Обзор передающих, приёмных и трансиверных модулей ISM-диапазона

Нелицензируемые (ISM) диапазоны являются весьма удобным решением, ускоряющим разработку устройства и ввод его в эксплуатацию. Таких диапазонов несколько, и выбор конкретного осуществляется в первую очередь с учетом необходимого быстродействия, которое система способна обеспечить на требуемой рабочей дистанции. Если вам нужно передавать всего несколько килобит в секунду на расстояние 50 м, то логичным было бы использовать более низкий диапазон частот, поскольку с ростом рабочей частоты сложность проектирования и эксплуатационного обслуживания устройств растет.

Несколько слов посвятим обзору основных эксплуатационных параметров беспроводных модулей. Главным параметром является диапазон рабочих частот, полоса пропускания, шаг частотной сетки. Далее параметры разделяются в зависимости от типа модуля. Для приемных модулей основными параметрами будут параметры, характеризующие любую приемную систему: чувствительность, виды поддерживаемых демодулируемых сигналов, избирательность, защита от внеполосных помех, а также массо-габаритные параметры, диапазон допустимого напряжения питания и потребляемая мощность. Для передающих модулей базовыми параметрами являются типы модуляторов, выходная мощность по высокой частоте, уровень внеполосных излучений. Для модулей трансиверов основными параметрами будут все перечисленные для приемников и передатчиков вместе.

Основные области применения ISM-модулей

Узкополосные маломощные беспроводные модули с сеткой частот менее 25 кГц с успехом могут использоваться в следующих приложениях:

• устройства автоматического снятия показаний;
• беспроводные системы оповещения и охранные системы;
• устройства автоматизации дома;
• маломощная телеметрия;
• системы, совместимые с другими, функционирующими в диапазонах 433 /868/915 МГц;
• беспроводные конференции и голосования;
• устройства для контроля за параметрами тренировок спортсменов и проведения соревнований;
• беспроводные кассовые терминалы, КПК;
• контроль плотности движения автотранспорта, автоматика автобусных остановок;
• беспроводные электронные дисплеи;
• устройства беспроводной телеметрии, оборудование, облегчающее парковку автомобилей;
• беспроводные промышленные датчики, системы дистанционного управления;
• контроллеры беспроводных кондиционеров воздуха;
• наблюдение геологических параметров, уровней жидкости;
• беспроводные мосты с интерфейсами RS-232/RS-485;
• беспроводные сети типа «точка–многоточка», беспроводные системы сбора данных.

Как видно, области применения крайне широки, даже намного шире, чем может показаться на первый взгляд. Тем не менее, необходимо отметить, что указанными применениями потребление модулей ISM не ограничивается. Существует множество довольно экзотических беспроводных решений, выполненных на базе ISM-модулей беспроводной передачи данных.

Проблемы при замене существующих проводных систем беспроводными

Нередко перед разработчиком ставится задача не проектирования беспроводной системы «с нуля», на новом объекте, а замена существующей проводной инфраструктуры беспроводной. На рынке присутствуют беспроводные модули, которые позволяют заменить кабель парой таких модулей. Однако не все так просто, как кажется, и здесь существует множество факторов, благодаря которым использование беспроводных систем гораздо сложнее, чем традиционных проводных. Не говоря уже о том, что необходимо разработать программы для микроконтроллера и прибора более высокого уровня, персонального компьютера, например, который будет управлять самим модулем и осуществлять управление обменом данными.

Итак, кратко рассмотрим основные факторы перехода к беспроводным системам, которые разработчик должен учитывать.

1. Распространение радиоволн. В проводных системах типичным решением является использование полнодуплексного обмена данными (поскольку никто не мешает задействовать несколько проводов в сигнальном кабеле, часть из которых будет использоваться для передачи данных в одну сторону, а другая часть — для передачи в другую). Однако в беспроводных системах данные не могут пересылаться между передатчиком и приемником одновременно, поскольку для передачи данных используется одна и та же среда (окружающее пространство). Кроме того, поскольку требуется переключение между приемом и передачей, обмен беспроводных систем в «реальном времени» невозможен. Такой тип обмена данными получил название полудуплексного соединения (работа симплексом). В связи с тем, что управляющая программа для проводного соединения сама базируется на полнодуплексном типе связи, необходимо перерабатывать программу с учетом поддержки работы в полудуплексном режиме, в противном случае, скорее всего, ничего работать не будет.
2. Необходимо посылать статус всех управляющих линий. В типовых проводных коммуникационных системах используется множество управляющих линий. Поэтому нормальный обмен данными в беспроводной системе будет невозможен, если не будет передаваться также и статус управляющих линий. Многие программы при отсутствии правильного поведения линий, управляющих потоком данных, просто останавливаются или аварийно завершаются с выдачей сообщения об ошибке. Можно конечно попробовать удалить из микропрограмм устройств участки кода, проверяющие управляющие линии, однако это не рекомендуется делать по следующим причинам. Во-первых, высокая сложность (в большинстве случаев требуется дизассемблирование и тщательное изучение поведения программы для восстановления исходного алгоритма ее работы). Во-вторых, проверка статуса управляющих линий в некоторой степени гарантирует надежность с точки зрения доставки только корректных данных, и их исключение из этого процесса может потребовать использования дополнительных альтернативных решений для обеспечения такой гарантии, что, как правило, реализовать достаточно непросто. По этим причинам при замене существующей проводной инфраструктуры на беспроводную наиболее целесообразным выглядит решение передавать «по воздуху» информацию и о статусе управляющих потоком линий.
3. Необходимость программной реализации протоколов. Проводные коммуникационные системы, в основном, реализуют соответствующие протоколы связи аппаратным способом. Однако при замене таких систем на беспроводные все эти протоколы придется реализовывать в беспроводном устройстве, чаще всего, программным способом, либо воспользоваться ПЛИС. В любом случае это необходимо учитывать и принимать во внимание требующуюся для этого производительность.
4. Необходимо использование идентификационных кодов. В проводных системах другая сторона коммуникационной системы однозначно определяется физическим подключением линий передачи (кабеля). При использовании беспроводных систем любой приемник, настроенный на частоту передатчика, будет получать от него сигнал. Поэтому возникает проблема идентификации узла назначения для этих данных, для чего используются идентификационные коды. Кроме того, встает проблема защиты данных от получения их нецелевой системой, но рассмотрение реализаций этой проблемы выходит за рамки данной статьи.
5. В беспроводных системах довольно часто возникают ошибки, искажающие данные или приводящие к их потере. Для проводных систем это не является характерным, поэтому ошибки в них если и происходят, то весьма редко. В связи с этим в беспроводных устройствах необходимо реализовывать дополнительные подпрограммы, которые бы контролировали доставку данных и повторяли передачу пакета при его потере. В некоторых случаях эту работу берет на себя сам интерфейсный беспроводной модуль, однако такой функционал реализован далеко не во всех моделях.

Указанные факторы накладывают ряд ограничений как на сами беспроводные устройства, так и на архитектуру беспроводной системы в целом. Рассмотрим эти аспекты немного подробнее.

Архитектура системы

Накладываемые ограничения и условия распространения радиоволн позволяют реализовывать несколько вариантов архитектур беспроводных систем.

Общая коммуникационная система

Система с таким типом архитектуры показана на рис. 1. Эта архитектура подразумевает, что все устройства работают в пределах зоны радиовидимости с главной станцией, при этом не используются ретрансляторы. В таких системах могут быть использованы не все беспроводные модули. Для передачи данных от основной системы (слева) к целевой (один из абонентов справа) необходимо передать идентификационный номер приемного узла (EI), адрес назначения (DI) и затем передать собственно данные. Все приемники, чей аппаратный идентификационный код не совпадает с указанным в переданном пакете, его проигнорируют.

Рис. 1. Традиционная архитектура беспроводной системы сбора данных

Архитектура систем с большой протяженностью

Довольно часто встает проблема передачи данных на расстояние, большее, чем то, которое может обеспечить данная приемопередающая аппаратура. Связано это не столько с характеристиками самой аппаратуры (хотя и с ними в какой-то мере тоже), сколько с наличием жестких ограничений на допустимую излучаемую мощность, которая четко регламентирована для каждого частотного диапазона. Решением проблемы в таком случае может быть использование ретрансляционных станций в таком количестве, чтобы в сумме они покрывали требуемое расстояние (рис. 2). Необходимо отметить, что не все беспроводные модули могут работать в таком режиме. Для поддержки такой архитектуры системы модуль должен иметь специальный регистр, в котором хранится информация о маршруте.

Рис. 2. Архитектура беспроводных систем с большой протяженностью

В системе такого типа, в том случае, если ретрансляционные станции расположены не в ряд (рис. 3) и могут «видеть» друг друга, то возникает проблема неоднозначности выбора канала передачи. На рисунке показано, что данные от источника могут быть переданы целевой системе различными маршрутами. Поэтому если предварительно четко не задать маршрут, то возникнет неразбериха, в результате которой сеть может перестать функционировать из-за информационной перегрузки, вызванной коллизиями и многократным получением приемником одних и тех же данных. Другим вариантом может быть реализация на микроконтроллерах, управляющих беспроводными модулями, подпрограмм управления маршрутизацией на основе самоорганизации и выбора оптимального маршрута. Однако это задача далеко не тривиальная и позволить реализовывать ее можно только в крупном проекте. Если вы все-таки решите идти этим путем, то существуют уже готовые стеки, выполняющие такую работу, которые можно попытаться приобрести, либо необходимо использовать соответствующие программы, реализованные для других беспроводных технологий передачи данных.

Рис. 3. Проблемы наличия нескольких возможных маршрутов передачи данных

Подключение беспроводных модулей

Как правило, большинство беспроводных модулей для управления и обмена данными с управляющей системой используют стандартный интерфейс UART. Неважно, является ли модуль «прозрачным» с точки зрения данных или нет — это учитывается в программе управляющего устройства. В зависимости от его вида беспроводные модули должны подключаться различным образом. На рис. 4 показан случай, когда модуль встраивается в устройство и поэтому требует подключения к его внутреннему микроконтроллеру напрямую. В этом случае никаких дополнительных элементов не требуется и такое подключение может быть осуществлено напрямую. Необходимо лишь учитывать уровни логических сигналов на соответствующих линиях беспроводного модуля и микроконтроллера: они должны быть одинаковыми. Часто эти уровни совместимы с TLL. Когда у одного устройства уровни совместимы с TTL, а у другого — с CMOS, необходимо использовать микросхему преобразователей уровней TTL-CMOS, они не дороги, а на рынке представлена большая номенклатура таких устройств, их выпускают многие производители полупроводников.

Рис. 4. Подключение типового беспроводного модуля к микроконтроллеру устройства

Вторым вариантом является случай, когда беспроводной модуль выполнен как функционально законченное устройство, он помещен в отдельный корпус и требует подключения к целевой управляющей системе, в которой имеется интерфейс RS-232, например, к персональному компьютеру (рис. 5). В модуль встраивается преобразователь уровней TTL-RS232, проблем в выборе которых на данный момент также не возникает. В качестве интерфейсного разъема беспроводного интерфейса логично использовать стандартный 9-штырьковый разъем DB-9 вместе с нуль-модемным кабелем для подключения к управляющей системе (компьютеру).

Рис. 5. Подключение беспроводного модуля к управляющей системе через интерфейс RS232

 

Обзор ISM-модулей

Существует множество классификаций беспроводных модулей: по назначению, скоростным показателям, дальности, излучаемой мощности, массо-габаритным параметрам, степени готовности и т. д. Существует следующая классификация беспроводных модулей: приемные, передающие и приемопередающие (трансиверы). Где же применяется каждая из этих категорий модулей? Предположим наиболее распространенный вариант, когда диспетчеру необходимо контролировать некоторые параметры нескольких объектов. Тогда мы получаем типовую одностороннюю систему сбора данных, в которой в простейшем случае используется два типа беспроводных устройств. На объектах мониторинга установлен ряд датчиков, информация с которых собирается, некоторым образом обрабатывается, и по определенному протоколу (или без оного, что встречается реже) передается диспетчеру. При этом интерфейсная часть приборов, устанавливаемых на объектах мониторинга, содержит передатчики. Когда не требуется управлять параметрами таких точек сбора данных дистанционно или передавать какие-либо данные, интерфейсная часть приборов, устанавливаемых на объектах контроля, может содержать только передатчик. В диспетчерском оборудовании, наоборот, в такой системе требуется только прием информации с объектов, поэтому беспроводное оборудование содержит только приемник. Однако может возникнуть необходимость удаленно конфигурировать оборудование сбора данных и пересылать им какую-либо другую информацию, либо обеспечивать сбор данных путем поллинга соответствующих объектов, что снижает нагрузку на беспроводную инфраструктуру и добавляет существенную гибкость целевой системе. При этом все оборудование, как серверное, так и клиентское, должно содержать приемопередатчики, а к системе предъявляется ряд дополнительных требований. Например, если передача данных идет потоком в непрерывном режиме одновременно всеми объектами, то пропускная способность приемной части системы сбора данных должна равняться суммарной пропускной способности всех передатчиков объектов. Рассмотрим беспроводные модули, предлагаемые различными производителями.

Модули компании Circuit Design

Модуль CDP-RX-03AS

CDP-RX-03AS представляет собой узкополосный приемник, покрывающий диапазоны частот для устройств связи ближнего радиуса действия, в соответствии с рекомендациями ECC (рис. 6).

Рис. 6. Внешний вид модуля CDP-RX-03AS

Приемник реализован по схеме двойного супергетеродина с ФАПЧ, что дало возможность добиться очень высоких характеристик устройства: это высокая чувствительность, хорошая избирательность и частотная стабильность, которые не могут быть достигнуты при использовании простого ПАВ-резонатора или других, более дешевых схем (рис. 7). Модуль очень компактен и выполнен в защищенном металлическом корпусе. Высокая частотная стабильность и малая рассеиваемая мощность делают его удобным для использования в мобильных приложениях с автономным питанием.

Рис. 7. Структурная схема модуля CDP-RX-03AS

В приемнике использованы интегрированные уникальные фильтры на ПАВ, благодаря чему приемник способен работать в сложных электромагнитных условиях, где могут присутствовать сильные помехи от различных источников. Постепенное увеличение использования доступного частотного спектра требует использования в приложениях узкополосных беспроводных интерфейсов для того, чтобы добиться максимальной надежности и поддерживать на допустимом уровне нежелательное влияние на другие приборы, работающие в этом же ISM-диапазоне.

Модуль CDP-RX-03AS разрабатывался для работы в паре с передающими модулями CDP-TX-03S и CDP-TX-04S, однако приемник отлично работает и с другими передающими модулями.

Для возможности приема сигнала, частоты приемника и передатчика должны быть согласованы. Модуль CDP-RX-03AS выполнен в виде компонента для монтажа на печатную плату. К антенному входу на модуле может быть подключена простая антенна в виде проводника, либо печатная антенна.

Формат данных. Длинные интервалы битов «1» или «0» должны быть исключены. В успевающих битах может быть искажена ширина импульсов. Если последовательность битов «1» или «0» слишком длинна, то существует возможность того, что логический уровень выхода данных будет изменен. Максимальная ширина импульса для непрерывного сигнала «1» и «0» составляет 20 мс (что эквивалентно 96 битам) при скорости обмена данными 4800 бит/с. Минимальная ширина импульса составляет 208 мкс.

Для того, чтобы обеспечить надежную доставку данных, весьма полезно иметь преамбулу длиной 20 бит в виде последовательности 1010… перед началом пакета данных. В основном, при наивысшей скорости обмена данными (4800 бит/с) форма внутреннего сигнала искажается, и джиттер на выходе данных приемника увеличивается.

Выходы. Приемник содержит три выходных сигнала (AF, DATA и RSSI) и один управляющий вывод. Вывод AF представляет собой аналоговый выход, подключенный к выходу FM-детектора. DATA — это цифровой выход. Сигнал после AF проходит полосовой фильтр и компаратор. Для простой модуляции цифровых данных (например, FSK) может быть использован выход цифровых данных DATA. Этот сигнал может быть просто подан в другие цифровые узлы устройства для последующей обработки. Для снижения задержек и достижения максимальной чувствительности приемник не имеет внутренних цепей аттенюации принимаемого сигнала. Выводы AF и DATA показывают шум на выходе в те периоды времени, когда не принимается никакого сигнала. Корректные сигналы данных могут быть определены при помощи состояния вывода RSSI. Этот третий вывод представляет собой индикатор качества принимаемого сигнала. Он может быть использован для управления внешним аттенюатором. Управляющий вывод применяется для того, чтобы управлять напряжением питания Vcc для внутренних цепей.

Антенна. Для организации эффективной связи очень важным аспектом является выбор подходящей антенны с хорошими характеристиками, а также заземления как для приемника, так и для передатчика. Без использования качественной антенны невозможно передавать данные на большие расстояния. Приемник имеет вывод для подключения простой антенны, к которому может быть подключена любая UHF-антенна. Простейший способ подключения антенны к приемному модулю CDP-RX-03AS — припаять проводник длиной 86 мм (для диапазона 868 МГц) или 173 мм (для диапазона 434 МГц) напрямую к соответствующему штырьку на модуле. Если приемная антенна устанавливается вдали от приемного устройства, для ее подключения необходимо использовать антенный коаксиальный кабель 50 Ом. Оплетка этого кабеля должна быть соединена с корпусом модуля вблизи антенного выхода. Не рекомендуется (однако это возможно) подключать антенну к приемнику при помощи соединений на печатной плате. Это практически всегда приводит к ухудшению характеристик приемника. Во избежание проблем, связанных с ухудшением параметров приемника, следует придерживаться следующих простых правил:

• Подключать антенны только с импедансом 50 Ом. В этом случае согласование будет хорошим и потери на отражение сигнала будут минимальными.
• При использовании четвертьволновой штыревой антенны следует иметь в виду, что длина λ/4 = 173 мм для диапазона частот 434 МГц и λ/4 = 86 мм для диапазона частот 868 МГц.
• Антенну следует размещать вертикально, прямо под модулем или над ним.
• Необходимо следить, чтобы ни одна часть антенны не закрывалась металлическими предметами.
• Подключение корпуса передатчика к металлической поверхности большой площади реализует противовес, который увеличивает КПД излучения сигнала. Противовес не должен размещаться вблизи антенны.
• Тело человека может иметь эффект противовеса. Поэтому переносной передатчик для улучшения связи нужно держать в руке на максимальном удалении от тела.
• Наилучшее качество связи может быть достигнуто в том случае, когда приемная и передающая антенны находятся в зоне прямой видимости. Любые объекты на пути между антеннами, а особенно металлические, снижают максимально достижимую дальность связи.
• Необходимо помнить, что передаваемый сигнал может неоднократно переотражаться от металлических объектов и зданий, что может приводить к возникновению в данных ошибок вследствие наложения прямого и отраженного сигнала.

Основные технические характеристики прибора приведены в таблице 1.

Передающий и приемный модули CDP-TX-02N / CDP-RX-02N

Это уникальные компактные беспроводные модули для ISM-диапазона 434 МГц (рис. 8). Оба модуля — передающий CDP-TX-02N и приемный CDP-RX-02N — оснащены синтезатором частот с микропроцессором. Перекрываемый модулями частотный диапазон составляет от 433,875 до 434,650 МГц в 32 каналах, которые могут изменяться при помощи установленного на плате переключателя. Малый размер, низкое энергопотребление и возможность гибкого изменения частоты делают модули серии CDP-02N удобными для использования в приложениях, требующих работы в местах, где одновременно функционирует множество передатчиков. Приемный модуль обладает высокой чувствительностью и частотной стабильностью. Мощность передатчика может переключаться между 5 и 10 мВт. Кроме того, модули соответствуют стандартам на электромагнитную совместимость EN 300 220 и EN301 489.

Рис. 8. Внешний вид модулей CDP-TX-02N / CDP-RX-02N

Модуль передатчика CDP-TX-02N. Он представляет собой узкополосный FM-передатчик с ФАПЧ синтезатором и управляющим микроконтроллером, он характеризуется высокой стабильностью частоты и избирательностью каналов (рис. 9). Современная технология поверхностного монтажа позволила добиться малых размеров: CDP-TX-02N даже меньше, чем размеры спичечного коробка. В модуле используется узкополосная FM-модуляция (прямая FSK), которая позволяет эффективно использовать доступный радиочастотный спектр. Различные модули могут работать с шагом частотной сетки 25 кГц, в отличие от передатчиков, выполненных на базе ПАВ-резонаторов и использующих очень широкий частотный спектр. Модуль CDP-TX-02N может передавать любые входящие данные с уровнем 5 В в указанном частотном диапазоне. Аналоговые данные могут быть оцифрованы встроенным компаратором. После подключения источника питания передатчику требуется около 80 мс (90 мс для частоты 458 МГц), чтобы петля ФАПЧ замкнулась. После этого данные могут передаваться без дополнительного управления или синхронизации. Передача физически осуществляется при помощи гибкой штыревой антенны длиной λ/4, подключенной к модулю. Величина излучаемой мощности и место установки антенны оказывают влияние на ее диаграмму направленности. Установка большого металлического корпуса, подключенного к «земле» модуля, и антенна передатчика, размещенная в вертикальном положении за пределами металлического корпуса, приведут к снижению импеданса антенны и увеличат излучаемую мощность. Для достижения лучших параметров связи необходимо придерживаться правил, вытекающих из теории связи.

Рис. 9. Структурная схема модуля передатчика CDP-TX-02N

Модуль приемника CDP-RX-02N. Представляет собой приемник узкополосных FM-сигналов. Конструкция модуля выполнена по схеме двойного супергетеродина с ФАПЧ синтезатором частот (рис. 10). Управление осуществляется встроенным микроконтроллером, что позволяет добиться высокой чувствительности, хорошей избирательности и высокой стабильности частоты, недостижимых при использовании приемников, выполненных на базе простых ПАВ-резонаторов или других дешевых схем. В приемнике реализована система эффективных фильтров, благодаря которой приемник может успешно функционировать в сложной помеховой обстановке.

Рис. 10. Структурная схема модуля приемника CDP-RX-02N

В таблице 2 приведены основные технические характеристики приемных и передающих модулей серии CDP-02N.

STD-302

Модуль STD-302 (рис. 11) представляет собой узкополосный полудуплексный модуль, совместимый со стандартом EN 300 220/EN 301 489. Высококачественный трансивер разработан для использования в промышленных приложениях, требующих большой дальности, высоких технических характеристик и надежности.

Рис. 11. Внешний вид модуля STD-302

Рис. 12. Структурная схема модуля STD-302

Структурная схема модуля приведена на рис. 12. Модуль может работать в ISM-диапазоне 434 МГц и в европейском гармонизированном диапазоне 869 МГц. Все высокочастотные цепи модуля помещены в металлический экран, который обеспечивает отличную защиту от внешних механических воздействий, ударов и вибрации. Технология узкополосного обмена данными обеспечивает высокую защиту от помех и обеспечивает возможность одновременной работы нескольких модулей. STD-302 как раз и представляет такой узкополосный модуль с шагом частотной сетки 25 кГц, он обеспечивает, кроме всего прочего, высокую скорость переключения с приема на передачу (менее 5 мс), делая это устройство очень удобным для включения его в системы обратной связи. Мощность передатчика по высокой частоте для диапазона 434 МГц составляет 10 мВт.. Приемник модуля имеет высокую чувствительность: -199 дБм на частоте 434 МГц и -116 дБм в диапазоне 869 МГц. Габаритные размеры модуля приведены на рис. 13.

Рис. 13. Габаритные и присоединительные размеры модуля STD-302

MU-1

MU-1 — это маломощный радиомодем для встраивания в различное оборудование с целью обеспечения беспроводной передачи последовательных данных (рис. 14).

Рис. 14. Внешний вид модуля MU-1

В модуле реализована система простых команд, что позволяет разработчику сконцентрироваться на разработке передающих и принимающих протоколов данных, используя этот набор команд без необходимости заботиться об управлении компонентами собственно радиосистемы. Используется интерфейс UART с микроконтроллером или интерфейс RS232 для соединения с компьютером — как способ передачи передаваемых и принимаемых данных и команд, что дает возможность быстро разрабатывать устройства. MU-1 разработан для того, чтобы минимизировать сложности проектирования, связанные с высокой рабочей частотой. Этот модуль отвечает требованиям директив Европейского Союза. Структурная схема MU-1 приведена на рис. 15. Отличия его от других следующие:

• последовательные данные могут быть переданы простыми командами;
• широкий коммуникационный диапазон со стабильным функционированием;
• удобен для использования в аппаратуре с батарейным питанием (низкое напряжение питания и малый потребляемый ток);
• используется интерфейс UART, который присутствует во всех микроконтроллерах;
• вся высокочастотная часть разработана таким образом, чтобы стабильно функционировать независимо от качества проектирования печатной платы устройства, в которое встраивается беспроводной модуль;
• благодаря гибким параметрам связи на основе идентификаторов (идентификаторы прибора, группы, типа оборудования) могут быть реализованы сети со сложным взаимодействием.

• антенна помещена внутрь металлического корпуса;
• намотана вокруг корпуса модуля;
• рядом с антенной размещен участок «земляной» фольги на печатной плате;
• антенна укорочена.

Для модуля MU-1 должна использоваться штыревая антенна длиной 1/4λ. При использовании штыревых антенн очень важно заземление. Хотя основной блок модуля MU-1 имеет функцию «земли», для того, чтобы получить лучшие параметры связи, необходимо подключить экран большей площади, чем больше, тем лучше. Кроме того, при обмене данными между двумя фиксированными станциями, наклон штыревой антенны может несколько увеличить дальность и качество связи. Однако условия распространения радиоволн сильно зависят от конкретной местности, и поэтому необходимо проводить индивидуальные испытания для каждого случая в отдельности.

Системное проектирование. Модуль MU-1 может быть использован для создания коммуникационных систем вида 1:1 и N:N. Некоторые системы могут работать в одной и той же области покрытия при помощи использования методики разделения каналов. Им присваиваются идентификационные номера оборудования (Equipment ID), при этом допустимыми значениями являются все в диапазоне от 01h до FEh, всего в одну группу может быть включено максимум 254 модуля на базе MU-1. Для организации связи внутри группы (системы 1:1 и N:N) необходимо установить одинаковые идентификационные номера User ID и Group ID для всех устройств, включенных в данную группу. Если идентификатор назначения указывается на базовой управляющей станции (передающей), и идентификационный номер оборудования Equipment ID целевой станции (принимающей) совпадает, данные принимаются и подаются на выходной интерфейс модуля MU-1. На рис. 16 показана система 1:N, хотя можно создать любую систему размером N:N, в которой все абоненты имеют одинаковые параметры.

Рис. 16. Пример реализации системы вида 1:N

Модуль MU-1 способен работать в трех режимах:

1. Командный режим (стандартный режим работы).
2. Текстовый режим (для целей тестирования).
3. Бинарный режим (для целей тестирования).

Передача и прием данных обычно осуществляются в командном режиме. Именно его следует использовать в пользовательских приложениях. Текстовый и бинарный режимы обеспечивают специальные возможности тестирования, однако пользователь также может их использовать в своих приложениях для реализации ряда дополнительных функций.

Командный режим представляет базовый режим функционирования для отправки и принятия пользовательских данных через радиоинтерфейс. Команды модуля MU-1 состоят из команд для передачи и приема данных, а также команд для управления параметрами самого модуля MU-1. Управление радиомодулем осуществляется MU-1 автоматически, поэтому пользователю нет необходимости заботиться о выполнении работы в этом направлении. Когда данные принимаются, только корректно и полностью полученные пакеты передаются пользовательскому приложению в качестве отклика на событие получения данных. За один раз может быть отправлен пакет пользовательских данных объемом 255 байт.

Текстовый режим используется для проверки функционирования, при нем используется интерфейс RS232C и соответствующее программное обеспечение, например, стандартная программа HyperTerminal на персональном компьютере. Текстовые данные могут вводиться и выводиться напрямую. Этот режим очень удобен для передачи и приема символов, вводимых при помощи клавиатуры. Строка вводимых символов (максимальная длина которой составляет 255 символов) помещается в буфер, пока он не будет полностью заполнен 255-ью символами или не будет введена команда передачи данных. После одного из этих событий строка передается в эфир.

Бинарный режим используется для проверки функционирования модуля при помощи использования интерфейса RS232C и программного обеспечения, например, HyperTerminal. Все 8-битные коды от 00h до FFh могут быть переданы и приняты как данные. 255 байт бинарных данных могут быть введены и выведены напрямую одновременно. Строка вводимых символов (максимум 255 символов) буферизуется до тех пор, пока не будет введено 255 символов, либо пока не пройдет некоторый период времени, в течение которого не будет введено ни одного нового символа. После этого строка посылается в эфир.

Функционирование MU-1

Скорость беспроводной передачи данных модулем MU-1 фиксирована на значении 9600 бит/с. Заметим, что это отличается от скорости интерфейса UART (RS232C). Чтобы добиться связи, кроме пользовательских данных, пакеты данных включают фреймы с преамбулой, управляющие данные, данные для проверки на ошибки (рис. 17). По этой причине эффективная скорость беспроводной передачи полезных данных составляет 6800 бит/с. В последовательном интерфейсе модуля MU-1 используются линии аппаратного управления потоком данных RTS и CTS. Сигнал RTS представляет собой выходной сигнал от модуля MU-1 к пользовательскому приложению. Когда уровень сигнала RTS низкий, это означает, что модуль готов принимать данные. Когда уровень этого сигнала высок, внутренний буфер полон, и данные в этот момент не могут быть приняты. Сигнал CTS представляет собой входной сигнал, который поступает из пользовательского приложения; когда уровень сигнала CTS низкий, это означает, что модуль MU-1 может подать данные на выход. Пока же его уровень высок, модуль находится в состоянии ожидания.

Рис. 17. Структура фрейма, передаваемого в эфир

Переключение между командным и бинарным режимами осуществляется при помощи команды ‘@MD BI’ и затем установки на выводе MODE низкого уровня. Чтобы переключиться из бинарного режима в командный, необходимо на выводе MODE обеспечить высокий уровень напряжения. Для переключения между командным и текстовым режимом необходимо отправить команду ‘@MD TX’ и затем установить на выводе MODE низкий уровень сигнала. Для переключения обратно необходимо установить на выводе MODE высокий уровень. Кроме того, существует способ и переключения из текстового режима в командный без изменения уровня сигнала на выводе MODE: для этого необходимо послать модулю команду ESC (шестнадцатеричный код 1Bh).

Сразу после подачи напряжения питания, находящегося в диапазоне допустимого разброса, модулю MU-1 требуется 100 мс для выполнения внутренних операций. После этого временного промежутка он выходит в номинальный режим работы. Все команды, посланные до окончания этого интервала, восприняты модулем не будут. Следует также учитывать, что модуль MU-1 выдает отклик только на полностью корректные фреймы данных. Если же фрейм принят некорректно, MU-1 просто игнорирует его и никаких дополнительных действий не производит.

Модули компании TangRay Info-tech

Серия SRWF-501

Серия модулей SRWF-501 (рис. 18) представляет собой маломощные беспроводные модули трансиверов для организации обмена данными на небольших расстояниях. Модули характеризуются высокой миниатюрностью, малым весом и рассеиваемой мощностью. Кроме того, они обладают высокой стабильностью и надежностью.

Рис. 18. Внешний вид модуля SRWF-501

Модуль SRWF-501 является маломощным трансивером с мощностью передатчика по ВЧ 10 мВт (10 дБм). Он выпускается в вариантах для различных частотных диапазонов: 433 МГц (модель SRWF-501F433), 915 МГц (модель SRWF-501F915) и 868 МГц (модель SRWF-501F868). Основанная на модуляции GFSK, используется методика кодирования, которая обеспечивает высокопроизводительную прямую коррекцию ошибок. Это позволяет добиться высокой устойчивости к импульсным и случайным помехам. При этом может быть достигнута частота появления ошибок примерно 10^-5…10^-6 в то время, когда частота появления ошибок канала связи составляет 10^-2! Благодаря этому в большинстве случаев удается несколько увеличить реальное рабочее расстояние. Кстати, о расстоянии. Эти модули в условиях прямой видимости и монтаже модулей на высоте более 2 м от земли обеспечивают расстояние надежного обмена данными более 400 м (при частоте появления ошибок 10^-3 и битовой скорости 9600 бит/с), соответственно при скорости 1200 бит/с рабочая дистанция, на которой обеспечивается надежный обмен данными, превышает 700 м. При монтаже на высоте 3 м от поверхности земли первый показатель увеличивается до 500 м, а второй — до 800 м.

Модуль трансивера обеспечивает «прозрачный» интерфейс, благодаря чему можно использовать любой нестандартный протокол. Все ошибочные данные, появившиеся вследствие воздействия помех, фильтруются автоматически, то есть принимаются точно те данные, которые были отправлены. Стандартная конфигурация модуля обеспечивает 8 каналов. Если пользователю это необходимо, он может расширить ее до 16/32 каналов.

Удобным является то, что модуль имеет «на борту» два последовательных порта и три интерфейса: порт СОМ1 представляет собой интерфейс UART с уровнями TTL, а СОМ2 определяется пользователем либо как совместимый с RS232, либо с RS485 (выбор осуществляется установкой перемычки). Для многих приложений важным параметром является достаточный размер буфера. Этот модуль имеет большой объем буфера, что позволяет упростить действия разработчику устройства. Другим преимуществом модуля является интеллектуальное управление данными: пользователю не требуется писать дополнительные подпрограммы, все операции приема, передачи и управления осуществляются самим модулем автоматически. При этом при приеме средний потребляемый ток не превышает 20 мА, а при передаче — 40 мА. Кроме того, в модуле имеется режим энергосбережения, в котором потребляемый ток составляет менее 20 мкА. Габаритные размеры модуля показаны на рис. 19.

Рис. 19. Габаритные и присоединительные размеры модуля SRWF-501

Перечислим основные технические характеристики модуля:

• Режимы модуляции: GFSK/FSK.
• Диапазоны рабочих частот: 420,0…450,30 / 860…875 / 910…925 МГц.
• Мощность передатчика по ВЧ: 10 мВт (10 дБм).
• Чувствительность приемника: -115…-118 дБм.
• Число каналов: 8.
• Потребляемый ток в режиме передачи: не более 40 мА.
• Потребляемый ток в режиме приема: не более 20 мА.
• Потребляемый ток в режиме Sleep: не более 20 мкА.
• Скорость обмена данными по интерфейсу: 1200/2400/4800/9600/19 200 бит/с.
• Последовательный интерфейс: UART TTL/RS232/RS485 (настраивается пользователем).
• Напряжение питания: 3,0–5,0 В.
• Диапазон рабочих температур: -25…+80 С.
• Допустимая относительная влажность: 10…90% при условии отсутствия конденсации.
• Габаритные размеры: 47×26×10 мм.
• Дальность надежной связи: 800 м.

Модуль SRWF-1

Модуль SRWF-1 (рис. 20), как и рассмотренный выше, представляет собой маломощный трансивер для использования в беспроводных устройствах. В зависимости от требуемого частотного диапазона он выпускается в следующих модификациях: 433 МГц — SRWF-1F433, 915 МГц —SRWF-1F915, 868 МГц — SRWF-1F868. В зависимости от скорости обмена данными дальность надежной связи при условии прямой видимости антенн приемника и передатчика варьируется следующим образом:

• при высоте установки антенн более 2 м, BER=10-3@9600 бит/с дальность передачи составляет более 100 м;
• при высоте установки антенн более 2 м, BER=10-3@1200 бит/с дальность передачи составляет более 200 м;
• при высоте установки антенн более 3 м, BER=10-3@9600 бит/с дальность передачи составляет более 150 м;
• при высоте установки антенн более 3 м, BER=10-3@1200 бит/с дальность передачи составляет более 300 м.

Рис. 20. Внешний вид модуля SRWF-1

Габаритные размеры модуля равны 37,5×52,8×7 мм, диапазон допустимого напряжения питания — от 3,6 до 5,0 В; в остальном его характеристики аналогичны модулю SRWF-501.

Продолжение следует