Многофункциональное приемопередающее устройство диапазона 433 МГц

Введение

В настоящее время многие зарубежные и отечественные производители микросхем имеют в своей линейке продуктов однокристальные ресиверы или приемопередатчики с возможностью работы как с одной антенной, так и на две антенны на прием и на передачу. Ресиверы, работающие с одной антенной использующие всего один свой вывод как на прием и на передачу являются более простыми с точки зрения построения внешних цепей, но менее скоростными, а имеющие два вывода один на прием другой на передачу имеют два варианта схемотехнического решения по количеству используемых антенн. Одноантенные имеют внешний элемент коммутатор, на котором теряется от 0.5дБм до 9дБм мощности сигнала, так как коммутатор не усиливает сигнал, а всего лишь переключает антенну на вход приемопередатчика либо на выход, данный вариант аналогично одновыводным ресиверам не имеют высокого скоростного показателя. А вот в случае применения двух антенн появляется два отдельно разнесенных тракта фильтров, и возможно дополнительных усилителей, что дает свободу для построения антенной части, а также возможность построения репитеров, регенераторов, установив две направленные антенны именно на точки приема и передачи ретранслируемого сигнала, подобные системы широко применяются для построения сетей передачи информации WiFi на частотах 2.4 ГГц и 5.6 ГГц так как на этих частотах возможно применение недорогих и легких антенных параболических решеток, либо для очень больших расстояний до 60−100км применяются зеркальные офсетные параболические антенны, на подобие таких что используются для эфирного спутникового вещания, разница лишь в том что используется специальный облучатель на 2.4ГГц. Недостатком двухантенного приемопередатчика является замирание сигнала или интерференция волн, если не выполнен расчет разноса частот для приема и для передачи.

Постановка задачи Требуется разработать устройство которое позволит осуществить сбор информации со внешних устройств, таких как датчики, или другие преобразующие блоки связанных с устройством на основе распространенных интерфейсов обмена информацией, а также хранение полученной информации в энергонезависимой памяти самого устройства.

Также необходимо чтобы устройство имело беспроводной канал обмена информацией с общим центром для всех подобных устройств, оптимально использующее ресурсы сети, применяя алгоритм маршрутизации основанный на качестве канала передачи, для чего устройство должно иметь программный блок оценки качества используемого канала связи.

Первоначальные локально выполняемые задачи самим устройством:

· Периодический контроль температуры в заданной точке

· Снятие телеметрической информации с подвижного объекта

· Работа в охранном комплексе квартиры, здания, поселка

· Самоконтроль и подзаряд батарей питания Технические требования:

· Низкое энергопотребление до 80 мА в активном режиме, и менее 2мА в спящем режиме

· Возможность длительной работы от аккумулятора без подзаряда

· Дальность связи не менее 100 метров

· Скорость передачи информации не менее 115 200 кБит/с

· Само устройство должно быть максимально компактным

1. Теоретический раздел

1.1 Обзор ресиверов диапазона 433МГц Микросхемы корпорации Atmel для построения систем передачи данных на ультравысоких частотах.

Существует ряд задач, где требуется беспроводный канал передачи данных. Вряд ли кому-то понравится становиться на стул, чтобы настроить кондиционер, или в морозное зимнее утро покидать теплый салон автомобиля для открытия гаражных дверей. Однако не будут ли слишком большой ценой усилия, которые придется потратить на освоение принципов построения радиотракта передачи данных, за те удобства, которые мы в результате получим? Хочется надеяться, что ознакомившись с элементной базой Atmel, предназначенной для построения недорогих систем передачи данных в нелицензируемом частотном диапазоне ISM, Вы так считать не будете.

1.1.1 Семейство Smart RF

Корпорация Atmel предлагает обширную элементную базу для построения радиочастотных приложений, работающих в нелицензируемом частотном диапазоне ISM. В состав этой элементной базы входят интегральные схемы одноканальных передатчиков, приемников, а также трансиверов и передатчиков со встроенным 4-разр. ядром MARC и 8-разр. ядром AVR. Элементная база охватывает частотные диапазоны 250−450 МГц, 868−870 МГц, 902−928 МГц, что удовлетворяет требованиям большинства приложений в промышленной и пользовательской сферах. Общей чертой ISM-изделий компании Atmel является высокий уровень интеграции, и как следствие, простота схемы включения. На рисунке 1 представлена номенклатура элементной базы, основные ее классификационные признаки и помощь к ее выбору.

Типичными сферами применения рассматриваемых ИС являются:

· автоматизация бытового и офисного оборудования, а именно дистанционное управление:

· считывание показаний измерительных устройств;

· продвинутые игрушки и игровые приставки;

· дистанционное управление устройствами;

· передача данных в промышленной сфере;

· беспроводные наушники;

· конференц-системы;

· системы торговых терминалов;

· системы безопасности и сигнализации;

· автомобильная электроника (контроль внутришинного давления, безключевое управление).

Рис. 1.1 — Номенклатура микросхем УВЧ-диапазона корпорации Atmel

АМнамплитудная манипуляция, ЧМнчастотная манипуляция, МКмикроконтроллер Краткая техническая характеристика приведенных на рис. 1.1 ИС приведена в таблице 1. Из нее следует, что большинство представленных ИС оптимизирована на использование в автомобильной электронике.

В этом направлении можно выделить семейства:

— ATAR862 (микроконтроллер MARC + радиопередатчик) и АТА (трансивер), которое полностью ориентировано на использование в автомобильной электронике;

— семейство передатчиков T575x и приемников T574x, которое представляет собой усовершенствованную замену соответствующих ИС семейства Ux74x и оптимизировано под автомобильную сферу применения;

— а также семейство SmartRF для промышленной и пользовательской электроники, ориентированного на совместную работу с AVR-микроконтроллерами через интерфейс SPI.

ATA5276 — низкочастотный передатчик, работающий на частоте 125 кГц. Используется для пробуждения микроконтроллера в системах контроля давления в шинах, следящих системах, системах безопасности и локализации.

ATA5756 / ATA5756 — передатчики с низким энергопотреблением для применения в автомобильных системах.

ATA8401 / ATA8402 / ATA8403 — серия передатчиков общего назначения. Применяются в промышленном оборудовании, системах телеметрии, бесключевого доступа, сигнализации, дистанционного управления, «умный дом», а также в электросчетчиках, бытовой электронике и игрушках.

Таблица 1 содержит краткие справочные технические характеристики УВЧ-передатчиков Atmel

1.1.2 Передатчики со встроенным микроконтроллером

ATA6285 / ATA6286 «Toledo» — новый высокоинтегрированный передатчик для частот 315 / 433 МГц. Обладает встроенным микроконтроллером на ядре AVR, с пониженным энергопотреблением, интерфейсом для подключения двух емкостных датчиков (давления, движения и др.), низкочастотным пробуждающим ресивером, работающим на частоте 125 кГц и датчиком температуры. Применяется в системах контроля давления в шинах и других приложениях чувствительных к энергопотреблению, требующих съема данных с емкостных датчиков и передачи информации по каналу радиосвязи.

ATA5723 / ATA5724 / ATA5728 «Arrakis» — новая серия высокоинтегрированных приемников с низким энергопотреблением, требующих минимального количества внешних пассивных элементов.

ATA5745 «Mercury» — новый высокоинтегрированный приемник с пониженным энергопотреблением для применения в автомобильных системах доступа и контроля давления в шинах.

ATA8201 / ATA8202 — приемники общего назначения с пониженным энергопотреблением. Применяются в промышленном оборудовании, системах телеметрии, бесключевого доступа, сигнализации, дистанционного управления, «умный дом», а также в электросчетчиках, бытовой электронике и игрушках.

ATA5811 / ATA5824 — полудуплексный и полнодуплексный приемопередатчики. Применяются в автомобильных системах бесключевого и пассивного доступа, контроля давления в шинах, а также в электросчетчиках, системах безопасности и сигнализации, системах дистанционного управления и «умный дом» .

ATA5428 — высокоинтегрированный полудуплексный многоканальный программируемый приемопередатчик для использования в промышленном оборудовании, системах контроля доступа, дистанционного управления, телеметрии, безопасности и сигнализации, а также в электросчетчиках и системах «умный дом» .

ATR2406 — многоканальный приемопередатчик для работы на частоте 2.4 ГГц. Находит применение в высокотехнологичных игрушках и беспроводных игровых контроллерах, беспроводных аудио/видео устройствах, торговом оборудовании и системах телеметрии.

Таблица 1 — Краткая техническая характеристика УВЧ-трансиверов Atmel

Примечание:

1) более точное значение зависит от выбранного частотного диапазона;

2) более точное значение зависит от частотного диапазона, полосы пропускания и скорости связи;

3) имеется еще два альтернативным режима питания: 4,4В…6,6 В, 4,75…5,25 В.

1.1.3 Семейство передатчиков T575x и приемников T574x

Данное семейство является последователем приемников и передатчиков серии Uх74х. Если же структурная схема построения радиоканала (см. рисунок 2) практически не изменилась по сравнению с серией Uх74хB, то их прикладные свойства существенно изменились в лучшую сторону. Так, например, передатчики имеют всего лишь 8 выводов и требуют установки 5 внешних компонентов. Кроме того, они оптимизированы для использования в автомобильных приложениях, где рабочая температура может достигать +125°С (например, устройства контроля внутришинного давления). Схема приемников практически не видоизменилась и во многом совпадает с предшественниками. При их использовании следует обратить внимание на их автономность (не требуется программирование управляющих регистров), наличие выхода RSSI (датчик уровня РЧ-сигнала).

Рис. 1.2 — Структурная схема радиоканала при использовании T575x и T574x. МК-микроконтроллер, ФАПЧфазовая автоподстройка частоты, КГкварцевый генератор, УМ-усилитель мощности, ГУН — генератор управляемый напряжением, МШУмалошумящий усилитель, Д-демодулятор, УПЧусилитель промежуточной частоты, БУблок управления Отличительные особенности T575x и T574x

Передатчики T575x

* Модуляция АМн/ЧМн

* Простота схемы включения (8-выв. корпус, 5 внеш. элементов)

* Встроенный петлевой фильтр ФАПЧ

* Макс. выходная мощность 8.0…10 дБм при потреблении 9 мА

* Широкий температурный диапазон (-40°C…+85°C/+125°C)

* Совместимость по расположению выводов

* Превосходная изоляция ФАПЧ от УМ и источника питания

* Несимметричный антенный выход

* Поддержка всех стандартных несущих частот 315, 433 и 868/ 915МГц

* Сверхкомпактный корпус TSSOP8

Приемник T5743

* Скорость приема данных 1…10 кбод

* АМн/ЧМн модуляция для передачи манчестерских или бифазных кодов при малом потреблении (< 1 мА с учетом работы функций автоматического поллинга и временного контроля кадра)

* Возможность снижения чувствительности даже во время приема

* 5В…20В-ый интерфейс данных при необходимости позволяет увеличить длину интерфейсных проводников Приемник T5744

* Простой приемник для недорогих радиопередающих систем со скоростями до 10 кбод

* АМн/ЧМн модуляция для передачи манчестерских или бифазных кодов при малом потреблении

* Частотный диапазон 300…450 МГц

* Высокая чувствительность особенно на малых скоростях

* Выход RSSI позволяет контролировать уровень принятого сигнала

* Не требует программирования

* Простая схема включения, возможность подключения печатной антенны

* Рекомендуемая замена для предыдущих типов приемников Высокомощные трансиверы ISM диапазона Данное семейство представляют две ИС AT86RF401 и AT86RF211.

AT86RF401 — уникальное сочетание микроконтроллера и радиопередатчика, причем, следует подчеркнуть что AT86RF401 является однокристальной ИС, что достигнуто за счет совместной работы проектных групп от начала до конца разработки. В качестве ядра микроконтроллера выбрано AVR-ядро, что деланный данный микроконтроллер доступным для широкого круга разработчиков, в отличие от аналогичных устройств (ATAR862), где используется 4-разрядное MARC-ядро и нужны специальные средства для проектирования (программаторы, эмуляторы, компиляторы и пр.). На рисунке 1.3 представлена структурная схема AT86RF401, откуда следует, что радиопередатчик и микроконтроллер тактируются от одного и того же кварцевого тактового генератора, а «сердцем» радиопередатчика является схема ФАПЧ, умножающая частоту КГ на 24. Схема включения AT86RF401 чрезвычайна проста и требует всего 3 внешних элемента при работе на стандартных частотах (315 или 433 МГц), в противном случае потребуется установка внешнего петлевого фильтра. Память программ выполнена в виде флэш-памяти размером 2 кбайт и поддерживает внутрисистемное программирование через интерфейс SPI. Таким образом, привлекательной чертой AT86RF401является возможность программирования стандартным ISP-программатором AVR-микроконтроллера. Минимальная стоимость готового решения может быть достигнута за счет исполнения рамочной антенны в виде печатного проводника. От других передатчиков AT86RF401 отличается возможностью программирования выходной мощности в диапазоне 0…36 дБ с шагом 1 дБ и программно подстраивать ГУН, работающий только от одной внешней индуктивности.

AT86RF401 поддерживается стандартным набором инструментальных средств, в т. ч. интегрированная среда для проектирования AVR STUDIO с компилятором и симулятором, стартовый набор STK500 и оценочный набор AT86RF401U-EK1. Последний поставляется вместе с программным обеспечением SPI Controller, которое в реальном времени позволяет управлять регистрами микроконтроллера и тем самым управлять радиопередачей.

AT86RF211 — однокристальный трансивер, предназначенный для организации маломощной беспроводной дуплексной передачи данных в свободном от лицензирования частотном диапазоне ISM (400…930 МГц). За счет уникального уровня интеграции AT86RF211 является идеальным для решения таких задач, как телеметрия, дистанционное управление, радио модемы, радиоуправление игрушками и др.

AT86RF211 также адаптирован для работы в устройствах с батарейным питанием и нижний порог питания составляет 2.4 В. Также реализована функция возобновления активной работы управляющего микроконтроллера при активизации приемника, тем самым позволяя выполнить проектируемое устройство более экономичным.

AT86RF211 легко программируется через SPI-интерфейс, что делает привлекательным применение в качестве «компаньона» AVR-микроконтроллера со встроенным интерфейсом SPI. Уникальность данной ИС заключается в возможности программирования частоты канала связи с шагом 200 Гц. и возможностью передачи данных на скорости до 64 кбод. Для AT86RF211 выпускается обширный набор оценочных средств, опорных разработок и программное обеспечение, что максимально упрощает этапы проектирования. При выходной мощности более 10 дБм дальность передачи данных на открытом пространстве может достигать 300−400м.

Рис. 1.3 — Структурная схема микроконтроллера AT86RF401

ПВВпорт ввода-вывода, ИРПинтерфейс радиопередатчика, УРЧусилитель радиочастоты, ЭСППЗУэлектрически стираемая перепрограммируемая память, ВСПвнутрисистемное программирование Номенклатуру ИС для УВЧ-связи можно разделить на семейства, которые ориентированы на автомобильную электронику и совместную работу с 4-разр. микроконтроллерами MARC (семейства АТА/АТАR), а также на семейства, которые ориентированные на пользовательскую и промышленную электронику и совместную работу с AVR-микроконтроллерами (Smart RF).

Судя по последним анонсам компании Atmel намечена тенденция расширения частотного диапазона до 2,4 ГГц добавлением новых представителей в семейство Smart RF, что расширяет область их применения до беспроводной передачи аудио, видео информации и представляет определенный практический интерфейс в различных сферах, в т. ч. пользовательская электроника, игровые устройства, охранные системы и др.

Общими чертами рассмотренных ИС является низкая стоимость, высокий уровень интеграции, простота схемы включения, ориентированность на батарейное питание (пониженное напряжение питания, малое энергопотребление, наличие экономичных режимов, функция пробуждения микроконтроллера по запросу приемника).

1.1.4 Приемопередатчики фирмы Maxim

1.1.5 Краткий обзор семейства ресиверов Texas Instruments до 1000МГц Компанией Texas Instruments выпускаются микрорессиверы как на одну фиксированную частоту, так и на несколько частот, рабочий диапазон которых возможно программно переключать изменив память программы ресивера. Компания Texas Instruments достаточно давно удерживает лидирующие позиции в области производства микросхем беспроводной связи для автоматизации зданий и систем безопасности. Сегодня компания продолжает расширять линейку своих приемопередатчиков в диапазонах частот от 430 до 2400 МГц.

CC2510 и CC1110: Новые системы на кристалле для беспроводных приложений, появление этих микросхем связано с разработкой компанией Texas Instruments протокола SimpliciTI^TM. С точки зрения применения, этот протокол тесно соседствует с набирающим обороты ZigBee и призван стать его альтернативой в ряде приложений. С использованием SimpliciTI^TM можно создать, например:

· охранно-пожарные системы,

· автоматические измерительные системы,

· устройства мониторинга и управления индустриальных приложений,

· системы автоматизации жилых и производственных помещений

При этом затрачивается гораздо меньше ресурсов, чем при работе со стеком ZigBee-протокола. Две новые системы на кристалле, CC2510 и CC1110, спроектированы для беспроводных приложений с низким потреблением и работают в диапазонах 2,4 ГГц и менее 1 ГГц соответственно. Аналогично широко известной микросхеме CC2430, относящейся к стандарту ZigBee, CC2510 и CC1110 имеют встроенный контроллер с 51-м ядром, flash-память и радиочастотные трансиверы (CC2500 и CC1101(СС1100)). Для хранения стека протокола SimpliciTI^TM требуется гораздо меньше программной памяти, поэтому новые системы на кристалле выпускаются с меньшим объемом ПЗУ, что обеспечивает во многом их невысокую цену. Имеются исполнения микросхемы с 8, 16 или 32 кб встроенной flash-памяти (табл. 2).

Таблица 2. Основные характеристики микросхем: CC111х, CC251х

Благодаря высокому уровню интеграции микросхемы выпускаются в корпусе QLP-36 размером 6×6 мм и имеют низкое энергопотребление, CC2510 и CC1100 подходят для беспроводных систем, требующих большой продолжительности работы от батарей, малых габаритных размеров и низкой стоимости, что является одной из главных задач проекта.

Среди дополнительных функциональных особенностей устройств можно отметить низкое потребление в спящем режиме (300 нА), встроенный сопроцессор для шифрования с 128-разрядным ключом, высокая чувствительность по входу, программируемая скорость передачи данных до 500 кБит/сек, а также широкий диапазон напряжений питания от 2,0 до 3,6 В.

СС1111 и СС2511 — еще две новинки от Texas Instruments — первые радиочастотные системы на кристалле, имеющие встроенный контроллер USB-2.0. Во всем остальном эти микросхемы являются полными аналогами описанных выше CC1110 и CC2510. Микросхема позволяет быстро организовать связь между радиочастотной частью и персональным компьютером. Интеграция на одном кристалле радиосистемы, микроконтроллера, флэш-памяти и USB-контроллера позволяет существенно сократить стоимость разрабатываемого изделия, а также занимаемую системой площадь на плате (рис. 1.4).

Рис. 1.4 Радиочастотная система на кристалле CC1111

1.2 Краткое описание протокола SimpliciTI^TM.

Этот простой и экономичный протокол был разработан компанией Texas Instruments для построения небольших беспроводных сетей (размером до 100 узлов), в которых главной задачей является передача небольших объемов данных при низком энергопотреблении.

Протокол SimpliciTI^TM поддерживает топологию «звезда» с точкой доступа для записи и отправки сообщений конечному устройству (рис. 1.5).

Рис. 1.5 Пример сети, реализованной на протоколе SimpliciTI^TM

Также протокол поддерживает использование расширителей дальности, благодаря чему разработчик может увеличивать максимальное расстояние между узлами сети до 4 раз. Конечно, возможности маршрутизации SimpliciTI^TM не сравнимы с протоколом ZigBee, но функций, которые он обеспечивает, может быть вполне достаточно для многих приложений. Благодаря своей простоте, протокол SimpliciTI предъявляет минимальные требования к микроконтроллеру, исходя из чего, может быть достигнута низкая стоимость системы.

Протокол SimpliciTI был разработан с учетом применения в составе предлагаемой TI платформы для реализации РЧ-приложений. Данная платформа включает в себя семейство экономичных микроконтроллеров MSP430, а также трансиверы и системы на кристалле CC1XXX/CC25XX. Образец применения протокола реализован в составе платы для экспериментирования для микроконтроллеров MSP430FG4618/F2013 с установленным на ней CC1100EM, CC1101EM или CC2500EM.

1.3 Определение понятия качества приема сигнала в частности RSSI

Для нашего приемопередающего устройства очень важен параметр оценки качества канала передачи информации, это можно понимать как процент правильно переданной информации относительно общего количества переданной информации, а также уровень принимаемого сигнала над уровнем шума — помех в канале связи.

В терминах беспроводной передачи информации очень часто используется такая величина как RSSI (Received Signal Strength Indication — Индикация мощности полученного сигнала в дБм) но не обязательно полезного, данная величина может показывать и уровень шума в канале.

Например, в телефонной связи формата DECT, данные от измерителя RSSI используются для поиска свободной частоты.

DECT определяет постоянный динамический выбор канала и динамическое выделение канала. Все оборудование DECT обязано регулярно сканировать свое локальное радиоокружение — по крайней мере один раз каждые 30 секунд. Сканирование означает получение и измерение силы местного радиочастотного сигнала по всем свободным каналам. Сканирование осуществляется как фоновый процесс и представляет список свободных и занятых каналов (список RSSI), один для каждой комбинации «временной слот/несущая», который будет использоваться в процессе выбора канала. Свободный временной слот не используется (временно) для передачи или приема. В списке RSSI низкие значения мощности сигнала означают свободные каналы без помех, а высокие значения означают занятые каналы или каналы с помехами. С помощью информации RSSI, DECT-АРБ или DECT-БРБ может выбрать оптимальный (с наименьшими помехами) канал для установления новой линии связи.

