterplatte können im Vergleich zu einer Chipantenne auch die Leistung einer Spurantenne erheblich beeinflussen.

Zusammenfassung

Bluetooth Low-Energy ist eine fantastische Technologie. Dies liegt vor allem an der Einfachheit und dem extrem niedrigen Stromverbrauch. Für Ihr Produkt sollten Sie BLE daher vor allen anderen komplexeren Funktechnologien in Betracht ziehen.

Ich habe eine detaillierte Tabelle erstellt, in der acht derzeit auf dem Markt befindliche Bluetooth-Chips mit niedrigem Energieverbrauch miteinander verglichen werden. Es enthält auch die verfügbaren Module, basierend auf jedem Chip und geschätzten Preisen. Sie können es kostenlos herunterladen.

Aktie

Leave A Comment