Projektowanie energooszczędnych układów elektronicznych.
KURS
Dodatkowe materiały
Projektowanie
na CD i FTP
energooszczędnych
układów elektronicznych.
Część VIII : Systemy łączności
radiowej
Nawet najbardziej energooszczędne mikrokontrolery muszą Dodatkowe materiały na CD i FTP:
ftp://ep.com.pl, user: 17855, pass: 4s406qj2
komunikować się ze światem zewnętrznym. W przypadku
" poprzednie części kursu
komunikacji bezprzewodowej zwykle jest to łączność radiowa.
W kolejnej części cyklu zajmiemy się systemami radiowej transmisji
niesie zaledwie 1 mAh rocznie, czyli około
danych pod kątem ich zastosowania w układach mikroprądowych.
10 mAh po uwzględnieniu zużycia w trybie
uśpienia. Jednak drastyczną zmianę w bilan-
Bilans energetyczny transmisji Poniżej przedstawiono dwa przykłady sie energii spowoduje uwzględnienie czasu
Jeżeli urządzenie jest zasilane z baterii obliczeniowe szacunkowego zużycia energii czuwania odbiornika. Przy poborze prądu
o pojemności 300...2000 mAh, która musi przez radiowe systemy transmisji danych. 5 mA i czasie czuwania 1 sekundy w ciągu
wystarczyć mu na rok lub kilka lat pracy, to Przykład 1. Czujnik systemu TPMS (Tyre każdej minuty, zużycie energii przez odbior-
łączność radiowa podlega bardzo poważnym Pressure Monitoring System), mierzący ci- nik wyniesie 730 mAh rocznie. Bardzo waż-
ograniczeniom: śnienie w oponie samochodowej. ny wniosek: przy krótkich sesjach łączności
- Podobnie jak w przypadku mikrokontro- W USA, gdzie TPMS jest obowiązko- największym konsumentem energii nie jest
lerów, systemy łączności radiowej pra- wym wyposażeniem samochodu, jest wy- sama transmisja danych, lecz okres czuwa-
cują w trybie cyklicznym. Stan uśpienia magane wysyłanie raportu przez czujniki nia odbiornika.
przerywany jest bardzo krótkimi cyklami przynajmniej co 5 sekund. Przyjęto nastę- Z punktu widzenia oszczędności ener-
aktywności. pujące założenia: transmitowana jest ramka gii, istotne jest wzajemne powiązanie czę-
- Ze względu na ograniczenie mocy na- danych o długości 64 bitów, szybkość trans- stotliwości fali nośnej, rodzaju modulacji
dajników, zasięg transmisji wynosi od misji 38400 bps, pobór prądu przez nadaj- oraz szybkości transmisji. Dla niskich czę-
kilkunastu centymetrów do około 500 nik 5 mA. Przy prędkości 38400 bps czas stotliwości stosuje się głównie modulację
metrów. Wydajność zasilania nie po- trwania transmisji wyniesie 1,7 ms, a licz- amplitudową ASK, o małej odporności na
zwala na zastosowanie modemów GSM. ba transmisji 3600 s/5 s = 720 na godzinę. zakłócenia. Wyższe częstotliwości fali no-
Pierwszym ograniczeniem jest impulso- Uwzględniając czas wybudzania nadajnika, śnej umożliwiają użycie bardziej zaawan-
wy pobór prądu: systemy GSM pobierają można przyjąć czas aktywności 3 ms, czyli sowanych systemów modulacji: FSK, PSK
krótkie impulsy prÄ…dowe o amplitudzie 3 ms×5 mA×720×24 godz.×365 dni daje i spread spectrum. ZwiÄ™ksza to odporność na
do 2 A, a wartość średnia przy trans- zużycie energii na transmisję radiową ok. zakłócenia i umożliwia uzyskanie większej
misji GPRS to 200...400 mA. Kolejnym 26 mAh na rok. Zakładając pobór prądu przepustowości kanału. Pobór mocy przez
problemem jest procedura logowania do 1 mA w trybie uśpienia, otrzymujemy zużycie tor radiowy w mniejszym stopniu zależy
sieci i zestawiania połączenia GPRS zaj- 8,8 mAh rocznie, czyli razem około 35 mAh. od szybkości transmisji niż w układach cy-
mującego kilkanaście, a nawet kilkadzie- Zużycie energii przez mikrokontroler i układ frowych, a więc przy dużych szybkościach
siąt sekund. W tym czasie modem GSM pomiaru ciśnienia będzie prawdopodobnie można przesłać tę samą ilość danych w krót-
pobiera znaczną energię, która z punktu większe, ale bateria litowa 500 mAh powin- szym czasie, czyli zużywając mniej energii.
widzenia transmisji jest bezużyteczna. na wystarczyć na 2...3 lata pracy czujnika.
