55_59.pdf

S P R Z Ę T

2,4 GHz dla każdego

Jeszcze nie tak dawno

(przynajmniej z†punktu

widzenia autora)

czÍstotliwoúci powyøej

100 MHz stanowi³y

niedostÍpn¹ ìkrainÍî.

Dominowa³y tam lampy,

tylko gdzie niegdzie

pojawia³ siÍ jakiú

tranzystor, o†uk³adach

scalonych mowy nie

by³o. A†jeøeli ktoú

gdzieú napotka³

czÍstotliwoúci wyraøane

w†GHz, to

najprawdopodobniej

wszed³ w†posiadanie

materia³Ûw wojskowych.

Ale czasy siÍ zmieniaj¹

i†to, co by³o kiedyú

poza zasiÍgiem, jest

teraz codziennoúci¹.

Tak by³o teø z†pasmem

433 MHz - kiedyú wymaga-

j¹cym sporo wysi³ku od kon-

struktora, a†zat³oczonym juø

ponad miarÍ przez wszelkie-

go rodzaju piloty, alarmy

i†inne urz¹dzenia, ktÛre na

sta³e zagoúci³y w†naszym øy-

ciu. Podobnie jest z†pasmem

868 MHz - przecieø to pra-

wie 1†GHz, a†nikt siÍ nie

krzywi³, tylko wszyscy za-

czÍli starannie zagospodaro-

wywaÊ kolejny fragment

ìeteruî. Niestety oba te pas-

ma maj¹ jedn¹ cechÍ wspÛl-

n¹ - s¹ bardzo w¹skie (433

MHz - 1,74 MHz, 868 MHz

- 2,00 MHz) i†przez to nie

jest moøliwa jednoczesna

praca wielu urz¹dzeÒ (lub

szybka transmisja danych).

W†Europie moøemy tylko po-

marzyÊ o†komforcie jaki ma-

j¹ konstruktorzy amerykaÒs-

cy, gdzie w†paúmie 900 MHz

jest do dyspozycji aø 26

MHz. W†takich warunkach

uk³ady transceiverÛw

nRF903 (firmy NordicVLSI)

mog¹ pracowaÊ aø na 169

kana³ach, podczas gdy euro-

pejskie pasmo 868 MHz po-

mieúci ich najwyøej 10.

W†tym miejscu uwaøny Czy-

telnik dostrzeøe nastÍpny

problem: firmy o†zasiÍgu glo-

balnym musz¹ przygotowy-

waÊ co najmniej dwie wers-

je urz¹dzeÒ: ìamerykaÒsk¹î

i†ìeuropejsk¹î, czÍsto takøe

trzeci¹ - ìdalekowschodni¹î.

Poci¹ga to za sob¹ koszty,

z†ktÛrymi wszyscy tak za-

wziÍcie teraz walcz¹.

Remedium na te problemy

sta³o siÍ pasmo 2,4 GHz, do-

Elektronika Praktyczna 10/2003

2,4 GHz dla każdego

S P R Z Ę T

moøna transmitowaÊ dane

z†szybkoúci¹ 1†Mb/s (przy

czu³oúci odbiornika -85 dBm)

lub 250 kb/s (przy czu³oúci

odbiornika -95 dBm).

Rys. 1. Schemat blokowy układu nRF2401

Shock burst - øeby

programistom øy³o siÍ

³atwiej, a†uk³ad

pobiera³ mniej pr¹du

Ca³kowit¹ nowoúci¹ jest

tryb pracy okreúlany jako

burst mode . W†tym trybie

mikrokontroler wysy³a do

nRF2401 sygna³y z†tak¹ szyb-

koúci¹ jaka jest dla niego naj-

wygodniejsza (np. 10 kb/s jak

pokazano na rys. 2 ). Po za-

pe³nieniu wewnÍtrznego bu-

fora uk³ad automatycznie ob-

licza sumÍ kontroln¹ (CRC8

lub CRC16), dodaje adres od-

biorcy oraz sekwencje rozbie-

gow¹. Dopiero po tym

wszystkim w³¹czany jest na-

dajnik, ktÛry wysy³a dane

z†maksymaln¹ szybkoúci¹ (1

Mb/s lub 250 kb/s). Podobny

proces odbywa siÍ w†torze

odbiorczym - nRF2401 sam

odrzuca sekwencjÍ rozbiego-

w¹, sprawdza adres i†sumÍ

kontroln¹. Dopiero po ode-

braniu bezb³Ídnego pakietu

ze zgodnym adresem uk³ad

zg³asza mikrokontrolerowi go-

towoúÊ danych, ktÛre mog¹

byÊ przeczytane z†bufora

z†dowoln¹ szybkoúci¹. DziÍki

temu úredni pobÛr pr¹du

przy nadawaniu jest bardzo

ma³y i†zmniejsza siÍ ryzyko

kolizji pakietÛw, a†mikrokon-

troler odci¹øony jest od cza-

soch³onnych zadaÒ zwi¹za-

nych z†obs³ug¹ transmisji.

Oczywiúcie zbÍdne jest

wstÍpne kodowanie danych

(np. kod Manchester).

stÍpne praktycznie wszÍdzie

i†na bardzo podobnych wa-

runkach. Wystarczy wiÍc je-

den projekt, aby obs³uøyÊ ca-

³y úwiat. Pasmo to jest teø

bardzo szerokie - w†naszym

regionie aø 83,5 MHz - po-

mieúci wiÍc wiele kana³Ûw

lub pozwoli na bardzo szyb-

k¹ transmisjÍ danych. Tutaj

ma³a uwaga - ci, ktÛrzy s¹-

dz¹, øe pasmo 2,4 GHz jest

przydzielone na wy³¹cznoúÊ

bezprzewodowym lokalnym

sieciom komputerowym

(WLAN) lub teø Bluetooth s¹

w†b³Ídzie. Jest to po prostu

jedno z†wielu pasm ogÛlno-

dostÍpnych okreúlanych czÍs-

to jako ISM (z angielskiego

Industrial-Scientific-Medic ).

Czyøby same zalety? W³aú-

ciwie tak, ale 2,4 GHz to juø

naprawdÍ duøo. Przy tej

czÍstotliwoúci kondensator to

juø nie sama pojemnoúÊ,

cewka to nie sama indukcyj-

noúÊ, a†prawie kaød¹ úcieøkÍ

trzeba traktowaÊ jako liniÍ

d³ug¹. Innymi s³owy, bez bo-

gatej wiedzy na temat pro-

jektowania i†uruchamiania

uk³adÛw wysokiej czÍstotli-

woúci oraz dobrze wyposaøo-

VLSI wprowadzi³ do produk-

cji uk³ady nRF2401 - w†pe³-

ni zintegrowane transceivery

na pasmo 2,4 GHz.

Pe³na integracja

Z†elementÛw zewnÍtrznych

wymaganych w†poprzednich

uk³adach firmy NordicVLSI

‘51 wieczenie żywy!

Rdzeń ‘51 wykorzystała w swoim scalonym

z mikrokontrolerem transceiverze firma

Chipcon. Układ CC1010 jest przystosowany

do pracy w pasmach 315/433/868 MHz,

ma wbudowaną m.in. pamięć programu

typu Flash oraz sprzętowy moduł

kryptograficzny DES.

nego laboratorium nie by³o

sensu rozpoczynaÊ projektu

na 2,4 GHz. I†by³o tak aø do

momentu, w†ktÛrym Nordic-

(nRF401, nRF903) w†nRF2401

zosta³ juø tylko kwarc i†je-

den rezystor. Wszystkie po-

zosta³e, ³¹cznie z†cewk¹ lo-

kalnego oscylatora znalaz³y

siÍ wewn¹trz. WidaÊ to dos-

konale na rys. 1 pokazuj¹-

cym strukturÍ wewnÍtrzn¹

uk³adu oraz niezbÍdne ele-

menty zewnÍtrzne.

