Questo articolo della rubrica Firmware Reload introduce la famiglia EM35x di Silicon Labs, ideata per realizzare soluzioni ZigBee a singolo chip.
LA FAMIGLIA EM35X
La famiglia EM35x di chip ZigBee prodotta da Silicon Labs è composta dai prodotti EM351 e EM357, entrambi sono SoC basati su core ARM Cortex-M3, con pochi rivali in termini di performance, consumo energetico e compattezza del codice di esecuzione. Questa famiglia combina un ricetrasmettitore radio IEEE 802.15.4 a 2.4 GHz con un microcontrollore a 32 bit dotato di memoria RAM e memoria flash integrata. Un ulteriore vantaggio su questi prodotti è la possibilità di utilizzare tutto l’ampio ecosistema ARM il che si traduce in una semplificazione dello sviluppo ed un’accelerazione del time to market per il prodotto. La famiglia EM35x è profondamente integrata con EmberZNet PRO, il software di networking ZigBee-compliant, sviluppato da Silicon Labs e diffusissimo sul mercato.
Il chip EM351 integra: un processore ARM Cortex-M3 programmabile, un transceiver radio RF IEEE 802.15.4, 128 kb di flash e 12 kb di RAM e, come detto, il protocollo di rete EmberZNet PRO network protocol che supporta le caratteristiche dello ZigBee PRO Feature Set. Il chip EM357 è invece ottimizzato per applicazioni che richiedono più memoria, in particolare ha 192 kb di flash, e ha tutte le caratteristiche già elencate per l’EM351. In Figura 1 è possibile osservare lo schema a blocchi per i prodotti EM35x, mentre la tabella di Figura 2 riassume le caratteristiche elettriche salienti per i prodotti.
Figura 1: Diagramma a blocchi funzionali
In Figura 3 è possibile osservare il pin out del dispositivo che non cambia tra EM351 e EM357. Il contenitore è un piccolissimo QFN a 48 pin che misura solo 7 x 7 mm. Se parliamo di caratteristiche, la famiglia EM35x è tra le più performanti del mercato con un “total link budget” di 110 dB e un livello di integrazione elevatissimo che richiede pochissimi componenti esterni al chip. L’elevata potenza di trasmissione virtualmente elimina la necessità di avere un amplificatore di potenza esterno, se invece risultasse necessario il modulo di front end permette una connessione agevole.
Figura 2: Pin out per la famiglia EM35x
Per quel che riguarda il consumo di potenza la famiglia EM35x offre il livello di sleep current più basso del mercato per applicazioni ZigBee. Gli sviluppatori possono approfittare dei vantaggi della libreria EmberZNet PRO networking per avere cicli di risveglio brevissimi, anche se il clock integrato è già ottimizzato per fare dei cicli di risveglio ottimizzati per risparmiare potenza. La famiglia EM35x ha anche un regolatore di tensione integrato che supporta un esteso intervallo di tensioni di alimentazione, consentendo all’hardware di essere ottimizzato per funzionare anche alimentato da una batteria Li-Ion o alcalina senza circuiteria supplementare. I SoC ZigBee EM351 e EM357 sono tra i più apprezzati sul mercato per la loro robustezza e immunità, che li rende tranquillamente utilizzabili in un ambiente dove sono presenti altri dispositivi a 2,4 GHz.
Figura 3: Caratteristiche salienti per la famiglia EM35x
I VANTAGGI DELLA FAMIGLIA EM35X
Indipendentemente dalle caratteristiche elettriche, utilizzare i chip della famiglia EM35x presenta alcuni vantaggi da non sottovalutare. Il primo è sicuramente quello di appoggiarsi su un core ARM Cortex-M3 a 32 bit integrato nel dispositivo. La compattezza del codice ottenibile con questo tipo di core è ormai cosa risaputa, così come le performance che è in grado di garantire sia a livello di istruzioni al secondo sia in termini di consumo di potenza. La latenza all’interrupt per i processori ARM è davvero ridotta, senza considerare i vantaggi di avere un ecosistema di tool di sviluppo compatibili estremamente ampio.
Il secondo vantaggio della famiglia EM35x è, come detto in precedenza, la possibilità di integrare EmberZNet PRO software protocol di Silicon Labs, il più utilizzato e testato sul campo per dispositivi ZigBee. Questo stack supporta le funzionalità ZigBee Pro e integra moltissime particolarità e innovazioni che Silicon Labs ha studiato per i propri prodotti. L’ambiente di sviluppo “Ember” è supportato da moltissimi IDE di terze parti, risultando la migliore scelta per costruire ed eseguire il debug delle applicazioni ZigBee embedded. Lo strumento Ember Desktop Network Analyzer è stato sviluppato per sviluppare, compilare, caricare e testare software su più nodi in un ambiente di rete Zigbee. L’integrazione con i tool ARM, l’ARM serial wire e la JTAG permette il debugging in maniera estremamente avanzata. L’EM351 e EM357 supportano delle speciali capacità di debug hardware per le reti ZigBee, aiutando l’identificazione in reti complesse, cosa non praticabile se si esamina un singolo nodo.
APPLICAZIONE TIPICA
Per familiarizzare subito con la famiglia EM35x, diamo uno sguardo a quella che potrebbe essere una tipica applicazione. In Figura 4 possiamo vedere uno schema elettrico di massima per nodo ZigBee realizzato con EM35x. Il balun di adattamento realizza una trasformazione di impedenza per l’antenna collegata all'EM35x, sia in trasmissione che in ricezione. L1 serve per regolare l’impedenza presentata alla porta RF, per ottenere la massima potenza in trasmissione e la massima sensibilità in ricezione.
Figura 4: Tipico circuito applicativo per EM35x
I filtri armonici (L2, L3, C5, C6 e C9) servono come soppressori aggiuntivi della seconda armonica, per aumentare il margine oltre il limite dell’FCC. Y1 è un cristallo a 24 MHz (accanto si vedono le relative capacità) che risulta necessario per fornire l’elevata frequenza di oscillazione richiesta dal clock dell’EM350x. Il cristallo a 32,768 kHz con le sue capacità serve, invece, a generare una bassa frequenza di oscillazione molto accurata utilizzata con le periferiche dell’EM350x. In linea di massima quest’ultima non è necessaria e si può utilizzare l’oscillatore RC interno al dispositivo.
La capacità di carico e l’ESR (C1 e R3) servono a stabilizzare il regolatore da 1,8 V interno. La capacità di carico C2 stabilizza il regolatore da 1,25 V, in questo caso la resistenza non serve perché già inclusa nel chip. La resistenza R1 serve a limitare la tensione operativa verso la memoria flash, questo riduce i consumi e incrementa la sensibilità di 1 dB rispetto al non utilizzo. Diverse capacità di disaccoppiamento sono richieste, al solito vanno collocate il più vicino possibile ai loro relativi pin, fare riferimento al documento di riferimento progettuale per EM35x. L’adattamento di impedenza a 50 ohm è necessario per un buon accoppiamento con l’antenna. Nella tabella di Figura 5 c’è un dimensionamento di massima dei componenti che può essere utile a stimare la BOM per un nodo ZigBee con EM35x.
Figura 5: Lista dei componenti
SVILUPPARE CON EM35X
Per iniziare a lavorare e sviluppare con la famiglia EM35x, Silicon Labs mette a disposizione un kit dedicato: EM35x Series Development Kit (Figura 6).
Figura 6: EM35x Series Development Kit
Il cuore del kit sono le tre EM35x Breakout Board con installato il relativo modulo EM35x (vedi Figura 7).
Figura 7: EM35x Breakout Board con il modulo EM35x installato
Sulla scheda di sviluppo sono disponibili una serie di componenti utili allo scopo, come una porta seriale, un connettore per collegare una porta SPI, un cicalino, due pulsanti, due led e un sensore di temperatura. Come visibile in Figura 7, sulla scheda è disponibile anche una zona per la prototipazione dove poter inserire hardware specifico. Nel kit sono compresi anche tre Debug Adapter per sviluppare ed eseguire il debug con le Breakout Board. Utilizzando la Guida Utente compresa nel kit si può rapidamente arrivare a sviluppare con la famiglia EM350x.