- Nadajnik i odbiornik muszą pracować Przykład 2. System akwizycji danych Bilans energetyczny łącza
prawidłowo przy napięciu zasilania wysyła wyniki pomiarów na żądanie stacji Jest to zestaw parametrów decydują-
2...3 V. W wypadku użycia najmniej- bazowej, zwykle raz na dobę, w konfiguracji cy o maksymalnym zasięgu transmisji (dla
szych ogniw litowych szczytowy pobór łączności 2-kierunkowej. dociekliwych: patrz Równanie Friisa). Pod-
prądu nie powinien przekraczać 10 mA, Podczas każdej sesji łączności z prędko- stawowe czynniki składające się na tzw.
w przeciwnym razie użyteczna pojem- ścią 38400 bps jest przesyłanych 2 kB da- budżet łącza to: moc nadajnika, zysk anteny
ność ogniwa będzie mniejsza od znamio- nych. Przy założeniu poboru prądu przez nadawczej i odbiorczej, czułość odbiorni-
nowej. Większe baterie dopuszczają prąd transceiver 20 mA i czasu trwania dobowej ka. W energooszczędnej łączności radiowej
szczytowy w granicach 20...40 mA. sesji łączności 440 ms, zużycie energii wy- stosuje się moce nadajników z zakresu od
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2011 75
KURS
 10...+15 dBm, a czułości odbiorników wy- cyjnych, zestawy startowe itp. Wybór kon- zużycie energii, ale ma też istotne wady.
noszą  90...-110 dBm. Zwiększanie mocy kretnego rozwiązania danego producenta Najważniejszą jest brak możliwości po-
nadajników i czułości odbiorników odbywa jest ostatnim etapem procesu decyzyjnego. twierdzenia odbioru danych i ewentu-
się zawsze kosztem większego zużycia ener- W pierwszej kolejności należy określić ilość alnej retransmisji błędnie odebranych
gii, poza tym muszą one mieścić się w po- przesyłanych danych i częstotliwość sesji pakietów. W celu poprawy jakości trans-
danych wyżej granicach. Bardzo ważnym łączności oraz wymagany zasięg i konfigura- misji stosuje się kodowanie nadmiarowe
i często niedocenianym przez konstruktorów cję systemu. Na tej podstawie można wybrać z korekcją błędów oraz wielokrotne po-
czynnikiem jest dobór odpowiednich anten. optymalny zakres częstotliwości i szybkość wtarzanie transmisji, jednak nie daje to
Duży zysk antenowy może znacząco popra- transmisji. Nie można jednak zbyt optymi- 100% pewności dotarcia wszystkich da-
wić budżet łącza, nie powodując dodatkowe- stycznie podchodzić do danych katalogo- nych do adresata. Kolejnym problemem
go zużycia energii. Niestety anteny o dużym wych modułów łączności. Jeżeli producent jest współpraca sieciowa wielu urządzeń
zysku mają też duże wymiary, dlatego prak- podaje maksymalną szybkość transmisji z jedną stacją bazową. Jeżeli dwa urzą-
tyczne rozwiązania są zawsze kompromisem 128 kbit/s, a w innym miejscu informację dzenia będą nadawać w tym samym cza-
pomiędzy zyskiem antenowym i gabarytami o zasięgu 500 m, to nie oznacza, że obydwa sie, to nastąpi kolizja i transmisja nie zo-
anteny. warunki będą spełnione jednocześnie. Po stanie odebrana. Przykładem zastosowa-
Systemy antenowe to temat trudny i wy- uważnym przestudiowaniu not aplikacyj- nia mogą być elektroniczne podzielniki
magający odpowiedniej wiedzy, dlatego nych można znalez
ć na przykład taką infor- kosztów ogrzewania mieszkań oraz licz-
warto korzystać z gotowych rozwiązań pro- mację: użyteczny zasięg transmisji wynosi niki zużycia wody. Jeżeli przekazywany
ducentów. Dobrej jakości moduł radiowy po- 1000 m przy 2,8 kb/s; 100 m przy 38,4 kb/s jest raz na dobę stan bieżącego zużycia,
winien być też wyposażony w układ syme- i tylko 10 m przy 250 kb/s. to wywołana zakłóceniami utrata niektó-
tryzujÄ…cy i dopasowujÄ…cy impedancjÄ™ falowÄ… rych transmisji nie spowoduje istotnych
anteny do nadajnika/odbiornika (tzw. balun). Konfiguracje łączności problemów z rozliczeniem kosztów. Wy-
Brak dopasowania impedancji lub dołącze- W typowych konfiguracjach systemy starczy, aby 90% wysłanych pakietów
nie asymetrycznej anteny do symetrycznego energooszczędne komunikują się z nadrzęd- dotarło do stacji bazowej.
