Журнал "Новости Электроники", номер 7, 2008 год.Новое поколение микросхем для радиопередачи в диапазонах 304 МГц - 915 МГц
Михаил Соколов (Freescale Semiconductor)Компания Freescale Semiconductor обновила линейку радиомикросхем для диапазонов 304 МГц, 315 МГц, 426 МГц, 434 МГц, 868 МГц и 915 МГц. Предложив разработчикам новые микросхемы МС33696 и МС33596, компания серьезно укрепила свои позиции в области радиокомпонентов, работающих в ISM-диапазонах до 1 ГГц. Статья посвящена рассмотрению новых возможностей и характеристик, выгодно отличающих микросхемы МС33696/596 от большинства аналогичных решений.
Cейчас на рынке представлено множество решений для радиопередачи в диапазонах до 1 ГГц. Такие компании как Analog Devices, Texas Instruments (линия ChipCon), Infineon и другие выпускают свои линейки подобных продуктов. Компания Freescale также ранее выпускала микросхемы МС33493, МС33591/2/3/4, но они были разработаны более 7 лет назад и уже не отвечали современным требованиям.
В середине 2007 года компания Freescale анонсировала микросхемы однокристального приемопередатчика МС33696 и приемника МС33596, которые превосходят своих предшественников практически по всем радиотехническим параметрам, а также обладают дополнительными функциями и новыми уникальными возможностями.
Отличительные особенности радиомикросхем МС33596/696
Перечень основных технических характеристик микросхем МС33596/696 представлен в таблице 1, остановимся более подробно на их отличительных особенностях:
1. Микросхемы работают во всех основных ISM диапазонах - 304 МГц, 315 МГц, 426 МГц, 434 МГц, 868 МГц и 915 МГц:
- Благодаря встроенному программируемому PLL перестройка микросхем на различные частотные диапазоны осуществляется программным способом;
- Каждый частотный диапазон требует кварцевого резонатора с определенной частотой. Перечень рекомендованных кварцевых резонаторов и их частот приведен в описании микросхем.
2. Каждая микросхема может работать в двух диапазонах напряжений - 2,1 В...3,6 В и 4,5 В...5,5 В:
- Возможно использование одной и той же микросхемы как в приложениях с напряжением питания 5 В (например, автомобильные), так и в приложениях с батарейным питанием (например, со стандартной 3 В батареей CR2032);
- При активации внутреннего модуля мониторинга напряжения питания, напряжение на питающих выводах микросхем сравнивается с внутренней опорой 1,8 В. При достижении напряжения питания уровня 1,8 В микросхема выставляет соответствующий флаг в регистре статуса, который сбрасывается каждый раз после операции чтения этого регистра.
3. Микросхемы МС33596/696 предназначены, в первую очередь, для автономных устройств с батарейным питанием. Они обладают крайне низким энергопотреблением:
- Режим приема - максимальный ток 10,3 мА при входной чувствительности -105...-108 дБм, в зависимости от типа модуляции и скорости передачи;
- Режим передачи - максимальный ток 13,5 мА при выходной мощности +7 дБм;
- «Спящий» режим - ток потребления 260 нА.
4. Встроенный стробирующий генератор:
- При активации встроенного модуля стробирующего генератора возможно периодически контролировать радиоэфир и распознавать пакеты, идентификаторы и заголовки без задействования МК;
- При использовании стробирующего генератора управляющему микроконтроллеру не требуется регулярно переходить в активный режим, чтобы активировать радиоприемник и принять пакет данных. В этом режиме потребление микросхем МС33596/696 составляет, в среднем, 25 мкА. Потребление может варьироваться в зависимости от выбранного периода работы генератора;
- Иллюстрация работы стробирующего генератора - на рисунке 1.
Рис. 1. Иллюстрация работы стробирующего генератора при приеме данных в автоматическом режиме
5. Встроенный модуль переключения задач:
- Существует возможность принимать с помощью одной микросхемы пакеты из радиоэфира, поступающие от различных систем и с различными параметрами;
- Модуль переключения задач можно использовать также для приема пакетов с одними характеристиками и передачи пакетов с другими характеристиками, без перепрограммирования микросхемы трансивера.
