Partnerstwo bezprzewodowe cz.1. Układy scalone do transmisji danych w paśmie ISM

52 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2009 WYBÓR KONSTRUKTRA Partnerstwo bezprzewodowe Układy scalone do transmisji danych w paśmie ISM Partnerstwo bezprzewodowe (1) Rys. 1. Częstotliwości nielicencjonowanego pasma ISM w Europie i USA oraz ich interakcje z podstawowymi pasmami używanymi w telekomunikacji Współczesny rynek komponentów elektronicznych oferuje ogromną ilość rozwiązań przeznaczonych do konstrukcji torów komunikacji bezprzewodowej drogą radiową. Są to zarówno gotowe moduły wykonane w technologii grubowarstwowej, jak i specjalizowane układy scalone. Liczba dostępnych technik połączeń, protokołów komunikacyjnych i wersji może przyprawić konstruktora o zawrót głowy. Intencją podanych niżej informacji jest pomoc konstruktorowi elektronikowi w wyborze rozwiązania najlepiej dopasowanego do jego potrzeb. Serię trzech artykułów zaczynamy od przeglądu monolitycznych układów scalonych przeznaczonych do konstrukcji nadajników, odbiorników i transceiverów pracujących w paśmie ISM (434, 868 i 2400 MHz). Dostęp do pasma ISM (Industrial ? Scien- ti?c ? Medical) reguluje Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 24.10.2005 r. Zgodnie z nim urządzenia krótkiego zasięgu zwolnione są z konieczności uzyskiwania zezwoleń na ich użytkowanie. W Europie użytkowane są trzy częstotliwości: 434 MHz, 868 MHz, 2,4 GHz (rys. 1). Zastosowania tej ostatniej kojarzone są przede wszystkim z sieciami WiFi (802.11), ale nie jest to jedy- ne jej przeznaczenie. Zwykle urządzenia używające częstotli- wości 433 MHz mają największy zasięg, na- wet do kilkunastu kilometrów. Konstruktor dokonujący wyboru musi mieć jednak świa- domość, że zasięgu nie da się rozpatrywać w oderwaniu o całej drogi sygnału tj. bilansu energetycznego toru radiowego. Wadami są stosunkowo nieduża liczba kanałów i ogólna dostępność tego pasma, a przez to duże za- kłócenia w paśmie. Podobne funkcjonalnie są rozwiązania układowe wykorzystujące pa- smo 868 MHz, jednak propagacja dwukrotnie krótszej fali radiowej jest inna i utrudniona w porównaniu z 434 MHz. Podobna sytuacja jest przy wykorzystaniu nośnej 2,4 GHz. Niżej prezentujemy układy scalone prze- znaczone do budowy nadajników, odbiorni- ków i systemów komunikacji dwukierunko- wej. Skrócone prezentacje produktów oraz tabele zestawiające ich parametry pozwolą zorientować się w gąszczu oferty rynkowej i dokonać właściwego wyboru. Analog Devices Firma Analog Devices, produkuje sze- reg bardzo ciekawych układów scalonych przeznaczonych do różnorodnych zastoso- wań, nie tylko na pasmach ISM. Skrócony wykaz oferowanych układów zawiera tab. 1. W ofercie AD są nadajniki, odbiorniki i trans- ceivery na różne pasma i częstotliwości. Charakterystyczne jest to, że wiele układów pracuje z wykorzystaniem tak szerokiego za- kresu częstotliwości, że mogą być używane do różnych zastosowań. Typowym przedsta- wicielem układów transceiverów pracują- cych w paśmie ISM (434 lub 868 MHz) jest ADF7020. Dodatkowe materiały na CD 53ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2009 Układy scalone do transmisji danych w paśmie ISM Rys. 2. Typowa aplikacja układu ADF7020 Tab. 1. Zestawienie układów nadawczo ? odbiorczych małej mocy produkcji Ana- log Devices Typ Pasmo [MHz] RX/TX Moc [dBm] Czułość [dBm] Maks. prędkość transmisji [kb/s] Uwagi ADF7010 902?928 Nie/Tak ?16?+12 ? 76,8 TSSOP-24 ADF7011 433?435, 866?870 Nie/Tak ?16?+12 ? 76,8 TSSOP-24 ADF7012 50?1000 Nie/Tak ?16?+14 ? 179,2 TSSOP-24 ADF7020 431?478, 862?956 Tak/Tak ?16?+13 ?119 200 TSSOP-48 ADF7020-1 135?650 Tak/Tak ?16?+13 ?119 200 TSSOP-48 ADF7021 80?650, 862?950 Tak/Tak ?16?+13 ?130 32,8 Wąskopasmowy, TSSOP-48 ADF7021-N 80?650, 842?916 Tak/Tak ?16?+13 ?130 32,8 Wąskopasmowy, TSSOP-48 ADF7025 431?464, 862?870, 902?928 Tak/Tak ?16?+13 ?108 384 TSSOP-48 ADF7901 369,5?395,9 Nie/Tak +5?+14 ? 32,8 TSSOP-24 ADF7902 369,5?395,9 Tak/Nie ? ?110 2 TSSOP-24 ADF7020 jest transceiverem pracującym w paśmie 431?478 MHz lub 862?956 MHz. Może wysyłać i odbierać dane z maksymal- ną prędkością 200 kb/s (używając modula- cji FSK). Układ obsługuje następujące typy modulacji: GFSK, FSK, ASK, OOK, GOOK. Moc sygnału wyjściowego jest regulowana w zakresie ?16?