wyjścia (albo odwrotnie) spowoduje bardzo ną stacją bazową, która nie ma tak rygory- - A
ączność 2-kierunkowa point-to-point
duże straty sygnału. Jeżeli producent układu stycznych ograniczeń energetycznych. Moż- i w sieci lokalnej. O ile systemy transmi-
radiowego nie publikuje wyczerpującej do- liwe są następujące przypadki: sji 1-kierunkowej nadają się do przesyła-
kumentacji na temat instalacji antenowej, to - A
ączność 1-kierunkowa, nadajnik w sta- nia niewielkich pakietów, to niezawodna
czasem lepiej jest wybrać inną, bardziej do- cji bazowej + energooszczędny odbior- transmisja większych ilości danych wy-
pracowaną ofertę. nik. Jest to typowa konfiguracja zdalnego maga łączności 2-kierunkowej. Trans-
sterowania. Jeżeli nie jest dopuszczalne ceivery stanowią najbardziej popularną
Kryteria doboru sprzętu opóz
nienie reakcji urządzenia na prze- grupę urządzeń radiowej transmisji da-
Zaprojektowanie toru radiowej transmi- słane polecenie, to okresy aktywności nych. Po zastosowaniu odpowiednich
sji danych wymaga wiedzy z kilku dziedzin odbiornika muszą być bardzo częste, protokołów transmisji pakietowej umoż-
elektroniki i informatyki. Po pierwsze, zna- a okresy uśpienia krótkie. Jedyną możli- liwiają one weryfikację i ewentualną re-
jomość techniki wysokich częstotliwości: wością oszczędzania energii jest ograni- transmisję błędnie odebranych danych
propagacja fal radiowych, zasady konstruk- czenie do minimum poboru prÄ…du przez oraz budowÄ™ lokalnych sieci radiowych.
cji i obliczania anten, techniki modulacji. odbiornik. Jest to konstrukcyjnie łatwiej- Oferta producentów jest bardzo zróżni-
Po drugie, zasady transmisji danych w łą- sze dla stosunkowo niskich częstotliwo- cowana: najprostsze układy wymagają
czach radiowych: protokoły, kodowanie, ści fali nośnej. implementacji protokołu i kodowania
szyfrowanie, transmisja pakietowa, radio- - A
ączność 1-kierunkowa, odbiornik w sta- danych przez użytkownika, bardziej roz-
we technologie sieciowe. Obecnie więk- cji bazowej + energooszczędny nadajnik. budowane oferują wbudowane protoko-
szość konstruktorów elektroników zajmuje Konfiguracja wykorzystywana w bez- ły, kodowanie, szyfrowanie, czyli pełną
się techniką cyfrową i mikroprocesorami, przewodowych czujnikach i układach obsługę transmisji radiowej. Do tej grupy
a znajomość powyższych zagadnień jest bar- pomiarowych, a także w radiowych pi- należą też systemy objęte standardem
dzo powierzchowna. Potwierdziły to wyniki lotach do bram, alarmów itp. Co prawda IEEE 802.15, takie jak Bluetooth i Zig-
miniankiety przeprowadzonej wśród kole- konfiguracja ta umożliwia najmniejsze Bee.
gów elektroników, składającej się z dwóch
pytań: 1) Co wiesz o metodach modulacji
cyfrowej: ASK, OOK, FSK, PSK, GFSK, QPSK,
FHSS, DSSS? 2) Do czego służy preambuła,
a do czego nagłówek pakietu? Wynika stąd
pierwsza zasada: konstruktor o niewielkiej
wiedzy na temat transmisji radiowej powi-
nien wybierać do swoich projektów najbar-
dziej zaawansowane technicznie moduły
łączności. Paradoksalnie  zbudowanie do-
brej jakości łącza radiowego z najprostszych
modułów nadawczo-odbiorczych wymaga
sporego doświadczenia. Jednak, istotna jest
jakość dostarczonej przez producenta do-
kumentacji technicznej. Najlepiej korzystać
z urządzeń, do których producent dostarcza
gotowe rozwiązania: projekty anten, płytek
drukowanych, przykłady procedur aplika- Rysunek 45. Typowe konfiguracje sieci radiowych
76 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2011
Projektowanie energooszczędnych układów elektronicznych.
Metody eliminacji kolizji - Protokół z wykrywaniem nośnej (CSMA). cze mogą mieć małe rozmiary przy dużej
w konfiguracjach sieciowych Każde urządzenie przed rozpoczęciem skuteczności. Liczba dostępnych kanałów
Typowe konfiguracje sieci radiowej tzw. transmisji nasłuchuje, czy kanał nie jest i szybkość transmisji jest znacznie większa 
RF Star Network przedstawiono na rysun- zajęty przez inną transmisję. do 500 kb/s dla pasma 2,45 GHz.
ku 45. Jedna stacja bazowa (master) obsłu- - Sygnały budzenia wake-up adresowane W energooszczędnych systemach łącz-
guje określoną liczbę energooszczędnych do poszczególnych klientów. Można tu ności często stosuje się mieszanie różnych
węzłów (klient). Najbardziej narażona na zastosować tzw. odbiornik budzący (wa- zakresów częstotliwości w jednym urzą-
kolizje jest konfiguracja (a) z łącznością ke-up receiver). Jest to ultraoszczędny dzeniu. Na przykład aktywny układ RFID
1-kierunkową, jednakże jest bardzo interesu- odbiornik pracujący w paśmie niskich może odbierać dane na częstotliwości nośnej
jąca ze względu na mniejsze zużycie energii częstotliwości (np. 125 kHz), który ge- 125 kHz, natomiast wysyłać dane w paśmie
i prostotę układu. W przedstawionych wcze- neruje przerwanie po odebraniu zapro- 433 lub 868 MHz.
śniej przykładach urządzeń można zastoso- gramowanej sekwencji kodowej. Sygnał
wać proste metody eliminacji kolizji. Wypo- budzenia uruchamia główny transceiver, Moduły radiowe ogólnego
sażenie liczników pomiaru ciepła w zegary realizujący sesję łączności. przeznaczenia
RTC umożliwi synchronizację czasu nada- - Każdy Klient ma przydzieloną szczelinę Najbardziej rozpowszechnioną gru-
wania, na przykład każdy z 24 liczników czasową, a stacja bazowa nadaje sygna- pę produktów stanowią moduły radiowe
nadaje raz na dobę, o określonej godzinie. ły synchronizujące (beacon). Stosuje się typu embedded, pracujące w pasmach ISM:
Nie można zastosować takiego rozwiązania odpowiednie protokoły szczelinowe, np. 433 MHz, 868 MHz i 2,45 GHz. Parametry
do czujników ciśnienia w oponach, ponie- S-ALOHA lub z rezerwacją R-ALOHA. wybranych układów zamieszczono w tabe-
waż informacje muszą być przesyłane co 5 li 3.
sekund lub częściej. Margines błędu jest tu Zakresy częstotliwości radiowych Pierwsza grupa to popularne, tanie mo-
bardzo wąski, po pewnym czasie eksplo- W krótkodystansowej, radiowej transmi- duły nadajników, odbiorników i transceive-
atacji synchronizacja zostanie zakłócona sji danych wykorzystuje się kilka typowych rów (Telecontrolli, Aurel, Velleman), które
ze względu na niestabilność zegarów RTC. zakresów częstotliwości (podano częstotli- nie najlepiej nadają się do zastosowań ener-
Jedną z możliwości jest zainstalowanie indy- wość środkową dla każdego pasma): gooszczędnych. Większość układów wyma-
widualnych odbiorników przy każdym kole. - Pasma stosowane w identyfikacji RFID: ga zasilania 5 V (nadajniki nawet 9...12 V)
Przy niewielkiej mocy nadajników, metalowa 125 kHz i 13,56 MHz i nie obsługuje trybów uśpienia power-down.
konstrukcja nadwozia zapewni wystarczają- - Pasmo CB 27,12 MHz Kolejną wadą jest brak pełnego interfejsu
cą separację sygnałów. - Pasma ISM: 433,92 MHz; 868 MHz; cyfrowego: w nadajniku sygnał wejściowy
Najbardziej uniwersalna metoda ograni- 2,45 GHz (strumień bitów) moduluje bezpośrednio
czania kolizji oparta jest na protokole ALO- Dla zakresów niskich częstotliwości falę nośną, a w odbiorniku sygnał wyjścio-
HA. Polega on na tym, że każdy Klient po- możliwe jest zbudowanie odbiorników wy jest pobierany bezpośrednio z wyjścia
wtarza transmisję wielokrotnie, w losowych o minimalnym poborze prądu, lecz trudne demodulatora. Powoduje to bardzo duże ob-
odstępach czasu. Na rysunku 46 przedsta- jest wykonanie anten o dobrej skuteczności ciążenie współpracującego mikrokontrolera,
wiono zastosowanie tej metody do konfigura- i małych wymiarach. Nadajniki na tych za- który podczas nadawania musi przygotować
cji sieci z rys. 45a. Jak widać, po trzykrotnym kresach muszą dysponować znaczną mocą. pakiet (preambułę, nagłówek, dane, sumę
powtórzeniu, każdy pakiet mógł bezkolizyj- Jeżeli zasięg łączności nie przekracza 1 2 CRC), zakodować go np. kodem Manche-
nie dotrzeć do adresata. Prawdopodobień- metrów, to jako anteny nadawcze stosuje ster i przetworzyć w strumień bitów wyj-
stwo kolizji jest mniejsze przy krótkim cza- się pętle indukcyjne, a anteną odbiorczą jest ściowych. Przy odbiorze jest to: filtrowanie
sie transmisji pakietów i długich przerwach, obwód rezonansowy. Liczba dostępnych ka- zakłóceń, odtworzenie częstotliwości zega-
dlatego też korzystne jest stosowanie dużych nałów łączności oraz szybkość transmisji jest rowej i synchronizacja odbieranych bitów,
szybkości transmisji. niewielka  rzędu kilkuset do tysiąca bitów rozkodowanie i podział na bajty, identyfi-
W bardziej rozbudowanych sieciach na sekundÄ™. kacja i weryfikacja odebranych danych. Ze
z łącznością 2-kierunkową (rys. 45b) transmi- Dla wyższych zakresów częstotliwości względu na krytyczne zależności czasowe,
sja jest synchronizowana przez stację bazową. pasma ISM sytuacja jest odwrotna: nadajniki częstotliwość zegarowa mikrokontrolera
Istnieje wiele możliwych rozwiązań, jednak o stosunkowo niewielkiej mocy zapewniają nie może być niska, a wykonywanie w tym
w sieciach energooszczędnych preferowane większy zasięg, natomiast pobór mocy przez czasie innych zadań jest utrudnione. Nie-
są najprostsze, ze względu na niewielkie za- odbiornik jest większy  porównywalny wielki pobór prądu przez moduł radiowy
potrzebowanie mocy obliczeniowej: z nadajnikiem. Anteny odbiorcze i nadaw- nie rekompensuje znacznego zużycia energii
przez mikrokontroler. Układy tej grupy nada-
ją się jedynie do transmisji bardzo krótkich
sekwencji bitowych (w systemach zdalnego
sterowania, pilotach do bram itp.).
Bardziej rozbudowane moduły z tzw.
średniej półki są wyposażone w standar-
dowe interfejsy szeregowe (najczęściej SPI)
oraz podstawowe układy sprzętowego prze-
twarzania danych (nadawczy i odbiorczy re-
jestr FIFO, układ przerwań, Wake-up Timer).
Możliwy jest odczyt i modyfikacja parame-
trów transmisji za pośrednictwem rejestrów
konfiguracyjnych. Do tej kategorii należą mo-
duły firmy RFM01 /02 i RFM12 firmy Hope
RF, popularne ze względu na przystępną
Rysunek 46. Użycie protokołu ALOHA do budowy sieci z rys. 45a cenę i nie najgorsze parametry. Niestety cier-
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2011 77
KURS
Tab. 3. Uniwersalne moduły radiowe na pasmo ISM
Zakres częstotliwości, typ
Typ / funkcja / producent Interface, szybkość transmisji Zasilanie Pobór prądu
modulacji
RTQ10 315, 433,
strumień bitów, 2,4  4,0 V TX: 14,5 mA @ 10 dBm
nadajnik AM, 868 MHz
maks. 40 kb/s (typ. 3,3 V) Power down: 100 nA
Telecontrolli ASK
TX-FM-MID
433 MHz strumień bitów, 2,1  3,6 V TX: 14 mA @ 10 dBm
nadajnik FM,
FSK maks. 20 kb/s (typ. 3,0 V) Power down: < 1 µA
Aurel
RR18
433 MHz strumieÅ„ bitów, 2,75  3,25 V RX: 70 µA
Odbiornik AM
ASK maks. 4,8 kb/s (typ. 3,0 V) Brak trybu Power down
Telecontrolli
RTX-MID-3V RX: 4,5 mA
433 MHz strumień bitów, 2,75 3,25 V
Transceiver AM TX: 13 mA @ 10 dBm
ASK maks. 10 kb/s (typ. 3,0 V)
Aurel Power down: 1,2 µA
RX: 9 mA
RFM01 (odbiornik)
433, 868, TX: 12 mA @ 0 dBm
RFM02 (nadajnik) SPI
915 MHz 2,2  5,4 V 23 mA @ 7 dBm
Modulacja FM / PLL 0,6 do 115,2 kb/s
FSK Wake up Timer: 1,5 µA
Hope RF
Sleep: < 0,3 µA
RX: 9 mA
RFM12 433, 868, TX: 13 mA @ 0 dBm
SPI
Transceiver FM 915 MHz 2,2  5,4 V 21 mA @ 7 dBm
0,6 do 115,2 kb/s
Hope RF FSK Standby: 3 mA
Sleep: < 0,3 µA
RX: 18 mA
RFM31, RFM43 SPI
TX: 16 mA @ 1 dBm
para odbiornik / nadajnik FM 240  930 MHz Maks. 128 kb/s (FSK) 1,8  3,6 V
28 mA @ 13 dBm
z syntezą częstotliwości FSK, GFSK, OOK Maks. 40 kb/s (typ. 3,0 V)
Sleep: < 800 nA
Hope RF (OOK)
Shutdown: 10 nA
RX: 12,5 mA
nRF905
SPI TX: 9 mA @  8 dBm
Transceiver z syntezą częstotli- 433, 868 MHz 1,9  3,6 V
50 kb/s (z wewn. kodowaniem 30 mA @ 10 dBm
wości GFSK (typ. 3.0 V)
Manchester) Standby: 100 µA
Nordic Semiconductor
Power down: 2 µA
RX: 15 20 mA
CC1100 300 348 MHz
TX: 16,6 mA @ 0 dBm
Transceiver z syntezą częstotli- 400 464 MHz SPI 1,8  3,6 V
29,6 mA @ 10 dBm
wości 800 928 MHz 1,2 do 500 kb/s (typ. 3.0 V)
Idle: 1,7 mA
Chipcon (Texas Instruments) 2 FSK, GFSK, MSK, ASK
Deep Sleep: 0,3 µA
RX: 18 mA
SPI TX: 8,8 mA @  20 dBm
nRF2401
250  1000 kb/s 13 mA @ 0 dBm
Transceiver 2,45 GHz z syntezÄ… 2,4  2,524 GHz 1,9  3,6 V
0 1000 kb/s ( w trybie TX w trybie ShockBurst: średni
częstotliwości GFSK (typ. 3,0 V)
ShockBurst) 0,8 mA @  5 dBm
Nordic Semiconductor
Standby: 12 µA
Power down: 0,4 µA
RX: 13  20 mA
CC2500 SPI
TX: 15 mA @  6 dBm
Transceiver 2,45 GHz z syntezÄ… 2,4  2,483 GHz 1,2  500 kb/s (2 FSK) 1,8  3,6 V
21,2 mA @ 0 dBm
częstotliwości 2 FSK, GFSK, QPSK, OOK 1,2  250 kb/s (GFSK, OOK) (typ. 3.0 V)
Idle: 7,4 mA
Chipcon (Texas Instruments) 26  500 kb/s (QPSK)
Deep Sleep: 0,4 µA
pią one na typową przypadłość produktów progu czułości odbiornika itp.), zależnie od same zasady: możliwie najmniejszy pobór
dalekowschodnich: luki i błędy w dokumen- bieżących warunków propagacji. Do tej gru- prądu w stanie uśpienia i jak najkrótszy
tacji oraz nieprzewidywalne zachowanie py należą układy RFM43 (nadajnik) i RFM31 czas wybudzania. Czas wybudzania ze sta-
w niektórych aplikacjach. Na szczęście więk- (odbiornik) firmy Hope RF, a także opisy- nu głębokiego uśpienia jest rzędu 1 2 ms, ze
szość problemów znalazła już rozwiązanie wane już na łamach EP transceivery firmy względu na konieczność stabilizacji genera-
na forach dyskusyjnych. Chipcon (obecnie Texas Instruments) oraz tora i synchronizacji pętli PLL. Dla stanu
Najbardziej zaawansowane technicznie Nordic Semiconductor. Możliwości inteli- gotowości (stand-by) czas przejścia do trybu
moduÅ‚y radiowe oferujÄ… peÅ‚nÄ… sprzÄ™towÄ… gentnych ukÅ‚adów radiowych w zakresie nadawania / odbioru wynosi 50 200 µs.
