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Neue hostless Wi-Fi Lösungen für IoT-Anwendungen

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QCA4010 & DNSA-MP1

Aufgrund des großen Medienwirbels und der erfolgreichen Markteinführung vieler IoT-Produkte in den letzten Jahren sehen sich viele Firmen gezwungen, diesem Trend zu folgen und ihre eigenen IoT-Produkte zu entwickeln bzw. ihre bestehende Palette zu erweitern.Mit der steigenden Anzahl von Netzwerkknoten im Internet wächst auch die Nachfrage nach kostengünstigen Lösungen mit geringeren BOM-Kosten. Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems besteht in der Integration der Applikations-MCU, des Netzwerkprozessors und der Wi-Fi-Einheit auf einem einzigen Chip. Dieser sogenannte System-on-Chip(SoC)-Ansatz erlaubt die Implementierung einer ganzen IoT-Anwendung auf einem einzigen Baustein ohne externe MCU. Da keine externe MCU benötigt wird, nennt sich dieser Betriebsmodus hostless. Der neue QCA4010 Baustein von Qualcomm verfolgt genau diesen Ansatz und bietet zusätzlich besondere Sleep Modi und Aufweckszenarien. Wistron hat als ODM-Partner bereits ein Wi-Fi-Modul (DNSA-MP1) auf der Basis des QCA4010 präsentiert.


Der QCA4010 verfügt über eine 130 MHz Xtensa CPU von Tensilica, die sämtliche IP-Dienste liefert und für die Verwaltung aller Wi-Fi-Verbindungen verantwortlich ist. Der QCA4010 besitzt keinen internen Flashspeicher, sondern SRAM und ROM. Aus diesem Grund werden vor der Ausführung sowohl Netzwerkprozessor-Code, Systemkonfiguration, und persistente Datensätze aus dem externen seriellen Flashspeicher in den internen SRAM geladen. Der Anwendungscode wird auf derselben CPU und mit denselben Speicherressourcen wie der Netzwerkprozessor-Code ausgeführt. Da die von der Anwendung abgewickelte Sensormessung, Aktorensteuerung und Datenverarbeitung normalerweise vor dem Herstellen einer Wi-Fi-Verbindung zur Datensynchronisation erfolgt, kommt es verarbeitungsseitig zu keinem Flaschenhals. Daher werden Netzwerk- und Anwendungsverarbeitung in den meisten IoT-Anwendungen von der CPU im Zeitmulitplexverfahren erledigt. Selbst wenn beides gleichzeitig verarbeitet werden muss, stellt die leistungsstarke 32-Bit-Architektur der Xtensa CPU zusammen mit der Taktfrequenz von 130 MHz genügend Rechenleistung zur Bewältigung dieser Aufgabe bereit.
Um die verschiedenen Anforderungen der IoT-Welt in Bezug auf den Anwendungsspeicher zu erfüllen ist der QCA4010 in zwei SRAM-Versionen erhältlich. Die kleinere Version verfügt über 1 MB SRAM, wobei ~400KB für den Anwendungscode reserviert sind. Die größere Version bietet 1,5 MB, so dass ~800KB für Anwendungscode zur Verfügung stehen.
 
Um den Stromverbrauch auf ein Minimum zu reduzieren, bietet der QCA4010 eine integrierte Power Management Unit (PMU), die mit Hilfe folgender Methoden verschiedene Sleep Modi steuert:

  • Gating-Clock: Nicht erforderliche Funktionsblöcke werden vom Clock-Netzwerk getrennt, um Ladungsumkehrströme aufgrund parasitärer Kapazitäten zu vermeiden.
  • Shut-Down High Speed Clock: Wenn das Hochgeschwindigkeits-Clock-Netzwerk nicht gebraucht wird, kann es vollständig samt externen Taktquellen wie Oszillatoren getrennt werden.
  • Senkung des Spannungspegels: Die Spannung einzelner Blöcke kann reduziert werden, um statische Leckströme gering zu halten. Eine Mindestspannung sorgt für eine kurze Aufweckzeit und für die Erhaltung der Dateninhalte aller Register und des flüchtigen Speichers.


Die verschiedenen Sleep Modi werden überdies von einem niedrig getakteten Clock-Netzwerk (32,768 kHz) und einer Wakeup-Managereinheit unterstützt. Das niedrig getaktete Clock-Netzwerk wird für den Betrieb des Zustandsautomaten und der automatischen Ausschaltfunktionen benötigt. Der Wakeup-Manager nimmt über interne und externe Auslösesignale den Betrieb wieder auf. Im Suspend-Modus erkennt er beispielsweise ein Aufwachsignal an einem Pol oder aus dem internen Sleeptimer, wenn eine vordefinierte Zeit abgelaufen ist. In diesem Modus verwaltet er auch einen kleinen Arbeitsspeicher, der Zustandsinformationen speichert. Weitere Modi wie POWER DOWN (~9µA), SLEEP und HOST_OFF bieten noch zusätzliche Konfigurationsmöglichkeiten und erlauben somit eine Feinsteuerung des Stromverbrauchs von IoT-Anwendungen. Aber selbst im Netzwerkbetrieb, wenn die CPU hochfährt und eine Wi-Fi-Verbindung läuft, profitiert der Nutzer von den vom Baustein unterstützten Stromspar-Features wie Green-Tx Power Saving Mode und Low Power Listen Mode.


