. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Měření Bluetooth modulů
18. července 2011 - 6:00 | Pandatron | Měření Bluetooth modulů | Komentářů: 12  

Měření Bluetooth modulů

Srovnání Bluetooth modulů BTM-112 a OEMSPA-311i z pohledu vlastností, reálného dosahu, maximální přenosové rychlosti a odběru proudu ze zdroje.

Tento článek a vůbec celý modul PBTM vznikl jako reakce na časté dotazy, které nám do redakce chodily ohledně levných Bluetooth modulů z našeho eShopu. Jedná se o moduly BTM-112 od společnosti Rayson, které jsou nyní dostupné v ceně od 208 Kč, případně od 233 Kč kusově. Svou cenou se tak řadí mezi bezkonkurenčně nejlevnější Bluetooth moduly na trhu, ale jak je to s jejich vlastnostmi, rychlostí a výkonem? Tak právě o tom je už následující článek.

Obsah článku:


Bluetooth moduly Rayson BTM-112
Moduly BTM-112 jsou nejmenšími zástupci základní (tzv. Generic) řady Bluetooth modulů společnosti Rayson. Svým výstupním výkonem, který může dosahovat hodnosty až +4 dBm, se řadí do třídy Class 2 a kromě řídicího obvodu CSR BC417 obsahuje i 8 Mbit programovou paměť Flash 39VF800A s možností nahrání jiného firmware. Moduly mají rozměry přibližně 25 x 14 x 2 mm s pájecími ploškami po obvodu a vyžadují jediné napájecí napětí v hodnotě 3,0 až 3,6 V.

Základní technické vlastnosti:

  • Výstupní výkon +4 dBm (max.)
  • Bluetooth® standard v2.0 + EDR
  • Čtyři režimy s nízkou spotřebou: Hold, Sniff, Park a tzv. Deep sleep
  • Podpora až sedmi slave zařízení: SCO links, ACL links, Piconet <7>
  • Rozšířený datový tok – EDR (Enhanced Data Rate) kompatibilní se specifikací v0.9
  • Rozhraní USB, UART a PCM (pro připojení zvukového kodeku)
  • Možnosti firmware: HCI a SPP
  • Integrovaný 1,8V LDO regulátor
  • Jediné napájecí napětí 3,0 až 3,6 V
  • Rozměry: 25,0 x 14,5 x 2,2 mm

Z malého výčtu základních vlastností je rovněž vidět, že se jedná o zajímavé moduly. Například použitý standard v2.0+ EDR nabízí přenosovou rychlost teoreticky až 3 Mbit/s, s maximální propustností 1,4 Mbit/s a plnou zpětnou kompatibilitu se staršími verzemi. Integrované rozhraní PCM pak podporuje přímé připojené zvukového kodeku a čtyři provozní režimy snižují spotřebu modulu na minimum.


Obr. 1: Vnitřní blokové schéma modulu BTM-112


Snadné použití s moduly PBTM
Přesto že moduly BTM-112 mají po stranách pájecí plošky, které jsou snadno použitelné na desce s plošnými spoji, pro jejich praktické použití kupříkladu v jednoduchých robotech či přímo v kontaktním poli nejsou zrovna ideální. Plošky jsou od sebe totiž vzdáleny jen 1,27 mm (50 milů) a navíc modul neobsahuje integrovanou anténu. Z toho důvodu u nás v redakci vznikl jednoduchý modul PBTM, který umožňuje osazení klasické jednořadé lišty a kromě interní antény může být osazen i konektorem typu SMA pro připojení ziskové antény.


Obr. 2: Schéma modulu PBTM z naší produkce

Základem PBTM je samozřejmě modul BTM-112 (na schématu označen jako U1) s vyvedeným napájením a sériovým portem. Dále jsou na modulu osazeny dvě LED (R/G) a 2,4 GHz anténa, vytvořená motivem přímo na desce s plošnými spoji. Anténa se připojuje rezistorem R3 s hodnotou 0R, který může být v případě potřeba nahrazen i malým kondenzátorem.


Obr. 3: Modul PBTM s použitím interní antény

Aby bylo možné zvýšit dosah modulu i za zhoršených provozních podmínek, je možné místo R3 osadit rezistor R4 a konektor J2 typu SMA, pro připojení externí ziskové antény. Díky frekvenci 2,45 GHz, která je shodná se sítěmi WiFi, je možné použít i velké, směrové WiFi antény (pozor, musí být opatřeny SMA konektorem) a tím výrazně zvýšit dosah.


Obr. 4: Modul PBTM s externí anténou a piny z jednořadé úhlové lišty

Více informací a motiv desky s plošnými spoji bude pro přehlednost uveden v samostatném článku. Zde se zaměříme pouze na praktické zkušenosti.


Reálný dosah
Katalogová hodnota výkonu, která se při 50 ohmech může pohybovat v rozmezí maximálně od -6 do +4 dBm (tedy do 2,5 mW výkonu), typicky však pouze kolem +2 dBm, nám o reálném dosahu mnoho neřekne. Z výkonu je pouze jasné, že se jedná o moduly ve třídě Class 2. Tato třída má ze své specifikace definován přibližný dosah +/- 10 metrů (tedy ne až 100 metrů, jak u třídy Class 2 uvádějí někteří výrobci).

Dosah při spojení modul - počítač
Pro ověření skutečného dosahu byla použita jednoduchá koncepce, spočívající v jednom PBTM s interní anténou (obr. 3), jednom PBTM s klasickou malou WiFi anténou se ziskem do 5 dBi (obr. 4) a pro srovnání byl vzat i jeden modul OEMSPA-311i, který máme z konstrukce Přenos libovolných signálů prostřednictvím Bluetooth od společnosti Spezial.


Obr. 5: Bluetooth modul OEMSPA-311i

Zde je nutné upozornit na to, že moduly OEMSPA-311i patří se svým výkonem +7 dB již do třídy Class 1 s typickým dosahem 100 metrů, ale moduly PBTM jsou z výkonově slabší třídy Class 2. Bližší popis modulů byl uveden například v článku Bluetooth program od connectBlue.


Obr. 6: Uspořádání při měření dosahu

Všechny tři moduly byly společně umístěny na podstavec a nasměrovány buď na horizontální polarizaci, nebo prostě do takové polohy, ve které byl zjištěn nejvyšší dosah. Na druhé straně pak byl použit typický smartphone typu HTC s integrovaným Bluetooth a malý notebook MSI buď také s integrovaným bluetooth a nebo s externí USB Bluetooth kartou, tzv. „klíčenkou“. Jedná se o klasický levný typ MSI Star Key 3 s čipem BCW2045, jehož elektronika a především anténa je dobře vidět na následující fotografii.


Obr. 7: Klasická USB síťová karta MSI Star Key 3 s čipem BCW2045

Při měření v interiéru byl dosah ve všech případech prakticky shodný. Frekvence 2,45 GHz je příliš vysoká na to, aby nějak ochotně procházela zdmi a proto se dá říct, že dosah byl ve všech případech cca. 10-15 metrů. Jinými slovy zvládl projít maximálně dvěma typickými cihlovými zdmi nebo kolmo přes dvě patra.

Měření na volném prostranství bylo mnohem zajímavější. Zde již byly dobře patrné výkonnostní rozdíly a nasměrování antén. V následující tabulce jsou shrnuty maximální dosažené výsledky.

  Telefon Notebook USB Bluetooth
PBTM int. anténa 34 m 72 m 87 m
PBTM ext. anténa 56 m 106 m 117 m
OEMSPA-311i 40 m 75 m 89 m
Tab. 1: Dosah spojení modul – počítač na volném prostranství

Jak vidíme, nejmenší dosah (zhruba 34 metrů) je ve spojení PBTM s integrovanou anténou a telefonem. Nejvyšší pak při použití PBTM s malou externí anténou (obr. 4) a USB síťovou kartou, kdy se signál bez problémů dostal až na vzdálenost téměř 120 metrů. Zároveň je z tabulky vidět, že anténa tvořená motivem na desce s plošnými spoji PBTM je navržena velmi dobře, neboť s ní mají moduly BTM-112 s typickým výkonem +2dBm prakticky srovnatelný dosah s moduly OEMSPA-311i s výkonem +7 dBm!

Dosah při spojení modul-modul
Jestliže bylo možné při spojení PBTM s malou anténou v USB Bluetooth dosáhnout spojení na vzdálenost až téměř 120 metrů, samozřejmě nás zajímalo, jaký dosah bude při spojení dvou modulů navzájem. Dva moduly PBTM se tedy vybavily opět klasickou, nejmenší WiFi prutovou anténou (obr. 4) a byly nakonfigurovány pro automatické navázání spojení typu Master/Slave. Změřený dosah, doplněný o hodnoty z tab. 1, je uveden v následující tabulce.

  Telefon Notebook USB Bluetooth PBTM ext. anténa
PBTM ext. anténa 56 m 106 m 117 m 378 m
Tab. 2: Měření dosahu modulu PBTM s malou externí anténou

Dosah téměř 400 metrů při typickém výkonu modulů +2 dBm a třídě Class 2 je skutečně velice dobrý. Navíc se jedná o dosah, při kterém moduly bez problémů a opakovaně navázaly spojení a držely ho bez výpadků. Pokud by se k modulům použila redukce SMA / N a připojila velká směrová WiFi anténa, mohl by být dosah i více než 1 km (zatím neměřeno). To s moduly za 200 Kč a při součinnosti se všudypřítomnými a minimálně o dva řády výkonnějšími sítěmi WiFi není vůbec špatný výsledek.


Obr. 8: Graf změřených dosahů Bluetooth modulů
B = PBTM interní anténa, Be = PBTM externí anténa, O = OEMSPA-311i
T = Telefon, N = Notebook interní anténa, U = USB Bluetooth


Přenosová rychlost
Samozřejmě dosah není vše a v praktických aplikacích je rovněž neméně zajímavým parametrem také přenosová rychlost. K tomuto účelu (a také pro další ověření přenosové rychlosti LAN a WiFi modulů) byla u nás v redakci vytvořena jednoduchá aplikace, umožňující spojení MCU AVR – PC anebo PC – PC. Samozřejmě v našem případě při použití Bluetooth modulů, tedy v takovémto uspořádání:


Obr. 9: Uspořádání při měření přenosové rychlosti

Při měření se pak ukázalo, že při přenosu velkých bloků dat jsou výsledky při použití samostatného MCU a převodníku USB/RS232 (který je v PC obsluhován s malou prioritou) prakticky shodné. Převodníky mají integrovaný buffer a tak u nich nedochází k žádnému zpomalení. Ale pro zajímavost je v tabulce uvedena i maximální změřená rychlost při spojení dvou USB/RS232 převodníků typu PU232F s obvody CP2102.


Obr. 10: Základní okna jednoduché testovací aplikace typu Server / Client

Dále je nutné zmínit, že měření probíhalo vždy mezi dvěma samostatnými počítači a po jednom, aby nemohlo dojít k omezení rychlosti například vlivem přílišného vytížení jádra systému. Rovněž bylo u všech modulů a využito řízení toku dat pomocí pinů RTS/CTS, takže nedocházelo k žádné ztrátě dat. Viz. ukázka výpisu na následujícím obrázku.


Obr. 11: Ukázka výpisu informací při probíhajícím měření

Výsledky měření, spočívající v počtu přenesených bytů za jednu sekundu, jsou uvedeny v následující tabulce:

  BTM-112 OEMSPA-311i CP2102
450 kb/s 32 kB/s 33 - 45 kB/s (kolísá) 46 kB/s
920 kb/s nepodporuje 47 - 54 kB/s (kolísá) 92 kB/s
Tab. 3: Maximální přenosová rychlost Bluetooth modulů v závislosti na nastavené rychlosti sériového rozhraní modulu a srovnání s přímým spojením dvou USB/RS232 převodníků

Je vidět, že přenosová rychlost modulů je prakticky shodná a jen o něco málo nižší ve srovnání s přímým spojením dvou USB/RS232 (PU232F) převodníků dohromady. Bohužel moduly BTM-112 nepodporují nastavení rychlosti sériové linky na 920 kb/s a zde tedy vedou moduly OEMSPA-311i. Ovšem zde již rychlost ve srovnání s přímým spojením výrazně klesá a je tedy již na hranici propustnosti.


Obr. 12: Při měření rychlosti byla použita deska modulu PWLAN s obvodem ATMega 48

Také je nutné zmínit, že měření probíhalo při přenosu 1 MB bloků dat. Při měření menších bloků byla při použití mikrokontroléru AVR ve funkci Server rychlost prakticky srovnatelná, pouze klesla vlivem čekání na vyžádání dalšího bloku z klientské aplikace. Při spojení PC – PC a použití převodníků USB/RS232 na obou stranách byl při malých blocích dat problém s asynchronním přístupem a blokovým přenosem dat na USB portu, který je operačním systémem obsluhován pouze v přibližném intervalu 1 ms a silně závislém na vytížení jádra systému. Jen pro zajímavost, v případě spojení dvou USB/RS232 převodníků k sobě a přenosu a potvrzování dat po jednom bytu (klient odesláním 1 Bytu vyžádá přenos - server odešle 1 Byte – klient opět 1 Bytem vyžádá přenos atd.) byla přenosová rychlost pouze 950 B/s. Obsluha RS232 převodníku z USB je dobře vidět na následujících dvou záznamech, pořízených Klonem logického analyzátoru Saleae.