6. Встроенный менеджер данных:
- Менеджер данных позволяет освободить внешний МК от декодирования принимаемых из эфира данных. При его активации данные поступают в МК по SPI-интерфейсу уже в двоичном коде;
- Иллюстрация работы менеджера данных показана на рисунке 2.
Рис. 2. Использование менеджера данных при приеме
Модуль переключения задач
Большинство радиомикросхем подобного класса имеют в своей структуре набор регистров конфигурации и управления. Работа модуля переключения задач основана на том, что в микросхемах МС33596/696 есть два независимых блока регистров конфигурации и управления. Внутренняя схема позволяет очень быстро перестраивать микросхемы на различные параметры работы, попеременно используя значения из двух блоков регистров конфигурации. Причем параметры могут отличаться как по скоростям передачи и частоте, так и по типу модуляции, девиации частоты, идентификаторам, заголовкам, длинам пакетов данных, и т.п. Следовательно, возможно принимать пакеты одним приемником, даже если пакеты от двух систем передаются на различных частотах, например на 315 МГц и 434 МГц. Таким образом, один приемник может обслуживать сразу две системы, полностью отличающиеся по своим характеристикам.
Например, в автомобиле необходимо контролировать давление в шинах, а также принимать и обрабатывать сигнал от брелока управления дверными замками. Благодаря модулю переключения задач, приемник способен быстро определить тип пакета и обработать его соответствующим образом, согласно конфигурации, сохраненной в одном из двух независимых блоков регистров конфигурации и управления. В результате, микроконтроллер освобождается от дополнительной задачи по фильтрации пакетов данных, определению типа пакета и его принадлежности к той или иной системе.
Интересным свойством является и то, что встроенный стробирующий генератор можно использовать совместно с модулем переключения задач, контролируя и принимая данные как по каждой из конфигураций систем в отдельности, так и по двум конфигурациям одновременно. При одновременном контроле пакетов от двух систем, при активации генератора, приемник в период активного состояния быстро меняет параметры работы и способен захватывать пакеты из обеих систем.
Оптимизация энергопотребления
Радиомикросхемы MC33696/596 обладают дополнительными возможностями по минимизации потребляемого тока:
- Стробирующий генератор используется в качестве таймера периодических «просыпаний» без привлечения внешнего МК для активации радиомикросхемы: МК может находиться в энергосберегающем режиме;
- Модуль менеджера данных проверяет содержимое передаваемого по радиопакета для определения «своей» посылки, также детектируя идентификатор принимаемого пакета и заголовок: МК может находиться в энергосберегающем режиме;
- Если менеджер данных распознает идентификатор, он пересылает пакет в МК; МК переводится из энергосберегающего режима в активный;
- Если сигнал не принят, приемник самостоятельно переходит в «спящий» режим;
- Внутренние модули микросхемы, задействованные при оптимизации энергопотребления, показаны на рисунке 3.
Рис. 3. Дополнительные возможности микросхем МС33696/596 для оптимизации энергопотребления
Интерфейс связи с внешним МК
Микросхемы МС33596/696 имеют стандартный четырехпроводной последовательный интерфейс SPI для связи с внешним микроконтроллером. По последовательному интерфейсу осуществляется настройка и управление радиомикросхемой, а также прием/передача пакетов данных. При приеме данные могут поступать в МК двумя способами.
Первый способ, при отключенном менеджере данных - непрерывный необработанный поток данных, получаемый из радиоэфира, поступает на вход МК. В этом случае МК самостоятельно распознает передачу пакета, обрабатывает преамбулу, определяет скорость передачи, фильтрует пакет и декодирует посылку. Такой способ приема имеет смысл применять в ситуации, когда нет ограничений на питание, и при сложной помеховой обстановке в месте функционирования системы, т.к. возможно применить сложные математические алгоритмы в МК для фильтрации случайных и периодических помех различной длительности и интенсивности.
Второй способ - активировать менеджер данных внутри приемника, и поручить все операции по приему и фильтрации и декодированию пакета данных радиомикросхеме. При этом микросхема генерирует прерывание в МК только в момент готовности передачи первого байта данных. Для фильтрации пакетов данных и детектирования начала массива данных микросхема использует значения идентификаторов и заголовков пакетов, заранее записанных в соответствующие регистры.