obsługę transmisji. Wszystkie czynności energooszczędnej łączności są rzeczywiście - Kompozycja/dekompozycja pakietów (Pac-
związane z obsługą transmisji radiowej są imponujące. Po odpowiednim zaprogramo- ket handling, Data whitening). Mikrokon-
wykonywane przez wewnętrzny automat waniu układy te mogą wykonywać złożone troler wysyła i odbiera wyłącznie użytecz-
wielostanowy transceivera, dzięki czemu procedury obsługi transmisji, bez nadzoru ne dane, tzw. payload data. Transceiver
moc obliczeniowa mikrokontrolera jest anga- mikrokontrolera nadrzędnego. Operacje są w fazie nadawania realizuje sprzętowe ob-
żowana w minimalnym stopniu. Moduły te wykonywane przez wyspecjalizowane ukła- liczanie sum kontrolnych CRC, formowa-
obsługują zaawansowane tryby oszczędzania dy logiczne, przy mniejszym zużyciu energii nie pakietu poprzez dodanie preambuły,
energii, często wyposażone są w dodatkowe niż w przypadku mikrokontrolera: adresu i CRC, kodowanie Manchester. Przy
urządzenia peryferyjne: zegar RTC, prze- - Tryby energooszczędne. Podobnie jak w no- odbiorze wykonywane są odwrotne czyn-
twornik A/C, detektor BOR, czujnik tempera- woczesnych mikrokontrolerach, dostęp- ności, błędne dane są filtrowane, a mikro-
tury. Istnieje możliwość optymalizacji trans- nych jest kilka trybów pracy z ograniczo- kontroler otrzymuje zweryfikowaną zawar-
misji (np. mocy nadajnika, szerokości pasma, nym poborem prądu. Obowiązują też te tość poprawnie odebranego pakietu.
78 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2011
Projektowanie energooszczędnych układów elektronicznych.
Rysunek 47. Zasada działania i korzyści wynikające z transmisji grupowej
- Wykrywanie nośnej (Carrier Sense, Carrier przekazana do mikrokontrolera (poprzez pakietu z zaprogramowanym wzorcem
Detect). Funkcja ta może służyć do elimi- zmianę stanu pinu) lub wykorzystana do i zapisuje do bufora odbiorczego tylko
Funkcja ta może służyć do elimi-
nacji kolizji, a także do cyklicznego nasłu- uruchomienia sekwencji odbioru pakietu. pakiety z poprawnym adresem.
chu. Możliwe jest zaprogramowanie war- - Rozpoznawanie adresu docelowego pa- - Cykliczny nasłuch (Wake-on-Radio, RX
tości progowej poziomu sygnału nośnej. kietu (Address Detection/Filtering). Układ Polling). Odbiornik jest cyklicznie urucha-
Informacja o wykryciu nośnej może być odbiorczy porównuje adres w nagłówku miany na krótkie fazy nasłuchu i ponow-
R E K L A M A
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2011 79
KURS
Tab. 4. Mikrokontrolery zintegrowane z torem radiowym
Typ, producent Mikrokontroler Tor radiowy
CC430F5xx, CC430F6xx Energooszczędny rdzeń 16-bitowy MSP430F51xx (lub F61xx).
Transceiver Chipcon CC1101, 300-928 MHz
Texas Instruments CRC-16, szyfr. AES-128, 12-bit ADC, driver LCD (w serii F61)
Zmodyfikowany rdzeń 8051, 8-32 kB Flash, maks. 25 MHz clock,
CC1110Fx, CC1111Fx
prÄ…d CPU: 2 mA @ 8 MHz, ADC 8 12 bit, AES-128, DMA, Transceiver Chipcon CC1101, 300-928 MHz
Texas Instruments
2 x USART, USB (w serii 1111F).
