Введение

Область применения недорогих и экономичных устройств беспроводной передачи чрезвычайно широка - это и дистанционное управление электроприборами, и сбор информации, и слежение за объектами и их идентификация, и многое другое. Потребность в таких устройствах существует практически во всех сферах жизнедеятельности человека, в т.ч. домашнее и коммунальное хозяйство, промышленные объекты, транспорт, медицина... По мере популяризации таких устройств возникли проблемы их несовместимости. С одной стороны, она проявлялось в невозможности взаимодействовать продукции разных производителей, с другой - работающие в непосредственной близости несовместимые устройства могли влиять друг на друга. Для устранения этих проблем был разработан стандарт IEEE 802.15.4, регулирующий правила построения физического и канального (МАС) уровней маломощных устройств низкоскоростной передачи данных на небольшом расстоянии (несколько десятков метров). Физический уровень по этому стандарту использует частотный диапазон 868/915МГц или 2,4 ГГц, и должен обеспечивать надежную передачу данных даже в условиях помех, создаваемых прочими РЧ устройствами. Существует несколько «надстроек» над стандартом IEEE 802.15.4 - это, например, протокол MIWI [1], разработанный компанией Microchip, а также, разработанный альянсом ZigBee одноименный протокол. Каждый из них реализует более высокие уровни протокола беспроводной связи по отношению к IEEE 802.15.4 - сетевой и прикладной уровни. ZigBee следует воспринимать не только как протокол связи, но и как стандарт, который создавался при содействии множества лидирующих компаний, а также при взаимодействии с группой разработчиков стандарта IEEE 802.15.4, поэтому, применение его в системах низкоскоростной беспроводной связи более предпочтительно.

Компания Texas Instruments (TI) выпускает несколько ИС для работы в диапазоне 2,4 ГГц, на основе которых возможна реализация трех вариантов решений, совместимых со стандартами IEEE 802.15.4 и ZigBee:

1) полностью однокристальное решение на основе системы на кристалле (SoC) CC2430 или СС2431, интегрирующее IEEE 802.15.4-совместимый трансивер диапазона 2,4 ГГц и усовершенствованный 8051-совместимый микроконтроллер (CC2431 отличается интегрированием дополнительного сопроцессора для локализации положения);

2) двухкристальное решение на основе ZigBee-процессора СС2480 и любого микроконтроллера (МК) из семейства MSP430;

3) двухкристальное решение на основе IEEE 802.15.4-совместимого трансивера СС2420/СС2520 и микроконтроллера MSP430.

Общими особенностями всех этих решений являются простота применения, экономичность, низкая стоимость и всесторонняя техническая поддержка. Также нужно выделить и их отличительные особенности: первое решение отличает наименьшее занимаемое на плате место и совместимость с системами разработки для МК 8051; второе решение наиболее простое в осуществлении, т.к. протокол ZigBee реализован на аппаратном уровне и разработчику не потребуется детальное его изучение; наконец, третьему решению свойственна минимальная стоимость комплектующих.

Решение на основе SoC СС2430 можно назвать компромиссным, когда есть потребность в минимизации себестоимости конечного решения без существенного увеличения затрат времени и средств на проектирование.

Знакомство с системой на кристалле СС2430

ИС СС2430 совмещает в одном кристалле IEEE 802.15.4-совместимый РЧ-трансивер СС2420 и флэш-микроконтроллер, ядро которого совместимо со стандартным ядром 8051 и отличается от него улучшенным быстродействием выполнения инструкций. ИС выпускается в трех исполнениях СС2430F32/F64/F128, различающиеся объемом флэш-памяти - 32/64/128 кбайт, соответственно. В остальном все ИС идентичны: все они поставляются в миниатюрном RoHS-совместимом корпусе QLP-48 с размерами 7х7 мм и обладают одинаковыми рабочими характеристиками (табл. 1).

Таблица 1. Основные характеристики СС2430  

Параметры	MIN	TYP	MAX	Условия измерения
Условия эксплуатации
Частотный диапазон [МГц]	2400	-	2483,5
Рабочий температурный диапазон [°С]	-40	-	85
Рабочее напряжение питания [В]	2,0	-	3,6
Скорость РЧ передачи [кбод]	-	250	-
Чувствительность приемника [дБм]	-	-92	-
Подавление соседнего канала (±5 МГц) [дБ]	-	41/30	-
Подавление соседнего канала (±10 МГц) [дБ]	55/53	-	-
Подавление соседнего канала (±15 МГц) [дБ]	55/53	-	-
Номинальная выходная мощность в режиме передачи [дБм]	-	0	-
Потребляемый ток
Микроконтроллера в активном режиме и РЧ тракта в режиме приема [мА]	-	27	-	Максимальная тактовая  частота МК (32 МГц)
Микроконтроллера в активном режиме и РЧ тракта в режиме передачи [мА]	-	27	-	Максимальная тактовая  частота МК (32 МГц), выходная РЧ мощность 0 дБм
В экономичном режиме PM2 [мкА]	-	0,5	-	Активный генератор частоты 32 кГц и SLEEP-таймер
В экономичном режиме PM3 [мкА]	-	0,3	-	Синхронизация отключена, активна схема сброса при подаче питания. Сохраняется возможность возобновления работы по прерыванию.
Временные характеристики
Переход из режима PM2/PM3 в активный [мкс]	-	120	-
Переход из режима приема в режим передачи [мкс]	-	192	-

 

 

Рис. 1. Структурная схема СС2430

Особенности встроенного микроконтроллера

Входящее в состав СС2430 8-битное процессорное ядро (рис. 1) совместимо по набору инструкций, модели памяти и системе прерываний со стандартным ядром 8051, а отличается от него множеством улучшений:

• для выполнения одного цикла инструкции требуется не 12 тактов синхронизации, как у стандартного ядра 8051, а всего лишь один такт;
• применена гибкая система синхронизации с возможностями программного выбора источника высокочастотной синхронизации (кварцевый генератор 32МГц или RC генератор 16МГц) и низкочастотной синхронизации (кварцевый генератор 32.768кГц или RC-генератор 32.753кГц);
• предусмотрены возможности энергосбережения, в т.ч. несколько режимов работы PM0...PM3, различающиеся степенью активности внутренних элементов, а, следовательно, и потребляемым током, и SLEEP-таймер, задающий длительность нахождения в экономичном режиме.
• возможность самопрограммирования флэш-памяти при условии выполнения загрузочной программы из внутреннего ОЗУ;
• обширное число встроенных устройств ввода-вывода (УВВ), в т.ч. 12-битный сигма-дельта АЦП, датчик температуры, два УСАПП, таймеры с возможностями генерации ШИМ-сигналов, МАС-таймер, AES-сопроцессор.
• контрольные элементы: супервизор питания и сторожевой таймер;
• контроллер ПДП: 5 независимых каналов, 3 программируемых уровня приоритета, 31 конфигурируемое событие, инициирующее передачу;
• 2-проводный отладочный интерфейс, предназначенный для программирования флэш-памяти и доступа к внутренней памяти и регистрам.

Особенности РЧ-трансивера

Как уже упоминалось, входящий в СС2430 РЧ трансивер полностью идентичен трансиверу СС2420. Трансивер характеризуется отличной избирательностью и блокирующими характеристиками (см. табл. 1), что дает ему возможность прекрасно сосуществовать с устройствами, работающих по другим РЧ стандартам, в т.ч. Bluetooth и WiFi. Трансивер характеризуется чрезвычайно простой схемой включения (рис. 2), что делает конечное решение более компактным и конкурентоспособным.

 

 

Рис. 2. Схема включения СС2430

В процессе передачи используется алгоритм расширения спектра DSSS.

Для передачи РЧ-сигнала может использоваться PCB-антенна или внешняя антенна. Использование внешней антенны обычно дает наилучшие результаты и используется, если проект не критичен к стоимости и имеет конструктивную возможность установки такой антенны. Если же антенна должна быть как можно более дешевой, даже в ущерб некоторым ее характеристикам, используют PCB-антенны. Варианты таких антенн представлены в таблице 2.

Таблица 2. Варианты PCB-антенн для СС2430

Наименование (документ с описанием)	Особенности	Конструкция
Инвертирующая F-образная PCB-антенна (DN007)	Обеспечивает стабильные характеристики при любой ориентации Макс. наблюдаемый передачи +3,3дБ Отражение меньше -15дБ Занимаемое место 25,7х7мм
Миниатюрная PCB-антенна (AN043)	Более компактная разновидность инвертирующей F-образной антенны Макс. наблюдаемый коэф. передачи +5,5дБ Занимаемое место 15,2х5,7мм
Дипольная PCB-антенна (AN040)	Самая простая схема подключения (2 индуктивности) Макс. наблюдаемый коэф. передачи +0,3дБ Занимаемое место 47х9мм

Оценка энергопотребления

Оценка энергопотребления ZigBee-устройства очень важна в применениях с батарейным питанием и позволяет выбрать емкость батареи питания, которая обеспечит непрерывную работу в течение заданного времени, или оптимизировать энергопотребление, если тип батареи питания определен заданием к проекту. Данная задача сводится к нахождению среднего потребляемого тока (IСР) в течение фиксированного интервала времени, равного сумме продолжительности активного и пассивного состояний. Зная средний потребляемый ток можно легко найти требуемую емкость батареи, умножив его величину в миллиамперах на требуемое количество часов непрерывной работы.

