Russian HamRadio - Комплект микросхем для передачи данных по радиоканалу фирмы Atmel.
:
:
:
Комплект микросхем для передачи данных по радиоканалу фирмы Atmel.
Многих интересуют вопросы по передачи данных по радиоканалу, попробуем вас познакомить с новым комплектом микросхем Т5750—Т5760/61 фирмы Atmel, предназначенным для организации локальных сетей по радиоканалу в диапазоне частот от 868 до 928 МГц.
Фирма Atmel [1, 2] широко известна на отечественном рынке электронных компонентов как производитель популярных микроконтроллеров семейств АТ89 и AVR. Однако мало кто из читателей знает, что Atmel является также одним из мировых лидеров по производству комплектов микросхем для беспроводной связи (Wireless Data Communications).
Фирмой Atmel выпускаются комплекты приемников и передатчиков различной сложности и назначения, предназначенные для работы в различных частотных диапазонах. Микросхемы беспроводной связи получили в последнее десятилетие очень широкое распространение.
К традиционным областям их применения относятся сотовая и радиотелефонная связь, а также системы охраны и безопасности, сбора метеорологических данных, автоматизации агропромышленного комплекса, идентификации и отслеживания передвижения личного состава, мониторинга движения транспорта и т. п. В последнее время микросхемы беспроводной связи стали использоваться в специальных локальных сетях сбора данных и управления.
Рис.1.
Новый комплект микросхем предназначен, в первую очередь, для построения таких локальных сетей.
Отличительной особенностью нового комплекта являются высокая рабочая частота (от 868 до 928 МГц), малые габариты корпусов, малое число внешних элементов, достаточно высокая выходная мощность передатчика при низком потреблении, низковольтное питание.
Структура организации беспроводной связи микроконтроллеров приведена на рис. 1.
Микросхема передатчика Т5750
Микросхема Т5750 [3] представляет собой передатчик со встроенным умножителем частоты, построенным по принципу фазового детектора. Микросхема предназначена для построения низкостоимостных систем передачи данных на скоростях до 32 кБод.
Диапазон рабочих частот передатчика — от 868 до 928 МГц. Рабочая частота определяется внешним по отношению к микросхеме кварцевым резонатором. Микросхема может работать в режимах амплитудной или фазовой модуляции. По сравнению с существующими аналогичными микросхемами она имеет ряд неоспоримых достоинств, среди которых:
• наличие встроенного умножителя частоты кварцевого генератора с фазовой автоподстройкой частоты;
• встроенная защита от электростатики двух антенных выходов;
• высокая выходная мощность (5,5 дВм) при достаточно малом токе потребления,
• составляющем в режиме передачи всего 8,5 мА;
• амплитудная модуляция осуществляется без дополнительных внешних элементов;
• частотная модуляция осуществляется с только одним дополнительным внешним конденсатором;
• использование одного низкого напряжения питания (от 2 до 4 В), допускающего применение передатчика в системах с питанием от литиевого элемента;
• широкий диапазон рабочих температур — от -40 до 85/125 °С;
• сверхминиатюрный плоский корпус TSSOP8L;
• наличие выхода кварцевого генератора (с делителем) для тактирования управляющего микропроцессора;
• наличие одноэлементной антенны с высокоэффективным усилителем мощности.
Название и описание выводов микросхемы Т5750 приведено в табл.1.
Таблица 1.
Вывод
Название
Назначение
1
CLK
Выходной сигнал кварцевого генератора с частотой, деленной на 4, для тактирования управляющего микроконтроллера
2
PA_ENABLE
Вход включения выходного усилителя мощности. Используется при амплитудной модуляции
На рис. 2 изображена функциональная схема передатчика. Частотозадающим узлом является кварцевый генератор ХТО, работающий на последовательном резонансе внешнего кварцевого резонатора и соединенного последовательно с ним единственного конденсатора.
Рис.2.
Штриховой линией обведен узел PLL — умножитель частоты с фазовой петлей обратной связи. На вход этого узла поступает частота с выхода кварцевого генератора ХТО, эта частота умножается на 64.
Таким образом, при подключении кварцевого резонатора с частотой 13,5672 МГц на выходе мы получаем частоту 868,3 МГц, а при кварцевом резонаторе на частоту 14,2969 МГц выходная частота получается равной 915МГц.