Приемная часть микросхем МС33596/696
Среднее значение входной чувствительности приемника при амплитудной OOK-модуляции составляет -103 дБм и достигает
-108 дБм при частотной FSK-модуляции независимо от рабочего частотного диапазона. Высокая входная чувствительность приемника, а также исключительная ее стабильность при изменении уровня питающего напряжения и температуры в пределах допустимых рабочих значений, позволяют применять микросхемы в приложениях с повышенным требованием к дальности и качеству передачи, а также в различных климатических и эксплуатационных условиях. Существует возможность изменять значение входной чувствительности, выбирая один из четырех уровней. В результате входная чувствительность может меняться в пределах от -108 дБм до -81 дБм.
Данные из эфира могут приниматься посредством любой модуляции на скоростях до 20 кбит/сек при активации встроенного менеджера данных, и на скоростях до 40 кбит/сек при подаче потока данных из радиоканала непосредственно на вывод внешнего МК. Возможности задавать полосу пропускания приемника, подстраивать несущую частоту с шагом 6 кГц при тестировании на производстве, вместе со смесителем с подавлением зеркальной частоты и системой ФАПЧ - все это обеспечило отличные показатели надежности радиосвязи на значительных расстояниях.
Дополнительно модуль приемника способен сообщить в микроконтроллер информацию об уровне принимаемого сигнала (RSSI). Причем существует возможность передачи данных как в аналоговом виде, с помощью сигнала, подводимого непосредственно к линии АЦП МК, так и в цифровом. Цифровое значение RSSI считывается из специального регистра и может измеряться двумя способами - непрерывное обновление значения регистра либо однократное сразу после начала приема очередного пакета.
Передающая часть
микросхемы МС33696
Передача данных по радио осуществляется в манчестерском коде, микросхема автоматически преобразует биты данных, поступающие по последовательному SPI-интерфейсу. Скорость передачи не превышает 20 кбит/сек, как с амплитудной OOK, так и с частотной FSK-модуляцией, выбираемой программно. Девиация частоты относительно несущей при FSK-модуляции задается программно, в пределах от 6 кГц до 192 кГц. Так же, как и в приемном блоке, можно подстраивать несущую частоту с шагом 6 кГц при производстве готовых устройств. Значение выходной мощности также задается прораммно, и выбирается в пределах от -19 дБм до + 7 дБм.
Основные технические характеристики микросхем МС33596/696 приведены в таблице 1.
Таблица 1. Основные технические характеристики радиомикросхем диапазона 304...915 МГц| Параметр | МС33596 | МС33696 |
|---|---|---|
| Тип микросхемы | Приемник | Приемопередатчик |
| Частотный диапазон, МГц | 304/315/426/434/868/915 | 304/315/426/434/868/915 |
| Тип модуляции | OOK/FSK | OOK/FSK |
| Скорость передачи, кбит/сек | до 20 (с менеджером данных) до 40 (без менеджера данных) | до 20 (с менеджером данных) до 40 (без менеджера данных) |
| Выходная мощность передатчика,дБм | - | -19...+7 |
| Входная чувствительность приемника, дБм | до -108 | до -108 |
| Напряжение питания, В | 2,1...3,6 и 4,5...5,5 | 2,1...3,6 и 4,5...5,5 |
| Ток потребления при приеме, мА, максимальный | 10,3 | 10,3 |
| Ток потребления при передаче, мА, максимальный | - | 13,5 (+7 дБм) |
| Ток потребления в режиме «сна», мкА | 0,26 | 0,26 |
| Ток потребления при активном таймере, мкА, средний | ~25 | ~25 |
| Интерфейс | SPI | SPI |
| Диапазон рабочих температур, °С | -40...85, -20...85 | -40...85, -20...85 |
| Корпус | QFN-32, LQFP-32 | QFN-32, LQFP-32 |
Области применения
Спектр применений микросхем крайне широк и охватывает большинство приложений, в которых требуется пониженное энергопотребление и значительная дальность передачи:
- автомобильные приложения (бесключевой доступ, системы контроля давления в шинах);
- беспроводное управление;
- системы сбора и передачи информации;
- промышленная телеметрия;
- складской учет, автономные радиометки;
- автономные датчики и охранно-пожарные системы;
- системы управления освещением, отоплением, вентиляцией и кондиционированием (системы «Умный дом»).