CC2510Fx, CC2511Fx
Jak dla serii CC1110F/1111F, zgodność programowa obu serii. Transceiver Chipcon CC2500, 2,45 GHz
Texas Instruments
nRF9E5 Zmodyfikowany rdzeń 8051, 10-bit ADC, aplikacja ładowana do
Nordic Semiconductor RAM 4kB przez bootloader z zewn. pamięci EEPROM, Transceiver nRF905 433/868/915 MHz
prÄ…d CPU 2 mA @ 4 MHz
Zmodyfikowany rdzeń 8051, 16 kB Flash, 12-bit ADC, AES-128,
nRF24LE1
sprzętowy ukł. mnożenia/
Nordic Semiconductor Transceiver nRF2401 2,45 MHz
dzielenia (32-bity), generator liczb losowych wykorzystujÄ…cy szum
termiczny
STM32W108CB
Rdzeń 32-bitowy Cortex-M3, bogate wyposażenie w peryferie Transceiver 2,45 GHz zgodny z IEEE802.15.4
ST Micro
ATmega128RFA1
Rdzeń 8-bitowy AVR (ATmega128). Prąd CPU 4,1 mA @ 16 MHz Transceiver 2,45 GHz (AT86RF231) 250 kb/s do 2 Mb/s
Atmel
rfPIC12F675F Nadajnik FSK/ASK
Rdzeń 8-bitowy PIC12F. 1 kB Flash, 10-bit ADC
Microchip 380 450 MHz, 40 kb/s
nie usypiany, bez ingerencji mikrokontro- tyczne transmisji grupowej na przykładzie zgodnie z ogólnym schematem blokowym,
lera nadrzÄ™dnego. Jeżeli w fazie nasÅ‚uchu trybu ShockBurstÛö firmy Nordic Semicon- przedstawionym na rysunku 48. Zastosowanie
zostanie odebrany pakiet z poprawnym ductor. Układy produkcji Chipcon/TI także tych układów jest celowe wtedy, gdy moc ob-
adresem, to generowane jest przerwanie obsługują tryb burst, lecz wymaga to nieco liczeniowa mikrokontrolera jest wystarczająca
budzące mikrokontroler nadrzędny. Zależ- większego zaangażowania mikrokontrolera do obsługi zarówno warstwy protokołu łącz-
ności czasowe cyklicznego nasłuchu kon- nadrzędnego. Jedynym ograniczeniem sto- ności, jak i aplikacji użytkownika. Dlatego też
trolowane są przez energooszczędny Ti- sowania trybu burst jest to, że wymaga on zaimplementowany mikrokontroler poza stan-
mer RC. W trybie pracy cyklicznej można dobrej jakości połączenia, umożliwiającego dardowym zestawem peryferii posiada zwykle
osiągnąć wartości średniego poboru prądu transmisję z dużą prędkością. układy sprzętowe przeznaczone do łączności
przez odbiornik poniżej 100 µA. radiowej: obliczania sumy CRC16, szyfrowania
- Transmisja grupowa (Burst Mode). Dane Mikrokontrolery zintegrowane AES-128, a nawet generatory liczb losowych,
przesyłane są do bufora nadawczego z małą z torem radiowym natomiast moduły radiowe oferują pełną obsłu-
prędkością. Po zapełnieniu bufora formowa- Bardzo wielu producentów oferuje układy gę pakietów. W ramach wsparcia technicznego
ny jest pakiet, który jest następnie wysyłany typu System-on-Chip, składające się z mikro- producenci publikują biblioteki procedur wspo-
z maksymalną dostępną szybkością transmi- kontrolera oraz toru radiowego. Takie rozwią- magających i przykładowe programy aplika-
sji. W ten sam sposób odbywa się odbiór da- zanie pozwala obniżyć koszty produkcji urzą- cyjne obsługi transmisji. Wybrane układy z tej
nych. Jeżeli dodamy do tego automatyczne dzeń oraz ograniczyć powierzchnię zajmowaną grupy przedstawione są w tabeli 4.
przetwarzanie pakietów, to bardzo szybka na płytce drukowanej. Dodatkową zaletą jest W kolejnej części cyklu zajmiemy się
transmisja radiowa staje się dostępna nawet możliwość zastosowania jednego bloku gene- układami specjalnymi, przeznaczonymi do
dla prostych mikrokontrolerów 8-bitowych ratorów zegarowych do taktowania mikrokon- określonych aplikacji, oraz sieciowymi sys-
z niską częstotliwością zegara. Rysunek 47 trolera i toru radiowego, co zmniejsza zużycie temami łączności (ZigBee, Bluetooth).
ilustruje zasadę działania i korzyści energe- energii. Układy zintegrowane budowane są Jacek Przepiórkowski
Rysunek 48. Ogólny schemat blokowy układu zintegrowanego z torem radiowym
80 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2011