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Internet of Things

12.05.2015  Halbleiter ICs   QUALCOMM ATHEROS

Die neuen Single- und Dual-Band Wi-Fi Module von Qualcomm

Das Internet der Dinge (Englisch: Internet of Things, IoT) beschreibt den Umstand, dass der heimische Computer zunehmend als „Gerät“ verschwindet und durch „intelligente Gegenstände“ ersetzt wird. Statt – wie derzeit – selbst Gegenstand der menschlichen Aufmerksamkeit zu sein, soll das „Internet der Dinge“ den Menschen bei seinen Tätigkeiten unmerklich unterstützen. Die immer kleiner werdenden Mini-Computer sollen Menschen im täglichen Leben helfen und begleiten, ohne abzulenken oder überhaupt aufzufallen (vgl. Wikipedia). Glaubt man den offiziellen Schätzungen, sollen bereits 2020 mehr als 25 Milliarden Geräte über das Internet miteinander verbunden sein. Im Hinblick auf Wi-Fi werden hierbei Lösungen gesucht, die immer kleiner und kompakter sind und zugleich immer weniger kosten. Low Power ist bei IoT ebenfalls ein beherrschendes Thema, da die Geräte nicht selten über eine Batterie versorgt werden. CODICO bietet zwei WiFi Module an, die speziell auf diese Bedürfnisse abgestimmt sind und vom Marktführer Qualcomm entwickelt wurden.

Wir hatten das Single-Band Wi-Fi Modul DNSA-141 bereits in der Impulse-Ausgabe 01/2014 ausführlich vorgestellt. Nun gesellt sich ein zweites Modul dazu, welches auch Dual-Band (2.4 GHz und 5 GHz) und Diversity bei 2.4GHz unterstützt und die Bezeichnung DNSA-144 trägt. Beide Module werden zwar von Wistron produziert und angeboten, jedoch basieren beide Module auf den Wi-Fi Referenzdesigns SP141 und SP144 von Qualcomm. Wistron erscheint daher als ODM, der die Vorgaben der Referenzdesigns genau einhält und nach diesen produziert. Während Wistron die HW liefert, erfolgt der technische Support sowie die Bereitstellung der Entwicklungsboards ausschließlich über Qualcomm. Hierzu wurde eigens eine Support Seite eingerichtet, unter der der Anwender das gesamte Support Package (Demos, Treiber, Datenblätter, User Guides etc. ) herunter laden kann:

https://developer.qualcomm.com/mobile-development/development-devices/ioe-wifi-development-platform/tools-and-resources

Beide DVKs können Online bei CODICO bestellt werden:
/de/formulare/qualcomm/ 

Hinter beiden Modullösungen versteckt sich ein einzelner hochintegrierter Wi-Fi Baustein (Bild 1) von QUALCOMM mit der Bezeichnung QCA4002 (DNSA-141) und QCA4004  (DNSA-144). Die SPI Schnittstelle erlaubt eine schnelle und einfache Einbindung in eine MCU basierende Systemumgebung. Hierzu müssen die entsprechenden Open Source API-Treiber auf die Host-MCU portiert werden, die als C-Code auf der genannten Support Seite bereitgestellt werden. 

In beiden Fällen profitiert der Anwender von der Eigenschaft, dass der gesamte TCP/IP Protokoll Stack sowie höhere Protokolle z.B. HTTP, DHCP und DNS und Verschlüsselungen bereits in QCA4002/4 integriert sind. Bei der Entwicklung werden daher keine fundierten Kenntnisse im Bereich Wi-Fi vorausgesetzt, der Anwender widmet seine Aufmerksamkeit vielmehr der Kernanwendung auf seiner Host MCU zu. Der QCA4002/4 erscheint daher als „Black Box“, die zwar von außen angesteuert werden kann, sämtliche Netzwerkprozesse aber von der internen CPU ausgeführt werden.

Im Bild 2 ist die SW Architektur für QCA4002/4 dargestellt. Alle Protokolle/Funktionen unterhalb der orangen Linie werden vom integrierten Netzwerkprozessor und der Hardware (MAC und PHY) abgedeckt, während die API (Application Programming Interface) und Anwendungen auf der Host MCU laufen. Wie die einzelnen Pfeile verdeutlichen, erlaubt die API den direkten Zugriff auf jede einzelne Protokollschicht, wodurch der Anwender die Möglichkeit erhält, die Verteilung der Protokollfunktion zwischen Host MCU und QCA4002/4 selbst zu gestalten. So wäre es z.B. möglich, den gesamten TCP/IP Stack zu umgehen und MAC und PHY direkt von der Host MCU anzusprechen, wenn z.B. der eigene Stack im Betriebssystem verwendet werden möchte.

Auch wenn QCA4002/4 bereits viele RF Komponenten integriert haben, scheuen viele Kunden die Aufwendungen eines eigenen RF Designs sowie die abschließenden Kalibrierungs- und Zertifizierungsprozeduren. Um auch diese letzte Last zu nehmen, bieten die Modullösungen eine schnelle, einfache und kostenoptimierte Systemintegration. Mit einer Abmessung von nur 20x25mm (DNSA-141, Bild 3 und 4) und 20x42mm (DNSA-144, Bild 5 und 6) lassen sich die Module mit exakt der gleichen API via SPI ansteuern wie QCA4002/4. Natürlich unterstützten die Module auch die im QCA4002/4 integrierten Low Power Features, wie z.B. den Low-Power-Listen, Green-Tx-Power-Saving oder den IEEE-Sleep-Mode (Sleep: 130µA / 2 ms wake up, Suspend: 10 µA/ 35 ms wake up). Anstatt der Dual-Band Funktionalität kann bei dem DNSA-144 der zweite Antennenanschluss auch für Diversity genutzt werden, wodurch eine stabilere Funkverbindung und damit eine höhere Reichweite erzielt werden kann. Allerdings wird Rx/Tx Diversity nur bei 2.4GHz unterstützt.

DNSA-141 Spezifikationen:
• QCA4002 based Wi-Fi module 
• 2.4GHz Single-Band IEEE 802.11b/g/n
• Internal PA and LNA, no external RFSW
• Green Tx Power Saving, Low Power Listen and IEEE Sleep Mode
• On board printed antenna or IPEX-connector
• Single power supply: 3.3V
• Integrated IPv4/IPv6 networking stack
• Full security support: SSL, WPS, WPA, WPA2, WEP
• Integrated services: HTTP, DHCP, DNS, ICMP, IGMP
• Easy to use SPI host interface
• 25mm x 20mm size, 2-layer, single side component
• Operation temperature: -40°C – 85°C (Industry Class Version)
• Regulatory compliances: CE, FCC and IC

DNSA-144 Spezifikationen:
• QCA4004 based Wi-Fi module 
• 2.4GHz and 5GHz, Dual-Band IEEE 802.11a/b/g/n
• Rx/Tx Diversity for 2.4GHz
• Internal PA and LNA, no external RFSW
• Green Tx Power Saving, Low Power Listen and IEEE Sleep Mode
• On board printed antenna or IPEX-connector
• Single power supply: 3.3V
• Integrated IPv4/IPv6 networking stack
• Full security support: SSL, WPS, WPA, WPA2, WEP
• Integrated services: HTTP, DHCP, DNS, ICMP, IGMP
• Easy to use SPI host interface
• 25mm x 42mm size, 2-layer, single side component
• Operation temperature: -40°C – 85°C (Industry Class Version)
• Regulatory compliances: Planning CE, FCC and IC

Architektur QCA4002/4
Architektur QCA4002/4
SW Architektur QCA4002/4
SW Architektur QCA4002/4
Blockschaltbild DNSA-141
Blockschaltbild DNSA-141
Blockschaltbild DNSA-144
Blockschaltbild DNSA-144
DNSA-141 Modul
DNSA-141 Modul
DNSA-144 Modul
DNSA-144 Modul

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