+13 dBm (0,025?20 mW), z krokiem 0,3 dB. Czułość odbiornika za- leżna jest od wyboru prędkości transmisji i rodzaju modulacji. Maksymalna czułość to ?122 dBm przy modulacji FSK i prędkości 1 kb/s. Układ wyposażony jest we wskaź- nik mocy sygnału odbieranego (RSSI), który pozwala upewnić się co do jakości połącze- nia pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem. Mimo iż wejście i wyjście toru radiowego są rozdzielone, to układ umożliwia pracę tylko w trybie półdupleksu. Przełącznik nadawa- nie/odbiór jest zintegrowany w strukturze i sterowany przez mikrokontroler. Układ ma wbudowane wszystkie nie- zbędne do funkcjonowania obwody i wyma- ga tylko kilku komponentów zewnętrznych: rezonatora kwarcowego (generatora często- tliwości odniesienia dla PLL), kondensatora sprzężenia VCO, ?ltra dopasowującego ob- wód wejściowy układu do anteny oraz ?ltra pętli PLL (rys. 2). Interfejs łączący transce- iver z mikrokontrolerem rozdzielono na dwa kanały: jeden z nich to główna droga trans- misji sygnału a drugi, to kanał kontrolny, słu- żący do wprowadzania nastaw. Uproszczony schemat podłączenia ADF7020 do mikrokon- trolera przedstawiono na rys. 3. Układ zasilany jest stosunkowo niskim napięciem 2,3?3,6 V, co predysponuje go zwłaszcza do urządzeń zasilanych z baterii. Maksymalny pobór prądu w trybie odbioru to 19 mA, natomiast przy nadawaniu z ty- powo stosowaną mocą +10 dBm (10 mW) to 26,8 mA. Po wyłączeniu układu (nóżka CE) pobór prądu jest mniejszy od 1 mA. Podobnym do ADF7020 jest ADF7025, który oferując tylko jeden typ modulacji sy- gnału FSK, umożliwia transmisję danych z prędkością aż do 384 kb/s. Ciekawostką jest wyposażenie ich w 7-bitowy przetwornik A/C połączony z diodą półprzewodnikową, dzięki której można odczytać temperaturę struktury układu. Ogromny wręcz zakres częstotliwości, bo od 50 MHz aż do 1 GHz obejmuje układ nadajnika ADF7012. Moc sygnału promienio- wanego to maksymalnie +14 dBm (15 mW). Atmel Firma Atmel oferuje szereg układów sca- lonych przeznaczonych do realizacji różnego rodzaju aplikacji. Do transmisji wykorzysty- wana jest modulacja AM lub FM, a oferta ?rmy pokrywa praktycznie całe pasmo ISM. Atmel oferuje również układy scalone mi- krokontrolerów z wbudowanym modułem radiowym. Skrócony wykaz układów ofero- wanych przez ?rmę zawiera tab. 2.Rys. 3. Połączenie ADF7020 z mikrokontrolerem (np. ADuC84x) 54 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2009 WYBÓR KONSTRUKTRA Tab. 2. Zestawienie układów nadawczo ? odbiorczych małej mocy produkcji Atmel Typ Pasmo [MHz] RX/TX Moc [dBm] Czułość [dBm] Maks. pręd- kość transmisji [kb/s] Uwagi ATA5423 312,5?317,5 Tak/Tak 10 ?116 20 QFN-48 ATA5823 313?316 Tak/Tak 10 ?116 20 QFN-48, pełny dupleks ATA5425 342,5?347,5 Tak/Tak 10 ?116 20 QFN-48 ATA5428 431,5?436,5; 862?872 Tak/Tak 10 ?116 20 QFN-48, pasmo Europejskie ATA5824 433?435, 867?870 Tak/Tak 10 ?116 20 QFN-48, pełny dupleks ATA5429 912,5?917,5 Tak/Tak 10 ?116 20 QFN-48 ATR2406 2400 Tak/Tak 4 ?93 1152 QFN-32 ATA5756 313?317 Nie/Tak 6 ? 40 TSSOP-10 ATA5757 432?448 Nie/Tak 6 ? 40 TSSOP-10 ATA8401 310?350 Nie/Tak 7,5 ? 50 TSSOP-8L ATA8402 429?439 Nie/Tak 7,5 ? 50 TSSOP-8L ATA8403 868?928 Nie/Tak 7,5 ? 50 TSSOP-8L ATAM862 310?330 Tak/Tak 8 b.d. 32 4-bitowy mikrokontroler z modułem radiowym i pamięcią Flash, SSO-24, dostępne także na inne pasma częstotliwości ATAR862 310?330 Tak/Tak 10 b.d. 4-bitowy mikrokontroler z modułem radiowym z pamięcią ROM i EEPROM, SSO-24, dostępne także na inne pasma częstotliwości ATA8201 313?317 Tak/Nie ? ?114 20 QFN-24 ATA8202 433?435 Tak/Nie ? ?113 20 QFN-24 ATA5743 300?450 Tak/Nie ? ?104 10 SSO-20, ASK/FSK ATA5760 868?870 Tak/Nie ? ?113 10 SO-20 ATA5761 902?928 Tak/Nie ? ?113 10 SO-20 ATA5744 300?450 Tak/Nie ? ?110 10 SSO-20, ASK Przedstawicielem rodziny transceive- rów przeznaczonych do pracy na paśmie 434 MHz, jest układ scalony typu ATA5824. Jest to kompletny układ nadawczo-odbiorczy i tym ciekawszy, że mający możliwość pracy nie tylko w półdupleksie, ale także z pełnym dupleksem. W niewielkiej, bo mającej wy- miary 7×7 mm obudowie QFN48 producent zamknął całkiem spore możliwości. W struk- turze zamknięte są wszystkie obwody wy- magane do pracy, to jest w.cz., generator VCO z pętlą PLL , ?ltr pętli PLL, przełącz- nik nadawanie/odbiór, demodulator, pamięć RAM i interfejs SPI pracujący z maksymalną prędkością 500 kb/s. Układ może pracować z modulacją ASK lub FSK. W tym pierwszym trybie maksy- malna prędkość transmisji danych to 10 kb/s, natomiast w tym drugim 20 kb/s. ATA5824 może być używany w zakresach częstotli- wości 433?435 MHz i 867?870 MHz. Dla zabezpieczenia transmisji producent wypo- sażył układ w bufor FIFO. Oprócz tej funk- cji daje to również dołączonemu mikrokon- trolerowi czas np. na wykonanie operacji związanych z deszyfracją danych. Maksy- malna moc nadajnika to +10 dBm (10 mW), ustalana za pomocą zewnętrznego rezystora z krokiem co 0,5 dB. Maksymalna czułość odbiornika to ?116 dBm. Układ wyposażony jest w miernik mocy sygnału odbieranego (RSSI), który pozwala aplikacji upewnić się co do jakości połączenia. Napięcie zasilania układu to 2,15?3,5 V lub 4,4?5,25 V, co predysponuje go zarówno do aplikacji zasi- lanych z baterii, jak i do urządzeń stacjonar- nych. Pobór prądu w stanie wyłączenia jest mniejszy niż 10 nA. Na rys. 4 pokazano przykładowy sche- mat układu pracującego z pełnym duplek- sem. W tej aplikacji układ ma rozdzielone wejścia RF_IN i RF_OUT, do których podłą- czono dwie anteny paskowe. Texas Instruments Firma Texas Instruments kupiła od nor- weskiej ?rmy Chipcon prawa do produkcji układów scalonych przeznaczonych do ko- munikacji radiowej. Zaowocowało to wpro- wadzeniem przez TI do oferty nowocze- snych układów znanych szerokiemu gronu użytkowników jako Chipcon. Nowe układy (oznaczane jako CC) są znacznie lepsze, niż oferowane wcześniej przez TI TRF6900/ TRF4900. Owszem, były to układy o sporych możliwościach, lecz skomplikowane w pro- gramowaniu i wymagające wielu elementów zewnętrznych. Układy transceiverów produkowane przez TI rozpoczyna dobrze znany CC1000. Jest to zintegrowany transceiver na pasma 315, 433, 869 i 915 MHz. Zaprojektowano go do aplikacji przemysłowych, zdalnego odczytu danych, bezprzewodowych czujni- ków itp. Oferuje niewielką prędkość transmi- sji danych, ale rekompensuje to wyjątkowo niskim poborem prądu. Firma TI produkuje również odpowiednik CC1000 wyposażony w rdzeń MCS51 ? CC1010. Podobną archi- tekturę, lecz ukierunkowaną na ograniczenie zajętości pasma radiowego, mają transceiver CC1020 i nadajnik CC1070. W obu ukła- dach, szerokość zajmowanego pasma jest programowana. Oferują one wybór pomię- dzy szerokością zajmowanego pasma, a prze- pływnością kanału radiowego. Nową generację układów na pasmo do 1 GHz zapoczątkował układ CC1100. Cha- rakteryzuje je większa szybkość transmisji 55ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2009 Układy scalone do transmisji danych w paśmie ISM co predysponuje je nie tylko do urządzeń stacjonarnych, ale również tych o zasilaniu bateryjnym. Oprogramowanie dostępne jest na stro- nie internetowej ?rmy Texas Instruments. Przygotowano je na platformę SoC pracują- cą w paśmie do 1 GHz (CC1110) i 2,4 GHz (CC2510). Dostępna jest również wersja przeznaczona dla mikrokontrolera MSP430 współpracującego z układem CC1100 lub CC2500. Wśród układów Chipcon można znaleźć również takie przeznaczone do pra- cy w sieci ZigBee (CC2420 i CC2430). Nordic Semiconductor Układy ?rmy Nordic Semiconductor, produkowane pod oznaczeniem nRF, cha- rakteryzują się bardzo dobrymi parametra- mi toru radiowego. Producent zadbał także o to, aby układy były łatwo programowane, co znacznie skraca czas potrzebny na uru- chomienie łącza radiowego. Użytkownik nie musi ustawiać żadnych parametrów pracy toru za wyjątkiem numeru kanału oraz mocy nadajnika. Rejestry związane z nastawami PLL, VCO, LNA i im podobne, będące często zmorą konstruktorów wykorzystujących inne rozwiązania, po prostu nie istnieją. Dużym ułatwieniem dla konstruktora jest zaimplementowany przez ?rmę Nordic tryb ShockBurst. W tym trybie układ steru- jący wysyła do buforów modułu dane z taką prędkością, jaka jest dla niego wygodna. Po zapełnieniu bufora (maksymalnie 32 bajty) moduł sam oblicza sumę kontrolną, dodaje adres odbiorcy oraz preambułę. Następnie włączany jest nadajnik i cały blok danych z maksymalną prędkością 100 kb/s (dla pasm 433 i 866 MHz) lub 2 Mb/s (2,4 GHz) wysy- łany jest do odbiornika. Podobny proces ma miejsce przy odbiorze danych. Moduł samo- dzielnie odrzuca preambułę, sprawdza po- prawność adresu oraz sumę kontrolną, a do systemu nadrzędnego przekazywane są wy- łącznie poprawnie odebrane pakiety danych. Oba opisywane wyżej rozwiązania docenią wszyscy ci, którzy mieli kiedykolwiek do czynienia z implementacją poważnego za- dania transmisji z zastosowaniem modułów oferujących wyłącznie link radiowy. Zestawienie podstawowych informacji o parametrach elektrycznych i użytkowych układów oferowanych obecnie w sieci dys- trybucyjnej znajduje się w tab. 4. Pierw- szym układem wprowadzonym do masowej produkcji był nRF0433, który już nie jest oferowany. Wyroby oferowane przez ?rmę wskazują na trend zmierzający w stronę sto- sowania pasma 2,4 GHz. Aktualnie ?rma zaleca stosowanie dla pasm 433/868/915 MHz transceiverów nRF905 i nRF9E5. Oba układy są transceive- rami jednoukładowymi wyposażonymi we wszystko, co jest wymagane aby zbudować tor radiowy: syntetyzer częstotliwości radio- Rys. 4. Aplikacja układu ATA5824 ?rmy Atmel umożliwiająca transmisję w trybie pełnego dupleksu Rys. 5. Schemat aplikacji układu CC1110 ?rmy Texas Instruments danych uzyskiwana dzięki wprowadzeniu nowych typów modulacji ? GFSK i MSK (obok stosowanych wcześniej FSK i OOK, które nadal są obsługiwane). Firma nie za- pomniała również o dodaniu rdzenia MCS51 do układu CC1100, wprowadzając do oferty układy SoC (System On Chip) pod oznacze- niem CC1110 (rys. 5) i wyposażony w inter- fejs USB ? CC1111. Jako kolejne w ofercie TI pojawiły się układy na pasmo 2,4 GHz o prędkości transmisji zwiększonej do 800 kb/s. Układy CC2500, CC2510, CC2511 i CC2550, to od- powiednio: tani transceiver, SoC z rdzeniem MCS51, SoC z rdzeniem MCS51 i interfej- sem USB, i układ nadajnika. Podstawowe parametry układów przestawiono w tab. 3. Dlaczego warto skorzystać z oferty Te- xas Instruments? Układy CC to elementy uniwersalne o ogromnych możliwościach. Producent udostępnił dla nich darmowe oprogramowanie o nazwie SimpliciTI umoż- liwiające szybką realizację prostej sieci bez- przewodowej. Do pracy program wymaga jedynie 500 B pamięci RAM i tylko 4 kB pa- mięci programu. W zamian za zawłaszczone zasoby umożliwia budowę sieci peer-to-peer, sieci w topologii gwiazdy i pozwala na sto- sowanie repeater-ów. Elementami takiej sie- ci mogą być urządzenia podzielone na pięć typów: Access Point (AP), Repeater (RE), Sle- eping Device (SD), Device (D), TX-Only De- vice (TD). Oprogramowanie wykonane jest w sposób zapewniający niski pobór mocy, 56 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2009 WYBÓR KONSTRUKTRA Tab. 3 Podstawowe parametry układów z oferty Texas Instruments Typ Pasmo [MHz] RX/TX Moc [dBm] Czułość [dBm] Maks. prędkość transmisji [kb/s] Uwagi CC1000 300?1000 Tak/Tak 10 ?110 76,8 28DIESALE/28TSSOP CC1010 300?1000 Tak/Tak 10 ?110 76,8 SoC z rdzeniem MSC51, 28DIESA- LE/28TSSOP CC1020 402?470, 804?940 Tak/Tak 10 ?118 154 Transceiver wąskopasmowy, 32QFN/32VQFN CC1070 402?470, 804?940 Nie/Tak 10 ? 154 Transceiver wąskopasmowy, 20QFN CC1100 300?348, 400?464, 800?928 Tak/Tak 10 ?110 500 20QFN CC1101 300?348, 387?464, 779?928 Tak/Tak 10 ?111 20QFN CC1110F32 300?348, 391?464, 782?928 Tak/Tak 10 ?110 500 SoC z rdzeniem MSC51, 32 kB Flash/4 kB RAM; dostępne rów- nież inne wersje CC1111F32 300?348, 391?464, 782?928 Tak/Tak 10 ?110 500 SoC z rdzeniem MSC51 i USB, 32 kB Flash/4 kB RAM; dostępne również inne wersje CC1150 300?348, 400?464, 800?928 Nie/Tak 12 ? 500 16QFN CC2400 2400?2483 Tak/Tak 0 ?101 700 48QFN CC2500 2400?2483 Tak/Tak 1 ?104 500 20QFN CC2510F32 2400?2483,5 Tak/Tak 0 ?103 500 SoC z rdzeniem MSC51, 32 kB Flash/4 kB RAM, 36QFN CC2511F32 2400?2483,5 Tak/Tak 0 ?103 500 SoC z rdzeniem MSC51 i USB, 32 kB Flash/4 kB RAM, 36QFN CC2550 2400?2483 Nie/Tak 1 ? 500 16QFN CC2420 2400?2483,5 Tak/Tak 0 ?92 250 48QFN CC2430 2400?2483,5 Tak/Tak 0 ?92 250 SoC przystosowany do ZigBee, 128 kB Flash/8 kB RAM, 48QFN CC2520 2394?2507 Tak/Tak 5 ?98 250 28QFN, układ transceivera ZigBee 2. generacji wych, odbiornik z demodulatorem, wzmac- niacz mocy, generator kwarcowy i modula- tor. Układ wyposażono w 14-bitowy rejestr kon?guracji, programowany za pomocą portu SPI. Konieczność programowania tego układu wynika z jego ogromnej uniwersal- ności i przystosowania do pracy we wszyst- kich typowych pasmach radiowych, z czym wiąże się konieczność dostosowania mocy wyjściowej, dopuszczalnej szerokości kanału i jego lokalizacji w każdym z pasm. Schemat elektryczny najprostszego, lecz w pełni war- tościowego transceivera na pasmo 433 MHz, wykonanego na układzie nRF905, pokazano na rys. 6. Jak łatwo zauważyć, z punktu wi- dzenia użytkownika układ nRF905 jest kom- pletnym interfejsem radiowym spełniającym rolę identyczną do układu MAX232 w łączu przewodowym opartym na RS232. W stosunku od oferowanego wcześniej układu nRF403, producent znacznie skrócił czas przełączania pomiedzy trybami nadawania i odbioru, który teraz jest mniejszy od 650 ms (dawniej sięgał 2 ms). Podobnie jak poprzednik, układ pracuje w trybie półdupleksu. Układy mogą pracować zasilane napięciem 1,9?3,6 V, dzięki czemu doskonale nadają się do aplikacji zasilanych bateryjnie. Bez strat powodowanych przez dodatkowe układy sta- bilizatorów, czy przetwornic w obwodzie za- silania, są w stanie wykorzystać całą dostępną energię zmagazynowaną w baterii zasilającej. Silicon Laboratories W lipcu 2008 ?rma Silicon Labs kupi- ła przedsiębiorstwo Integration Associates, a wraz z nim technologię produkcji układów EZRadio. Układy EZRadio mają jedną, szczególną cechę: są tak łatwe w użyciu, że doskonale nadają się nie tylko do budowy modułów radiowych, o których opowiada ten artykuł, ale również do umieszczenia na płytce dru- kowanej własnego urządzenia. Jedną z pod- stawowych cech układu jest bowiem integra- cja wewnątrz struktury wszystkich członów części w.cz., dzięki czemu do budowy kom- pletnego bloku transmisji danych drogą ra- diową, potrzebne są tylko trzy kondensatory odprzęgające zasilanie, rezonator kwarcowy 10 MHz (niezależnie od używanego pasma) i antena, którą można wykonać jako ścieżkę na płytce drukowanej. Pozwala to nie tylko na oszczędność elementów, ale również cza- su potrzebnego na konstrukcję i dostrojenie toru w.cz. oraz eliminuje źródło błędów, któ- re wprowadzają elementy RLC stosowane w rozwiązaniach oferowanych przez kon- kurencję. Dodatkowo, obwód rezonansowy anteny jest automatycznie dostrajany (patent producenta), co eliminuje konieczność wy- konywania strojenia podczas produkcji. Nie- jako przy okazji zyskuje się przy tym opty- malną transmisję sygnału w.cz. w różnych warunkach otoczenia i długoletnią stabil- ność parametrów, pomimo starzenia się ele- mentów i zmian warunków funkcjonowania toru radiowego. Przykład aplikacji układu Si4420 przedstawiono na rys. 7. Częstotliwość nośna ustalana jest pro- gramowo. Użytkownik ma możliwość wy- boru dowolnej częstotliwości w obrębie jed- nego z czterech pasm: 315 MHz, 434 MHz, 868 MHz i 915 MHz. Pętla PLL ma możli- wość szybkiej zmiany częstotliwości dzięki zaimplementowanej technice frequency hop- ping. Symetryczne wejście/wyjście antenowe umożliwia podłączenie i użytkowanie ante- ny ramowej wykonanej jako nadruk na płyt- ce drukowanej. Nie ma konieczności stoso- wania jakichkolwiek elementów dopasowu- jących. Dodatkowo, producent udostępnia dokumentację techniczną zawierającą wzory różnych anten: od miniaturowych pętli po duże, wnoszące pewien zysk energetyczny struktury, jak i dokumentacje układów desy- metryzatorów umożliwiających podłączenie anten asymetrycznych o impedancji 50 V. Układ EZRadio może pracować w jed- nym z dwóch trybów. W pierwszym wy- magane jest zastosowanie mikrokontrolera, w drugim jego rolę może pełnić pamięć ROM. Wewnętrzny kontroler układu może pobrać wszystkie dane kon?guracyjne niezbędne do 57ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2009 Układy scalone do transmisji danych w paśmie ISM pracy z pamięci zewnętrznej. W systemach z mikrokontrolerem, układ EZRadio może jednocześnie pełnić rolę generatora sygna- łu taktowania i zerowania. Niskie napięcie baterii zasilającej sygnalizowane jest przez wyjście, które może pełnić funkcję sygnału żądania obsługi przerwania. Do współpracy z mikrokontrolerem przeznaczony jest inter- fejs SPI. Układy EZRadio wykorzystują modula- cję OOK i FSK, natomiast EZRadio Pro FSK/ GFSK i OOK. Przepływność kanału radiowe- go jest zależna od używanej modulacji i wa- ha się w granicach 40?256 kb/s. Typowo zasięg układów EZRadio to 100 m w terenie niezabudowanym i około 40 m wewnątrz budynku, przy maksymalnej mocy promieniowanej 9 dBm (8 mW). Ukła- dy z serii EZRadio Pro mają nieco większy zasięg, a to dzięki dużej czułości wejścio- wej (?118 dBm) i mocy promieniowanej do 13 dBm (20 mW). Zestawienie podstawo- wych parametrów układów zawiera tab. 5. CML W ofercie ?rmy CML znajdziemy układ CMX990 będący modemem wspierającym transmisję pakietową oraz CMX992 będą- cy rozwiązaniem toru radiowego. Ponadto w ofercie ?rmy jest szereg układów wspiera- jących konstruktora przy budowie zaawan- sowanych torów radiowych. Są to procesory radiowe i układy do systemów