Для нахождения IСР можно использовать следующую методику:

1) определяем последовательность действий СС2430 в активном состоянии для выбранной конфигурации ZigBee-устройства (полнофункциональное устройство или неполнофункциональное) и сети (с передачей радиомаяка или нет);

2) для каждого из этих действий находим длительность и потребляемый ток. Для этого необходимо снять осциллограмму потребляемого тока по методике, представленной в [2];

3) находим энергопотребление для активного состояния в «мА х мс» путем суммирования произведений длительностей каждого из действий в активном состоянии на соответствующее им потребление;

4) зная длительность (Tп) и потребляемый ток (Iп) для пассивного состояния находим энергопотребление для этого состояния Iп х Tп, а затем, суммируя полученную величину с предыдущей (п. 3), находим общее энергопотребление;

5) делим полученное значение на длительность оцениваемого интервала времени - результат и есть искомое IСР.

Если для заданной емкости батареи не удается выполнить требование по непрерывной работе в течение требуемого интервала времени, необходимо снижать средний потребляемый ток, а наиболее эффективным средством для этого является увеличение длительности пассивного состояния.

Более подробно ознакомится с методикой оценки энергопотребления и изучить примеры расчетов можно в [3]. В частности, в статье приводится расчет энергопотребления СС2430 при использовании исходных кодов TIMAC (см. табл. 3).