Каналы с самыми высокими значениями RSSI постоянно анализируются в DECT-АРБ для того, чтобы проверить, что передача исходит от базовой станции, к которой у носимой части есть права доступа. АРБ засинхронизируется с БРБ, имеющей самый мощный сигнал, как определено стандартом DECT. Каналы с самыми низкими значениями RSSI используются для установления радиосвязи с БРБ, если пользователь АРБ решит установить связь, или в случае, когда мобильной DECT-трубке передается сигнал о входящем звонке через прием пейджингового сообщения. В базовой станции DECT каналы с низкими значениями RSSI используются при выборе канала для установления передачи маяку (холостой передачи). Механизм динамического выбора и выделения канала гарантирует, что связь всегда устанавливается на самом чистом из доступных каналов.

1.3.1 RSSI в беспроводных сетях передачи данных WiFi диапазона 2.4ГГц Расчет уровня сигнала RSSI (Receive Signal Strength Indicator) в dBm для оборудования D-Link идет по следующей формуле:

Рвх = Рвых + Ка_пер — Кз1 — 115 — 20*lg (L) + Ка_пр — Кз2,

где, Рвх — уровень сигнала на входе приемника (dBm);

Рвых — уровень сигнал передатчика на другой стороне (dBm);

Pвых = 17 dBm конкретное устройство точка доступа Dlink GW-AP54SG-01

Ка_пер — коэффициент усиления антенны на другой стороне (dBi);

Кз1 -коэффициент затухания в фидерном тракте на другой стороне (dB);

L — дальность в км;

Ка_пер — коэффициент усиления антенны на приемной стороне (dBi);

Кз2 — коэффициент затухания в фидерном тракте на приемной стороне (dB);

Выходная мощность передатчика:

— от 14 до -17 dBm = 54Мбит/с, 108Мбит/с

— от 14 до -19 dBm = 48Мбит/с

— от 14 до -21 dBm = ЗбМбит/с, 24Мбит/с

— от 14 до -25 dBm = 18Мбит/с, 12Мбит/с, 9Мбит/с, 6Мбит/с

Коэффициенты затухания в фидерном тракте на приемной и передающей сторонах Кз1 и Кз2 включают в себя суммарные потери в ВЧ кабеле и в ВЧ разъемах. Рекомендуется использовать ВЧ кабель с затуханием 0.25 — 0.39 dB/m. Типовое значение затухания в правильно разделанном разъеме N-type составляет 0.4 dB на одно соединение (male+female).

1.3.2 Дополнительная оценка качества передачи информации

В дополнении к штатному цифровому измерителю мощности RSSI в микроконтроллере программно реализована функция проверки канала передачи на предмет потери информации, так называемый PING пакет, для этого генерируются 100 или кратное 100, например 1000 или 10 000 или 32 000 число 8-ми битовых пакетов, состоящих из поочередных 8-битных эталонных посылок нулей и единиц — …1 010 101…1 010 101…

После передачи данной посылки в эфир на приемной стороне производится раскодирование и дешифрация если информация была передана по кодированному или шифрованному каналу, и далее производится подсчет отличающихся от 8-битного эталона 1 010 101 битов, затем эта информация передается микроконтроллеру, в идеале битовая ошибка стремится к нулю, а процент правильного приема стремится к 100%.

Вторым дополнительным алгоритмом предлагается аналогичная методика, только с фиксированной передачей 256 пакетов 256 раз в каждом из которых в качестве эталонной информации будут передаваться последовательности одинаковых байтовых блоков от 00 Hex до FF Hex, таким образом мы не просто будем знать сколько одиночных бит потерялось или перепуталось в данном частотном канале, а будем иметь информацию о вероятности правильного приема символа от 0 до 255, на протяжении сеанса связи.

В совокупности данных о мощности принимаемого сигнала RSSI и определения качества передачи в количестве ошибок в канале или проценте ошибок, возможно реализовать программный алгоритм выбора наиболее сильной связи в понятии качественной передачи между соседними пунктами Точка-Точка, Звезда или в Кольце.

На основе показателя RSSI можно реализовать автоподстройку частоты передатчика и приемника, а также уровня излучаемой мощности передатчиком, что программно регулируется с шагом 0.2дБм от -30дБм до +10дБм, по умолчанию передатчик работает в режиме выходной мощности равной 0дБм.

Аналогично на основе данных о качестве передачи в канале можно варьировать скорость передачи информации от минимального в 1.2кБит/сек до максимума в 500кБит/с, а также реализовать программную шифрацию данных для передачи только тех символов которые имеют минимальный процент ошибки передачи, еще данная процедура называется скремблирование.

Вся информация о качестве каналов связи между объектами с составе сети, передается на главный модуль под управлением персонального компьютера, где на экране возможно в режиме реального времени просмотреть всю информацию о качестве каналов связи между конкретными блоками на территории покрытия системы. Также возможно задать период опроса всей системы или конкретного узла, для снижения потребляемой мощности для каждого приемопередатчика в системе, а также внести изменения в маршрутные таблицы установив приоритетные направления путем ручного ввода данных о мощности и тактовой частоте передатчика.

Для реализации принципа оптимального потребления энергии и использования минимально возможного радиоизлучения модулем, в составе программного обеспечения системы используется алгоритм псевдо-интеллектуальной маршрутизации SimpliciTI^TM, который позволяет в первом кольце опроса выявить заводской серийный номер устройства, а также его местоположение на карте покрытия, за минимально короткие сроки.

