Komponenty do łączności radiowej

Komunikacja – pojęcie mówiące o przesyłaniu informacji, niegdyś dotyczyło ono samego człowieka, obecnie obejmuje również maszyny i urządzenia. Rozwój komunikacji oraz wymiany danych wykształcił dwie możliwości wymiany danych: za pomocą medium (przewód elektryczny, magistrala etc.) lub bezprzewodowy (fale elektromagnetyczne). Obecnie nacisk w rozwoju środków komunikacyjnych kładziony jest na kwestie szybkości przesyłania danych, zasięgu, bezpieczeństwa, zużycia energii oraz współpracy z urządzeniami.

W czasach rozwoju IoT, przemysłu 4.0 oraz innych segmentów rynku elektronicznego komunikacja bezprzewodowa prężnie się rozwija dostarczając coraz nowsze rozwiązania oraz standardy. Obecnie dla każdej aplikacji w dowolnej dziedzinie bez większych problemów zostanie dobrany odpowiedni standard transmisji. Ponadto, dużo modułów oferuje komunikację z wykorzystaniem kilku protokołów lub częstotliwości. Wszystkie wymienione standardy stosowane są w określonych aplikacjach dopasowanych pod względem zalet modułów oraz wymagań aplikacji.

Firma Computer Controls ma w ofercie moduły komunikacyjne pracujące w różnych standardach, m.in. Sub-GHz, Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee Thread, 6LoWPAN. W artykule przedstawiono krótką charakterystykę każdego standardu z uwzględnieniem modułów oraz aplikacji dopasowanych pod względem wymagań.

Firma Silicon Laboratory dostarcza szeroki wybór modułów komunikacyjnych w standardzie Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee/Thread oraz na pasmo Sub-GHz. W tabeli 1 wymieniono dostępne rozwiązania dla standardu Bluetooth, uwzględniając podział modułów ze względu na wersję standardu oraz zastosowania.

Kolejnym powszechnie stosowanym standardem komunikacyjnym znajdującym się w asortymencie modułów firmy Silicon Labs są moduły Wi-Fi. Tabela 2 zawiera wykaz dostępnych modułów, charakterystyczne parametry oraz zastosowania aplikacyjne.

Silicon Laboratory jako jedna z głównych firm będąca promotorem organizacji ZigBee Alliance oraz Thread Group ma w portfolio zarówno moduły, jak i układy SoC pracujące w standardzie ZigBee/Thread. W tabeli 3 i tabeli 4 wymieniono moduły i układy SoC pracujące w oparciu o te standardy.

Dla bardziej wymagających aplikacji Silicon Labs udostępnia układy SoC mogące pracować z kilkoma standardami protokołów oraz przy różnych częstotliwościach (2,4 GHz i Sub-GHz).
Do częstotliwości ISM producent udostępnia protokoły komunikacyjne takie jak Wireless M-Bus, RAIL oraz Connect Stack. Protokół Wireless M-Bus jest przeznaczony do aplikacji systemów pomiarowych jak np. liczniki energii, natomiast RAIL oraz Connect Stack pozwalają na uzyskanie konfiguracji układów do pracy w sieci.

Firma ZMDI (obecnie IDT) ma w swoim portfolio moduł oparty o komunikację w sieciach 6LoWPAN (tabela 5). Producent udostępnia protokół komunikacyjny pozwalający na szybką konfigurację i pracę nad rozwojem aplikacji użytkownika, moduł znajdzie zastosowanie w aplikacjach wymagających większego poziomu bezpieczeństwa.

Każdy z opisanych standardów dostarczany zarówno przez Silicon Laboratory, jak i IDT ma zróżnicowane parametry komunikacyjne, funkcje oraz budowę (wymiary oraz rodzaj anteny). Różnice w budowie samych modułów również decydują o wyborze danego rozwiązania, jednym z głównych aspektów poruszanych przy wyborze jest rodzaj anteny. Producenci udostępniają moduły z wbudowaną anteną ceramiczną, złączem SMA/U.FL lub anteną drukowaną. Każdy z wyborów ma swoje zalety i wady zarówno ekonomiczne, jak i funkcyjne.

Wśród dostępnych rozwiązań anten projektant ma do wyboru:

* Anteny do wlutowania na płytce drukowanej charakteryzujące się:
  - Niskim kosztem oraz dobrym wykonaniem dla częstotliwości >868 MHz.
  - Małymi wymiarami dla dużych częstotliwości.
  - Dużymi wymiarami przy częstotliwości poniżej 433 MHz.
* Anteny ceramiczne, charakteryzujące się:
  - Małymi wymiarami.
  - Średnim kosztem wykonania.
  - Krótkim czasem wdrożenia do produkcji (Time To Market).
* Anteny typu bat, odznaczające się:
  - Dobrym wykonaniem.
  - Krótkim czasem wdrożenia do produkcji (Time To Market).
  - Relatywnie wysoką ceną w porównaniu z poprzednimi rozwiązaniami.
* Anteny kablowe, charakteryzujące się:
  - Bardzo niską ceną.
  - Łatwą produkcją ręczną.

Każde z powyższych rozwiązań anten PCB ma po kilka wersji, różniących się parametrami fizycznymi i technicznymi (kierunek promieniowania, zysk energetyczny etc.). Firma Silicon Laboratory udostępnia notę aplikacyjną AN782 zawierającą wskazówki doboru oraz projektowania anten drukowanych. Dla większości układów/modułów dostępne są dodatkowe dokumenty techniczne opisujące zalecenia przy projektowaniu hardware'u lub rozwoju oprogramowania.

Dla anten zewnętrznych dostępne są rozwiązania od firmy Raltron, producenta m.in. układów zegarowych OCXO, VCXO, TCXO. W zakresie anten producent ma do zaoferowania anteny (ceramiczne, ze złączami SMA, U.FL, FME) dla standardów ZigBee, Bluetooth, Wi-Fi oraz ISM. Więcej szczegółowych informacji na temat anten jest dostępnych na stronie producenta
http://www.raltron.com.

Opisane w artykule moduły komunikacyjne oraz standardy są najpopularniejszymi z obecnie używanych, zapoznanie się z kluczowymi aspektami takimi jak: zasięg, transfer danych, wielkość sieci, rodzaj sieci, etc., pozwala na wybór optymalnego rozwiązania i uniknięcie zbędnych kosztów. Podczas gdy projektowana sieć wymagać będzie elastyczności lub ma złożony charakter, projektanci mogą rozważyć zastosowanie modułów z kilkoma protokołami lub o kilku częstotliwościach pracy. Wybór rozwiązania do danej aplikacji zawsze zawiera kluczowe kwestie, które definiują parametry lub wymiary modułu, lub standardu sieci. Ważne, aby dokonać całościowej analizy funkcjonalnych aplikacji i uniknąć błędu np. przewymiarowania wybranego rozwiązania.

Firma Computer Controls zapewnia wsparcie techniczne, od etapu doboru standardu komunikacji, rozwiązania hardware'u po pomoc w kolejnych etapach rozwoju projektu, dając przy tym możliwość uzyskania wsparcia od producenta.

FAE Kamil Prus
kamil.prus@ccontrols.pl

Więcej informacji:

Computer Controls Sp. z o.o.
ul. Budowlanych 1, 43-300 Bielsko-Biała
tel.: +48 33 485 94 90, faks: +48 33 472 04 20
e-mail: info@ccontrols.pl, www.ccontrols.pl