Кварцевый генератор вместе с умножителем выходят на режим стабильной частоты примерно через 1 мс после включения.
Для гарантированной работоспособности пользователь должен сделать паузу с момента включения не менее 4 мс.
Как видно из табл.1, для управления работой микросхемы используются два входа — ENABLE и PA_ENABLE. Если оба этих входа находятся в низком состоянии, т. е. на них поданы уровни лог. 0.
Микросхема находится в режиме энергосбережения и потребляет меньше 350 нА. Это позволяет микросхеме работать в системах с питанием от одного литиевого элемента. При этом срок службы элемента может исчисляться годами.
Подача на вход ENABLE лог. 1 включает кварцевый генератор и умножитель частоты. Подача на вход PA_ENABLE высокого логического уровня включает передатчик.
Рис.3.
Переключая логический уровень на входе PA_ENABLE, мы получаем простейший вариант амплитудной манипуляции. Схема включения передатчика для работы в этом режиме показана на рис. 3, а.
Для получения частотной модуляции необходимо добавить к приведенной схеме еще один конденсатор, подсоединив его в точку соединения кварцевого резонатора с последовательным конденсатором. Второй вывод дополнительного конденсатора необходимо коммутировать на общий провод выходом микросхемы микроконтроллера с открытым истоком.
Поскольку микросхема передатчика предназначена для создания систем с питанием от литиевой элемента, микроконтроллеры также желательно использовать с пониженным напряжением питания и малым потреблением, например, производства фирмы Cygnal, которые, к тому же, могут работать в режиме с открытым истоком. Схема включения передатчика для работы в режиме частотной модуляции показана
на рис. 3, б.
В [3] рекомендуется использовать С4 = 9,2 пФ ±2 % и С5 = 6,8 пФ ± 5%. При емкости открытого истока, примерно равной 3 пФ, достигается типовая девиация частоты ± 21,5 кГц с возможным разбросом от ± 16,8 до ± 28,0 кГц.
Выход CLK может использоваться для тактирования управляющего микроконтроллера в тех системах, в которых не происходит выключение передатчика по входу ENABLE, а также если вход микроконтроллера имеет емкость не более 10 пФ.
Выходная мощность передатчика устанавливается регулировкой сопротивления антенны. Максимальная выходная мощность 5,5 дБм соответствует сопротивлению антенны Z|0adopt = (166 + J226) Ом при частоте 868,3 МГц. Выходной усилитель имеет максимальную выходную мощность при токе 7,7 мА и резистивной нагрузке, равной
475 Ом, если емкость выходной цепи не превышает 0,53 пФ.
Рекомендуется использовать следующие номиналы внешних элементов передатчика: СЗ = 68 пФ; С1 = 3,9 пФ; С2= 1,1 пФ. Поскольку номинал С2 труднодоступен, рекомендуется использовать два последовательно включенных конденсатора по 2,2 пФ. Ширина проводника рамочной антенны не должна превышать 1,5 мм, иначе добротность ее будет слишком велика. Индуктивность катушки L1 обычно порядка 50... 100 нГ, ее рекомендуется выполнить на печатной плате.
В заключение описания микросхемы передатчика Т5750 приведем некоторые параметры, не упоминавшиеся выше: предельное напряжение составляет 5В, предельная мощность рассеяния 100 мВт, предельная рабочая температура перехода — 150 °С.
Микросхема приемника Т5760/61
Микросхемы Т5760/61 [4] представляют собой приемники с фазовой автоподстройкой частоты, выполненные в малогабаритном корпусе SO-20. Эти микросхемы специально разработаны для создания дешевых беспроводных систем передачи данных с использованием микросхем передатчиков Т5750. Приемники могут использоваться для передачи данных по радиоканалу со скоростями от 1 до 10 кБод. Предусмотрена возможность работы в кодах “Манчестер” или двухфазных кодах. Основные области применения — системы телеметрии, защиты контроля доступа,
специализированные локальные сети. Микросхема Т5760 предназначена для работы в диапазоне частот 866...871 МГц, а микросхема Т5761 — в диапазоне 900...929 МГц.
