В современной жизни, когда речь заходит о связи, все чаще подразумевается использование беспроводных соединений. Пример - радио- и сотовые телефоны или компьютерные сети. Несмотря на эту тенденцию, остается еще много автономных устройств с проводным соединением. Особенно это характерно для сенсорных приложений и устройств обеспечения безопасности. Широко известными стандартами связи являются Bluetooth и IEEE802.11 WLAN, обеспечивающие скорости передачи данных от средних до высоких, но не предназначенные для применения в устройствах со сверхнизким потреблением.

Протокол ZigBee основан на стандарте IEEE 802.15.4 RF и предназначен для применения в устройствах домашней автоматизации, которые обычно имеют автономное питание. Наиболее популярной сетевой топологией системы ZigBee является Mesh-топология (каждый с каждым). Она позволяет охватить большую площадь дома и обладает свойством динамической маршрутизации данных в сети. Нет необходимости в непосредственной связи передатчика и приемника, сообщение может пройти через множество маршрутизаторов. Достоинство этой сети в том, что она может переконфигурироваться в случае подключения к ней новых узлов или маршрутизаторов. Это позволяет сети самовосстанавливаться при удалении или отключении узлов. По сравнению с сетями с небольшими собственными пакетами, не поддерживающими ретрансляцию, в данной сети размер пакета по умолчанию больше. Для некоторых конечных изделий очень важна стандартизация. Однако это справедливо не для всего конечного оборудования. Собственная разработка более предпочтительна в устройствах обеспечения безопасности. В данной статье рассматриваются в основном системы собственной разработки и стандарты без ретрансляции, подобные Konnex-RF, имеющие более простые функции, и, следовательно, меньшие размеры пакета. При принятии решения об использовании определенного протокола необходимо определиться с частотным диапазоном. Частотный диапазон сильно зависит от законодательства, регулирующего целевые рынки.

Условия распространения радиоволн в диапазоне 868 МГц/915 МГц могут быть лучше, чем в диапазоне 2,4 ГГц. В данной статье внимание уделяется частотному диапазону менее 1 ГГц, но большая ее часть посвящена изделиям Texas Instruments с диапазоном 2,4 ГГц. В зависимости от используемой частоты, необходимо учитывать местное законодательство. В США действуют правила FCC, в Европе все регулирование осуществляет ETSI, рассматриваемые ниже. На рисунке 1 показаны ограничения, существующие на данный момент. Они касаются коэффициента заполнения и эквивалентной выходной мощности ERP. В то же время, выбор необходимого приемопередатчика определяется разнесением каналов. Приемопередатчик CC1100 компании Texas Instruments из линейки Chipcon предназначен для работы в многоканальном режиме, а приемопередатчик CC1021 оптимизирован для работы в узкополосном режиме. Новые правила ETSI снижают ограничения на ERP, но требуют применения метода «прослушивания канала» (listen before talk, LBT), т.е. передатчик должен проверить, свободен ли канал для исключения помех. Новое регулирование в диапазоне 868 МГц представлено на рисунке 2. Передатчики должны иметь минимальное время радиомолчания не менее 100 мс и минимальное время прослушивания tL=tp+tps, где tp =5 мс и является постоянной величиной, а tps выбирается случайным значением в интервале 0 мс < tps < 5 мс. Перед передачей сигнала подтверждения прослушивания канала не требуется. Максимальное время передачи должно составлять 1 с при длительности обмена не более 4 с. Даже в случае односторонней передачи метод LBT все равно предполагает наличие приемопередатчика. Приемопередатчик CC1100 обладает важными свойствами, которые предлагают не совсем простую, но в то же время экономически эффективную разработку. Мощные цифровые функции позволяют совмещать приемопередатчик с самым простым микроконтроллером.

