Подписка на новости

Опрос

Нужно ли ввести комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

2007 №3

Компоненты для беспроводной передачи данных в диапазонах 304 - 915 МГц

Соколов Михаил


Статья посвящена новому поколению микросхем радиоприемников и однокристальных приемопере - дат чиков семейства MC33596/696, которые отличаются пониженным энергопотреблением в различных режимах работы, высокой функциональной насыщенностью, а также возможностью применения в авто номных устройствах с батарейным питанием и в автомобильных приложениях.

В то время как большинство секторов мирового рынка полупроводниковых компонентов претерпевают если не падение спроса, то по крайней мере его стабилизацию, решения для беспроводной передачи данных находятся сейчас на значительном подъеме. В последние годы повышенный интерес к радиокомпонентам объясняется как широкомасштабным проникновением технологий GSM/GPRS, WiFi, Bluetooth и DECT практически во все области электронной промышленности, так и появлением новых стандартов и технологий беспроводной передачи (ZigBee, WiMAX и др.).

Когда разработчик выбирает ту или иную технологию для применения в своих системах, он всегда рассчитывает конечную стоимость изделия исходя из себестоимости применяемых компонентов и затрат на разработку. Причем под затратами подразумевается не только объем вложенных средств, но и потраченное на разработку время. Соответственно, чем сложнее технология и ее реализация, тем больше вероятность того, что будут использоваться готовые узлы и блоки при проектировании беспроводного канала.

С другой стороны, существует масса приложений, для которых необходим достаточно простой и недорогой радиоканал для передачи небольших объемов данных. При этом необязательно, а в некоторых случаях даже нежелательно обеспечение совместимости с устройствами других производителей. Для подобных задач инженеры, как правило, разрабатывают радиочастотное устройство самостоятельно ввиду простоты применения радиокомпонентов, наличия большого количества разнообразных схемотехнических, топологических и программных примеров. Немаловажную роль здесь играет и наличие разрешенных в России частотных диапазонов 434 МГц и 868 МГц. Именно о радиомикросхемах для указанных диапазонов и пойдет речь в данной статье.

Новое поколение радиомикросхем для диапазонов 304–915 МГц

Компания Freescale Semiconductor расширяет линейку радиомикросхем приемников и приемопередатчиков для субгигагерцового диапазона новым поколением известного семейства передатчиков МС33493 и приемников МС33591/2/3/4. В середине 2007 года компания анонсировала микросхемы однокристального приемопередатчика МС33696 и приемника МС33596, которые превосходят своих предшественников практически по всем радиотехническим параметрам, а также обладают дополнительными функциями и новыми интересными возможностями.

Спектр применений микросхем крайне широк и охватывает большинство приложений, в которых требуется пониженное энергопотребление и значительные дальности передачи:

  • автомобильные приложения (бесключевой доступ, системы контроля давления в шинах);
  • беспроводное управление;
  • системы сбора и передачи информации;
  • промышленная телеметрия;
  • складской учет, автономные радиометки;
  • автономные датчики и охранно-пожарные системы;
  • системы управления освещением, отоплением, вентиляцией и кондиционированием (системы «умный дом»).

Микросхемы МС33596/696 обладают рядом уникальных особенностей. Во-первых, одни и те же микросхемы могут работать во всех основных ISM-диапазонах: 304, 315, 426, 434, 868 и 915 МГц. Во-вторых, они функционируют в двух рабочих диапазонах напряжений: 2,1–3,6 В и 4,5–5,5 В. Кроме того, существует внутренний модуль контроля напряжения питания. Когда напряжение снижается до уровня примерно 1,8 В, микросхема выставляет соответствующий флаг в регистре статуса, который сбрасывается каждый раз после операции чтения этого регистра.

Микросхемы предназначены, в первую очередь, для автономных устройств с батарейным питанием. Соответственно, они обладают крайне низким энергопотреблением в режимах приема (10,3 мА), передачи (13,5 мА при выходной мощности +7 дБм) и в «спящем» режиме (260 нА). Существует дополнительный режим — выход из спящего режима, благодаря которому возможно периодически контролировать радиоэфир и принимать данные. В этом случае от микроконтроллера не требуется регулярно переходить в активный режим, чтобы активировать радиоприемник и принять пакет данных. При активации таймера потребление микросхем МС33596/696 составляет 25 мкА.

Другим уникальным свойством является наличие модуля переключения между двумя различными задачами. Под задачей здесь подразумевается работа приемника в составе системы с определенными параметрами радиосвязи: частота передачи, скорость передачи, тип модуляции. Таким образом, один приемник может обслуживать сразу две системы, отличающиеся по своим характеристикам. Например, в автомобиле необходимо контролировать давление в шинах, а также принимать и обрабатывать сигнал от брелока управления дверными замками. Благодаря модулю переключения задач приемник способен быстро определить тип пакета и обработать его соответствующим образом, согласно конфигурации, сохраненной в одном из двух отдельных блоков регистров данных и управления. В результате, микроконтроллер освобождается от дополнительной задачи по фильтрации пакетов данных, определению типа пакета и его принадлежности к той или иной системе. Интересным свойством данного модуля является и возможность настраивать таймер периодических выходов из спящего режима для контроля и приема пакетов данных как по каждой из конфигураций систем в отдельности, так и по двум конфигурациям одновременно. При одновременном контроле пакетов от двух систем, при активации таймера, приемник в период активного состояния быстро меняет параметры работы и способен захватывать пакеты из обеих систем последовательно.

Микросхемы МС33596/696 имеют стандартный 4-проводной последовательный интерфейс SPI для связи с внешним микроконтроллером. По последовательному интерфейсу осуществляется настройка и управление радиомикросхемой, а также приемпередача пакетов данных. При приеме дан ные могут поступать в МК двумя способами. Первый способ (при отключенном менеджере данных) — непрерывный необработанный поток данных, получаемый из радиоэфира, поступает на вход МК. В этом случае МК самостоятельно распознает передачу пакета, обрабатывает преамбулу, определяет скорость передачи, фильтрует пакет и декодирует посылку. Такой способ приема имеет смысл применять в ситуации, когда нет ограничений на питание, либо при сложной помеховой обстановке в месте функционирования системы, так как можно применить сложные математические алгоритмы в МК для фильтрации случайных и периодических помех различной длительности и интенсивности. Второй способ — активировать менеджер данных внутри приемника и поручить все операции по приему, фильтрации и декодированию пакета данных радиомикросхеме. При этом микросхема генерирует прерывание в МК только в момент готовности передачи первого байта данных. Для фильтрации пакетов данных и детектирования начала массива данных микросхема использует значения идентификаторов и заголовков пакетов, заранее записанных в соответствующие регистры.

Приемная часть микросхем МС33596/696

Среднее значение входной чувствительности приемника при амплитудной OOK модуляции составляет –103 дБм и достигает –108 дБм при частотной FSK-модуляции, вне зависимости от рабочего частотного диапазона. Высокая входная чувствительность приемника, а также исключительная ее стабильность при изменении уровня питающего напряжения и температуры в пределах допустимых рабочих значений позволяют применять микросхемы в приложениях с повышенным требованием к дальности и качеству передачи, а также в различных климатических и эксплуатационных условиях. Существует возможность изменять значение входной чувствительности, выбирая один из 4 уровней. Благодаря этому входная чувствительность может меняться в пределах от –108 до –81 дБм.

Данные из эфира могут приниматься на скоростях до 20 кбит/с с амплитудной OOK — или частотной FSK-модуляцией. Возможность задавать полосу пропускания приемника, подстраивать несущую частоту с шагом 6 кГц при тестировании на производстве, наличие смесителя с подавлением зеркальной частоты и системы ФАПЧ обеспечивает отличные показатели по надежности радиосвязи на значительных расстояниях.

Кроме того, модуль приемника способен сообщить информацию об уровне принимаемого сигнала (RSSI) в микроконтроллер. При этом существует возможность передачи как аналогового сигнала, подводимого непосредственно к линии АЦП МК, так и цифрового. Цифровое значение RSSI считывается из специального регистра и может измеряться двумя способами — непрерывным обновлением значения регистра либо однократным сразу после начала приема очередного пакета.

Передающая часть микросхемы МС33696

Передача данных по радио осуществляется в манчестерском коде, микросхема автоматически преобразует биты данных, поступающие по пос ледовательному интерфейсу SPI. Скорость передачи не превышает 20 кбит/с — как с амплитудной OOK-, так и с частотной FSK-модуляцией, выбираемой программно. Девиация частоты относительно несущей при FSK-модуляции задается программно, в пределах от 6 до 192 кГц. Так же как и в приемном блоке, имеется возможность подстраивать несущую частоту с шагом 6 кГц при производстве готовых устройств. Значение выходной мощности также задается программно и выбирается в пределах от –19 до +7 дБм.

Основные технические характеристики микросхем МС33596/696 приведены в таблице 1. В таблице 2 представлен сравнительный анализ микросхемы приемопередатчика МС33696 с некоторыми аналогичными микросхемами других производителей.