Основными достоинствами новых микросхем приемников Т5760/61 являются:
• достаточно большой диапазон частот приема;
• подавление помех по зеркальному каналу — не хуже 30 дБ;
• принимаемая полоса частот — до 600 кГц;
• полностью интегрированная система умножения частоты с фазовой автоподстройкой;
• очень высокая чувствительность на согласованной антенне;
• наличие встроенных систем шумоподавления ИРЗ (-16 дБм) и “I-dB Compression Point” (-25 дБм);
• возможность функционирования в диапазоне больших сигналов мобильной системы связи GSM;
• интерфейс данных, совместимый с питанием 5...20В;
• стробирование данных при работе в “манчестерском” или двухфазном кодах;
• возможность программируемого шумоподавления;
• малое энергопотребление благодаря управляемому умножителю частоты;
• широкий диапазон рабочих температур — от -40 до 105 °С;
• встроенная электростатическая защита;
• однопроводный интерфейс связи с микроконтроллером;
• низкая стоимость системы благодаря минимуму внешних элементов;
• миниатюрный корпус SO-20. Название и назначение выводов микросхем Т5760/61 приведено в табл. 2.
Таблица
2.
Вывод
Название
Назначение
1
SENS
Резистор подстройки чувствительности
2
IC_ACTIVE
Вывод индикатора режима работы: "0" — режим энергосбережения, "1" — активный режим
3
CDEM
Выход демодулятора
4
AVCC
Аналоговое напряжение питания
5
TEST1
Тестовый вывод, во время работы должен быть соединен с общим проводом (GND)
6
AGND
Аналоговый общий вывод
7
NC
Не подсоединен, во время работы должен быть соединен с общим проводом (GND)
8
LNAREF
Выход смесителя
9
LNAJN
Радиочастотный вход
10
LNAGND
Общий вывод смесителя
11
TEST 2
Тестовый вывод, не подсоединять во время работы
12
TESTS
Тестовый вывод, во время работы должен быть соединен с общим проводом (GND)
13
NC
Не подсоединен, во время работы должен быть соединен с общим проводом (GND)
14
XTAL
Вход подключения кварцевого резонатора
15
DVCC
Цифровое напряжение питания
16
TEST 4
Тестовый вывод, во время работы должен быть соединен с цифровым питанием (DVCC)
17
DATA_CLK
Выход стробирования потока данных
18
DGND
Цифровой общий провод
19
POLLING/_ON
Выбор режима поллинга "1" или режима приема "0"
20
DATA
Вход данных/вход конфигурации
На рис. 4 изображена функциональная схема приемника. Даже беглого взгляда на приведенную структуру достаточно, чтобы сказать, что микросхема приемника Т5760/61 намного сложнее микросхемы передатчика Т5750 и имеет большие функциональные возможности. В рамках этой статьи мы только рассмотрим функциональную схему приемника и дадим ее краткое описание.
Рис.4.
Входная часть микросхемы приемника построена по классической гетеродинной схеме с преобразованием входного сигнала в сигнал промежуточной частоты, примерно равной 0,95...1 МГц с подавлением помех по зеркальному каналу порядка 30 дБ.
Входная часть приемника содержит входной низкошумящий усилитель LNA (Low Noise Amplifier), гетеродин LO (Local Oscillator), смеситель (I/Q mixer), многофазный фильтр с частотой среза около 7 МГц, усилитель промежуточной частоты (IF), второй фильтр с частотой среза около 2,2 МГц и фильтр с полосой пропускания от 950 кГц до 1 МГц.
Система умножителя генерирует несущую частоту для смесителя. Она состоит из низкочастотного малошумящего генератора, управляемого напряжением LC-VCO (Voltage Controlled Oscillator) и петли фазовой автоподстройки частоты (PLL).
Петля фазовой автоподстройки частоты работает стандартным образом с коэффициентом умножения частоты, равным 256. С учетом дополнительного делителя на 2 частота кварцевого генератора связана с несущей частотой соотношением: fXTO = fLO/128.
Кварцевый генератор работает в режиме последовательного резонанса кварцевого резонатора, и поэтому имеет один вход XLAT для его подключения. Второй вывод резонатора подключается на общий провод через конденсатор. Емкость конденсатора зависит от конструкции и разводки печатной платы и характеристик кварцевого резонатора. Рекомендуется обеспечить возможность подбора этого конденсатора.
Рекомендуется и в передатчике Т5750, и в приемнике Т5760/61 использовать кварцевые резонаторы с одинаковыми характеристиками. Промежуточная частота используется разная. Для микросхем приемников Т5760, работающих в диапазоне частот 866...871 МГц, промежуточная частота составляет 950 кГц, а для микросхем Т5761 (900...929 МГц) — 1 МГц.
