作者：Stephen Evanczuk.

對(duì)于那些能夠快速將概念轉(zhuǎn)化為可行的物聯(lián)網(wǎng) （IoT）應(yīng)用的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，市場(chǎng)在智能互聯(lián)產(chǎn)品方面的需求為他們提供了廣闊的機(jī)會(huì)。高能效處理器、各種可選的無(wú)線連接和廣泛的硬件外設(shè)，為實(shí)現(xiàn)合適的、可投入生產(chǎn)的低功耗設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

然而，在產(chǎn)品定義的早期階段，開(kāi)發(fā)者需要一個(gè)靈活的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用來(lái)快速構(gòu)建基于同級(jí)別處理器、連接子系統(tǒng)和外設(shè)的原型。能夠快速構(gòu)建工作原型并輕松添加功能，對(duì)于提供早期概念驗(yàn)證并支持定制軟件開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

本文展示了開(kāi)發(fā)者如何使用 Silicon Labs 的硬件和軟件，以及大量現(xiàn)成的擴(kuò)展板快速構(gòu)建專(zhuān)門(mén)的節(jié)能互連型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備原型。

實(shí)現(xiàn)快速原型開(kāi)發(fā)

在探索電池供電型無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的各種新的可能性時(shí)，開(kāi)發(fā)者會(huì)發(fā)現(xiàn)自己已陷入了與構(gòu)建有效開(kāi)發(fā)平臺(tái)有關(guān)的諸多細(xì)節(jié)的困擾中。憑借其集成子系統(tǒng)，先進(jìn)的片上系統(tǒng)（SoC） 設(shè)備可以提供這樣一個(gè)核心平臺(tái)，但開(kāi)發(fā)者仍然需要圍繞這些設(shè)備構(gòu)建完整的系統(tǒng)。

為了給這些設(shè)備構(gòu)建一個(gè)合適的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)者不僅需要滿足強(qiáng)大性能和更長(zhǎng)電池壽命的基本要求，還需要實(shí)現(xiàn)靈活性，以滿足每個(gè)應(yīng)用的具體要求。SiliconLabs 的 BGM220-EK4314A Explorer套件滿足這種組合要求，使開(kāi)發(fā)人員能夠?qū)Ｗ⒂谛略O(shè)計(jì)概念的快速原型開(kāi)發(fā)，而無(wú)需處理構(gòu)建開(kāi)發(fā)平臺(tái)所涉及的各種細(xì)節(jié)。

靈活的快速開(kāi)發(fā)平臺(tái)

BGM220-EK4314A Explorer 套件是開(kāi)發(fā)基于藍(lán)牙的各種應(yīng)用的低成本平臺(tái)，該平臺(tái)整合了 SiLabs 的 BGM220P Wireless Gecko 模塊 （BGM220PC22HNA）、1 個(gè)板載 SEGGER J-Link 調(diào)試器、1 個(gè)按鈕、1 個(gè)發(fā)光二極管 （LED） 以及多種擴(kuò)展選項(xiàng)（圖 1）。

BGM220P 模塊可作為小型電池供電型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的一個(gè)完整解決方案。其集成的 EFR32BG22 Blue Gecko SoC 具有超低功耗、藍(lán)牙到達(dá)角（AoA） 和離開(kāi)角 （AoD） 能力以及次 1 米定位精度——所有這些都是越來(lái)越多的流行藍(lán)牙應(yīng)用所必需的，包括資產(chǎn)追蹤標(biāo)簽、智能門(mén)鎖、健身等應(yīng)用。

BGM220P 模塊可作為獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行，它將 EFR32BG22 系統(tǒng)芯片與 512KB 閃存、32KB 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 （RAM）、高頻 （HF）和低頻 （LF） 晶體 （XTAL） 以及一個(gè)用于無(wú)線連接的 2.4 GHz 匹配網(wǎng)絡(luò)和陶瓷天線組合在一起（圖2）。

除了可用作小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的獨(dú)立主機(jī)，該模塊還可以作為通過(guò)其 UART 接口連接的主機(jī)處理器的網(wǎng)絡(luò)協(xié)處理器（NCP）。該模塊的集成藍(lán)牙堆棧為獨(dú)立設(shè)計(jì)中在模塊上運(yùn)行的應(yīng)用執(zhí)行無(wú)線服務(wù)，或在 NCP 設(shè)計(jì)中運(yùn)行時(shí)處理從主機(jī)收到的指令。

高能效無(wú)線 SoC

BGM220P 模塊的 EFR32BG22 藍(lán)牙無(wú)線 SoC 集成了一個(gè) 32 位 ArmCortex-M33 內(nèi)核、1 個(gè) 2.4GHz
無(wú)線電、安全、能量管理子系統(tǒng)，以及多個(gè)定時(shí)器和接口選擇。EFR32BG22系統(tǒng)芯片專(zhuān)門(mén)為超低功耗、電池供電型設(shè)備而設(shè)計(jì)，具有多種能量管理功能，可使紐扣電池的運(yùn)行壽命達(dá)到 10 年。

通過(guò)單一的外部電壓供電，該 SoC 使用其內(nèi)部能量管理單元來(lái)產(chǎn)生內(nèi)部電源電壓。在運(yùn)行期間，由能量管理單元控制 SoC 的五種能量模式 （EM）之間的轉(zhuǎn)換。當(dāng) SoC 從激活模式 （EM0） 過(guò)渡到睡眠模式 （EM1）、深度睡眠模式 （EM2）、停止模式 （EM3） 或停機(jī)模式 （EM4）時(shí)，每種模式都通過(guò)保持逐漸減少的激活功能塊來(lái)進(jìn)一步降低功耗（圖 3）。

在 76.8 MHz 和 3 V 的激活模式 （EM0） 下，使用其內(nèi)部的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，該 SoC 的功耗為 27 μA/MHz。EM0是正常工作模式，也是唯一可以使用 Cortex M33 處理器內(nèi)核和所有外設(shè)模塊的模式。

所有的外設(shè)都可以在睡眠模式 （EM1）下使用，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入功耗更低的模式時(shí)，保持激活狀態(tài)的外設(shè)會(huì)更少。低功耗模式下，處于激活狀態(tài)的時(shí)鐘和功能塊數(shù)量的減少會(huì)使功耗水平顯著降低：

睡眠模式下 （EM1）：17 μA/MHz

深度睡眠模式 （EM2）：1.40μA，保留 32KB RAM，實(shí)時(shí)時(shí)鐘 （RTC） 通過(guò) LFXO 運(yùn)行

停止模式 （EM3） 下：1.05 μA，保留 8KB RAM，RTC 通過(guò) SoC 集成超低頻 1 kHz 電阻電容 （RC） 振蕩器 （ULFRCO）運(yùn)行

0.17 μA 停機(jī)模式 （EM4）

一些電池供電型設(shè)備需要的不只是在低功耗工作模式下運(yùn)行處理器的能力。許多支持藍(lán)牙的應(yīng)用通常都會(huì)長(zhǎng)期處于很少激活或者非激活狀態(tài)，但在恢復(fù)激活狀態(tài)時(shí)需要低延遲響應(yīng)。事實(shí)上，即使一個(gè)應(yīng)用具有更寬松的延遲要求，緩慢喚醒操作也會(huì)浪費(fèi)電力，因?yàn)樘幚砥髟谕瓿蓡拘堰^(guò)程并進(jìn)入激活模式（或完成從高功耗模式進(jìn)入低功耗模式的過(guò)程）時(shí)不會(huì)進(jìn)行任何有用的工作。

隨著激活狀態(tài)之間的時(shí)間縮短，當(dāng)緩慢喚醒或進(jìn)入電源模式的時(shí)間相比處理器在非激活期保持高功耗模式所消耗的能量更多時(shí)，使用低功耗睡眠模式甚至?xí)鸬椒醋饔?。因此，致力于?yōu)化電池壽命的開(kāi)發(fā)人員有時(shí)會(huì)將處理器維持在更高的功耗模式，以滿足應(yīng)用處理需求。

通過(guò)使用具有更快的喚醒和電源進(jìn)入時(shí)間的處理器，開(kāi)發(fā)者可以更充分地利用處理器的低功耗模式。在 EM1 中，EFG32BG22 在三個(gè)時(shí)鐘/1.24 μs內(nèi)喚醒，進(jìn)入時(shí)間為 1.29 μs，在 EM4 中則分別延長(zhǎng)至 8.81 ms 和 9.96 μs （表 1）。

用于在恢復(fù)激活狀態(tài)時(shí)喚醒處理器的方法也可能會(huì)顯著影響電池壽命。盡管如工業(yè)應(yīng)用等一些應(yīng)用會(huì)要求系統(tǒng)使用輪詢處理方式來(lái)確保嚴(yán)格的周期性計(jì)時(shí)，但消費(fèi)領(lǐng)域的許多應(yīng)用都采用基于事件的處理方式來(lái)響應(yīng)特定活動(dòng)。例如，對(duì)基于事件的應(yīng)用使用輪詢方法，當(dāng)處理器被反復(fù)無(wú)謂地喚醒時(shí)，會(huì)大大影響電池壽命。

許多基于傳感器的設(shè)計(jì)使用“中斷時(shí)喚醒”功能來(lái)避免只是為了檢查激活狀態(tài)而重復(fù)喚醒處理器的情況。與此相同，EFG32BG22系統(tǒng)芯片無(wú)線電子系統(tǒng)的內(nèi)置“射頻喚醒”功能也采用了類(lèi)似的中斷驅(qū)動(dòng)方法。這樣，開(kāi)發(fā)人員能夠使處理器保持在功耗較低的能量模式下，直到發(fā)生射頻 （RF）激活情況。

在實(shí)際中，開(kāi)發(fā)人員將 EFG32BG22 無(wú)線 SoC 置于超低功耗的 EM2、EM3 或 EM4 模式，并依靠“射頻喚醒”功能在檢測(cè)到 RF 能量時(shí)喚醒SoC。當(dāng)僅限于檢測(cè)超過(guò)閾值的能量時(shí)，RFSENS 的能耗為 131 nA。RFSENSE 模式的選擇性更強(qiáng)，電流消耗略多，為 138nA，但在這種模式下，RFSENSE 會(huì)過(guò)濾進(jìn)入的射頻信號(hào)，確保在出現(xiàn)有效射頻信號(hào)而不是射頻噪聲時(shí)喚醒。

在某些情況下，EFG32BG22 SoC 可能根本不需要喚醒處理器內(nèi)核來(lái)響應(yīng)外部事件：SiLabs 的外設(shè)反射系統(tǒng) （PRS）使外設(shè)對(duì)事件作出反應(yīng)，在不喚醒處理器內(nèi)核的情況下進(jìn)行操作。外設(shè)之間可以直接通信，其功能可以組合使用，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能。通過(guò)使用具有較低能量模式的 PRS功能，開(kāi)發(fā)者可以在不影響傳感器數(shù)據(jù)采集等關(guān)鍵功能的情況下大幅降低功耗。

內(nèi)置調(diào)試功能，易于擴(kuò)展

BGM220P 模塊內(nèi)置于 BGM220 Explorer 套件板中，為電池供電型藍(lán)牙設(shè)計(jì)帶來(lái) EFR32BG22 SoC
的全套能量管理和處理能力。當(dāng)需要快速建立原型來(lái)探索新的設(shè)計(jì)概念時(shí)，該板的其他功能有助于加速開(kāi)發(fā)。

通過(guò)板上 USB Micro-B 接口訪問(wèn)，板上 SEGGER J-Link 調(diào)試器可實(shí)現(xiàn)代碼下載和調(diào)試以及一個(gè)用于主機(jī)控制臺(tái)訪問(wèn)的虛擬 COM端口。該調(diào)試器還支持 SiLabs 的數(shù)據(jù)包跟蹤接口 （PTI） 功能，用于分析通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸或接收的數(shù)據(jù)包。

用于快速原型設(shè)計(jì)時(shí)，該板支持多種擴(kuò)展選項(xiàng)，便于靈活地探索需要不同組合的傳感器、致動(dòng)器、連接選項(xiàng)和其他外設(shè)的新設(shè)計(jì)理念。依托多個(gè)供應(yīng)商提供的大量mikroBUS 擴(kuò)展板和 Qwiic 連接系統(tǒng)硬件，開(kāi)發(fā)人員可以快速地為每個(gè)應(yīng)用配置一個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

插入該板的 mikroBUS 插座后，mikroBUS 板可通過(guò) I2C、SPI 或 UART 接口與 BGM220P 模塊連接。Qwiic 連接器提供了Qwiic 系統(tǒng)的 I2C 接口，用于連接一個(gè)或多個(gè) Qwiic 板，連接距離最長(zhǎng)可達(dá) 4 英尺。對(duì)于較長(zhǎng)距離的連接，開(kāi)發(fā)者可以使用 SparkFun QwiicBus EndPoint 板 （COM-16988），該板使用差分信號(hào)來(lái)保持 I2C 信號(hào)的完整性，連接距離長(zhǎng)約 100 英尺。

快速應(yīng)用開(kāi)發(fā)

SiLabs 將快速擴(kuò)張的概念應(yīng)用于應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)。除了用于定制開(kāi)發(fā)的板卡支持包、驅(qū)動(dòng)程序、庫(kù)和頭文件外，該公司還提供了在 Simplicity Studio 開(kāi)發(fā)環(huán)境中捆綁的幾個(gè)示例應(yīng)用，以及可從 SiLabs 的 GitHub資源庫(kù)中獲得的其他項(xiàng)目。事實(shí)上，開(kāi)發(fā)者可將捆綁的溫度應(yīng)用樣例作為切入點(diǎn)，探索傳感器應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。該樣例使用 EFR32BG22 SoC的內(nèi)部溫度傳感器作為數(shù)據(jù)源。

該溫度應(yīng)用圍繞標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙健康溫度服務(wù)構(gòu)建，可直接通過(guò)基于 SiLabs軟件架構(gòu)的通用藍(lán)牙物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用演示處理流程。該應(yīng)用會(huì)為系統(tǒng)服務(wù)、設(shè)置中斷處理和回調(diào)功能的應(yīng)用服務(wù)調(diào)用一系列初始化例程。完成初始化后，該應(yīng)用進(jìn)入一個(gè)無(wú)休止循環(huán)，等待事件發(fā)生（列表 1）。

int main（void）

{

// Initialize Silicon Labs device， system， service（s） and protocol
stack（s）。

// Note that if the kernel is present， processing task（s） will be created
by

// this call.

sl_system_init（）;

// Initialize the application. For example， create periodic timer（s） or

// task（s） if the kernel is present.

app_init（）;

#if defined（SL_CATALOG_KERNEL_PRESENT）

// Start the kernel. Task（s） created in app_init（） will start running.

sl_system_kernel_start（）;

#else // SL_CATALOG_KERNEL_PRESENT

while （1） {

// Do not remove this call： Silicon Labs components process action
routine

// must be called from the super loop.

sl_system_process_action（）;

// Application process.

app_process_action（）;

#if defined（SL_CATALOG_POWER_MANAGER_PRESENT）

// Let the CPU go to sleep if the system allows it.

sl_power_manager_sleep（）;

#endif

}

#endif // SL_CATALOG_KERNEL_PRESENT

}

列表 1：SiLabs 的藍(lán)牙樣例應(yīng)用使用通用執(zhí)行框架，其中無(wú)限循環(huán)允許回調(diào)功能和事件處理程序在初始化后處理系統(tǒng)和應(yīng)用行為。（代碼來(lái)源：Silicon Labs）

在該應(yīng)用中，當(dāng)初始化過(guò)程中設(shè)置的定時(shí)器進(jìn)行倒計(jì)時(shí)時(shí)，一個(gè)相關(guān)的回調(diào)例程就會(huì)進(jìn)行溫度測(cè)量。開(kāi)發(fā)人員在構(gòu)建應(yīng)用并點(diǎn)亮電路板后，可以使用 SiLabs EFRConnect 應(yīng)用——一種通用型藍(lán)牙移動(dòng)應(yīng)用，可與所有 Silicon Labs藍(lán)牙套件和設(shè)備一起使用。除了提供定制應(yīng)用的框架外，該應(yīng)用還通過(guò)提供一個(gè)與藍(lán)牙服務(wù)相關(guān)的支持特性視圖來(lái)協(xié)助開(kāi)發(fā)，例如本例應(yīng)用中使用的藍(lán)牙健康溫度計(jì)服務(wù)（圖 4）。

在 Simplicity Studio 中，開(kāi)發(fā)人員可以導(dǎo)入一些不同的藍(lán)牙應(yīng)用實(shí)例，展示各種使用場(chǎng)景，包括單獨(dú)或組合使用 Qwiic 或 mikroBUS板的設(shè)計(jì)。例如，樣例應(yīng)用演示了標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙心率 （HR） 脈搏血氧儀 （pO2） 服務(wù)與 MikroElektronika 的 MIKROE-4037 心率 2Click mikroBUS 板結(jié)合使用，其中包含 Maxim Integrated 的 MAX86161 生物傳感器。MAX86161提供了一個(gè)完整的低功耗子系統(tǒng)，能夠?yàn)橥ㄟ^(guò)其 I2C 接口連接的主機(jī)處理器提供準(zhǔn)確的心率和 SpO2 測(cè)量值。（關(guān)于 MAX86161的詳細(xì)使用信息，參見(jiàn)《構(gòu)建真正的無(wú)線健身耳穿戴設(shè)備 — 第 1 部分：心率和 SpO2 測(cè)量》）。

由于需要另外的驅(qū)動(dòng)器和比溫度應(yīng)用更苛刻的處理算法，該應(yīng)用展示了更復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備軟件應(yīng)用架構(gòu)（圖 5）。

與上文提到的溫度應(yīng)用一樣，這個(gè)應(yīng)用依賴一系列初始化例程來(lái)設(shè)置系統(tǒng)和應(yīng)用服務(wù)。在溫度應(yīng)用中，例程 app_process_action 為空，本應(yīng)用在app_process_action 中增加了對(duì)例程 hrm_loop 的調(diào)用。這將導(dǎo)致在每次穿過(guò)列表 1 中所示的頂層無(wú)限循環(huán)時(shí)調(diào)用hrm_loop。此外，采用軟件定時(shí)器定期更新 HR 和 SpO2 數(shù)據(jù)。

hrm_loop 例程反過(guò)來(lái)調(diào)用maxm86161_hrm_process，它從一個(gè)由輔助函數(shù)維護(hù)的隊(duì)列中提取樣本，并將其傳遞至樣本處理例程。這反過(guò)來(lái)又調(diào)用一對(duì)例程：maxm86161_hrm_frame_process和maxm86161_hrm_spo2_frame_process，它們分別執(zhí)行算法來(lái)驗(yàn)證和生成 HR 和 SpO2 結(jié)果。開(kāi)發(fā)人員可以使用上文提到的 EFR Connect 應(yīng)用查看結(jié)果和其他服務(wù)特征。

另一個(gè)軟件應(yīng)用樣例顯示了開(kāi)發(fā)者如何在擴(kuò)展其硬件平臺(tái)時(shí)基于復(fù)雜的應(yīng)用進(jìn)行開(kāi)發(fā)，如這里的 HR/SpO2 應(yīng)用。使用 BGM220-EK4314AExplorer 套件板和 SiLabs 軟件生態(tài)系統(tǒng)，圍繞現(xiàn)有的軟硬件進(jìn)行構(gòu)建是相對(duì)簡(jiǎn)單的。SiLabs 通過(guò)一個(gè)樣例應(yīng)用演示了這種方法，該應(yīng)用在上述HR/SpO2 應(yīng)用的硬件/軟件平臺(tái)上增加了 OLED 顯示屏。本例中，SparkFun 的 OLED 顯示屏 Qwiic 擴(kuò)展板 （LCD-14532）與該板的 Qwiic 連接器連接，而 MikroElektronika Heart Rate 2 Click 擴(kuò)展板來(lái)自之前的 HR/SpO2 樣例應(yīng)用中（圖 6）。

除了為 OLED 板增加一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序和支持服務(wù)外，該 HR/SpO2 應(yīng)用的擴(kuò)展版本的軟件應(yīng)用基本保持不變。前面提到的 HR/SpO2應(yīng)用的軟件定時(shí)器增加了對(duì)函數(shù) hrm_update_display 的調(diào)用，顯示 HR 和 SpO2 數(shù)據(jù)（列表 2）。

除了為 OLED 板增加一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序和支持服務(wù)外，該 HR/SpO2 應(yīng)用的擴(kuò)展版本的軟件應(yīng)用基本保持不變。前面提到的 HR/SpO2應(yīng)用的軟件定時(shí)器增加了對(duì)函數(shù) hrm_update_display 的調(diào)用，顯示 HR 和 SpO2 數(shù)據(jù)（列表 2）。

/* Software Timer event */

case sl_bt_evt_system_soft_timer_id：

/* Check which software timer handle is in question */

if （evt-》data.evt_system_soft_timer.handle == HEART_RATE_TIMER） {

heart_rate_send_new_data（connection_handle）;

break;

}

if （evt-》data.evt_system_soft_timer.handle == PULSE_OXIMETER_TIMER） {

pulse_oximeter_send_new_data（connection_handle）;

break;

}

if （evt-》data.evt_system_soft_timer.handle == DISPLAY_TIMER） {

hrm_update_display（）;

break;

}

break;

列表 2：使用該套件和軟件生態(tài)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)者通過(guò)連接顯示屏并在向現(xiàn)有應(yīng)用的軟件定時(shí)器處理程序中添加一個(gè)函數(shù)調(diào)用 （hrm_update_display）之后進(jìn)行很小的軟件改動(dòng)，即可為現(xiàn)有的 HR/SpO2 應(yīng)用添加顯示功能。（代碼來(lái)源：Silicon Labs）

這種可擴(kuò)展硬件和軟件方法使開(kāi)發(fā)人員能夠快速構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的工作應(yīng)用。由于硬件和軟件都易于添加或刪除，開(kāi)發(fā)人員可以更輕松地探索新的設(shè)計(jì)方案并評(píng)估替代性配置。

結(jié)論

電池供電型藍(lán)牙物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是流行應(yīng)用的核心，是滿足市場(chǎng)對(duì)更多功能和更長(zhǎng)工作壽命的持續(xù)需求的關(guān)鍵推動(dòng)力。對(duì)于開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，要有效地滿足這些相互沖突的需求，就必須有能力迅速探索新的設(shè)計(jì)并評(píng)估替代性設(shè)計(jì)概念。使用Silicon Labs 的開(kāi)發(fā)套件和相關(guān)軟件，開(kāi)發(fā)者可以快速構(gòu)建原型，根據(jù)需要添加和刪除硬件，以滿足特定的應(yīng)用要求。