DuoCeiver - czyli

podwÛjny odbiornik

Jeøeli chcemy jednoczeúnie

odbieraÊ dane z†dwÛch ürÛ-

de³, nie potrzebujemy drugie-

go uk³adu nRF2401, wystar-

czy w³¹czyÊ drugi tor odbior-

czy. Z†punktu widzenia uøyt-

kownika wygl¹da on jak ca³-

kowicie niezaleøny odbiornik,

z†w³asnym buforem dla trybu

ShockBurst i†w³asnymi wyj-

úciami sygna³u. DziÍki dwÛm

buforom moøna odbieraÊ pa-

kiety danych przychodz¹ce

jednoczeúnie na obu kana-

Nowe pasmo - nowe

moøliwoúci

Kana³y w†nRF2401 moøna

wybieraÊ z†krokiem 1†MHz,

tak wiÍc w†naszym rejonie

mamy ich do dyspozycji

ponad 80. Na kaødym z†nich

Rys. 2. Zasada nadawania danych w trybie burst

Elektronika Praktyczna 10/2003

S P R Z Ę T

Rys. 3. Dzięki dwóm buforom wejściowym układ nRF2401

może odbierać dane jednocześnie w dwóch kanałach

radiowych

³ach ( rys. 3 ). Jedynym ogra-

niczeniem trybu DuoCeiver

jest sta³y odstÍp miÍdzykana-

³owy wynosz¹cy 8†MHz.

powierzchnia zajmowana

przez uk³ad jest niewielka

w†porÛwnaniu z†uk³adami

w†obudowach SSOP. Niestety

nie ma innych obudÛw niø

QFN, co z†pewnoúci¹ skom-

plikuje øycie amatorom

niedysponuj¹cym sprzÍtem do

lutowania takich elementÛw.

1,9 V, czyli jeszcze

raz o†poborze energii

Jedn¹ z†korzyúci wynikaj¹-

cych z†wykorzystania tech-

nologii CMOS 0,18

m by³o

obniøenie minimalnego na-

piÍcia zasilania do 1,9 V.

Poniewaø maksymalne napiÍ-

cie zasilania wynosi 3,6 V,

uk³ad moøe byÊ zasilany

z†dwÛch baterii bez koniecz-

noúci stosowania przetworni-

cy, przy czym wykorzystana

zostanie ca³a energia dostÍp-

na w†ogniwach.

Przy nadawaniu z†pe³n¹

moc¹ wynosz¹c¹ 0†dBm (1

mW) uk³ad pobiera 13 mA.

Przy odbiorze pobÛr pr¹du

zaleøy od konfiguracji toru

odbiorczego i†mieúci siÍ miÍ-

dzy 18 mA (250 kb/s, jeden

tor odbiorczy) a†25 mA

(1Mb/s, dwa tory odbiorcze).

Przeliczaj¹c to na warunki

rzeczywiste,

uk³ad nRF2401

wymieniaj¹cy

256 bitÛw da-

nych co 1†sekundÍ moøe

pracowaÊ ponad 5†lat zasila-

ny z†baterii o†pojemnoúci

280 mAh.

K³opoty z†p³ytk¹

drukowan¹?

Jak do tej pory projektanci

uk³adÛw na wysokie czÍstot-

liwoúci musieli duøo czasu

poúwiÍcaÊ na zaprojektowanie

p³ytki drukowanej. Wiele ele-

mentÛw jest bardzo podat-

nych na zak³Ûcenia zewnÍt-

rzne, szczegÛlnej uwagi wy-

magaj¹ cewki generatorÛw

(VCO), filtry poúredniej czÍs-

totliwoúci i†filtry PLL. Wraz

z†pojawieniem siÍ nRF2401

problemy te znikaj¹, ponie-

waø wszystkie te obwo-

dy s¹ zrealizowane

w†strukturze uk³adu.

Tak jak juø by³o

wspomniane, na

zewn¹trz pozo-

staje tylko

kwarc i†jeden

rezystor. Jest to

bardzo znacz¹cy postÍp i†te-

raz nawet firmy bez fachow-

cÛw od wysokich czÍstotli-

woúci mog¹ úmia³o rozpocz¹Ê

projekty urz¹dzeÒ pracuj¹cych

w†paúmie 2,4 GHz. Dodatko-

wym u³atwieniem s¹ przygo-

towane przez NordicVLSI go-

towe wzory p³ytek drukowa-

nych. DziÍki nim czas wdro-

øenia jest praktycznie wyzna-

czony przez czas niezbÍdny

do oprogramowania mikro-

kontrolerÛw wspÛ³pracuj¹cych

z†nRF2401.

Obudowa, czyli

wymogi miniaturyzacji

Uk³ady nRF2401 s¹ zamy-

kane w†24-nÛøkowej obudo-

wie QFN ( fot. 4 ). DziÍki temu

Fot. 4. Układy nRF2401 są

dostarczane w obudowach

QFN24

Czy moøna jeszcze

bardziej uproúciÊ?

Wydaje siÍ, øe nie. Dwa

elementy zewnÍtrzne to juø

naprawdÍ niewiele. Ale

przecieø tor radiowy to nie

wszystko. W†prawie wszyst-

kich aplikacjach radio jest

tylko kana³em wymiany da-

nych miÍdzy mikroproceso-

Elektronika Praktyczna 10/2003

S P R Z Ę T

i†dla nRF24E1 dostÍpne s¹

gotowe do wykorzystania

wzory p³ytek drukowanych.

Rys. 5. Schemat blokowy układu nRF24E1

nRF24XX a†inni

uøytkownicy pasma

2,4†GHz

Jak juø wspomniano, pas-

mo 2,4 GHz jest ogÛlnodo-

stÍpne i†musi byÊ wspÛ³dzie-

lone pomiÍdzy wielu uøyt-

kownikÛw. NajczÍúciej napo-

tkamy w†nim bezprzewodo-

we lokalne sieci komputero-

we (WLAN) oraz urz¹dzenia

wyposaøone w†Bluetooth.

Powstaje zatem pytanie, jak

w†ich obecnoúci bÍd¹ dzia³aÊ

uk³ady nRF24XX oraz jak

zareaguj¹ na sygna³y z†nich

pochodz¹ce.

Urz¹dzenia WLAN w†zde-

cydowanej wiÍkszoúci wyko-

rzystuj¹ modulacjÍ z†wid-

mem rozproszonym. DziÍki

temu energia sygna³u przy

nadawaniu jest rozproszona

rami (mikrokontrolerami),

czyli øe z†kaødym nRF2401

bÍdzie wspÛ³pracowa³ jakiú

mikrokontroler. Gdyby wiÍc

tak po³¹czyÊ jedno z†drugim

to... otrzymamy nRF24E1.

DziÍki technologii 0,18

noúci energii i†przy pracy

z†zegarem 16 MHz pobiera

zaledwie 3†mA. Jeøeli do te-

go dodaÊ, øe j¹dro jest 4-tak-

towe, czyli trzy razy szybsze

od standardowych 8051,

otrzymamy bardzo dobr¹ re-

lacjÍ wydajnoúci do poboru

energii. W³¹czenie przetwor-

nika A/C zwiÍkszy pobÛr

pr¹du o†zaledwie 0,9 mA.

W†urz¹dzeniach bateryjnych

bardzo przydatny jest tryb

power down , w†ktÛrym

A, przy czym ca³y czas

dzia³a wewnÍtrzny uk³ad os-

cylatora RC. DziÍki temu

nRF24E1 bÍdzie sam siÍ bu-

dzi³ w†zaprogramowanych

odstÍpach czasu.

To wszystko zamkniÍte

jest w†36-nÛøkowej obudo-

wie QFN, na zewn¹trz ktÛrej

potrzebny jest tylko kwarc,

jeden rezystor i†pamiÍÊ sze-

regowa. Oczywiúcie tak jak

dla poprzedniego uk³adu tak

CMOS jest to bardzo ³atwe

i†co waøne - niedrogie. CÛø

wiÍc zawiera nRF24E1?

W†skrÛcie jest to ( rys. 5 ):

j¹dro 8051, 3†timery/liczniki,

³¹cze UART i†SPI, 9-kana³o-

wy 12-bitowy przetwornik

A/C, uk³ad PWM, watchdog,

oscylator RC, no i†oczywiú-

cie kompletny transceiver

o†parametrach identycznych

z†nRF2401. Do dyspozycji

jest 256 bajtÛw RAM ogÛlne-

go przeznaczenia i†4†kB

RAM pe³ni¹cych funkcjÍ pa-

miÍci programu. Tak, pro-

gram wykonywany jest z†pa-

miÍci RAM. W†zwi¹zku

z†tym po zerowaniu mikro-

procesor nie zaczyna wyko-

nywania programu od adre-

su 0x0000h, tylko od

0x8000h, gdzie w†pamiÍci

ROM zapisany jest boot-loa-

der . Program ten odczytuje

przez z³¹cze SPI pamiÍÊ nie-

ulotn¹, ktÛrej zawartoúÊ zo-

stanie przepisana do we-

wnÍtrznej pamiÍci RAM.