Радиочастотный сигнал с антенны или измерительного генератора должен быть согласован с входом радиоприемника LNAJN. Полные электрические характеристики входа приводятся в технической документации [4]. Паразитные индуктивности и емкости печатной платы сильно влияют на входные параметры, поэтому проектированию фрагмента печатной платы входной части следует уделить особое внимание.
Промежуточная частота после фильтрации имеет полосу 600 кГц. Сигнал промежуточной частоты прежде, чем попасть на демодулятор, усиливается управляемым усилителем RSSIF. Динамический диапазон этого усилителя составляет 60 дБ. Если этот усилитель используется на линейном участке, то при амплитудной модуляции входного сигнала обеспечивается лучшее соотношение сигнал/шум. На отношение сигнал/шум входного сигнала с частотной модуляцией усилитель влияния не оказывает. Выходное напряжение усилителя сравнивается с пороговым напряжением V
Th_red, определяемым внешним резистором, подключаемым между выводом SENS и общим GND.
Выходной сигнал сравнения поступает на цифровую схему контроля и управления. Это позволяет снижать чувствительность приемника для некоторых применений. Если вывод SENS соединен с общим проводом, то чувствительность максимальна, а если с плюсом питанием, то чувствительность минимальна. Очевидно, что этот вход может использоваться для управления чувствительностью с помощью микроконтроллера.
В режиме поллинга приемник не будет включаться, если принятый входной сигнал ниже установленного порога чувствительности. Если приемник уже принимает данные, а уровень входного сигнала снизится ниже установленного порога, поток данных прекратится и вместо него на микроконтроллер поступит последовательность, извещающая, что сигнал снизился.
Входной сигнал с выхода усилителя RSSIF преобразуется в необработанный сигнал данных на демодуляторе и выходном фильтре. Рабочий режим демодулятора (амплитудная, либо частотная демодуляция) устанавливается путем программирования бита ASK/_FSK в регистре OPMODE. Низкий логический уровень соответствует режиму частотной демодуляции, высокий — амплитудной. При амплитудной демодуляции используется автоматический пороговый узел для установки оптимального соотношения
сигнал/шум.
Этот же узел подавляет любые шумы или конкурирующие передатчики. Для уверенного приема данных достаточно соотношения сигнал/шум 10 дБ. Частотный режим демодулятора настроен на функционирование при девиации от 10 до 100 кГц. Сигнал может быть уверенно принят при соотношении сигнал/шум приблизительно 2 дБ.
Выходной сигнал демодулятора фильтруется в выходном фильтре, прежде чем поступает на цифровой сигнальный процессор. Фильтр данных улучшает соотношение сигнал/ шум. Выходной фильтр состоит из последовательно соединенных фильтра высоких частот первого порядка и фильтра низких частот второго порядка. Частота отсечки фильтра низких частот определяется конденсатором, подсоединяемым к выводу CDEM.
С одной стороны, емкость этого конденсатора не должна быть очень большой, чтобы обеспечить быстрый поллинг (обнаружение и захват частоты) приемника, а с другой — не очень маленькой для эффективной работы фильтра. Рекомендуемые значения приводятся в технической документации. Частота отсечки фильтра высоких частот определяется заданной скоростью передачи — биты BR_RANGE в регистре OPMODE.
Важное замечание: рассматриваемые микросхемы приемников разработаны для работы с сигналами, в которых уровень постоянной составляющей около 50%. Это имеет силу для кодов “Манчестер” и двухфазного кодирования. Если используются другие системы кодирования, постоянная составляющая не должна быть ниже 33 % и выше 66 %.
Микросхема разрабатывалась специально для систем с низким энергопотреблением, — ток собственно приемной части составляет не более 1 мА. Чтобы обеспечить низкое потребление цифровой части и высокоэффективную работу всей системы, в микросхеме реализован так называемый режим поллинга, заключающийся в том, что приемная часть все время отслеживает заданный частотный диапазон, и только, если приемник принял сигнал, превышающий заданный порог чувствительности, данные передаются в микроконтроллер. До обнаружения данных микроконтроллер может находиться в состоянии энергосбережения. Подробные временные диаграммы режима поллинга, пояснения и рекомендации для европейских и американских пользователей приведены в технической документации [4].