Таблица 3. Обзор аппаратных и программных инструментальных средств для СС2430

Код заказа	Наимено- вание	Краткое описание	Особенности
Аппаратные инструментальные средства
CC2430DK	Набор для проектирования	Предназначен для разработки и тестирования РЧ-тракта и УВВ СС2430. Совместно с программой SmartRF® Studio позволяет контролировать чувствительность, выходную мощность и др. характеристики РЧ-тракта.	2 платы SmartRF04EB 2 оценочных модуля CC2430EM 2 внешние 2,4 ГГц-ые антенны 2 USB-кабеля Один 10-проводной шлейф для соединения SmartRF®04EB в качестве эмулятора с внешней целевой платой Си-компилятор IAR EW8051 с отладчиком C-SPY (30 дневные оценочные версии)
CC2430ZDK	Набор для проектирования	Предназначен для разработки ZigBeeTM систем на основе CC2430. Имеет возможности тестирования, демонстрации возможностей, макетирования и разработки кода программы ZigBee устройств для множества применений и различной степени сложности. В комплект входит программа Sensor Network Analyzer компании Daintree для анализа трафика в сети, состоящей из множества ZigBee-узлов.	2 платы SmartRF04EB (ЖКИ, миниджойстик, кнопки, светодиоды, порты USB и RS232) 2 оценочных модуля CC2430EM 5 демонстрационных плат CC2430DB Антенны и батарейки Си-компилятор EW8051 и отладчик C-SPY компании IAR (30-дневные оценочные версии) Исходные коды ZigBee-стека Z-Stack (TI) Программа Sensor Network Analyzer компании Daintree (лицензионная базовая версия и 30-дневные профессиональная и стандартная версии)
CC2430EMK	Оценочный набор	Позволяет анализировать с помощью программы SmartRF Studio прохождение пакетов между двумя ZigBee-узлами.	2 оценочных модуля CC2430EM 2 внешние 2,4 ГГц-ые антенны
OAD-EMK	Оценочный набор	Набор предназначен для оценки возможности Z-Stack по загрузке кода программы через РЧ-канал, что существенно упрощает обновление прошивки ZigBee устройств в условиях их эксплуатации	Плата с флэш-памятью, в которую предварительно записывается принятый через ZigBee-сеть код программы. По завершении приема этот код перезаписывается во флэш-память встроенного в СС2430 микроконтроллера Поддержка совместной работы с платами CC2430DB и SmartRF04EB
CC2430DB	Демонстрационная плата	Плата предназначена для оценки возможностей РЧ-интерфейса и встроенных УВВ СС2430. Плата идеальна для реализации сверхмаломощных ZigBee-устройств, которые должны работать от одного комплекта батарей несколько лет.	USB-порт для программирования PCB антенна Три способа питания: от порта USB, внешнее, 2 батарейки АА Точки подключения амперметра для контроля потребляемого тока Подключенные к МК компоненты на плате: миниджойстик, ЭСППЗУ (32 кбит), датчик ускорения, переменный резистор, фоторезистор, разъем отладочного интерфейса, красный и зеленый светодиоды, кнопка
SOC-BB	Плата батарейного источника	Плата предназначена для питания оценочных модулей от двух батареек типа AA. Дополнительно SOC, установленная в оценочном модулей, имеет возможность управлять 1 светодиодом и считывать состояние 1 кнопки.	Разъем подключения к оценочному модулю Разъем подключения двух батареек типа АА Разъем отладочного интерфейса SoC Разъем подключения к линиям ввода-вывода SoC 1 светодиод и 1 кнопка
Программные инструментальные средства
SMARTRFTM-STUDIO	Тестовая и конфигурационная программа, доступна на бесплатной основе на сайте TI	SmartRF® Studio - Windows-совместимая программа, предназначенная для тестирования и конфигурации РЧ ИС Chipcon. Рассчитана на совместную работу с оценочными платами. Помогает быстро ознакомиться с возможностями РЧ ИС и ускоряет начальные этапа проектирования.	Поддержка всех РЧ ИС из номенклатуры Chipcon Поддержка на одном ПК до 8 портов USB Тестирование канала связи, прием/передача пакетов Чтение/запись регистров Экспорт настроек регистров в Си-код
-	Программа Sensor Network Analyzer (SNA), включена в состав некоторых отладочных средств	Разработка компании DaintreeNetworks, предназначенная для тестирования, анализа и ввода в эксплуатацию ZigBee-сетей. Отличается графическим предоставлением информации о состоянии сети и ее компонентов, что существенно упрощает поиск ошибок.	Визуальное представление функционирования сети и устройств Средства анализа передаваемых пакетов Измерение характеристик сети, устройств и маршрутов Мониторинг работающей сети с возможностями записи для дальнейшего просмотра и анализа Поддержка сетей любой степени сложности
-	TIMAC, доступна на бесплатной основе на сайте TI	Исходные коды, реализующие МАС-уровень стандарта IEEE 802.15.4	Сертифицирован на соответствие стандарту IEEE 802.15.4-2003 Простота разработки приложений
-	Z-STACK, доступна на бесплатной основе на сайте TI	Исходные коды, реализующие ZigBee-протокол	Поддержка стандарта ZigBee-2006 Протестированы компилятором EW8051 v7.30B (IAR) Поддержка функции передачи кода программы по РЧ-каналу Примеры программ

Согласно расчету, в полнофункциональном режиме срок работы от двух аккумуляторов типа АА емкости 3100 мАч составляет 1,5 года, а в режиме с ограниченным функционированием - 41 год.

Поддержка проектирования

TI выпускает широкий ассортимент инструментальных средств для разработки различных IEEE 802.15.4- и ZigBee-совместимых применений на основе СС2430, в т.ч. оценочные и демонстрационные наборы, программное обеспечение для них, а также исходные коды, реализующие IEEE 802.15.4- и ZigBee-протоколы, и примеры программ. Обзор возможностей этих инструментальных средств приведен в таблице 3.

Таким образом, ИС СС2430 является идеальным выбором при необходимости реализации портативных и конкурентоспособных IEEE 802.15.4/ZigBee-совместимых устройств для широкого числа применений. Доступность разнообразных аппаратных и программных инструментальных средств позволит существенно сократить сроки реализации проекта и повысить качество процесса проектирования. Для проектов, нуждающихся в минимизации стоимости конечного решения или сроков проектирования, Texas Instruments предлагает отдельные наборы микросхем РЧ-трансиверов/процессоров и микроконтроллеров.

Литература

1. А. Сафронов. Стек протоколов MiWi^TM для беспроводных сетей//Новости электроники, 2007, ╧13, - С.29-36.

2. B. Selvig. Measuring Power Consumption with CC2430 & Z-Stack//Application Note AN053, Texas Instruments, TI lit. Lit.# swra144. - 17 p.

3. Zin Thein Kyaw, Chris Sen. Using the CC2430 and TIMAC for low-power wireless sensor applications: A powerconsumption study//Analog Applications Journal, Texas Instruments, Lit.# slyt295, 2Q 2008 - P. 17-19.

 

 

Получение технической информации, заказ образцов, поставка -
e-mail: wireless.vesti@compel.ru