Der QCA4010 bietet zahlreiche verschiedene Schnittstellen, die bei typischen IoT-Anwendungen zum Einsatz kommen. Für die Messung analoger Sensoren unterstützt ein 8-Kanal 12-bit ADC 400ksps für den Mehrkanalbetrieb und 1 Msps für den Einzelkanalbetrieb. 8 unabhängige PWMs mit 18-Bit Auflösung und einem 8-Bitlock-Prescaler stehen ebenfalls zur Verfügung, etwa zur Motorsteuerung und Beleuchtung. Für die serielle Kommunikation kann der Nutzer auf HS UART (3 Mbps), Low-Speed UART, SPI, I2S oder I2C zurückgreifen. Die folgende Liste bietet einen Überblick der Merkmale:

  • Unterstützung für IEEE 802.11b/g/n
  • In Single stream 1×1
  • Single-Band 2,4 GHz
  • Integrierter PA, LNA mit Unterstützung für externen PA und LNA
  • Single- oder Dual-Rx Front End für eine größere Antennenauswahl
  • Green-Tx Power Saving Mode
  • Low Power Listen Mode
  • Datenraten bis zu 150 Mbps
  • Volle Sicherheitsunterstützung: WPS, WPA, WPA2, WAPI, WEP, TKIP
  • 8-Kanal 12-bit ADC mit max. Abtastrate 400ksps für den Mehrkanalbetrieb und 1 Msps für den Einzelkanalbetrieb
  • Acht 18-Bit PWMs mit einem 8-Bitlock-Prescaler
  • 9X9mm, 116-Pin DRQFN-Gehäuse
  • Temperaturbereich: 0°C bis 85°C (Standard); -45°C bis 115°C (erweitert)

 

Für den Dual-Band-Betrieb (2,4 GHz & 5 GHz) bietet Qualcomm den QCA4012, der über die gleiche Systemarchitektur und Merkmale wie sein "kleiner" Bruder QCA4010 verfügt, aber einen zusätzlichen 5 GHz-Funkkanal bereitstellt. Daher sind beide Bausteine im gleichen DRQFN-Gehäuse (Dual-Row Quad Flat pack Nolead) in den Abmessungen 9mm × 9mm × 0,9mm erhältlich, samt Massepad für bessere Erdung, mechanische Festigkeit und thermische Kontinuität. Darüber hinaus sind beide pinkompatibel. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass der Simultanmodus nicht vom QCA4012 unterstützt wird, da jeweils nur eine Wi-Fi-Verbindung (2,4GHz oder 5GHz) bedient werden kann. Jedenfalls unterstützen beide Bausteine (QCA4010 & QCA4012) Rx-Diversity, wenn zwei Rx-Antennen an den Geräten angeschlossen sind.

 

Bei Qualcomm handelt es sich um einen IC- und nicht um einen PCB-Modul-Lieferanten. Aus diesem Grund arbeitet Qualcomm sehr eng mit ODM-Partnern wie Wistron zusammen, die Wi-Fi-Module auf Basis der Original-Referenzdesigns/-module von Qualcomm herstellen und vertreiben. Im Falle von QCA4010 bietet Wistron ein Modul unter der Typenbezeichnung DNSA-MP1. Bei MP1 handelt es sich um die interne Typenbezeichnung von Qualcomm für das QCA4010 Referenzmodul. Wistron hat dieser Typenbezeichnung die Kennzeichnung DNSA vorangestellt, um eine interne Typenbezeichnung zu schaffen. Dokumentation, Software, und technische Unterstützung erfolgen über Qualcomm, während Wistron die Hardware und Testberichte auf der Basis der Modulbezeichnung DNSA-MP1 liefert.  

 

DNSA-MP1 Spezifikationen:

  • Wi-Fi-Modul auf der Basis des QCA4010
  • 2,4GHz IEEE 802.11b/g/n in Single Stream 1x1
  • 11N-Unterstützung für  HT20 und HT40 Bandbreiten 
  • Integrierter PA und LNA mit externem RF-Schalter für größere Antennenvielfalt 
  • Green Tx Power Saving Mode, Low Power Listen Mode 
  • Bis zu 800KB On-Chip-Speicher für Kundenanwendungen verfügbar 
  • Integrierter IPv4/IPv6-Netzwerkstack 
  • Volle Sicherheitsunterstützung: WPS, WPA2, WEP, SSL, usw.
  • Integrierte Protokollstacks: HTTP, DHCP, DNS, NTP, usw. 
  • Abmessungen 30mm x 16mm, 4-Schicht-Aufbau 
  • Gedruckte Antenne oder U.FL Antennenstecker 
  • Versorgungsspannung: 3,3V
  • Betriebstemperatur: -40°C bis 85°C (industrietaugliche Version) 
  • Behördliche Konformität: CE, FCC
QUALCOMM QCA4010
QUALCOMM QCA4010
QCA4010 Systemarchitektur
QCA4010 Systemarchitektur
DNSA-MP1: Wi-Fi Modul auf Basis des QCA4010
DNSA-MP1: Wi-Fi Modul auf Basis des QCA4010
Blockschaltbild DNSA-MP1
Blockschaltbild DNSA-MP1

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