J¹dro 8051 zosta³o zapro-

jektowane z†myúl¹ o†oszczÍd-

Fot. 6. Przykładowy zestaw startowy dla układów nRF2401

Elektronika Praktyczna 10/2003

uk³ad pobiera zaledwie

2†

S P R Z Ę T

na wiele (typowo 22) kana-

³Ûw i†jej poziom w†jednym

kanale jest stosunkowo nie-

wielki i†nie wp³ywa na pra-

cÍ klasycznych (w¹skopas-

mowych) odbiornikÛw. Tak

samo przy odbiorze, w¹sko-

pasmowe sygna³y pochodz¹-

ce z†uk³adÛw nRF24XX nie

zak³Ûcaj¹ pracy odbiornikÛw

przystosowanych do modula-

cji szerokopasmowej.

Nieco inna sytuacja jest

z†Bluetoothem. Ten system

komunikacji bezprzewodowej

wykorzystuje te same roz-

wi¹zania co nRF24XX. Jed-

nakøe integraln¹ czÍúci¹ pro-

toko³u Bluetooth jest ci¹g³a

zmiana czÍstotliwoúci ( fre-

quency hopping ). Na jednym

kanale urz¹dzenie Bluetooth

nadaje przez 625

co na wydajnoúÊ systemu

a†z†zak³Ûceniami i†zanikami

projektant ³¹cza radowego

musi siÍ zawsze liczyÊ. PrÛ-

by przeprowadzone z†wielo-

ma urz¹dzeniami (8 i†wiÍcej)

nie spowodowa³y zauwaøal-

nego spadku szybkoúci trans-

misji danych przez nRF24E1.

s. Jeøeli

wiÍc urz¹dzenie z†Bluetoot-

hem ìtrafiî w†kana³, na ktÛ-

rym nadaje nRF24XX, to

³¹cznoúÊ zostanie zak³Ûcona.

Ale jest to tylko 625

Na dobry pocz¹tek:

zestawy startowe,

narzÍdzia...

Do wszystkich swoich

uk³adÛw NordicVLSI oferuje

zestawy startowe ( fot. 6 ),

ktÛre pozwalaj¹ na wykona-

nie natychmiastowych prÛb.

W†sk³ad zestawu wchodz¹

dwa modu³y, ktÛre moøna

po³¹czyÊ z†komputerem PC

oraz odpowiednie oprogra-

mowanie.

Do programowania

nRF24E1 moøna wykorzystaÊ

kaøde narzÍdzie (asembler,

kompilator) po uzupe³nieniu

plikÛw nag³Ûwkowych o†rejes-

try specyficzne dla tego uk³a-

du. Jeøeli jednak szukamy

rozwi¹zania firmowego, to

NordicVLSI poleca úrodowis-

ko firmy Keil, ktÛre wyposa-

øone jest w†program monitora

pozwalaj¹cego na uruchamia-

nie programÛw bezpoúrednio

na nRF24E1. Oczywiúcie nic

nie stoi na przeszkodzie, aby

zacz¹Ê bez zestawu startowe-

go. Skorzystanie z†gotowych

wzorÛw p³ytek drukowanych

i†kwarcu o†parametrach poda-

nych w†karcie katalogowej

gwarantuje poprawn¹ pracÍ

uk³adu, a†napisanie programu

na 8051 nie powinno byÊ

problemem. Czyli - konstruk-

torzy do dzie³a!

Witold Barycki, Eurodis

wiÍc nie wp³ynie to znacz¹-

Dodatkowe informacje

Wiêcej informacji mo¿na uzyskaæ

w firmie Eurodis Electronics Poland

Sp. z o.o, tel. (71) 301-04-00, www.-

eurodis.com.pl.

Elektronika Praktyczna 10/2003

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: