Связь в ближнем круге. Бюджет «Простые вещи»

Еще совсем недавно беспроводные решения были дорогими и сложными в разработке. Они имели ограниченное применение в таких областях, как:

• системы охранной и пожарной сигнализации, датчиков уровня,
• контроль за перемещением объектов,
• дистанционное управление бытовой, промышленной и компьютерной техникой,
• реализация концепции «Умный дом».

Повышение степени интеграции микросхем, внутрикристальное решение проблем ЭМС, специфичных для компонентов радиоканала, облегчение внедрения даже специалистами, не имеющими существенного опыта в создании приборов и узлов радиосвязи — все это значительно расширило применимость беспроводной связи во многих приложениях. Одновременно со снижением стоимости, длительности и кропотливости процесса разработки снижение цены самих радиокомпонентов сыграло также решающую роль в применении беспроводной связи в такой недорогой и массовой продукции, как датчики охранной и пожарной сигнализации, простейшие исполнительные устройства (например, выключатель освещения или радиокнопка), автомобильные радиобрелоки, игрушки с радиоуправлением и т. п.

Рис. 1. Семейство QwikRadio широко применяется в системах автосигнализации

Компания Micrel предлагает компоненты для беспроводных решений ближнего радиуса действия, которые могут использоваться как в простейших бесконтроллерных датчиках (например, совместно с датчиками температуры Analog Devices TMP03-TMP06 с ШИМ-выходом), так и в устройствах передачи более сложных кодовых последовательностей (например, в средствах авторизованного доступа в контролируемые зоны, многоабонентных сетях датчиков со встроенными микроконтроллерами, в беспроводных клавиатурах, пультах дистанционного управления и т. д.).

Семейство QwikRadio, разработанное Micrel для недорогих приложений, включает однокристальные ASK/OOK приемники и передатчики для свободных от лицензирования диапазонов частот 433 МГц, 868 МГц и 915 МГц и расстояний до 100 метров (мощность передатчиков 0 дБм). Ключевыми преимуществами этого семейства, имеющими особо важное значение для массового производства приборов, являются низкая стоимость, минимальное количество компонентов обвязки (5–7 пассивных компонентов), компенсация их погрешностей и эффекта «близкой руки».

Семейство QwikRadio разработано специально для работы с дешевой петлевой антенной, которая может быть выполнена печатным способом. Эффект «близкой руки» компенсируется встроенными средствами. Удачное реше ние этой проблемы обеспечило очень широкое применение компонентов семей ства, например, в автомобильных радио брелоках.

На этапе серийного производства отлаженные в разработке узлы радиотракта не требуют наладочных операций благодаря «ноу-хау» компании Micrel — технологии компенсации погрешностей внешних компонентов. Благодаря применению этой технологии снижаются требования к точности и стабильности внешних компонентов, что также служит снижению стоимости конечных изделий.

С целью облегчения внедрения компонентов Qwik Radio, Micrel предоставляет полную конструкторскую документацию на узлы приемников и передатчиков для каждого компонента семейства. Ее можно использовать как для производства отдельных радиомодулей приемников и передатчиков, так и переносить отлаженную топологию печатной платы в собственное устройство [1]. Производителем предложена также интерактивная CAD мини-система «It’s OOK to ASK» QwikRadio Design Software [2].

Рис. 2. Интерактивная среда проектирования QwikRadio

Ответив на ряд вопросов о планируемых параметрах будущего приемного узла и условий его работы, пользователь получает наименование микросхемы рекомендуемого приемника или передатчика, принципиальную схему узла и рассчитанные номиналы всех компонентов обвязки для заданных условий. Этого достаточно для создания макета будущего устройства в минимальные сроки.

Рис. 3. Модуль передатчика на основе MICRF102BM

Приемники QwikRadio поддерживают работу в одном из двух режимов: в режиме сканирования диапазона частот (Swee p mode) или в режиме фиксированной частоты (Fixed mode).

В режиме сканирования диапазона приемник работает как анализатор спектра шириной до 4,8 кГц. С высокой скоростью, в несколько раз превышающей скорость потока данных, он «просматривает» диапазон, выделяет и интегрирует максимумы сигнала. Тем самым обеспечивается сохранение параметров канала связи, даже если несущая частота передатчика изменяется в полосе шириной до 4,8 кГц (или до ±0,5% от номинала несущей частоты, что эквивалентно разбросу фактических значений частот резонаторов приемника и передатчика ±170 ppm) вследствие воздействия температуры окружающей среды, старения или нестабильности частотозадающих компонентов. Поэтому при работе в режиме сканирования, возможно применение дешевых керамических резонаторов и других пассивных компонентов обвязки с обычной точностью и стабильностью.

В режиме работы на фиксированной частоте чувствительность и избирательность приемника имеют лучшие значения, а применение более точных и стабильных компонентов может существенно улучшить надежность и дальность связи — до 200…250 метров при максимальной скорости обмена.

На рис. 4(а, б) изображены типовые схемы включения передатчика MICRF102 (а) и приемника MICRF010(б).

Рис. 4а. Типовая схема включения передатчика MICRF102

Рис. 4б. Типовая схемы включения приемника MICRF010

Управление передатчиком и приемником семейства QwikRadio очень простое. Входной сигнал передатчика и приемника — это импульсный сигнал с коэффициентом заполнения от 20% до 80%. По существу, они являются аналоговыми радиокомпонентами, работающими с сигналами логических уровней. В отличие от большинства других компонентов цифровой беспроводной связи, QwikRadio не требуют конфигурирования внутренних регистров, все параметры работы устанавливаются аппаратно аналоговыми уровнями на соответствующих контактах. Поэтому источником входного сигнала может быть как микроконтроллер, так и многие типы неинтеллектуальных и недорогих датчиков с ШИМ-выходом.

Очень привлекательной по стоимости и универсальной по функциональности для простых оконечных устройств может оказаться пара контроллер NEC uPD78F922 2 (структурная схема микроконтроллера приведена на рис. 5) и приемник с улучшенной до — 104 дБм чувствительностью MICRF009 (или MICRF010 — версия того же приемника для режима с фиксированной частотой в корпусе SO8) или передатчик MICRF102 (MICRF104 — версия со встроенным DC/DC преобразователем для диапазона напряжения питания от 1,8 до 4,0 В).

Рис 5. Структурная схема микроконтроллера uPD78F9222

Контроллер NEC uPD78F9222 [3] содержит 4-канальный АЦП с разрешением 10 бит, бит-управляемые порты общего назначения, встроенный тактовый генератор, узел сброса по питанию, программируемый узел контроля за снижением питания, LIN-совместимый интерфейс UAR T и многое другое. Необходимо отметить, что стоит этот микроконтроллер, при столь внушительных возможностях, дешевле одного доллара США даже при розничных закупках. Кроме того, программное обеспечение (включая среду разработки на язы ке Си) доступно бесплатно, а недорогой (30 евро оценочный комплект [4] может быть в дальнейшем использован в качестве внутрисхемного программатора.

В заключение хотелось бы отметить, что спектр приложений, в которых применяются компоненты семейства QwikRadio российскими разработчиками, довольно быстро расширяется благодаря уникальному сочетанию их основных преимуществ — малой стоимости, простоты внедрения и достаточной функциональности.