После первоначального опроса мы имеем полностью все необходимые параметры обо всех точках установки наших приемопередающих устройств, такие как расстояние между точками опираясь на уровень RSSI с погрешностью от несколько метров до десятков метров, в зависимости от программной реализации алгоритма, а также оптимальные маршруты следования запроса из головного блока на ведомые удаленные блоки, пример сети изображен на рисунке ххх

1.4 Разработка функциональной схемы Разрабатываемое устройство должно иметь основные функциональные элементы:

· разъем для подключения датчиков к микроконтроллеру

· интерфейс для связи с компьютером или пультом управления

· память для записи чтения и хранения информации

· ВЧ часть отвечающую за беспроводную передачу информации Рисунок 1.6 — Функциональная схема многофункционального приемопередающего устройства диапазона 433МГц

1.5 Обзор решаемых устройством задач Возможные области применения разрабатываемого устройства: передача информации телеметрии с различных подвижных объектов и неподвижных конструкций, работа в системе охраны в качестве беспроводного автономного головного устройства, для охраны элитного дачного комплекса где расстояние между объектами охраны может находится в пределах 200−400метров.

Одной из реально реализуемых задач, для предприятий горнодобывающей промышленности, на крайнем севере, является построение системы автономных приемопередатчиков для ежесуточного или еженедельного снятия показателей температуры в скважинах, в которые на различную глубину помещены цифровые термометры закрепленные на несущем кабеле снижения, когда на поверхности в непосредственной близости от места бурения может быть расположено, разрабатываемое универсальное приемопередающее устройство, в совокупности с другими аналогичными устройствами расположенными на расстоянии 50−400 метров между собой, можно построить широкую сеть с единым пунктом в котором будет установлено аналогичное устройство, но уже с большим объемом памяти или интерфейсом для связи с компьютером, чтобы принять всю информацию от сети и сделать необходимые измерения и расчеты, на основе которых инженерами горного дела может быть сделан вывод о свойствах той или иной скважины. В далеко разнесенных группах сети скважин на каждом из локальных головных пунктов имеющих накопитель в виде энергонезависимой FLASH памяти может быть установлена спутниковая линия связи для пакетной передачи информации в головной офис компании занимающейся измерениями. Вариации датчиков для подобной задачи: температуры, влажности, давления, сейсмо-датчики,

Вторым вариантом использования данного устройства может быть сеть охранных пунктов, внутри коттеджного поселка. Внутри помещения могут быть размещены цифровые датчики: температуры, давления, влажности, датчики объема или по другому детекторы движения, светочувствительные элементы для определения тени, датчики контроля давления воды в водопроводе, индикатор напряжения в сети 220 вольт, индикатор напряжения аккумулятора солнечной батареи, пьезоэлектрические датчики дребезга оконного стекла, и обычные замыкатели на дверях и окнах. Все датчики измерительного комплекса должны быть подключены к внутредомовому блоку под управлением микроконтроллера который непосредственно связан с приемопередающим модулем расположенном рядом с крышей в непосредственной близости от приемопередающей антенны, в случае внешней установки. Информация полученная от датчиков аналоговая и цифровая обрабатывается микроконтроллером и передается в модуль где существует свой микроконтроллер, который управляет нашим ресивером, данные записываются во внутреннюю память блока и передаются в передатчик, затем другое устройство в сети принявшее данные смотрит адресованы они этому устройству или нет, если адресат не данное устройство то данные копируются в память и передаются дальше по цепочке до головного устройства, где они обрабатываются и хранятся если необходимо. В данном случае головным устройством может быть назван пост охраны, на котором установлен приемопередающий узел, содержащий интерфейс для передачи информации на персональный компьютер, для дальнейшей обработки и мониторинга параметров. В данной системе приемопередающие блоки запитаны от автономных источников напряжения способных запитать разрабатываемый блок в течении длительного времени.

2. Расчётно-экспериментальный раздел

2.1 Обоснование выбранного рабочего диапазона Как альтернатива выбранному частотному диапазону мог быть выбран диапазон 2.4ГГц, а также 900МГц, но так как в настоящее время в данных частотах происходит насыщение другими устройствами, мешающими нормальному приему, он остается за системами беспроводной передачи информации в локальных сетях WiFi и сетями GSM900/1800 сотовых операторов.

Причины отказа от разработки системы на более высокой частоте:

В диапазоне 2.4ГГц в настоящее время работает множество устройств начиная от обыкновенного в наше время Buetooth, точек доступа беспроводных локальных сетей, систем управления электронными игрушками стандартов DSP-Spectrum имеющими узкий спектр, но с очень частой сменой рабочей частоты для избавления от помех, заканчивая список самым мощным излучением в домашних условиях, это микроволновая печь.

В диапазоне 800−930МГц каждый день добавляется по несколько сотен передатчиков — наши с вами мобильные телефоны. На данной частоте при импульсном режиме работы присутствует постоянный мощный электромагнитный фон, распределенный равномерно по площади с нами, так как телефон в настоящее время является неотъемлемым атрибутом современного человека, аналогично еще применяемые телефоны старых форматов если вспомнить «FORA» с мощными передатчиками, переносные домашние DECT радиотелефоны, в больницах иногда данная частота используется в составе медицинского электронного оборудования.

Диапазон 433 МГц широко используется в системах автомобильной сигнализации, в которых применяются маломощные, без кодирования информации и абсолютно дешевые модули, не требующие регистрации. Дальность таких модулей порядка 30−50 метров на открытой местности, что абсолютно не помешает работе разрабатываемого устройства.

Если рассматривать Стандарт IEEE 802.15.1 (Bluetooth), который разрабатывался для коммуникации мобильных устройств, и основной упор в нем делался на низкое энергопотребление и простоту организации канала, предельная разрешенная мощность передатчика установленная по стандарту слишком низка для передачи информации более чем на 30−100 метров, поэтому данные модули нами не рассматриваются.