 

Рис. 1. Распределение частот в диапазоне 868 МГц (EN 300 220 V1.3.1) 

 

Рис. 2. Распределение частот в диапазоне 868 МГц (EN 300 220 V2.1.1)

Благодаря низкому потребляемому току, который составляет 28,8 мА в режиме передачи при уровне выходной мощности +10 дБм, 15,6 мА в режиме приема и всего 400 нА в режиме выключения питания, приемопередатчик CC1100 может применяться в устройствах с автономным питанием. Кроме того, наличие форсированного режима передачи с высокой скоростью передачи данных по эфиру снижает общую потребляемую мощность. Автоматический дежурный режим приема с использованием перевода в рабочее состояние по факту обнаружения радиосигнала требует всего 1,8 мкА. Скорости передачи программируются в диапазоне от 1,2 кБит/с до 500 кБит/с, при этом чувствительность при скорости 1,2 кБит/с составляет -110 дБм. На рисунке 3 показано, что приемопередатчик CC1100 включает обработчик пакетов, который автоматически создает заголовок, вставляет или определяет слово синхронизации, проверяет адрес и осуществляет проверку целосности данных. Длина пакета может определяться пользователем. Приемопередатчик CC1100 по выводам и регистрам совместим с аналогичным приемопередатчиком на частоту 2,4 ГГц CC2500. Это намного облегчает разработку различных исполнений одного и того же прибора - одно для работы на частоте ниже 1 ГГц, другое для функционирования на частоте 2,4 ГГц.

 

Рис. 3. Структурная схема CC1100 

Рис. 4. Структурная схема беспроводного детектора дыма

В недалеком прошлом множество устройств измерения или обеспечения безопасности были основаны на применении аналоговой схемотехники. Сегодня наблюдается стремление все больше и больше использовать микроконтроллеры. Основным преимуществом подобных устройств является гибкость, недостижимая при применении устройств с жестко заданным набором функций. Семейство микроконтроллеров с ультранизким потреблением MSP430 компании Texas Instruments подходит для применения в интеллектуальных измерительных устройствах и устройствах обеспечения безопасности, благодаря широкому набору аналоговой периферии с одной стороны, и ультранизкой мощности потребления с другой стороны. Гибкая система синхронизации позволяет программно изменять тактовую частоту (максимум до 16 МГц) и предоставляет различные режимы пониженного энергопотребления, время перехода из которых составляет меньше 1 мкс (для MSP430F2xx, у других моделей не более 6 мкс). Эти микроконтроллеры также подходят для совместной работы с семейством беспроводных приборов Chipcon компании Texas Instruments, так как беспроводные компоненты имеют точно такой же диапазон напряжений питания и обладают очень низкой потребляемой мощностью.

Например, ИК-датчик движения очень просто реализовать на MSP430 со встроенным 16-ти разрядным сигма-дельта АЦП благодаря наличию усилителя с программируемым коэффициентом усиления. Поэтому нет необходимости во внешнем каскаде усиления. Следовательно, даже беспроводной датчик движения содержит всего два корпуса микросхем с минимальным количеством внешних элементов. Еще одним преимуществом является исключительно низкая потребляемая мощность, которая для данного устройства составляет в среднем менее 10 мкА. Дополнительная информация находится на интернет-сайте компании TI в рекомендациях по применению. Радиочастотные приемопередатчики Chipcon управляются по простому интерфейсу SPI, который легко реализовать во всех микроконтроллерах семейства MSP430. Другим примером применения может служить усовершенствованный датчик дыма. Большинство сигнализаторов дыма основано на использовании оптической камеры. При попадании дыма в камеру свет светодиода рассеивается и попадает на фотодиод, вырабатывающий выходной ток. Обычно этот ток преобразуется в напряжение с помощью усилителя с токовым входом, состоящего из одного или двух операционных усилителей.

Исходя из всего сказанного видно, что датчики на основе микроконтроллеров содержат достаточно большое количество компонентов. Для достижения экономически эффективных решений, использующих минимальное количество внешних элементов, недавно был создан микроконтроллер MSP430F22x4, включающий два внутренних операционных усилителя (ОУ). Эти ОУ можно программно подключить к АЦП (в режиме универсального, инвертирующего, неинвертирующего, компаратора, повторителя или дифференциального усилителя) или к внешнему выводу для использования ОУ как внешних компонентов. Рисунок 4 демонстрирует применение MSP430F22x4 в усовершенствованном беспроводном детекторе дыма. При использовании режимов пониженного потребления MSP430 нет необходимости использовать кварцевый резонатор.

Кроме более низкой стоимости и повышенной надежности, потребление в режиме ожидания составляет меньше 0,7 мкА. При приеме данных в момент нахождения MSP430 в режиме ожидания и даже в режиме отключения, биты не теряются, так как выход из режима пониженного потребления составляет меньше 1 мкс.

Для того, чтобы начать разработку аппаратной части радиоканала, необходимо скопировать исходный проект CC1100EM. В исходном проекте для бесплатного скачивания с сайта TI используется двухслойная печатная плата. Электрическая принципиальная схема и разводка печатной платы должны быть полностью повторены для обеспечения хорошей работы ВЧ-тракта. Особое значение имеет выбор элементов и топология соединения микросхемы ВЧ-тракта с антенной. Топология и значения элементов были тщательно выбраны и смоделированы для подтверждения хорошего согласования импеданса микросхемы с волновым сопротивлением антенны («блок согласования»), а также для корректного преобразования симметричного выхода микросхемы ВЧ тракта с несимметричной антенной («симметрирующий блок»). Развязывающие конденсаторы должны располагаться рядом с микросхемой ВЧ тракта. В разделе экономичных беспроводных устройств интернет-сайта TI находится несколько статей по разработке.

Разработка программного обеспечения должна начинаться с создания связи между MSP430 и приемопередатчиком Chipcon по интерфейсу SPI. Можно использовать преимущества библиотеки уровня аппаратной абстракции (HAL), доступной на интернет-сайте TI. Для приема и передачи пакетов данный модуль поддерживает функции аппаратного интерфейса низкого уровня (АЦП, таймер, SPI). Его можно использовать для всех существующих микроконтроллеров семейства MSP430 независимо от используемого интерфейса связи. Модуль поддерживает функции чтения и записи регистров (MSP430 совместно с CC1100 или CC2500) и содержит демонстрационный проект применения.

Разработав аппаратную конфигурацию и реализовав связь микроконтроллера и приемопередатчика, необходимо определить правильные значения регистров для установки радиоканала в исходное состояние. Для этого предназначен бесплатный пакет программного обеспечения Texas Instruments, имеющий название SmartRF Studio. В нем генерируется необходимая информация для конфигурации всех микросхем радиоканала Chipcon. Кроме того вычисляются значения внешних пассивных элементов. SmartRF Studio имеет возможность автоматического создания кода, позволяющая разработчику напрямую вставлять программные блоки на языке C в свои проекты. При использовании SmartRF Studio совместно с аппаратным обеспечением SmartRF 04EB и CC1100EM, можно управлять оценочными модулями (EM, например CC1100EM) с помощью ПК для выполнения простых проверок функционирования.

Среди инженеров существует мнение, что использование радиоканала сродни колдовству, особенно если они разрабатывают устройства на основе микроконтроллеров. Компания Texas Instruments предлагает высокоинтегрированные изделия, такие как линейка приборов Chipcon и микроконтроллеры MSP430. Для бесплатного скачивания доступно большое количество рекомендаций по применению, исходных проектов, программных средств и библиотек, некоторые из которых были упомянуты в данной статье. Все это обеспечивает простой и эффективный процесс разработки интеллектуальных устройств со связью по радиоканалу. Может ли путь создания новых беспроводных измерительных устройств и устройств обеспечения безопасности быть легче?

Вернуться к содержанию номера