Obr. 13: Přístup USB portu k USB/RS232 převodníku po cca. 1 ms je vhodné využít přenosem velkých bloků dat


Spotřeba modulů
Pokud mají být moduly použity například v robotech nebo jiných mobilních či přenosných systémech, je rovněž velice zajímavým parametrem jejich spotřeba. Jelikož však oba moduly (BTM-112 v provedení PBTM a OEMSPA-311i) využívají automatické přepínání do režimu se sníženou spotřebou, není možné měřit jejich odběr jednoduše pomocí multimetru. Měření tedy probíhalo na vřazeném 4,7 ohmovém rezistoru (menší hodnotu nebylo možné vlivem velmi nízké spotřeby použít) a s využitím osciloskopu. Všechny hodnoty napětí, uvedené na následujících snímcích, je tedy nutné přepočítat na proud pomocí vzorce:

Rovněž je na všech snímcích vlevo dole zobrazena průměrná hodnota Vavg, odpovídající průměrné spotřebě (samozřejmě po přepočítání podle výše uvedeného vzorce) a maximální, špičková hodnota Vmax, odpovídající proudu v nejvyšším změřeném bodě daného snímku. Pravidelná malá změna proudu u modulu BTM-112 v hodnotě cca. 10 mA je způsobena blikáním jedné diody LED na modulu a rovněž by se od spotřeby měla odečíst hodnota i druhé LED, která obvykle po spuštění svítila trvale (opět typicky 10 mA).

Na následujících snímcích je tedy dobře vidět dynamická spotřeba modulů:


Obr. 14: Zapnutí modulu bez navázání komunikace (režim master)

Obr. 15: Zapnutí modulu bez navázání komunikace (režim slave)

Obr. 16: Zapnutí modulu a automatické navázání komunikace (master)

Obr. 17: Průběh proudu při navázané komunikaci (master)

Obr. 18: Klidový stav (slave)

Obr. 19: Klidový stav v detailu (slave)

Obr. 20: Klidový stav (master)

Obr. 21: Klidový stav v detailu (master)

Aby bylo měření kompletní, přidávám rovněž několik průběhů proudu na modulu OEMSPA-311i:


Obr. 22: Zapnutí modulu bez navázání komunikace

Obr. 23: Navázání komunikace PC (slave)

Obr. 24: Průběh proudu při navázané komunikaci (slave)

Obr. 25: Průběh proudu při navázané komunikaci v detailu (slave)

Obr. 26: Klidový stav

Obr. 27: Klidový stav v detailu

Výsledky měření je možné po přepočítání shrnout do následující tabulky:

  BTM-112 OEMSPA-311i
Průměrná klidová spotřeba - master 46,0 mA -
Průměrná klidová spotřeba - slave 46,8 mA 9,0 mA
Průměrná spotřeba při spojení 13,1 mA 29,6 mA
Nejvyšší špičkový odběr 70,6 mA 63,1 mA
Doba náběhu 1000 ms 1500 ms
Tab. 4: Výsledky měření spotřeby modulů BTM-112 a OEMSPA-311i

Závěr:
Je vidět, že moduly BTM-112, resp. PBTM z naší produkce, i přes svou velice nízkou cenu (zhruba 1/4 ve srovnání s OEMSPA-311i) podávají velice dobré výsledky. Téměř 0,5 km dosah s nejmenší WiFi anténou a přenosová rychlost až 320 kbit/s jim umožňuje použití v celé řadě aplikací. Tedy aplikací, kde navázání spojení zajišťuje kvalitní a bezpečný přenos dat.

Bluetooth BTM-112 i jednoduché vývojové moduly PBTM nebo samostatné desky s plošnými spoji PBTM-1 - PCB je možné získat prostřednictvím našeho eShopu. Bluetooth moduly řady OEMSPA pak na našem trhu nabízí firma Spezial Electronic.

Aktualizováno 29.9.2011:
Byla opravena chyba v označení Bluetooth modulů. Správné označení je BTM-112, tedy s podporou SPP.

Odkazy & Download:
Domovská stránka výrobce Bluetooth modulu
Bluetooth moduly Rayson
Přehled distributorů a kontaktů

Bluetooth moduly OEMSPA
Informace o modulu BTM-112
Datasheet modulu BTM-112

BTM-112 v našem eShopu
PBTM s integrovanou anténou v našem eShopu
PBTM s externí anténou v našem eShopu







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře (12):

Zobrazit starší 30 dnů (12)...

host
12. Dne 31. 07. 2015 v 14:59 zaslal host
Bez titulku
to je lepší udělat SW způsobem, vice se sníží I proudový odběr


Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
Anténa 2J020 - 900/1800/2400MHz
Anténa 900/1800/2400MHz, přímá s konektorem SMA.
Skladem od 83 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007