【应用】基于Renesas Synergy平台实现的蓝牙低功耗应用

本应用案例介绍了RENESAS Synergy™开发套件的蓝牙低功耗（BLE）接口功能。此案例将套件与iOS设备（iPhone/iPad）配对，以传输和接收传感器值和LED开/关命令。本应用案例涵盖了BLE与Renesas Synergy开发工具包的操作，包括连接，范围和延迟行为，以及Synergy系列MCUs与支持BLE的设备（如iPhone）的接口。本应用案例还介绍了Synergy架构，说明了Synergy软件包（SSP）的易开发性和省时功能。

1. BLE示例概述

BLE示例应用程序通过利用传感器，蓝牙LE，瑞萨Synergy平台和智能手机来显示典型的物联网应用。数据从加速度计，电位计和温度传感器获取，经过处理，并通过BLE流传输到运行配套应用程序的iPhone。此外，iPhone可以发送命令来打开和关闭Renesas Synergy平台开发板上的LED。图1显示了示例应用程序的体系结构。

图1.主要组件

该系统的核心是Renesas Synergy开发套件DK-S3A7或DK-S7G2。加速度计（Digilent PmodACL2）利用Digilent®Pmod接口轻松连接瑞萨电路板。这两个套件都包含一个板载CMAX BLE模块。虽然DK-S3A7有一个板载加速度计，但我们将使用Digilent PmodACL2。

1.1 DK-S3A7开发套件v2.0

1.将USB电缆从计算机连接到主板上的J-Link端口（J15）。电路板通过此USB接口供电和编程。

2.验证PMODA端口是否由其旁边的跳线设置为3.3V供电。

3.将外部加速度计模块（Digilent PmodACL2）连接到PMODA端口。确保将其面朝上安装在文本“PmodACL2”可见的位置。

4.设置配置开关（S5）以启用以下功能：

A.JLOB（JTAG=ON）

B.BLE（BLE=ON）

C.PMODA（PMOD=ON）

D.Pushbuttons（PBs=ON）

图2. DK-S3A7电路板布局

1.2 DK-S7G2开发套件v3.0

1.将USB电缆从计算机连接到电路板上的J-Link端口J17。

2.通过电源插孔为电路板供电。

3.验证PMODA是由PMODA端口旁边的跳线设置的3.3V供电。

4.将加速度计板（Digilent PmodACL2）连接到PMODA。确保将其面朝上安装在文本“PmodACL2”可见的位置。

5.在主板上设置配置开关（S5）以启用以下功能：

A.JLOB（JTAG=ON）

B.PMODA端口（PMOD=ON）

C.Pushbuttons（PBs=ON）

6.在印刷电路板上设置扩展配置开关（S101）以启用以下功能：

A.内部BLE接口（BLE=ON）

图3. DK-S7G2电路板布局

1.3 加载iOS应用程序

iOS应用程序（适用于iPhone和iPad）位于Apple App Store中，名为Xaplos BLE。

2. 运行应用程序

运行时，应用程序会显示一个屏幕，可监视开发套件传感器（加速度计，温度和电位计）的数据，并显示按钮，当按下这些按钮时，开发套件上的命令LED指示灯点亮。各种Synergy开发套件之间的功能差异很小，本节末尾详细介绍。

另外两个屏幕显示详细的连接诊断，日志和加速度值的实时图表。可通过单击右上角的版本标签或屏幕中心的加速度值，来访问这些附加屏幕。图4显示了该应用程序的屏幕。

图4. iPhone App屏幕

运行应用程序需要：

1.给运行嵌入式应用程序的开发板供电。

2.在iOS设备中启用蓝牙接口。

3.在iOS设备中启动应用程序。

4.按下应用程序上的“连接”按钮以建立与开发工具包的连接。

图5显示了该应用程序的体系结构。

图5.应用程序概念      

连接后，传感器数据将流式传输到iPhone应用程序，并显示在主屏幕上。在开发板上移动电位计会更改iPhone应用程序上标记为Sensor的值。 iPhone应用程序上的温度ADC读数通过读取片上温度传感器进行更新。按开发板上的用户按钮S1，S2和S3会使按钮状态标签在iPhone应用程序上亮起。移动开发套件会导致X，Y和Z轴加速度计读数在iPhone应用程序中发生变化。按下应用程序上的LED1按钮时，板载用户Led 1将亮起。 Led 2将以类似的方式点亮。

根据使用的开发套件，有一些变化：

• 如果使用SK-S7G2开发套件，则只有两个用户按钮，S4和S5，而不是标准三个。

• 如果使用PE-HMI1板，则没有电位计读数，也没有按钮读数，因为此板上没有这些功能。没有加速度计读数，因为没有可用的Digilent Pmod™兼容端口（BLE Pmod占据唯一的端口）。

3.应用程序的开发

应用程序的嵌入式部分是使用Renesas Synergy开发平台创建的。以下部分描述了此嵌入式应用程序的要求和设计过程。

3.1背景

该应用程序具有以下要求：

• 以50 Hz的频率收集加速度计数据（48个字节）并通过BLE流式传输。

• 读取并报告板载电位计和温度ADC值。

• 与智能手机配对并支持双向BLE通信。

• 使用可用的Synergy软件包（SSP）。

• 最初使用DK-S7板（稍后与其他人一起工作），支持板载CMAX BLE模块和外部Alpwise Digilent Pmod™兼容BLE模块。

从硬件角度来看，嵌入式应用程序在Renesas Synergy MCU上运行，根据图6与不同的板组件连接。

图6.示例应用程序体系结构和接口

从功能角度来看，嵌入式应用程序在客户端 - 服务器架构中充当服务器，为客户端（智能手机示例应用程序）提供加速度计，电位计，温度和其他数据。服务器在BLE的通用属性配置文件之后提供此信息，该配置文件用于向客户端提供可用信息和服务的列表和类型。

图7. BLE客户端/服务器体系结构

BLE通过2.4GHz ISM频段中的跳频进行操作，以1Mbps的带宽传输短数据包。通信延迟是几毫秒，距离可以在30英尺（10米）的范围内。网络的拓扑结构可以是一对一或一对多（星形拓扑）。

3.2 硬件接口

此应用程序的所选BLE模块是CMAX CMM-9301。

图8. DK-S7G2板上的板载CMAX BLE模块硬件接口

图9. DK-S3A7板上的板载CMAX BLE模块硬件接口

3.3  软件库

除了BLE通信堆栈之外，所有硬件接口（驱动程序）所需的所有库都包含在Renesas Synergy软件包（SSP）中。所使用的BLE堆栈来自Alpwise。下图显示了Alpwise BLE堆栈的接口。

图10. Alpwise BLE软件堆栈

集成Alpwise BLE堆栈需要以下内容：

• 实现系统适配器接口（以固定的周期间隔调用BLE堆栈库的定期维护功能）。

• 使用适当的硬件接口函数调用填充传输层功能块（相当于读取和写入），在这种情况下，相应的SPI会发送和接收来自SSP的函数。

• 使用BLE堆栈的应用程序接口（API）发送和接收数据，并在应用程序中的适当位置检查BLE接口的状态。

3.4使用Renesas Synergy e² studio ISDE进行开发

图11总结了嵌入式应用程序在Synergy集成解决方案开发环境（ISDE）中运行所需的所有块：

图11. BLE框图

各种传感器（加速度计，按钮，温度，ADC）都有自己的线程，它们读取数据并将其发布到主线程，主线程又将其发布到BLE堆栈属性。 图12显示了这种架构。

图12.嵌入式应用程序传感器和主线程

BLE接口模块由一个特定的线程提供服务，当数据可用中断(通过外部IRQ)被触发时，该线程处理从其接收缓冲区读取数据。数据通过连接到BLE栈的传输函数发送到BLE模块。创建一个特定的线程来处理BLE堆栈本身的定期管理。图13显示了此体系结构。

图13.嵌入式应用程序BLE模块和堆栈管理线程

最后，填充适当的BLE回调函数以处理发布的BLE服务（如LED开/关功能）和处理BLE协议事件，如连接或断开连接。 图14显示了这种架构。

图14.嵌入式应用程序BLE服务回调函数

使用Renesas Synergy ISDE简化了实现这些块（线程或驱动程序）的过程。实例化设备驱动程序，配置MCU引脚，甚至创建RTOS线程，都是ISDE工具的直接菜单选项。在使用适当的菜单选项创建后，每个项目都可以在ISDE工具的相应配置对话框中完整详细配置。除了线程本身的内容之外，几乎不需要任何编码。 下图显示了这些ISDE配置对话框的示例，包括时钟配置，引脚配置，IRQ配置和接口配置，例如用于处理BLE模块的SPI端口。

图15. Renesas Synergy ISDE中的时钟配置对话框

图16. Renesas Synergy ISDE中的引脚配置对话框

图17. Renesas Synergy ISDE中的IRQ配置对话框

图18.Renesas Synergy ISDE中的SPI接口配置对话框

除了在ISDE上创建带有菜单选项的组件并使用适当的配置对话框对其进行配置外，还可以通过应用程序代码中的直接调用访问其他SSP库组件。例如，对于外围驱动程序（例如本应用程序中的SPI驱动程序）的读写操作，这是必要的。

3.5总结

Renesas Synergy平台被用作蓝牙低功耗应用的基础，该应用将传感器数据传输到智能手机。 已包含项目文件，用于将演示应用程序编程到开发工具包上。该应用程序是使用DK-S7G2或DK-S3A7开发套件开发的，该套件包含S7系列MCU。 该开发套件提供板载和Digilent Pmod™兼容选项，用于连接BLE模块。Synergy软件包（SSP）提供核心模块，包括用于构建应用程序的ThreadX集成，而Renesas e² studio ISDE提供基于GUI的开发环境，用于配置SSP模块和开发应用程序。