2.2 Выбор и обоснование элементной базы

2.2.1 Выбор приёмопередатчика При выборе приёмопередатчика предъявляются следующие требования:

1 — Рабочий диапазон 433 МГц (ISM)

2 — Скорость передачи не менее 115 200 кбит/с

3 — Возможность работать в полудуплексном режиме (для подтверждения принятой информации)

4 — Малая потребляемая мощность

5 — Невысокая стоимость Этим требования удовлетворяют многие приёмопередатчики, но для разработки данного устройства был выбран современный однокристальный ресивер производителя Texas Instruments CC1100 имеющий очень малые размеры всего 4×4 мм, что делает устройство очень компактным. Данный ресивер работает в 3-х диапазонах 300−348МГц, 400−464МГц и 800−928МГц, в памяти можно задать 4 основных фиксированных частоты, для которых антенный выход кристалла согласован оптимально, это 315, 433, 868 и 915 МГц.

Отличительные особенности ресивера СС1100 выпускаемого по технологии Chipcon’s 4-го поколения с технологическим процессом 0,18 мкм:

· Миниатюрный 20-ти выводный корпус QLP-20 4×4мм

· частотных диапазона 300−348, 400−464, 800−928 МГц

· Высокая чувствительность приемника до -110дБм при скорости передачи информации до 1.2кБит/сек и проценте ошибок равному 1%

· Программируемое значение пропускной способности канала связи вплоть до 500кБит/сек

· Низкое энергопотребление, всего 15.4 мА в режиме приема на частоте 433МГц и скорости передачи информации 1.2кБита/сек

· Минимальное требуемое количество внешних элементов, кристалл имеет свой внутренний частотный синтезатор PLL и коммутатор, не требуется сложных внешних полосовых фильтров и ВЧ переключателей антенны

· Ресивер идеален для построения систем с разделением по частоте, так как имеет возможность быстрого перехода на любую из частот рабочего диапазона, путем изменения регистров PLL синтезатора.

· Имеет встроенный цифровой измеритель мощности принимаемого сигнала RSSI

· Поддерживает автоматическое определение свободности канала при работе на одной частоте с несколькими ресиверами

· Имеет функцию АЧК автоматической частотной коррекции в режиме приема.

· Имеет функцию пробуждения из режима SLEEP по поступлению специальной кодовой посылки от такогоже передатчика.

· Трансивер поддерживает распространенный интерфейс SPI, через который подаются управляющие данные Рис 2.1 Схема включения ресивера на диапазон 433МГц Рисунок 2.2 — Структурная схема ресивера СС1100

Ресивер СС1100 имеет 128 8-ми битных регистра, информация в которых необходима для управления трансивером. Это сетка из 256 каналов связи, информация о серийном номере приёмопередатчика, информация конфигурации информационных выводов GDOn.

Рис 2.3 структура одного пакета передачи информации многофункциональное приемопередающее устройство ресивер

2.2.2 Выбор памяти EEPROM

Память необходима для загрузки данных конфигурации ресивера в процессе работы, а также для хранения таблицы маршрутизации и просто данных которые регистрируются микроконтроллером. Для конфигурации приёмника необходимо 128 байт памяти, а для хранения данных чем больше памяти тем лучше. Так как в данной конструкции питание происходит от аккумуляторной батареи, то желательно выбрать микросхему памяти с минимальным током потребления, а так же с возможностью работы по SPI интерфейсу и тактовой частотой не ниже 1 МГц.

Из множества микросхем памяти выбираем последовательную память с интерфейсом SPI — AT25F4096 компании ATMEL

Основные параметры микросхемы EEPROM — AT25F4096

— Объём памяти 512 кБайт (4096кбит)

— Напряжение питания 2.5 — 3.6 В

— Тактовая частота до 20 МГц

— Максимальный ток потребления в режиме запись — 15 мА

— Максимальный ток потребления в режиме чтения — 10 мА

— Максимальный ток потребления в режиме Standby — 2 мкА Рисунок2.4 — Структурная схема EEPROM AT25F4096

Выбранная микросхема памяти имеет самый большой объём из семейства с SPI интерфейсом, который при нехватке можно увеличить параллельным включением до 4-х микросхем, с разделением по сигналу CS выбора микросхемы.

Рис 2.5 Структурная схема параллельного включения микросхем

2.2.3 Выбор источника опорного напряжения Для питания разрабатываемого устройства необходимо опорное напряжение 2.7−3.3 В. Максимальные токи потребления микросхем приведены в таблице 2.1

Таблица 2.1

Согласно таблице выбираем наиболее распространенное значение питающего напряжения равное 3.3 Вольта.

Рассчитаем максимальный ток потребления:

I_пот=10+15+28,9=63.9мА

Добавим запас по току в 40% получим I_{пот мах}=63,9+40%=89,46мА Исходя из этого значения можно выбрать стабилизатор на максимальный ток 100мА, этому значению вполне удовлетворяет малошумящий линейный стабилизатор напряжения LT1761 от фирмы Linear Technology.

На напряжение 3,3 В, применим линейный стабилизатор LT1761ES-3.3

Основные характеристики стабилизатора напряжения LT1761ES-3.3:

— Входное напряжение 6 — 20 В.

— Выходное напряжение 3,3 В ±0,05 В.

— Выходной максимальный ток 100 мА.

— Диапазон рабочих температур — 10 °C до + 125 °C Рисунок 2.6 — Линейный стабилизатор напряжения LT1761

2.3 Обоснование выбора двух вариантов исполнения устройства В нашем устройстве планируется использовать частотный диапазон f=430−436МГц, с двумя вариантами антенны: печатной выполненной на печатной плате и штыревой подключаемой к гнезду.

Оба варианта исполнения устройства заслуживают своей области назначения, рассмотрим оба варианта подробнее.

Печатная антенна имеет диаграмму направленности в виде восьмерки с горизонтальной поляризацией и актуальна в приложениях где не требуется сверхдальней связи между устройствами до 10−40метров вне области покрытия лепестком и до 50−100метров в зоне покрытия. Также данный вариант был рассмотрен в связи с невозможностью установки внешней антенны, по причине ее ненадобности, или труднодоступности кабельной инфраструктуры здания. Из-за компактных размеров печатной платы не более 100 мм в длину и 60 мм в ширину, электроника встраивается в компактный корпус, с возможностью установки на стене или потолке помещения. Настенный и потолочный варианты берутся во внимание, так как само устройство не имеет механических органов управления, даже питание для подзарядки устройства подается от внешнего источника, что дает свободу для установки самого устройства, вплоть до установки в непосредственной близости от крыши контролируемого объекта, будь то неподвижный объект (здание) или подвижный объект (автомобиль, игрушечный самолет).

Вариант исполнения с разъемом для подключения внешней антенны применяется в том случае когда требуется либо дальность связи либо круговая диаграмма направленности с вертикальной поляризацией, дающей равномерную круговую зону покрытия устройствами. Еще одним критерием возможности применения внешней антенны является то что она более широкополосна, чем печатный вариант который имеет ширину в 0.2−1МГц.

Из-за гибких вариантов согласования самой антенны с питающим фидером, внешний вариант перекрывает практически на весь диапазон от 410 до 450МГц. Поэтому данный вариант должен рассматриваться двумя выполняемыми функциями.

Первое — ретрансляция с установкой двух антенн типа «волновой канал» с количеством директорных секций от 4-х до 8 для создания узкого угла диаграммы направленности в двух направлениях на ретранслируемые точки.

Второе — большая площадь покрытия сети и соответственно возможность подключения усилителя мощности к разъему для более дальнего кругового охвата территории.

Третье — штыревые круговые антенны вполне могут применяться в устройствах выполняющих функцию маршрутизаторов/координаторов в сети, так как обычно достаточно установить такой блок автономно на мачту высотой 10−30 метров, для увеличения расстояния прямой видимости, без использования дополнительных усилителей.

2.3.1 Расчет печатной антенны для центральной частоты 433МГц За основу расчета была взята частота 433МГц и значение КСВ антенны в заданной узкой полосе не хуже 1.2−4

Расчет длины вибратора в соотношении 1/8 к длине волны на частоте 433МГц:

л=691мм мм длинна вибратора Эквивалентная схема составлена в современной САПР Microwave Office 2007 специально предоставленной для расчетов дипломного проекта.

Исходные данные для расчета (оптимизации):

· ширина питающей линии 0.25мм

· длинна 4−10мм

· ширина излучателя 1 мм

· длинна излучателя 86 мм

· ширина заземленного шлейфа 1 мм

· длинна заземленного шлейфа 4−86мм

· материал подложки стеклотекстолит Er=5.5

· толщина подложки 1.2мм

· толщина слоя меди 50мкм

· материал основания идеальный проводник

· окружающая среда воздух, схема без экрана После предварительных расчетов мы получили эквивалентную схему и произвели оптимизацию по длине участков, на рисунке 2.7 показана эквивалентная схема микрополосковой антенны с указанием реальных полученных значений длин отрезков.

Рис 2.7 эквивалентная схема топологии микрополосковой печатной антенны Основываясь на результатах оптимизации длин участков излучателя и шлейфа, при фиксированной длине запитывающей линии, получена следующая топология антенны:

Рис 2.8 Топология микрополосковой печатной антенны Рис 2.9 График значений КСВ для данной антенны

2.4 Расчёт сетки рабочих частот для приёмопередатчиков В данном дипломном проекте применяется монокристальный ресивер диапазона 433 МГц. Этот передатчик имеет 4 поддиапазона перестраиваемых путем перепрограммирования памяти передатчика.

Необходимо рассчитать сетку рабочих частот для передатчиков, так чтобы они не создавали помехи в работе друг другу.

Рабочая частота ресивера F_IF рассчитывается по формуле:

(2.1)

Где F_XOSC = 26 МГц (тактовая частота кварцевого генератора схемы)

FREQ_IFрегистр содержащий информацию множителя из 24 бит Базовый диапазон определяется значением регистра FREQ2, значение регистра берется из таблицы 2.2, основываясь на указанный диапазон, берем в расчет каналы, предложенные производителем, конкретно значение 15 (0F).

Таблица 2.2

Рис 2.10 избирательность приемника при 115 200бит/с, частота 433МГц Стандартная ширина канала передачи 203кГц с округлением до сотых можно принять ширину канала 0.2Мгц Исходные данные для расчета:

· Диапазон рабочих частот 410−461 МГц

· Число каналов 256

· Ширина канала 0.2 МГц

· Шаг изменения каналов 0.2 МГц

· Частоте 410 МГц соответствует 00 Нех

· Частоте 461 МГц соответствует FF Нех Учитывая что при работе на печатную антенну у которой резонансная частота узкополосна и составляет 431−435МГц со значением КСВ на границах диапазона не хуже 4, а в диапазоне 432.4−433.8 не хуже 1.8, параметры рассчитаны в САПР Microwave Office 2007, необходимо найти оптимальные номера каналов для данного варианта антенны.

Для варианта установки внешней широкополосной антенны подойдет полностью вся рассчитанная сетка частот, тогда для расчёта можно использовать следующее выражение

(2.2)

Рассчитанные значения сведены в таблицу 2.3

Таблица 2.3

На основе полученных расчетов можно сделать вывод что диапазон работы рассчитанной печатной антенны попадает на 158.164 каналы, отсюда следует что максимальное количество устройств в системе построенной полностью на устройствах с печатными антеннами составит:

штуки (2.3)

Что вполне достаточно, для покрытия любой необходимой площади с повторением несущей частоты на сегменте, с количеством звеньев 7, где частота соответствует каналу 158+(номер звена)