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

Partnerstwo bezprzewodowe cz.1. Układy scalone do transmisji danych w paśmie ISM
Pobierz PDF Download icon
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).
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
Artykuł ukazał się w
Maj 2009
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik lipiec 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio lipiec 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje lipiec 2020

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna lipiec 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich czerwiec 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów