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2014年1月23日付、電波新聞 ハイテクノロジー


はじめに

スマートフォンやタブレット端末との連携により利便性が向上するアプリケーション(例えば時計や、ヘルスケア/フィットネス機器など)へのBluetooth® LE(Low Energy)の適応が加速している。これらは、コイン電池駆動の機器が多く、バッテリ寿命の長期化やさらなる高機能化のために、低消費電力化の要求が強くなっている。
さらに、Bluetooth® LEは今まで無線化の経験の無いユーザも身近なスマートフォンなどで接続ができることから、様々な商品へ導入に向けた動きが活発化してきた。その反面、Bluetooth® LEをはじめ無線システムを利用するためには、特定の試験サイトで規格の適合確認や各国で定められている電波認証が必須となる。
このため、一からシステム構築を検討する場合は、無線やプロトコルの十分な知識が必要となり、商品化直前で足踏みしてしまうケースが想定される。

このような状況の中、ラピスセミコンダクタでは業界トップクラスの低消費電流(送信時9.8mA、受信時8.9mA、2秒間欠動作時の平均電流8μA)を実現したBluetooth® LE対応LSI(ML7105-00x)を開発した。また、手間のかかるBluetooth SIG認証や国内外の電波認証を取得済みで提供するモジュールも開発中である。
今回は、本LSIとモジュール、さらにシステム構築に必要なサンプルソフトウェア、プロファイルの準備状況について説明する。

Bluetooth® LE LSI

最初にBluetooth® LE LSI(ML7105-00x)の内部構成について説明する。【 図1 】

【 図1 】Bluetooth® LE LSI(ML7105-00x)の内部構成

本LSIで搭載した回路ブロックは無線部(RF)、変復調部(MODEM)、Bluetooth® LEコントローラ部、ローパワーロジック部、電源部(Main Reg. / Low Power Reg.)、発振回路部(26MHz/32kHz)、ホストインタフェース部(UART、I2C、SPI、GPIO)で構成されている。主な機能として、無線部は2.4GHzの送信回路および受信回路を備えており、送信系は変復調部(変調器)から入力された変調信号をD/Aコンバータにてアナログに変換し、ローカルPLLによって2.4GHz帯の信号に重畳する。

その後、パワーアンプによって十分な電力まで増幅してアンテナから電波として放射する。受信系はアンテナで捉えられたさまざまな強度の受信信号を入力して、ローノイズアンプで微小信号を増幅する。
次段のミキサにおいては2.4GHz帯の周波数から数MHz程度の中間周波数に変換し、バンドパスフィルタに入力して所望のチャネルの信号のみ選択する。さらにリミッタにて信号を増幅し、変復調部(復調器)へ受け渡す。
これら無線部の特長としてはPLL直接変調方式を採用して各回路ブロック全体での最適化を行うことにより、ピーク電流の低消費電流化(10mA以下)を図っている。次にコントローラ部にてBluetooth® LEパケットのコーディング、デコーディング処理を行い、リンク処理部(LL)とプロトコルスタック(GATT/ATT/SMP/GAP/L2CAP)にて、デバイスの発見と発見したデバイスとの接続および双方向通信を提供する。
また、ローパワーロジック部との連動により、電源遮断時にリーク電流を抑止する回路を新規開発して省電力化を図ると共に、Bluetooth® LEのプロトコル処理のファームウェアを最適化し、パケット送受信データのハンドリング時間を短くすることで、動作時消費電流を抑えている。次に、電源部はメインレギュレータとローパワーレギュレータを内蔵し、通信時以外は低消費電力化したローパワーレギュレータのみでデータ保持を行う。
  このことにより、全体のリーク電流最小化を図っている。発振回路部はメイン動作用の26MHzと低消費電力動作用の32kHzを内蔵している。特にメインの26MHz発振回路はBluetooth® LEのコネクションインターバル周期で毎回停止させるため、停止状態から起動までの時間を最短化する調整を行い、待機電流を削減している。

【 図2 】ホストとBluetooth® LEコントローラスタック構成

最後にホストインタフェース部はBluetooth® LEで規格化しているHCI(UART)と当社オリジナルのBACI(SPI)を具備している。HCIは主にPCと接続して無線認証のテスト時に用いることが可能となる。BACIはBluetooth® LEのプロファイルとアプリケーションを実装した上位マイコンと接続してBluetooth® LEのサービスを提供する。
BACIはホストとの通信を簡略化させることにより、アクセス頻度を落とす。そして、イベントによりホストを起動させる構成にしているため可能な限りホストを停止させ、消費電流を抑える工夫をしている。

以上のように本LSIは構成ブロック全体で消費電流の削減を行うことで、コイン電池駆動で3年以上の連続動作を可能とさせている。ホストとスタック構成を【 図2 】に示す。

Bluetooth® LE モジュール

続いて、Bluetooth® LEモジュールの構成について説明する。【 図3 】

【 図3 】ホストとBluetooth® LEコントローラスタック構成

本モジュールはBluetooth® LE LSI (ML7105-00x)の他にパターンアンテナ、RFマッチング回路、EEPROM、OSCを内蔵している。当社出荷時にパターンアンテナおよびRFマッチング回路にてRF性能を調整するため、ユーザでは調整無しで商品への実装が可能となる。EEPROMは主にRF調整値、通信モード、デバイスアドレスを格納したコンフィグレーションパラメータとユーザ独自のパラメータを格納することが可能。OSCはメインクロックの26MHz水晶振動子と調整回路で構成され、Bluetooth® LEで要求している周波数精度へ調整済みである。複数の部品を一つのパッケージに封止したSiP(System in Package)構造であるためLSIと同等に扱うことができる。

また、モジュールとしてBluetooth SIG認証のコンポーネントテスト(RF、PHY、LL、4.0HCI、L2CAP、GAP、SMP、GATT/ATT)でQDIDを取得済みで提供するため、最終製品として登録する場合はユーザで準備されたプロファイルに組み込む形で容易にBluetooth SIGのウェブサイトの製品一覧に登録が可能となる。

なお、登録作業をするには事前にBluetooth SIGメンバ(プロモータ、アソシエート、アダプタ)への登録が必要である。また、国内外の電波認証を取得済みで提供予定のため、そのまま国内および取得済み海外地域においてBluetooth® LEを動作させる(電波を出力する)ことができ、短期間での商品への導入が可能となる。

Bluetooth® LE評価キットとサンプルソフトウェア

【 図4 】Bluetooth® LE開発評価キット一式

ラピスセミコンダクタのBluetooth® LE製品の導入と開発スピードを加速させるため、評価キットとサンプルソフトウェアを準備している。
評価キット【 図4 】にはUSBドングルとワイヤレスセンサノードが含まれており、Bluetooth® LE通信(各種センサデータ受信、LED ON/OFF制御)をPCから操作可能である。

サンプルソフトウェア【 図5 】にはホストマイコンに実装可能な独自プロファイルVSSPP(Vendor Specific Serial Port Profile)/VSP(Vendor Specification Profile)が含まれており、それらを使用することにより、UARTを使用したターミナル通信で簡単にピアー・ツー・ピアーのBluetooth® LE通信制御を確認することが可能となる。

なお、ラピスセミコンダクタでは、テクニカルサポートWebサイト を開設している。本サイトから、関連したデータシートやユーザーマニュアル、デザインガイド、評価キットマニュアルなどを提供し、ユーザの開発をサポートしている。

【 図5 】サンプルソフトウェアの構成

接続の際はペアリングを実施しており、その後の接続デバイスを制限して、暗号化されたデータ通信を実現する。また、対向のBluetooth® LEデバイスとしてスマートフォンと通信することも可能であり、専用のスマートフォンアプリケーションを使用することにより、独自プロファイルのサービスが確認できる。

Bluetooth® LEプロファイル

Bluetooth® LEで正しく通信を行うためには、マスタ側端末とスレーブ側端末が同じプロファイルを実装している必要がある。プロファイルは階層構造となっており、いくつかのサービスとその属性(read/write等)を定義するキャラクタリスティックが内部にある。

例えば、Heart Rate Profileの中にはHeart Rate ServiceやDevice Information Serviceなどがある。ラピスセミコンダクタでは標準プロファイルを順次整備しており、すべてのプロファイルはサードパーティと共同で開発を進めており提供可能となる予定である。ユーザのプラットフォームへのポーティングも対応を予定している。

今後の展望

今後ますますBluetooth® LEの適用範囲が拡大するとみられ、低消費電流化、小型化、システム開発の容易化への要求が強くなっている。このため、現行のML7105シリーズに続き、次期シリーズを開発中である。次期シリーズでは更なる消費電流削減を行うと共に、小型化に対応するため超小型・薄型パッケージであるWL-CSP(Wafer Level Chip Size Package)品をラインナップに加える予定である。

また、これまで以上にBluetooth® LEを導入し易くするため、現状開発中のモジュールに、さらにホストマイコンやロームグループで開発している各種センサを内蔵したSiPモジュールも計画している。

ラピスセミコンダクタではさらなる高機能化(高速転送、ツリー接続等)への要求対応も検討しており、最新のBluetooth® LE Core Spec4.1への適応と合わせ、今後もワンストップソリューションを提供して行く。

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