Микросхема приемника имеет встроенный сигнальный процессор с весьма развитым интерфейсом. Пользователь может использовать для управления и передачи данных только одну двунаправленную линию, либо программно задать до пяти линий управления. Надо сказать, что интерфейс однопроводной связи оригинальный (не соответствует 1-Wire). Сигнальный процессор имеет достаточно сложный алгоритм работы, а непосредственного выхода входного сигнала микросхема не имеет.
Такая реализация микросхемы приемника не позволяет использовать ее для простейших приложений и передавать по радиоканалу, например, данные UART от микроконтроллера. Не останавливаясь подробно на особенностях работы сигнального процессора, отметим только общие заложенные принципы обработки, направленные на выявление и коррекцию входных кодовых последовательностей (“Манчестер” или двухфазовый код).
Входной сигнал может быть обработан в режиме поразрядной проверки. В этом режиме входной сигнал проверяется методом последовательных проверок цикла, что позволяет выявлять шумовые паразитные импульсы в кодах с 50 % постоянной составляющей. Параметры временного окна также задаются в регистре OPMODE. При обнаружении достоверного входного сигнала на выходе DATA появляются данные, сопровождаемые тактовыми импульсами на выходе DATA_CLK. Важно отметить, что в отсутствие достоверного сигнала на выходе DATA_CLK сигнал также отсутствует.
Несмотря на то, что специального выхода данных до сигнального процессора не предусмотрено, необработанный сигнальным процессором входной сигнал может быть снят с вывода CDEM при малых скоростях передачи и небольшой емкости, соединяющей этот вывод с общим проводом. При получении в режиме поллинга достоверного сигнала приемник автоматически переключается из режима поллинга в режим приема.
При этом управляющий микроконтроллер может быть активирован по фронту импульса на выходе DATA_CLK. Входные данные передаются на микроконтроллер. После окончания передачи со стороны передатчика стробирующие импульсы на выходе DATA_CLK исчезают. Сигнальный процессор может настраиваться на определенные скорости передачи (четыре диапазона: 1... 1,8 кБод; 1,8.. .3,2 кБод; 3,2...5,6 кБод; 5,6...10 кБод), тип модуляции (амплитудная или частотная), режимы коррекции и подавления шумов с помощью программирования двух 16-битных регистров OPMODE и LIMIT. С подробным описанием можно ознакомиться в [4]. Отметим только, что выход DATA совместим с питанием от 5 до 2
0В и выполнен с открытым истоком, при этом подразумевается внешний резистор к напряжению питания. Величины рекомендуемых резисторов (от 1,6 до 470 кОм) зависят от емкости входа микроконтроллера, напряжения питания и скорости принимаемых данных.
Несколько слов о электрических параметрах.
Номинальное напряжение питания составляет от 4,5 до 6В, максимальная рабочая температура кристалла -150°С, максимальный входной сигнал - не более 10 дБм. Типовой период тактовых импульсов составляет 2,0662 мкс при частоте кварцевого резонатора 6,77617 МГц и частоте входного сигнала 868,3 МГц; и 1,9607 мкс при частоте кварцевого резонатора 7,14063 МГц и частоте входного сигнала 915 МГц.
Максимальный ток потребления в режиме поллинга — 276 мкА. Максимальный ток потребления в режиме приема при амплитудной модуляции — 9,9 мА, при частотной модуляции — 9,6 мА. Емкость последовательного конденсатора в цепи кварцевого резонатора — 6,5 пФ. Типовая принципиальная схема включения приемника показана на рис. 5.
Рис.5.
В схеме на рис. 5 сохранены обозначения, приведенные в [4]. Схема иллюстрирует простейший вариант приемника без входного фильтра, настроенный на 868,3 МГц. В случае необходимости введения SAW фильтра он включается между антенной и конденсатором С17. В качестве SAW фильтра по документации используется EPCOS B3570.
Следует сказать, что и для преобразования входного сигнала для передатчика Т5750 может использоваться специальная микросхема, преобразующая входную последовательность в “манчестерский” или двухфазный код, например М4хСх9х [4]. В заключение следует отметить, что фирма Atmel выпускает еще целый ряд микросхем приемников и передатчиков для беспроводных сетей, беспроводного управления и беспроводной идентификации. Каждая из этих трех групп имеет свои диапазоны рабочих частот, режимы работы и особенности применения. Более подробная информация по этому вопросу представлена в [1].