mobilnej łącz- ności radiowej. Widać, że ?rma specjalizuje się w rozwiązaniach, które niekoniecznie uważane są za popularne i ogólnie dostęp- ne. W tym opisie skupimy się na układzie CMX992, który wydaje się być najbliższym interesujących nas aplikacji na pasmo ISM. Jest to odbiornik, którego zakres częstotliwo- ści pracy pokrywa pracy pokrywa wszystkie pasma ISM poniżej częstotliwości 1 GHz i rozciąga się od 100 MHz do 1 GHz. Układ przeznaczony jest do pracy zarówno w sys- temach analogowych, jak i cyfrowych. Jego architektura wspiera wiele różnych typów modulacji, które potencjalnie mogą w nich być używane i dlatego też jego aplikacja nie jest tak prosta, jak układów przeznaczonych do obsługi jednego rodzaju transmisji. Na rys. 8 przedstawiono schemat blokowy, któ- ry lepiej pozwoli zrozumieć sposób zastoso- wania CMX992. W strukturze układu zamknięto mie- szacz, demodulator odbiornika, generator częstotliwości pośredniej (VCO z pętlą PLL). Tryby pracy wybierane są przez użytkowni- ka i dzięki temu układ może spełniać różne wymagania aplikacji. Mieszacz odbiornika ma dwa wyjścia, które umożliwiają zasto- sowanie dwóch zewnętrznych ?ltrów czę- stotliwości pośredniej, zależnie od wyboru użytkownika. Sygnał z mieszacza podawa- ny jest następnie na wejście wzmacniacza Tab. 4. Podstawowe parametry układów nRF Typ Pasmo [MHz] RX/TX Moc [dBm] Czułość [dBm] Maks. prędkość transmisji [kb/s] Uwagi nRF24U1+ 2400 Tak/Tak 4 ?94 2000 SoC (8051) + USB 12 Mb/s, QFN32 nRF24LE1 2400 Tak/Tak 4 ?94 2000 SoC (8051), QFN24/32/48 nRF24L01+ 2400 Tak/Tak 4 ?94 2000 SoC (8051), QFN20 nRF24L01 2400 Tak/Tak 4 ?85 2000 SoC (8051), + USB, QFN32 nRF24Z1 2400 Tak/Tak 4 ?80 4000 SoC do aplikacji audio; wspiera QoS, I2 S, SPDIF, SPI, 2-Wire (kompatybilne z I2 C) nRF905 433/868/915 Tak/Tak 10 ?100 100 QFN32L nRF9E5 433/868/915 Tak/Tak 10 ?100 50 SoC (8051) z ADC, QFN32 nRF24E2 2400 Tak/Tak 0 ?90 1000 Nie zalecany do nowych konstrukcji! nRF24E1 2400 Tak/Tak 0 ?90 1000 Nie zalecany do nowych konstrukcji! nRF2402 2400 Nie/Tak 0 ? 1000 QFN16 nRF2401A 2400 Tak/Tak 0 ?93 1000 QFN24 nRF903 403/868/902?928 Tak/Tak 10 ?104 76,8 Nie zalecany do nowych konstrukcji! nRF401 433 Tak/Tak 10 ?105 20 Nie zalecany do nowych konstrukcji! nRF403 315/433 Tak/Tak 10 ?105 20 Nie zalecany do nowych konstrukcji! Rys. 6. Schemat aplikacji układu nRF905 58 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2009 WYBÓR KONSTRUKTRA Tab. 5. Zestawienie układów EZRadio produkcji Silicon Labratories Typ Pasmo [MHz] RX/TX Moc [dBm] Czułość [dBm] Maks. prędkość transmisji [kb/s] Uwagi Si4020 315/434/868/915 Nie/Tak 2,0;0,0 ? 256 TSSOP16; 2,2?5,4 V; krok PLL 2,5?7,5 kHz Si4021 434/868/915 Nie/Tak 6,3;4,0 ? 256 TSSOP16; 2,2?5,4 V; krok PLL 2,5?7,5 kHz Si4022 868/915 Nie/Tak 6,3;4,0 ? 115 TSSOP16; 2,2?5,4 V; krok PLL 20 kHz Si4320 315/434/868/915 Tak/Nie 256 TSSOP16; 2,2?5,4 V; krok PLL 2,5?7,5 kHz Si4322 868/915 Tak/Nie 256 TSSOP16; 2,2?5,4 V; krok PLL 20 kHz Si4420 315/434/868/915 Tak/Tak 2,0;1,6 256 TSSOP16; 2,2?5,4 V; krok PLL 2,5?7,5 kHz Si4421 315/434/868/915 Tak/Tak 3,2;5,0 115 TSSOP16; 2,2?5,4 V; krok PLL 2,5?7,5 kHz Si4030 900?960 Nie/Tak 6,3?20 128 QFN16 Si4031 240?930 Nie/Tak 6,3?20 128 QFN16 Si4032 240?930 Nie/Tak 13?100 128 QFN16 Si4330 240?930 Tak/Nie ? 128 QFN20, czułość ?118 dBm (FSK@2 kb/s), ?110 dBm (OOK@4,8 kb/s) Si4430 900?960 Tak/Tak 6,3?20 128 j.w. Si4431 240?930 Tak/Tak 6,3?20 128 j.w. Si4432 240?930 Tak/Tak 13?100 128 j.w. o regulowanym wzmocnieniu i szerokopa- smowy obwód do pomiaru poziomu sygnału wspierający funkcję automatycznej kontroli wzmocnienia. Na wyjściu odbiornika uzy- skuje się sygnał o wybranej częstotliwości pośredniej. Układ dostępny jest w obudowie VQFN-48. Cypress Firma Cypress oferuje szereg różnych układów scalonych przeznaczonych do łączności radiowej, lecz głównie do zasto- sowania w peryferiach komputerów osobi- stych. Skrócony wykaz jej produktów za- mieszczono w tab. 6. Warto zauważyć, że ?rma obok układów scalonych oferuje rów- nież kompletne moduły radiowe. Wszyst- kie produkty Cypressa pracują w zakresie 2400?2483 MHz wykorzystując nielicen- cjonowane pasmo 2,4 GHz. Na rys. 9 przed- stawiono reprezentanta rodziny produktów, CYFR7936. Układ CYFR7936 jest układem radio- wym małej mocy przeznaczonym do ener- gooszczędnych aplikacji embedded. W po- łączeniu z mikrokontrolerem PSoC ?rmy Cypress i oprogramowaniem CyFi Network przeznaczonym dla niego, układ może być stosowany do budowy kompletnego systemu sieci radiowej posługującego się protokołem komunikacyjnym CyFi. Oczywiście nie wy- klucza to innych obszarów zastosowań. Jak deklaruje sam producent, CYFT7936 jest przeznaczony do budowy połączeń radiowych pracujących na częstotliwości 2,4 GHz (98 kanałów o szerokości 1 MHz). W strukturze układu zaimplementowano kompletny modem radiowy o maksymalnej przepływności kanału radiowego 1 Mb/s (GFSK), bufory FIFO, mechanizmy pakieto- wej transmisji danych i ramkowania pakie- tów, układy kontroli i pomiaru mocy sygnału użytkowego. Producent wyposażył układ w interfejs SPI, który może być taktowany zegarem 4 MHz. Ciekawostką jest fakt, że układ umożli- wia odbiór danych o jakiejkolwiek obsługi- wanej prędkości transmisji. Umożliwia to konstrukcję systemów, w których dane prze- syłane są w różnych urządzeń używających różnych prędkości transmisji, jak również implementację systemów o prędkości trans- misji dopasowującej się dynamicznie do mocy odbieranego sygnału. Układ Cypressa wyposażono w układ za- rządzania zasilaniem (PMU), który pozwala na jego podłączenie bezpośrednio do baterii o napięciu 1,8?3,6 V oraz zasilanie ukła- dów zewnętrznych, takich jak np. sterujący transceiverem mikrokontroler. In?neon In?neon produkuje trzy grupy układów radiowych ISM: nadajniki, odbiorniki i transce- ivery. Odbiorniki na pasma ISM produkowane Rys. 7. Aplikacja układy Si4220 z rodziny EZRadio przez ?rmę In?neon wyposażono w superhe- terodynowe tory odbiorcze, dzięki czemu ich selektywność i czułość są wysokie. Odbiornik TDA5200 może pracować w pasmach 434 i 868 MHz. W strukturze układu producent zin- tegrował cały tor odbiorczy, łącznie z syntezą częstotliwości, wzmacniaczem częstotliwości pośredniej demodulatorem ASK oraz obwo- dami formującymi wyjściowy sygnał danych. Wyposażono go w wejście umożliwiające sprzę- towe przełączenie go w tryb obniżonego poboru mocy, w którym układ pobiera nie więcej niż 100 mA. Maksymalna zalecana przez producen- ta prędkość transmisji danych wynosi 4 kb/s. 59ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2009 Układy scalone do transmisji danych w paśmie ISM Tab. 6. Zestawienie układów ?rmy Cypress Typ Pasmo [MHz] RX/TX Moc [dBm] Czułość [dBm] Maks. prędkość transmisji [kb/s] Uwagi CYRF69103 2400?2483 Tak/Tak +4 ?97 1000 QFN40 wyposażony w USB1.x CYRF69213 2400?2483 Tak/Tak +4 ?97 1000 QFN40; wyposażony w USB2.0 CYRF6936 2400?2483 Tak/Tak +4 ?97 1000 QFN40; SoC CYRF7936 2400?2483 Tak/Tak +4 ?97 1000 QFN40; transceiver CYWM6934 2400?2483 Tak/Tak 0 ?90 62,5 Moduł CYWM6935 2400?2483 Tak/Tak 0 ?95 62,5 Moduł CYWMUSB6934 2400?2483 Tak/Tak 0 ?90 62,5 QFN48; nie zalecany do nowych kon- strukcji CYWMUSB6935 2400?2483 Tak/Tak 0 ?90 62,5 QFN48; nie zalecany do nowych kon- strukcji CYWMUSB6953 2400?2483 Tak/Tak 0 ?95 62,5 QFN48; nie zalecany do nowych kon- strukcji Rys. 8. Schemat blokowy układu CMX992 produkcji CML Rys. 9. Schemat blokowy układu CYFR7936 60 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2009 WYBÓR KONSTRUKTRA Tab. 7. Zestawienie układów ?rmy In?neon Typ Pasmo [MHz] RX/TX Moc [dBm] Czułość [dBm] Maks. prędkość trans- misji [kb/s] Uwagi TDA5200 434/868 Tak/Nie ? ?107 4 PG-TSSOP-28, jednokan., ASK TDA5210 434/868 Tak/Nie ? ?107 4 PG-TSSOP-28, jednokan., ASK/FSK TDA5220 434/868 Tak/Nie ? ?106 4 PG-TSSOP-28, jednokan., ASK/FSK TDA5230 434/868 Tak/Nie ? ?108 20 PG-TSSOP-28, wielokan., ASK/FSK TDA7200 434 Tak/Nie ? ?106 4 PG-TSSOP-28, jednokan., ASK/FSK TDK5100 434/868 Nie/Tak 5 ? 20 PG-TSSOP-16, jednokan., ASK/FSK TDK5100F 434 Nie/Tak 5 ? 20 PG-TSSOP-10, jednokan., ASK/FSK TDA7100 434 Nie/Tak 5 ? 20 PG-TSSOP-10, jednokan., ASK/FSK TDK5110 434/868 Nie/Tak 10 ? 20 PG-TSSOP-16, jednokan., ASK/FSK TDK5110F 434 Nie/Tak 10 ? 20 PG-TSSOP-10, jednokan., ASK/FSK TDK5116F 868 Nie/Tak 10 ? 20 PG-TSSOP-10, jednokan., ASK/FSK TDK7110 434/868 Nie/Tak 10 ? 20 PG-TSSOP-16, jednokan., ASK/FSK TDA5250 868 Tak/Tak 9 ?109 64 PG-TSSOP-38, jednokan., ASK/FSK TDA5255 434 Tak/Tak 9 ?109 100 PG-TSSOP-38, jednokan., ASK/FSK Nieco większe możliwości oferuje użyt- kownikom odbiornik TDA5210, który jest kompatybilny pod względem wyprowadzeń z układem TDA5200, ale może odbierać także sygnały FSK. Podstawowe cechy i możliwości tego układu są takie same jak TDA5200. Oby- dwa opisane odbiorniki wyposażono w we- wnętrzne komparatory (slicery) służące do ekstrakcji z toru odbiorczego sygnału danych, przy czym poziom odniesienia dla kompa- ratora jest generowany automatycznie. Taki sposób pracy komparatora jest możliwy także w kolejnym odbiorniku TDA5220, ale dodatko- wo przewidziano możliwość ?usztywnienia? wartości napięcia referencyjnego, co pozwala w niektórych przypadkach zwiększyć maksy- malną prędkość transmisji danych (nawet do 100 kb/s). Typowa maksymalna prędkość trans- misji danych wynosi 4 kb/s. Znacznie większą uniwersalnością cechują się układy TDA5230 (rodzina SmartLEWIS), ponieważ wyposażono je w możliwość zmiany częstotliwości odbiera- nego kanału bez konieczności zmiany wartości elementów zewnętrznych oraz zaawansowany tor obróbki odbieranego sygnał, którego zada- niem jest wyekstrahowanie z odbieranych da- nych poprawnych ramek. Układ wyposażono również w bufor FIFO i interfejs SPI. TDA5230 ma mechanizm automatycznego wykrywania zadanych ciągów bitów, których odebranie może uruchomić gromadzenie danych w pa- mięci FIFO lub posłużyć do budzenia mikro- kontrolera współpracującego z odbiornikiem. Odbiornik może samodzielnie monitorować do 3 kanałów radiowych, oczekując na zadaną przez użytkownika sekwencję danych. Unika- tową cechą układów TDA5230 jest zapisany w pamięci ROM 32-bitowy, niepowtarzalny numer jednoznacznie charakteryzujący układ. W tych układach zastosowano również w torze radiowym dodatkowe elementy, które zapobie- gają wpływowi na jakość transmisji sygnałów lustrzanych, a ?przy okazji? pozwoliły one na znaczne zmniejszenie liczby niezbędnych ze- wnętrznych podzespołów. Układ TDA5100 (przystosowany do pracy w zakresie temperatur ?25?+85°C) jest do- stępny także w wersji oznaczonej symbolem TDK5100. Prezentowane nadajniki przysto- sowane są do transmisji sygnałów cyfrowych z modulacją ASK lub FSK w pasmach 434 lub 868 MHz. Maksymalna częstotliwość mo- dulacji sygnału wyjściowego wynosi 20 kHz. Układy przystosowane są do zasilania na- pięciem z zakresu 2,1?4 V. W przypadku, gdy nadajnik będzie wykorzystywany tylko w jednym zakresie częstotliwości (434 MHz), można zastosować nieco uproszczoną wersję układu TDx5100 oznaczoną su?ksem ?F?. Na rys. 9 pokazano schemat blokowy (i jednocze- śnie aplikacyjny) układów TDx510x. Układ TDA7100 jest także dostarczany w obudowie TSSOP10 i można go potraktować jako tańszy odpowiednik układu TDK5100. Przedstawio- ne układy nadawcze dostarczają do anteny sy- gnał o mocy maksymalnej 4 dBm (dla zakresu 868 MHz) lub 6 dBm (dla zakresu 434 MHz). In?neon oferuje także układy o mocy wyjścio- wej 9,5?16 dBm. W odróżnieniu od ?dyskretnych? scalo- nych nadajników i odbiorników, transceivery są dostępne w wersjach jednopasmowych, ale wyposażono je w możliwość programowej zmiany kanału radiowego. Nadajnik i odbior- nik ma niezależnie wyprowadzone linie ante- nowe, co wymaga zastosowania zewnętrznego przełącznika antenowego (diodowego). Poza tym szczegółem aplikacja transceiverów TDA- 525x jest dość prosta. Prezentowane układy wyposażono w przełączalny interfejs I2 C/SPI, który służy zarówno do kon?gurowania ukła- du, jak i dwukierunkowego transferu danych. Rejestry podzielono na 5 grup, w zależności od przeznaczenia. W torze odbiorczym układów TDA525x zaimplementowano blok detekcji ramki da- nych, której budowa musi być zgodna z za- lecaną przez producenta w dokumentacji. Niezbędnym fragmentem transferu danych jest nadawanie/odbiór preambuły, która syn- chronizuje tor odbiorczy. Zaletą rozwiązania zastosowanego w układach TDA525x jest zdolność do samodzielnej detekcji prędko- ści przesyłania danych. Interesującym ele- mentem wyposażenia układów TDA525x jest zbudowany 6?bitowy przetwornik A/C, który służy do konwersji do postaci cyfrowej wartości sygnału RSSI lub do pomiaru warto- ści napięcia zasilającego, co umożliwia zdalne monitorowanie stanu zasilania. Nie sposób również nie zauważyć w ofer- cie ?rmy mikrokontrolerów wyposażonych w tory radiowe. Produkowane pod oznacze- niami PMA71xx i PMA51xx oraz wyposażo- ne w różnorodne układy peryferyjne, są kon- kurencją dla rozwiązań oferowanych przez innych producentów. Zestawienie układów produkowanych przez ?rmę In?neon zawiera tab. 7. W części 2 artykułu dokończymy przegląd układów monolitycznych i przejdziemy do omawiania układów grubowarstwowych. Jacek Bogusz, EP jacek.bogusz@ep.com.pl