Soluzioni alle sfide della progettazione in RF con moduli wireless certificati


WirelessTI-420x300 Soluzioni alle sfide della progettazione in RF con moduli wireless certificati

Sotto ogni punto di vista, l’Internet of Things (IoT) non è più solo un’idea astratta, ma un insieme di tecnologie in rapida crescita che costringono i fornitori ad agire più velocemente che mai.

Nel 2016, la società di ricerche di mercato MarketsAndMarkets ha stimato che il mercato della tecnologia IoT nel 2015 era valutato 130 miliardi di dollari. Lo studio ha previsto anche un tasso di crescita annuale composto del 32,4% fra il 2016 e il 2022, che porterà ad una crescita del mercato fino a 883,55 miliardi di dollari. Un altro studio di Gartner aveva previsto che 5,5 milioni di nuovi dispositivi IoT sarebbero andati online ogni giorno nel 2016, raggiungendo i 20,8 miliardi entro il 2020.

Questa crescita è dovuta all’incredibile valore che la connettività aggiunge alle più svariate tipologie di applicazioni e mercati verticali: ad esempio, l’automazione degli edifici, le smart grid, l’automazione industriale, l’automotive, i dispositivi indossabili e l’elettronica domestica. E, naturalmente, i protocolli di connettività wireless come Wi‑Fi, Bluetooth, Sub‑1 GHz e ZigBee sono più appetibili rispetto alle soluzioni a rete cablata, grazie alla loro flessibilità e alla facilità di integrazione nel cloud.

La sfida che gli sviluppatori di sistemi si trovano ora ad affrontare è realizzare un collegamento efficiente fra le loro applicazioni e Internet, massimizzando al contempo le entrate e riducendo i rischi di investimento. Lo scopo di questo white paper è spiegare dettagliatamente in che modo i moduli di connettività wireless, ossia piccoli dispositivi plug-in che dispongono di tutti i componenti e protocolli software necessari per fornire un front-end o back-end di comunicazione RF chiavi in mano, stanno aiutando gli sviluppatori a commercializzare rapidamente i prodotti, riducendo al tempo stesso i costi e semplificando le problematiche di progettazione.

Introduzione

Indipendentemente dal settore o dall’applicazione, una delle considerazioni più importanti per gli sviluppatori di sistemi è l’integrazione di caratteristiche che differenziano un prodotto sul mercato. Tuttavia, molte aziende oggi non sempre dispongono di personale con un’adeguata esperienza nel campo della radiofrequenza (RF) al fine di implementare queste caratteristiche nei nuovi sistemi, trovandosi quindi in difficoltà nel progettare rapidamente i prodotti che riguardano circuiti analogici e digitali.

Per superare questo ostacolo, molti fornitori di tecnologie utilizzano ora moduli wireless certificati per affrontare molte delle problematiche insite nei complessi progetti di progettazione in RF.

Le sfide della progettazione in RF

Quale oscillatore serve? Dove deve essere instradata l’antenna per ridurre le interferenze elettromagnetiche (EMI)? Quali componenti passivi, filtri, condensatori ecc. sono più convenienti pur risultando efficaci? Quale chip di connettività wireless è il migliore per questo design?

Le innumerevoli domande a cui i progettisti RF si trovano oggi a rispondere sono complesse e variano a seconda del settore. Anche quando un tecnico esperto pensa di aver seguito le pratiche migliori, i progetti in RF possono comunque presentare problemi come EMI elevate, ridotta efficienza dell’antenna, mancata conformità alle certificazioni legislative o consumo energetico eccessivo. Quando si verifica uno di questi problemi (o altri), i tempi per la pianificazione dello sviluppo, già stretti, aumentano, richiedendo ulteriori fasi di progettazione, prototipi e test prima che il prodotto possa finalmente essere immesso sul mercato.

Un aspetto critico della certificazione è la normativa sulle emissioni EMI. Durante l’intero processo di progettazione è fondamentale che un sistema soddisfi questi requisiti per ricevere l’approvazione da parte degli enti normativi come la Federal Communications Commission (FCC) negli Stati Uniti, il marchio CE dell’Unione Europea o TELEC in Giappone. Purtroppo questo obiettivo può essere difficile da raggiungere, poiché le apparecchiature di test costano oltre $ 100.000 e l’outsourcing può costare tra $ 1.000 e $ 2.000 all’ora.

Una volta che i progettisti sono sicuri che un progetto RF supererà i test di certificazione, esso dovrà essere sottoposto ai test di un laboratorio pubblico, il quale addebiterà ulteriori costi. Il costo totale della certificazione varia in base all’applicazione, ma le stime tipiche vanno da 30.000 a 50.000 dollari e richiedono circa sei mesi.

Un altro problema che si verifica spesso durante lo sviluppo RF è il fallimento del progetto. La causa potrebbe essere un insufficiente raggio di copertura della connettività wireless, un throughput indebolito o qualsiasi altro fattore di misura che non soddisfi le specifiche del sistema. Ogni volta che viene scoperto un problema di prestazioni è necessario eseguire test approfonditi e debug per determinare la causa alla base, aggiungendo ulteriori costi e ritardando i tempi di commercializzazione.

Ovviamente è possibile accelerare la progettazione RF adottando progetti di riferimento proposti da un fornitore di tecnologia wireless, ma queste non sono soluzioni valide per tutti. Qualsiasi deviazione in termini di fattore di forma, scelta dei componenti o layout del circuito stampato potrebbe compromettere le prestazioni. Inoltre, sebbene i progetti di riferimento costituiscano un’ottima struttura iniziale, spetta allo sviluppatore implementare il tutto in modo esclusivo per conseguire un vantaggio competitivo.

La fase finale della progettazione wireless prima della produzione (e, in definitiva, dell’introduzione sul mercato) è il test di interoperabilità. Questo processo determina se il prodotto sarà effettivamente in grado di comunicare con i dispositivi wireless di altri fornitori e deve funzionare senza problemi prima di concludere un progetto. Ad esempio, un sensore abilitato per il Wi-Fi deve essere testato per verificare che funzioni con una vasta gamma di access point Wi-Fi nuovi ed esistenti.

In definitiva, i progetti in ambito RF sono soggetti a una gran varietà di rischi che potrebbero rallentare o arrestare il processo di produzione, ma i progressi della tecnologia dei semiconduttori possono aiutare a fornire una soluzione.

La soluzione: i moduli di connettività wireless certificati

Per affrontare le sfide sopra menzionate, i fornitori di semiconduttori hanno iniziato a sviluppare piccoli moduli  plug-in che dispongono di tutti i componenti e del software necessario per fornire un front-end o back-end di comunicazione RF chiavi in mano: si tratta dei cosiddetti moduli di connettività wireless.

Essenzialmente, questi moduli fungono da soluzione di connettività wireless tipo «scatola nera» e supportano una vasta gamma di standard di comunicazione, chip di interfaccia wireless, fattori di forma e livelli di prestazioni. Alcuni includono addirittura un microcontroller integrato (MCU) per eseguire il software applicativo. Quando si sviluppa il progetto di una scheda madre, gli ingegneri devono semplicemente seguire una serie di linee guida per garantire che il modulo scelto possa essere collegato come plug-in durante la produzione.

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Figura 1: Layout di un modulo CC2650MODA SimpleLink Bluetooth Low Energy

Per accelerare ulteriormente il processo di progettazione, alcuni fornitori sono in grado di consegnare questi moduli già completamente certificati dagli Enti preposti e già testati per le EMI. Inoltre, i fornitori possono anche testare le prestazioni di throughput e interoperabilità dei moduli o includere persino un’interfaccia API (Application Programming Interface) di alto livello per facilitare l’integrazione dello stack di protocolli wireless con il software operativo e applicativo del sistema. Questa certificazione e questi test possono far risparmiare migliaia di dollari e ridurre il time-to-market anche di sei mesi. Si comprende facilmente come i moduli wireless consentano alle aziende di espandere rapidamente le loro offerte di prodotti IoT e alleggerire gran parte del carico tipicamente associato ai progetti wireless. La competenza in RF non è una risorsa posseduta da molte aziende, specialmente quando lo sviluppo di caratteristiche e prodotti applicativi esclusivi è la principale priorità.

Scegliendo di lavorare con Texas Instruments (TI), gli sviluppatori possono disporre di una vasta gamma di moduli di connettività wireless (realizzati sia da TI che da società partner), tra cui Bluetooth Low Energy, Bluetooth dual-mode, Wi-Fi o una combinazione di tecnologie wireless Wi-Fi e Bluetooth, Sub-1 GHz e 6LoWPAN/ZigBee.

Moduli certificati di Texas Instruments: un’opzione di alta qualità per molte tecnologie

Per molti anni, TI ha sviluppato moduli di connettività wireless a basso consumo e ad alte prestazioni, completamente testati e certificati dagli enti pubblici più rigorosi, tra cui FCC, CE e TELEC. Essendo l’unico fornitore di moduli a supportare una così vasta gamma di tecnologie e protocolli wireless, i clienti possono essere certi del fatto che i moduli di TI semplifichino il processo di sviluppo (gli ingegneri devono controllare solamente dettagli specifici di ciascun modulo e tenere conto anche di altri enti standard del settore come Wi-Fi Alliance e Bluetooth SIG).

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Figura 2: Modulo CC2650MODA SimpleLink Bluetooth Low Energy.

Uno dei più recenti prodotti dell’azienda è un modulo Bluetooth Low Energy con antenna integrata che si interfaccia con la MCU MSP432 o con qualsiasi altro microcontroller analogo. Il modulo SimpleLink CC2650MODA, che dispone di un’antenna integrata, offre la copertura più vasta (il doppio rispetto a unità comparabili) con la potenza più bassa del settore; inoltre, come altri moduli di TI, è facile da integrare grazie a strumenti software, supporto, API e kit di sviluppo completi.

In aggiunta, TI offre una soluzione Bluetooth dual-mode (Bluetooth Classic e Bluetooth Low Energy su un unico chip), il dispositivo CC2564MODA, che include anche un’antenna integrata e si interfaccia facilmente con una vasta gamma di MCU. La maturità dello stack Bluetooth certificato da TI ne fa la soluzione Bluetooth più affidabile e stabile sul mercato, in grado di offrire prestazioni Bluetooth classiche con una maggiore portata (100 m).

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Figura 3: CC2564MODA Bluetooth dual-mode.

Per la connettività Wi-Fi integrata, i moduli CC3100MOD SimpleLink Wi-Fi e CC3200MOD sono simili alle loro controparti Bluetooth in quanto uno rappresenta un microcontroller wireless (CC3200), mentre l’altro (CC3100) è un processore di rete che può essere facilmente collegato a qualsiasi MCU. Entrambi sono i moduli Wi-Fi di minor potenza disponibili nel settore e sono certificati FCC, IC e CE. Test approfonditi nel laboratorio di ricerca e sviluppo di TI hanno verificato l’interoperabilità con oltre 200 access point Wi-Fi. Infine, i moduli CC3100 e CC3200 sono compatibili pin-to-pin l’uno con l’altro ed entrambi si collegano ad un’antenna esterna.

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Figura 4: Modulo MCU wireless SimpleLink Wi-Fi CC3200.

Se un cliente è alla ricerca di connettività Bluetooth Wi-Fi e dual-mode ad alte prestazioni su un singolo chip, la tecnologia WiLink™ 8 è un ottimo punto di partenza. Come nel caso del SimpleLink, anche tutti i moduli WL18xx sono compatibili tra loro pin-to-pin e certificati FCC, IC, CE e MIC. I moduli WL18xx sono caratterizzati da un intervallo di temperatura industriale tra -40 °C e 85 °C sia per 2,4 GHz che per 5 GHz, con caratteristiche differenziate come funzionalità Wi-Fi mesh e il meccanismo di coesistenza con la tecnologia ZigBee che li rende, ad esempio, particolarmente adatti per i gateway.

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Figura 5: Moduli di connettività combinati WiLink 8 per connettività Wi-Fi e Bluetooth/Bluetooth Low Energy.

Tempi di sviluppo più rapidi: software, kit e altro ancora

Un requisito posto da TI per i propri moduli di connettività wireless è che ciascuno di essi deve essere facilmente integrabile per i produttori. Per questo motivo, l’azienda offre una vasta gamma di strumenti, software, documentazione, progetti di riferimento e supporto online per facilitare il processo di progettazione.

A corredo dei moduli, TI propone inoltre stack di protocolli wireless certificati e senza royalty e kit di sviluppo software con API semplici, oltre alla possibilità di includere antenne integrate per una certificazione più semplice e veloce. Senza dimenticare i kit di sviluppo dell’ecosistema LaunchPad, inclusi i moduli plug-in BoosterPack, il sistema operativo in tempo reale gratuito, mentre l’ambiente di sviluppo integrato basato su cloud offre un’ulteriore opportunità per avviare subito il processo di progettazione.

Per ottenere ulteriori risorse, gli utenti possono trovare una vasta gamma di documenti tecnici (come note applicative e white paper) su www.ti.com, oltre al supporto 24 ore su 24 ogni giorno della settimana da parte della Comunità E2E™ di TI. Inoltre, gli interessati al supporto autoguidato possono visitare il Portale di formazione TI per esperienze interattive e pratiche con i dispositivi wireless di TI, come il Tutorial della SimpleLink Academy.

Un fornitore affidabile e una supply chain globale

Con una vasta esperienza nella fornitura di milioni di moduli wireless, TI propone processi di produzione di alta qualità per i suoi moduli di connettività wireless. I produttori di apparecchiature si affidano alla capacità di produzione di TI come se fossero un’estensione della propria. La continuità di fornitura e la disponibilità a livello globale garantiscono tranquillità ai produttori durante le fasi di progettazione e produzione. Un altro vantaggio chiave offerto dal lavoro con i moduli certificati di TI è la facilità del percorso di migrazione dalla progettazione del modulo alla progettazione chip-on-board per una futura ulteriore riduzione dei costi del sistema.

Requisiti speciali? I moduli di terze parti potrebbero essere la risposta

Per offrire un più ampio ecosistema di moduli, TI collabora con partner terzi che ne ampliano l’offerta. Questi moduli di terze parti sono dotati di dispositivi wireless e tecnologie correlate di TI, ma includono funzionalità aggiuntive che ampliano le soluzioni preconfezionate di TI (opzioni di package speciali, progetti con antenna, opzioni software middleware ecc.). Sebbene i moduli di terze parti non siano interamente costituiti da componenti di TI, Texas Inatruments supporta comunque tali prodotti con la propria gamma di strumenti di sviluppo.

Le informazioni più aggiornate sulle proposte di moduli di connettività wireless di TI sono disponibili sul sito www.ti.com/wirelessmodules

A cura di Olivier Monnier,  Marketing director Texas Instruments & Eling Simensen, Product Marketing Engineer Texas Instruments.

 

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