Доступные отладочные средства и примеры для разработки
Компания Freescale предлагает несколько вариантов оценочных модулей. Отличия заключаются только в рабочей частоте, на которую настроен модуль:
- MC33696MOD315EV;
- MC33696MOD434EV;
- MC33696MOD868EV.
Сами модули, содержащие непосредственно радиомикросхему, схему согласования, антенну, разъем для подключения к базовой плате с микроконтроллером, включают в себя также схемотехнику и соответствующие контактные площадки для монтажа входного (LNA) и выходного (PA) усилителей и SAW-фильтра на соответствующую частоту. На рисунке 4 представлен внешний вид модулей.
Рис. 4. Внешний вид оценочных радиомодулей и платы МК для микросхем МС33696
В процессе работы с радиомодулями можно воспользоваться отладочной платой для микроконтроллера MC9S08RG60 - DEMO9S08RG60/E, внешний вид которой показан также на рисунке 4. Компания предлагает программные примеры и наборы скриптов для инициализации и работы со всеми типами радиомикросхем. Причем скрипты доступны для всех возможных конфигураций радиопараметров, включая тип модуляции, скорость передачи, частотный диапазон, дивиацию частоты, выходную мощность, входную чувствительность и прочее. Примеры ПО и библиотеки скриптов доступны бесплатно с сайта производителя.
ESTAR Reference Design
В помощь разработчикам компания Freescale подготовила систему беспроводного брелока и USB-радиоприемника на базе микросхем МС33696. Структурная схема устройств показана на рисунке 5, внешний вид системы представлен на рисунке 6.
Рис. 5. Блок-схема модулей, входящих в ESTAR Reference Design: а) Структура радиобрелока с датчиком ускорения/3-D беспроводной мышки; б) Структура радиоприемного модуля с USB-интерфейсом
Рис. 6. Внешний вид модулей ESTAR Reference Design: а) плата радио-брелка с датчиком ускорения /3-D беспроводной мышки, б) плата радиоприемного модуля с USB-интерфейсом
Данная система призвана служить примером разработки и реализации радиотрака при жестких ограничениях на габариты печатной платы и энергопотребление.
С точки зрения функционирования система способна работать в двух режимах - как беспроводная 3D-мышь для ПК и как демонстрационный макет на базе датчика ускорения.
В первом режиме, после подключения приемной платы к ПК, Windows автоматически находит и устанавливает драйвера для мыши. После этого, при отклонении радиобрелока в различные стороны, курсор перемещается в соответствующие направления. И чем сильнее угол наклона, тем больше скорость перемещения курсора. Кнопки на брелоке работают как левая и правая кнопки на обычной компьютерной мыши.
Для второго режима предусмотрено специальное ПО для ПК, демонстрирующее различные варианты применения трехосевого датчика ускорения совместно с радиоканалом.
С сайта компании можно загрузить полную техническую документацию на систему ESTAR, включая схемотехнику, спецификацию, топологию ПП, Gerber-файлы, и все проекты плат, выполненные в среде ORCAD.
Благодаря наличию проектов в среде ORCAD нет необходимости создавать библиотеки элементов, схемотехнику и топологию, возможно либо воспользоваться уже готовыми примерами, либо экспортировать в любую другую среду проектирования и модифицировать имеющийся дизайн радиотракта. Программное обеспечение также загружается непосредственно с сайта компании. В состав ПО входят проекты под микроконтроллеры устройств, включая реализацию функции беспроводной мыши, USB-драйверы, а также ПО для ПК.
Заключение
Радиоканал постепенно перестает быть чем-то вроде черного ящика, и все большее число инженеров используют его в своих разработках. Без наличия достаточного количества схемотехнических, топологических и программных примеров невозможно быстро и эффективно использовать новую элементную базу. Компания Freescale помогает облегчить процесс разработки, предложив широкий спектр технической документации и примеров прораммного обеспечения для нового семейства радиомикросхем МС33696/596. Причем примеры аппаратной части не ограничиваются простой схемой на базе только радиомикросхемы, антенны и несложной цепи согласования, но и приводятся примеры реализации радиотракта с входным SAW-фильтром, входным LNA и выходным PA усилителями.
| Ваш комментарий к статье | ||||
