著者 ヨーロッパ人編集者
DigiKeyのヨーロッパ担当編集者の提供
2016-09-14
ワイヤレス接続は、スマート電球、リモコン、スマートビルのセンサとアクチュエータ、スマートメータ、ウェルネス機器を含むウェアラブル機器、セキュリティアラーム、ビーコンなど、多様なインテリジェントコネクテッドデバイスにとって重要な要素です。
複数の規格が利用可能であったり、市場やエンドユーザーの嗜好は進化し続けているため、適切なワイヤレス技術の選択は必ずしも一筋縄では行きません。開発チームは発売予定日に間に合わせるために、かなり前から作業を開始しなければなりませんが、そのような早い段階からどのワイヤレス技術にするか決めるのは理想的ではないかもしれません。一方、異なる地域や市場で販売するために、製品の種類によっては異なる無線オプションのバリエーションを持たせた方が有益になる場合もあります。
とはいえ、無線機はインテリジェントセンシングアプリケーションのコアコンポーネントであり、従来のアプローチでは、どの規格を採用するかを早期に決定する必要があります。アプリケーションにZigBee® テクノロジを選択したメーカーを考えてみましょう。実際には、この決定により、トランシーバ技術、PCBレイアウト、ソフトウェアスタック、無線機にアクセスするAPIなど、多くの設計要素が確定します。
設計が進む中で新たな市場データが明らかになり、Bluetooth® Smartを使用することで最終製品のターゲット市場が大幅に拡大することが判明したとします。無線機を変更するには、アプリケーションをBluetooth Smartスタックと新しいAPIに適合させる必要があり、既に設計済みの無線機周りの作業の多くが無駄になってしまいます。実際、プロジェクトの後期に再設計をしなければならないのは難題です。結局、チームは設計変更せずに製品投入の時期を満たすか、投入の時期は遅れるものの再設計して作った製品を発売するかのどちらかを選択しなければなりません。エンジニアリングコストの追加も考慮する必要があります。
スケーラブルなワイヤレス用組み込みプラットフォーム
Texas Instruments（TI）は、メーカーがワイヤレス技術をより柔軟に選択できるように、超低消費電力ワイヤレスマイクロコントローラ（MCU）プラットフォームSimpleLink™を開発しました。このアーキテクチャはARM® Cortex®-M3をベースにしており、現在、32KBから最大128KBまでのフラッシュメモリ構成を提供しています。幅広いインテリジェントセンシングアプリケーション向けのスタンドアロンMCUとして十分な処理能力を提供します。
SimpleLinkは、ワイヤレス技術の拡張性を可能にするよう設計されています。ピンツーピン互換パッケージオプションのデバイスファミリは、Bluetooth Smart、Sub-1 GHz、ZigBee、6LoWPAN、IEEE 802.15.4、RF4CE™、最大5Mbps動作の独自モードなど、さまざまな無線に対応しています。
ハードウェアの観点からは、異なる無線機を内蔵したデバイスに変更するのは簡単です。2.4GHzテクノロジとSub-1GHzテクノロジの両者すべてに、直接ピン互換があります。さらに、その他のペリフェラルはすべて、SimpleLinkデバイス間で同じです。このことによりメーカーは、設計プロセスの後半に無線技術を決定することができ、非常に高い柔軟性を得ることができます。
また、このプラットフォームは、サポートしているすべての規格においてコード互換性があります。しかし、無線機の切り替えは、アプリケーションソフトウェアの設計に多少の影響を与えます。これは無線スタックの違いから生じるもので、アプリケーションはこれを考慮しなければなりません。例えば、6LoWPANスタックへのインターフェースはIPメッセージを使用して行われます。Bluetooth Smartでは、アプリケーションは様々な属性を読み取ったり変更したりします。これらの違いは、TIがSimpleLinkワイヤレスMCUの各々に組み込んだAPIによって処理されます。
最善の方法として、メーカーは無線インターフェースをモジュール方式で設計することができます。アプリケーションが無線機に直接アクセスするのではなく、アプリケーションから無線機能にデータを送信させることで、無線APIを簡素化することができます。この機能は、適切なAPIを使用して、必要に応じて送信または受信するデータを処理することができます。その結果、設計プロセスの後半で無線機を変更する場合、この無線機能のみの移植が必要になります。
同じデバイス、異なる無線
このプラットフォームは、Bluetooth Smart対応のCC2640ワイヤレスMCU、6LoWPANとZigBee対応のCC2630、Sub-1 GHz対応のCC1310、およびZigBee RF4CE対応のCC2620で構成されています。これらのデバイスは、図1に示すように、複数のパッケージスタイルで提供されています。
図1：SimpleLink戦略は、ワイヤレス再割り当ての課題から
ハードウェアの問題を排除します。
TIはまた、CC2650マルチスタンダードデバイスを発表しています。この「上位セット」デバイスは、ハードウェアとソフトウェアの両方で動的に設定することで、複数の異なる2.4GHz無線のいずれかをサポートできます。CC2650で構築されたデザインは、何を選択するか未確定のまま生産に移行し、フィールドでの設置時に設定することができます。これにより、メーカーは、アンテナ設計を変更することなく、実装する無線機を一番最後に決定することができます。
CC2650はまた、サポートする無線機を変更できるようにすることで、シングルチップで複数の無線をサポートするアプリケーションを可能にします。そのため、フィールドでCC2650を再プログラミングすることで、システムはZigBeeベースの機器とBluetoothベースの機器の両方と通信することができます。
マルチプロセッサアーキテクチャ
図2が示すように、SimpleLinkプラットフォームは複数のプロセッサを統合し、インテリジェントセンシングアプリケーションが実行するさまざまなタスクに必要な、さまざまなレベルの計算能力を提供します。その時々のタスクに適したプロセッサを使用することで、デバイスを可能な限り低い消費電力で動作させることができます。
アプリケーションプロセッサはARM® Cortex®-M3で、SimpleLink超低消費電力プラットフォームのメインプロセッサとして機能します。センサベースのシステムをインテリジェントに管理できるスタンドアロンMCUとして必要な性能を提供します。Cortex-M3は、アプリケーションと高レベルのスタック処理を行うのに十分な処理能力を提供し、エネルギー効率に優れています。
無線機用プロセッサはCortex-M0を統合したもので、システムのすべての低レベル無線タスクの管理に特化しています。これによりメインCPUは、タイミングが重要なタスクから解放されます。
3番目のプロセッサは、高速で効率的なセンサモニタリング専用の超低消費電力統合MCUです。このセンサコントローラは、データのサンプリングとシンプルなセンサ判定に必要な適切なレベルの処理を提供するように設計されています。さらに、メモリは限られており余計なペリフェラルを備えていません。センサ出力を定期的にポーリングし、閾値を超えたイベントが発生したかどうかを判断するようなタスクに対して非常に電力効率が高く、不要なときにメインCPUを無駄に起動することがありません。
TIは、ワイヤレス無線機の動作とインターフェースに必要なソフトウェアを提供することで、SimpleLinkワイヤレスMCUを使用した設計を簡素化しました。これにより、開発者が多くの設定やチューニングを行うことなく、適切なSimpleLinkデバイスをドロップインするだけで、無線機の使用をすぐに開始できる程度にまで無線機の設計が簡素化されます。このため、無線機コントローラは、最も効率的な無線機動作を実現するように最適化された量産コードで提供されます。
エネルギー効率の高いセンシング
センサコントローラは、特定のアプリケーションに基づいてセンサを監視し、判断し、アクションを実行する必要があるため、開発者はその動作を設定できなければなりません。TIは、ユーザーがセンサコントローラを設定できるソフトウェア開発ツールのセンサコントローラスタジオを提供しています。このツールは、生成されたセンサコントローラのマシンコードと関連定義を組み込んだセンサコントローラインターフェースドライバを出力します。コードを記述することなく、一般的なタスクを実行するようにセンサコントローラを構成することが可能です。一方、カスタムコードが必要なアプリケーションでは、C言語のようなスクリプト言語によってサポートされます。センサコントローラスタジオは、センサコントローラをテストやデバッグ機能に使用することで、開発をスピードアップします。これにより、センサデータのライブ可視化とアルゴリズムの検証が可能になります。.
センサコントローラのもう1つの重要な利点は、メインCPUと統合されていることです。従来、追加のセンサコントローラは、メインのアプリケーションプロセッサの負荷を軽減するために、2つ目のあまり性能の高くないMCUを使用して実装されていました。これにより、消費電力の低いセンサコントローラがセンサを監視、管理している間、アプリケーションプロセッサをスリープモードのままにすることができ、消費電力を削減することができます。一方、2つ目のMCUはアプリケーションプロセッサの外部にあるため、開発者はプロセッサ間の通信を設計、管理し、コントローラがアプリケーションプロセッサをウェイクアップできるように割り込み機能を実装する必要があります。
SimpleLinkプラットフォームでは、センサコントローラが実装されているため、設計が複雑になるというデメリットを負うことなく、電力効率というメリットをすべて得ることができます。センサコントローラ、ワイヤレスMCU、およびアプリケーションプロセッサが同じシリコン上に統合されているため、ハードウェアとソフトウェアの設計が大幅に簡素化されます。
SimpleLinkプラットフォームは、プログラムが容易で、PHYやスタックの統合に伴う課題を回避できるワイヤレスMCUを提供します。アプリケーションコードは、多くの設計者がすでに慣れ親しんでいる標準的なMCUであるARM Cortex-M3で実行されます。TIは、各無線技術用のAPIを提供することで、開発者の学習時間を最小限に抑えています。信頼性や性能を損なうことなく、RFやアンテナ設計も簡素化されています。堅牢なセキュリティが組み込まれており、プロトコルスタックは量産に対応しています。
SimpleLinkを使った設計
SimpleLinkデバイスで設計するために、開発者はCode Composer Studio™統合開発環境（IDE）やIAR Embedded Workbenchのようなフル機能の設計環境から選択することができます。
評価キットは、設計の立ち上げに利用できます。その中でもSimpleLink CC26500開発キットには、2つのCC2650評価モジュールと2つのSmartRF06マザーボードが含まれており、ソフトウェア開発と無線性能テストの実行をサポートするように設計されています。CC2650は複数の2.4GHz無線規格をサポートできるため、このプラットフォームはCC2640 Bluetooth SmartおよびCC2630 ZigBee®/6LoWPANワイヤレスMCUのアプリケーション開発にも使用できます。キットのマイクロコントローラは、レンジテスト用のソフトウェアであらかじめプログラムされています。デバイスドライバと電源管理を統合したTI-RTOS上に構築されたBluetooth Low Energyおよび ZigBeeスタックも含まれています。
CC2650ワイヤレスMCUは、TIの SensorTag IoTキットの中核でもあります。SensorTagは、クラウドに接続する準備ができており、プログラミングの経験がなくても使い始めることができます。光、湿度および圧力センサ、デジタルマイク、磁気センサ、加速度計、ジャイロスコープ、地磁気センサ、物体温度センサ、および周囲温度センサを含む10個のセンサと、組み込みのiBeacon技術を内蔵しています。関連モバイルアプリにより、ユーザーは起動時にセンサの測定値を瞬時に確認し、SensorTagデータと物理的位置に基づいてコンテンツをカスタマイズすることができます。
結論
TIのSimpleLink超低消費電力ワイヤレスMCUプラットフォームは、スマートワイヤレスデバイスの開発を簡素化し、設計サイクルの後期段階でも、必要に応じて異なる無線規格に変更できる柔軟性を開発チームに提供します。これにより、プロジェクトの開始を早め、最終決定を引き延ばすことができるため、OEMは最適化された製品を適切なタイミングで市場に投入することができます。エネルギーに配慮したマルチプロセッサアーキテクチャは、開発者が多くのインテリジェントセンシングアプリケーションの厳しい消費電力と性能要件をより容易に満たすのに役立ちます。