Таблица 1. Основные технические характеристики радио микросхем диапазона 304 – 915 МГц
Основные технические характеристики радио микросхем диапазона 304 – 915 МГц
Таблица 2. Сравнительный анализ микросхемы приемопередатчика МС33696 с аналогами
Сравнительный анализ микросхемы приемопередатчика МС33696 с аналогами

Доступные отладочные средства и примеры для разработки

Компания Freescale предлагает несколько вариантов оценочных модулей для каждой из радиомикросхем. Отличия заключаются только в рабочей частоте, на которую настроен модуль:

  • MC33493MOD315EV;
  • MC33493MOD434EV;
  • MC33493MOD868EV;
  • MC33591MOD315EV;
  • MC33591MOD434EV;
  • MC33593MOD868EV;
  • MC33696MOD315EV;
  • MC33696MOD434EV;
  • MC33696MOD868EV

Сами модули, содержащие непосредственно радиомикросхему, схему согласования, антенну и разъем для подключения к базовой плате с микроконтроллером, включают в себя также схемотехнику и соответствующие контактные площадки для монтажа входного (LNA) и выходного (PA) усилителей, а также SAW-фильтра на соответствующую частоту. На рис. 1 представлен внешний вид модулей.

Внешний вид оценочных радиомодулей и платы МК для микросхем семейства МС33ххх

Для работы с радиомодулями можно воспользоваться отладочной платой для микроконтроллера MC9S08RG60 — DEMO9S08RG60/E, внешний вид которой тоже показан на рис. 1. Производитель предлагает программные примеры и наборы скриптов для инициализации и работы со всеми типами радиомикросхем. Причем скрипты доступны для всех возможных конфигураций радиопараметров, включая тип модуляции, скорость передачи, частотный диапазон, девиацию частоты, выходную мощность, входную чувствительность и пр. Примеры ПО и библиотеки скриптов доступны бесплатно на сайте производителя. На рис. 2 представлена схемотехника и топология ПП модуля MC33696MOD434EV. Стоимость радиомодулей и отладочной платы под МК составляет от $50 до $70.

Схемотехника и топология ПП радиомодуля MC33696MOD434EV

ESTAR Reference Design

В помощь разработчикам компания Freescale подготовила систему беспроводного брелока и USB-радиоприемника на базе микросхем МС33696. Внешний вид системы представлен на рис. 3. Данная система призвана служить примером разработки и реализации радиотракта при жестких ограничениях на габариты печатной платы и энергопотребление. Система способна работать в двух режимах — как беспроводная мышь для ПК и как демонстрационный макет на базе датчика ускорения. Для второго режима предусмотрено специальное ПО для ПК (рис. 4), демонстрирующее различные варианты применения 3-осевого датчика ускорения совместно с радиоканалом.

Пример реализации системы беспроводной мыши
Программное обеспечение для демонстрации возможностей системы ESTAR

Несмотря на то, что система ESTAR доступна для заказа в виде готовых плат устройств, более интересным представляется вариант собственной ее реализации — для этого потребуется минимум временных затрат, что же касается используемых компонентов, то все они доступны на российском рынке.

С сайта компании можно загрузить полную техническую документацию на систему ESTAR, включая схемотехнику, спецификацию, топологию ПП, Gerber-файлы и все проекты плат, выполненные в среде ORCAD. Схемотехника двух плат системы ESTAR показана на рис. 5.

Схемотехника устройств комплекта ESTAR

Благодаря наличию проектов в среде ORCAD нет необходимости создавать библиотеки элементов, схемотехнику и топологию. Можно либо воспользоваться уже готовыми примерами, либо экспортировать в любую другую среду проектирования и модифицировать имеющийся дизайн радиотракта. Программное обеспечение также загружается непосредственно с сайта компании. В состав ПО входят проекты для микроконтроллеров устройств, включая реализацию функции беспроводной мыши, драйверы USB, а также ПО для ПК.

Заключение

Радиоканал постепенно перестает быть чем-то вроде черного ящика, и все больше инженеров внедряют его в свои разработки. Без достаточного количества схемотехнических, топологических и программных примеров невозможно быстро и эффективно использовать новую элементную базу. Компания Freescale помогает облегчить процесс разработки, предлагая широкий спектр технической документации и примеров программного обеспечения для нового семейства радиомикросхем МС33696/596. Примеры аппаратной части не ограничиваются простой схемой на базе радиомикросхемы, антенны и несложной цепи согласования — приводятся примеры реализации радиотракта с входным SAW-фильтром, входным LNA- и выходным PA-усилителями.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Беспроводные технологии PDF


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке