Les mi­cro­con­trô­leurs à fron­tal RF

L’avè­ne­ment de pro­to­coles de com­mu­ni­ca­tion sans fil ro­bustes et in­té­grables en Cmos a per­mis aux fa­bri­cants de mi­cro­con­trô­leurs de mul­ti­plier les mo­dèles do­tés d’un fron­tal ra­dio­fré­quences, consti­tuant des so­lu­tions mo­no­puces qui ré­pondent par exemple aux

Electronique S - - Sommaire - FRÉDÉRIC RÉ­MOND

Ini­tia­le­ment ré­ser­vées aux liai­sons té­lé­coms et aux ap­pa­reils in­for­ma­tiques connec­tés en Wi-Fi, les liai­sons sans fil se sont consi­dé­ra­ble­ment dé­mo­cra­ti­sées au cours des der­nières an­nées. De nom­breux ap­pa­reils grand pu­blic ou do­mo­tiques se sont do­tés de liai­sons pro­prié­taires ou stan­dar­di­sées, qu’il s’agisse de casques au­dio re­liés à une base en Blue­tooth, d’alarmes sans fil ré­par­ties dans la mai- son en Zigbee ou en­core d’ap­pa­reils de sur­veillance uti­li­sés dans l’in­dus­trie. Cette gé­né­ra­li­sa­tion des liai­sons sans fil pro­cède de la conjonc­tion de plu­sieurs fac­teurs. C’est tout d’abord l’évo­lu­tion des normes sans fil elles-mêmes qui a per­mis cette ex­pan­sion: ces stan­dards ont ap­pris à étendre leur por­tée et/ou leur dé­bit de don­nées et leur ré­ac­ti­vi­té, tout en co­ha­bi­tant de ma­nière sa­tis­fai­sante alors qu’ils par­tagent par­fois des bandes de fré­quence voi­sines, qu’il s’agisse de l i ai­sons f onc­tion­nant sous la barre du gi­ga­hertz ( 315/ 433/ 868/ 915 MHz) ou de liai­sons à 2,4GHz (Blue­tooth, Zigbee, etc.). De leur cô­té, les fa­bri­cants de se­mi-conduc­teurs ont su ré­duire le coût de ces liai­sons en in­té­grant des fron­taux d’émis­sion-ré­cep­tion RF sur des tech­no­lo­gies de pro­duc­tion Cmos éco­no­miques. Le re­cours à ces tech­no­lo­gies Cmos a en­suite per­mis de construire des cir­cuits in­té­grant à la fois un coeur de mi­cro­con­trô­leur uti­li­sable pour l’ap­pli­ca­tion, de la mé­moire (flash et Ram) et un fron­tal RF, consti­tuant qua­si­ment un sys­tème sur une puce. Cette offre est dé­sor­mais consé­quente et im­plique la ma­jeure par­tie des fa­bri­cants de mi­cro­con­trô­leurs tra­di­tion­nels. Les dé­ve­lop­peurs de sys­tèmes de com­mu­ni­ca­tion re­la­ti­ve­ment simples y trou­ve­ront leur bon­heur du cô­té des mi­cro­con­trô­leurs à émet­teur­ré­cep­teur fonc­tion­nant sous le gi­ga­hertz : consom­ma­tion ré­duite, in­ter­fé­rences faibles, por­tée su­pé­rieure et sim­pli­ci­té de dé­ve­lop­pe­ment de pro­to­coles pro­prié­taires as­surent tou­jours un grand suc­cès à ces bandes de fré­quences (prin­ci­pa­le­ment 433 et 868 MHz en Eu­rope, 315/433/915 MHz en Amé­rique du Nord et 315/426/950 MHz au Ja­pon). Dès lors que les dé­bits de don­nées aug­mentent, les concep­teurs se tour­ne­ront da­van­tage vers les nom­breux pro­to­coles ex­ploi­tant la bande des 2,4GHz (Blue­tooth et ses dé­cli­nai­sons à basse consom­ma­tion, ZigBee, Wi-Fi, Th­read…), une bande qui pré­sente en outre l’avan­tage d’être ré­gle­men­tée au ni­veau mon­dial, et qui uti­lise des an­tennes mi­nia­tures.

Cou­vrir toutes les bandes de fré­quence

Pour être pré­sents sur tous l es fronts, l es fa­bri­cants s’at­tachent au­jourd’hui à cou­vrir toutes les bandes de fré­quences et à sim­pli­fier la mise en oeuvre de ces cir­cuits, qu’ils com­mer­cia­lisent sou­vent au­près d’uti­li­sa­teurs rom­pus à l a pro­gram­ma­tion des mi­cro­con­trô­leurs, mais peu au fait des tech­niques ra­dio­fré­quences. Texas Ins­tru­ments vient ain­si de lan­cer une pla­te­forme uni­fiée de mi­cro­con­trô­leurs à fron­tal RF bap­ti­sée Sim­pleLink. Cette gamme re­prend les fa­milles de mi­cro­con­trô­leurs à coeur Cor­tex CC1310 (fron­tal fonc­tion­nant sous la barre du gi­ga­hertz), CC2640R2F et CC2640R2F-Q1 (Blue­tooth Low Ener­gy), CC1350 (double bande Blue­tooth et sub-1GHz) et CC3220/CC3120 (Wi-Fi), ain­si que les mi­cro­con­trô­leurs hôtes MSP432. Tous ces cir­cuits s’ins­crivent dé­sor­mais dans un en­vi­ron­ne­ment de concep­tion unique. Le SDK Sim­pleLink com­prend des pi­lotes sous forme d’API stan­dar­di­sées por­tables dans la plu­part des sys­tèmes d’ex­ploi­ta­tion du mar­ché, une chaîne d’ou­tils uni­fiée (kits de dé­ve­lop­pe­ment Laun­chPad, ou­tils cloud in­cluant une ver­sion en ligne de Code Com­po­ser Stu-

dio, do­cu­men­ta­tion et for­ma­tion réunies dans la Sim­pleLink Aca­de­my, etc.) et des piles de pro­to­coles in­té­grées pour les stan­dards Blue­tooth, Wi-Fi, ISM, RS485 et, bien­tôt, Zig

bee, Th­read et Ether­net. « En uni­fiant leur en­vi­ron­ne­ment de concep­tion, nous per­met­tons aux uti­li­sa­teurs de nos mi­cro­con­trô­leurs Sim­pleLink de faire mi­grer leurs ap­pli­ca­tions d’un cir­cuit à l’autre, i.e. d’un pro­to­cole RF à l’autre, de ma­nière qua­si-trans­pa­rente », ex­pli­quait lors du der­nier sa­lon Em­bed­ded World Pu­nya Pra­kash, res­pon­sable de cette ligne de cir­cuits chez Texas Ins­tru­ments.

Les pro­to­coles stan­dar­di­sés en ve­dette

Autre ac­teur de pre­mier plan sur le mar­ché des mi­cro­con­trô­leurs à fron­tal RF, Si­li­con Labs a ré­cem­ment éten­du sa gamme Wi­re­less Ge­cko en pré­sen­tant les EFR32xG12. Ces mi­cro­con­trô­leurs Cor­tex-M4 bé­né­fi­cient de plu­sieurs amé­lio­ra­tions, te­nant prin­ci­pa­le­ment à leur ca­pa­ci­té à com­mu­ter entre dif­fé­rents pro­to­coles ra­dio­fré­quences. « Beau­coup de nos clients passent de pro­to­coles pro­prié­taires à des liai­sons Blue­tooth, Zigbee et/ou Th­read et testent les dif­fé­rents cas de fi­gure per­met­tant de pas­ser de l’un à l’autre », pré­cise Skip Ash­ton, vice-pré­sident char­gé de l’in­gé­nie­rie et du lo­gi­ciel chez Si­li­con Labs. La liai­son Blue­tooth peut par exemple n’être uti­li­sée que très ponc­tuel­le­ment, lorsque l’uti­li­sa­teur in­ter­agit avec l’ap­pa­reil pour le mettre à jour. Se­lon les ap­pli­ca­tions, les dif­fé­rents pro­to­coles de com­mu­ni­ca­tion peuvent être si­mul­ta­nés (avec alors plu­sieurs fron­taux RF fonc­tion­nant en pa­ral­lèle), ou al­ter­nés de ma­nière pro­gram­mée (pour per­mettre une ini­tia­li­sa­tion par l’uti­li­sa­teur, par exemple), com­mu­tée (l’ap­pli­ca­tion chan­geant de pro­to­cole via un re­boo­tage, ce qui im­plique des dé­lais en se­condes) ou dy­na­mique (l’ap­pli­ca­tion est « dé­cou­pée » tem­po­rel­le­ment pour com­mu­ter d’un pro­to­cole à l’autre). Ces ap­proches mul­ti­pro­to­coles al­ter­nées sont prises en charge par les Wi­re­less Ge­cko G12, qui dis­posent à la fois d’un étage ra­dio Sub-1GHz et d’un fron­tal 2,4 GHz gé­rant les pro­to­coles Th­read, Zigbee et Blue­tooth 5 avec une ges­tion de couche phy­sique PHY jus­qu’à 2Mbit/s. Pour pou­voir ma­ni­pu­ler tous ces pro­to­coles gour­mands en res­sources et aus­si ou­vrir la pos­si­bi­li­té d’une mise à jour dy­na­mique de ces mi­cro­con­trô­leurs, Si­li­con Labs a dû aug­men­ter leur ca­pa­ci­té mé­moire: celle-ci culmine dé­sor­mais à

1Mo de flash et 256Ko de Ram. D’autres amé­lio­ra­tions ont été ap­por­tées à la consom­ma­tion (ré­duc­tion de 40 % en mode veille), aux blocs pé­ri­phé­riques (da­van­tage de tem­po­ri­sa­teurs, d’in­ter­faces USART et I²C…) et à la sen­si­bi­li­té en ré­cep­tion (+ 3dB). Dis­po­nibles en vo­lume, les EFR32xG12 sont com­mer­cia­li­sés à par­tir de moins de 3 $ pièce en grandes quan­ti­tés. Ils viennent com­plé­ter un por­te­feuille dé­jà consé­quent de mi­cro­con­trô­leurs 32 bits à basse consom­ma­tion des ver­sions équi­pées d’un fron­tal d’émis­sion-ré­cep­tion RF 2,4 GHz et ré­par­ties en trois gammes: les Blue Ge­cko, op­ti­mi­sées pour le stan­dard Blue­tooth Smart 4.2 (1Mbit/s max.); les Migh­ty Ge­cko, orien­tées ZigBee et Th­read (802.15.4) jus­qu’à 250 kbit/s ; et les Flex Ge­cko sup­por­tant des pro­to­coles sans fil pro­prié­taires et bé­né­fi­ciant du nou­veau lo­gi­ciel RAIL ( Ra­dio Abs­trac­tion and In­ter­face Layer) qui fa­ci­lite le dé­ve­lop­pe­ment de liai­sons sans fil pro­prié­taires pour des ap­pli­ca­tions telles que les comp­teurs d’éner­gie, la lo­gis­tique, la do­mo­tique ou les au­to­ma­tismes in­dus­triels. Toutes ba­sées sur un coeur Cor­tex-M4 à 40MHz agré­men­té d’une uni­té de cal­cul en vir­gule flot­tante, elles em­barquent éga­le­ment jus­qu’à 256 Ko de mé­moire flash et 32Ko de Ram, et consomment 63 μA/MHz en mode ac­tif. Cô­té RF, la pré­sence d’un am­pli­fi­ca­teur de puis­sance pro­gram­mable et d’un ba­lun per­mettent de faire va­rier la puis­sance de sor­tie de - 30 dBm à + 19,5 dBm. Un bloc de cryp­tage sup­por­tant des al­go­rithmes tels que AES 128/256 bits, ECC, SHA-1 et SHA-224/256, as­sure la confi­den­tia­li­té des échanges de don­nées. Des piles de pro­to­coles pré-cer­ti­fiées sont dis­po­nibles au­près de Si­li­con Labs. En­cap­su­lés en boî­tiers WLCSP (3,3x3,2mm), QFN32 (5x5mm) ou QFN48 (7x7mm), ces com­po­sants sont ven­dus à par­tir de 0,99$ pour 100000 pièces pour les Blue Ge­cko.

Gé­rer plu­sieurs pro­to­coles en pa­ral­lèle

Chez NXP, dont l’offre en ma­tière de mi­cro­con­trô­leurs à fron­tal RF pro­vient es­sen­tiel­le­ment de l’hé­ri­tage Frees­cale, la gamme dé­marre avec le KW01, un cir­cuit qui s’ar­ti­cule au­tour d’un coeur 32 bits Cor­tex-M0+ ca­den­cé jus­qu’à 48 MHz et em­barque pas moins de 128Ko de mé­moire flash et 16 Ko de Ram. Il convient aux ré­seaux de cap­teurs ou à la ges­tion lo­gis­tique, mais peut en outre faire tour­ner les lo­gi­ciels com­plexes d’un comp­teur d’éner­gie in­tel­li­gent. Gé­rant toutes les fré­quences de 290 à 1 020 MHz, son fron­tal ra­dio­fré­quences sup­porte les mo­du­la­tions GFSK, MSK, GMSK et OOK jus­qu’à 600kbit/s dans des pro­to­coles plus ou moins com­plexes (IEEE 802.15.4e/g, 6LoWPAN, WMBUS, KNX ou ECHONET). En fonc­tion­ne­ment ty­pique, le cir­cuit consomme 40 μA/MHz et des­cend à 1,7 μA en veille (avec un temps de ré­veil de 4,3 μs) et à moins de 100 nA à l’ar­rêt (avec ré­ten­tion de la confi­gu­ra­tion ra­dio). Fi­gurent éga­le­ment au pro­gramme un conver­tis­seur ana­lo­gi­que­nu­mé­rique 16 bits, un conver­tis­seur nu­mé­rique-ana­lo­gique 12 bits et une in­ter­face tac­tile. À l’autre ex­tré­mi­té de la gamme de mi­cro­con­trô­leurs RF de NXP fi­gure le KW41Z, un cir­cuit à coeur Cor­tex-M0+ qui em­barque suf­fi­sam­ment de mé­moire (jus­qu’à 512Ko de flash et 128 Ko de Sram) pour faire tour­ner si­mul­ta­né­ment les pro­to­coles Blue­tooth Low Ener­gy 4.2 et Th­read ain­si que l’ap­pli­ca­tion ré­si­dente. Il se­ra ty­pi­que­ment uti­li­sé dans les sys­tèmes où de nom­breux ob­jets sont connec­tés en ré­seaux via Th­read, mais avec des pos­si­bi­li­tés de liai­son point-à-point en Blue­tooth. Comme bon nombre des com­po­sants pré­sents dans ce guide d’achat, le KW41Z em­barque de quoi sé­cu­ri­ser les com­mu­ni­ca­tions sans fil, à sa­voir un ac­cé­lé­ra­teur AES-128 et un gé­né­ra­teur de nombres aléatoires ; il est éga­le­ment ac­com­pa­gné d’un en­semble lo­gi­ciel com­plet in­cluant des piles de pro­to­coles, ici Blue­tooth et Th­read, pré-cer­ti­fiées. En­fin, dans cette liste non ex­haus­tive, on si­gna­le­ra – sans sur­prise quand on connaît l’ex­per­tise des scan- di­naves en ra­dio­fré­quences pour d’évi­dentes rai­sons géo­gra­phiques – la pré­sence de Nor­dic Se­mi­con­duc­tor. Le nor­vé­gien pos­sède un large ca­ta­logue de cir­cuits d’émis­sion-ré­cep­tion RF à basse consom­ma­tion, mais aus­si de cir­cuits in­té­grant ces fron­taux ra­dio­fré­quences avec un coeur 8 bits ou, plus ré­cem­ment, Cor­tex-M0 ou Cor­tex-M4F.

< Les mi­cro­con­trô­leurs à fron­tal RF nRF5 du nor­vé­gien Nor­dic Se­mi­con­duc­tor sont op­ti­mi­sés pour les ap­pli­ca­tions à faible consom­ma­tion.

≥ Le mi­cro­con­trô­leur KW41Z de NXP à coeur Cor­tex- M0+ em­barque suf­fi­sam­ment de mé­moire ( jus­qu’à 512Ko de flash et 128Ko de Sram) pour faire tour­ner si­mul­ta­né­ment les pro­to­coles Blue­tooth Low Ener­gy 4.2 et Th­read, ain­si que l’ap­pli­ca­tion ré­si­dente.

< Les Wi­re­less Ge­cko G12 de Si­li­con Labs dis­posent à la fois d’un étage ra­dio Sub- 1GHz et d’un fron­tal 2,4GHz gé­rant les pro­to­coles Th­read, Zigbee et Blue­tooth 5 avec une ges­tion de couche phy­sique PHY jus­qu’à 2Mbit/ s.

≥ Les mi­cro­con­trô­leurs ApP Lite TZ1000 de To­shi­ba em­barquent un coeur Cor­tex- M4F, un émet­teur- ré­cep­teur Blue­tooth LE et, se­lon les mo­dèles, des cap­teurs d’ac­cé­lé­ra­tion, de ro­ta­tion et/ ou de champ ma­gné­tique.

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