Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Четверг, 21 февраля
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Беспроводные 4G технологии: эволюция или поворотный пункт в архитектуре SoC?

Следующий этап в развитии беспроводных технологий может стать поворотным для встраиваемых мультипроцессорных систем

Разработки беспроводных устройств диапазона 2,4 ГГц: элементная база, програмное обеспечение, средства отладки и проектирования. Часть 2

Частотный диапазон 2,4 ГГц в последнее время завоёвывает всё большую популярность в системах контроля, управления, телеметрии и передачи данных. Повышенный интерес к нему не в последнюю очередь был вызван появлением новой беспроводной технологии ZigBee и лежащего в её основе стандарта IEEE802.15.4. Уже опубликовано множество статей, описывающих данную технологию и особенности стандарта, поэтому остановимся более подробно на вопросах выбора элементной базы, разработки аппаратной части и проектирования программного обеспечения беспроводных устройств

Радиочастотная часть базовой станции, работающей в соответствии со стандартами 802.16d и HSDPA

В статье рассматривается радиочастотная аналоговая подсистема базовой станции, работающей в соответствии со стандартом 802.16d, известным как WiMAX, и стандартом HSDPA. Эта подсистема разработана в рамках концепции [[«программируемого радио»]].

 

11 марта

ПРИВЛЕКАТЕЛЬНАЯ ПРОСТОТА SimpliciTI

В статье описывается протокол SimpliciTI, разработанный Texas Instruments в качестве простой альтернативы ZigBee для реализации небольших беспроводных сетей с числом абонентов менее 256. В первую очередь протокол ориентирован на сети с ограниченным числом узлов с батарейным питанием. Основные требования при разработке протокола — простота, минимальная стоимость компонентов, минимальное энергопотребление. SimpliciTI был разработан в качестве системного базового компонента для облегчения реализации готовых RF-модулей TI на платформе семейства микроконтроллера MSP430 и трансиверов CC1XXX/CC25XX Chipcon, а также на платформе интегрированных систем на кристалле типа СС2510/СС2511. Реализация протокола SimpliciTI требует минимальных ресурсов микроконтроллера, поэтому система имеет меньшую стоимость по сравнению с системами, использующими протокол ZigBee.



О

дин из лидеров в секторе готовых решений для реализации беспроводных сетей компания Texas Instruments значительно упрочнила свои позиции после приобретения норвежской компании Chipcon — ведущего производителя беспроводных устройств. Используя опыт Chipcon в разработке радиочастотных трансиверов на кристалле со своими совершенными технологиями производства аналоговой продукции, Texas Instruments разработала ряд законченных беспроводных решений малого радиуса действия для использования в секторе домашней автоматизации, системах сбора данных, например в системах энергоучета, а также в управляющих системах промышленной автоматики. Продукция Chipcon позволила TI расширить линейку собственных RF-модулей, а также усилила позиции компании в сегменте ZigBee™.
В сентябре 2005 г. компания Chipcon завершила разработку первой в мире радиочастотной системы на одном кристалле — СС2430, содержащей радиомодем и микроконтроллер (МК) со встроенными периферийными модулями и флэш-памятью. Радиотрансивер 2,4 ГГц соответствовал стандарту IEEE 802.15.4, а стек протоколов ZigBee загружается в программную память встроенного микроконтроллера. Параллельно Chipcon разрабатывала более простой и дешевый вариант радиочастотной системы на кристалле СС2510, но уже без поддержки IEEE 802.15.4 и протокола ZigBee. Эта разработка завершилась уже через два месяца — в ноябре 2005 г. Ниже будут рассмотрены особенности архитектуры и применения радиочас­тотных систем на кристалле СС2430 и СС2510.

Требования к протоколу домашней автоматизации

Сетевой протокол управления домашними устройствами должен учитывать характеристику сетевого трафика и быть гибким, надежным и простым в использовании. Пользователь может применять различные топологии узлов беспроводной сети — «точка–точка», «звезда» или ячеистую сеть. Последняя — самовосстанавливающаяся: маршруты изменяются в зависимости от радиочастотной обстановки и доступности конкретных узлов. При этом сеть автоматически перестраивает маршруты, чтобы обеспечить доставку сообщений узлам. В типовую сеть автоматизации жилища обычно входят:
– пульт дистанционного управления;
– телефонный автоответчик;
– управление освещением;
– управление замком входной двери;
– мониторинг и управление;
– радиатор системы центрального отопления;
– система охраны и безопасности;
– датчики движения;
– управление жалюзи;
– управление системой кондиционирования.

 

Стандарт IEEE 802.15.4 и стек протоколов ZigBee

ZigBee — протокол функционирования логической сети и программный стек, обеспечивающие функции маршрутизации и безопасности данных. Стек протоколов ZigBee (см. рис. 1) представляет собой иерархическую модель, построенную по принципу семиуровневой модели протоколов передачи данных в открытых системах OSI (Open System Interconnection). Стек включает в себя уровни стандарта IEEE 802.15.4, отвечающие за реализацию канала связи, и программные сетевые уровни и уровни поддержки приложений, определенные спецификацией ZigBee. Стандарт IEEE 802.15.4 описывает физический уровень транспорта данных в канале (PHY), а также MAC (Media Access Control). Поддержка стандарта обеспечивается на аппаратном уровне встроенного модуля радиомодема.

 

Рис. 1. Cтек протокола ZigBee


Уровень MAC обеспечивает различные механизмы доступа в сеть, поддержку сетевых топологий от «точка-точка» до «многоячейковая сеть», гарантированный обмен данными, поддерживает потоковую и пакетную передачи данных.
Пользовательские профили (набор сервисов, необходимый для устройств определенного типа, например систем освещения или пожарных датчиков), находящиеся на самой вершине стека ZigBee, предоставляют типовые программные модули для использования в отдельных приложениях.
В структуре стека ZigBee есть уровень контроля доступа к среде IEEE 802.15.4 MAC, осуществляющий вход и выход из сети устройств, организацию сети, формирование пакетов данных, реализацию различных режимов безопасности (включая 128-битное шифрование AES), 16- и 64-битную адресацию.
Реализация беспроводной сети возможна и без использования ZigBee-стека. Любой собственный стек может использовать уровни MAC и PHY стандарта 802.15.4.

 

Протокол SimpliciTI

Протокол существенно отличается от ZigBee. Во-первых, не используется уровень IEEE.802.15.4. Вместо него используется свой физический уровень радиодоступа, разработанный Texas Instruments. Вместо стека ZigBee пользователь может загрузить безлицензионный стек SimpliciTI, или же использовать свой собственный. При передаче данных по радиоканалу используется другой формат пакетов. Основные характеристики протоколов приведены в таблице 1.

 

Таблица 1. Использование ресурсов для поддержки протоколов SimpliciTI и ZigBee

Протокол Texas Instruments

SimpliciTI

ZigBee

Свойства поддерживаемых сетей
Ячеистая топология сети
Нет
Да
«Точка–точка»
Да
«Звезда»
Типовое число узлов в сети
2…30
От двух до нескольких сот
Скорость передачи, Кбит/с
500
250
Аппаратура и софт
Аппаратный набор средств Любой контроллер MSP430 + радиомодем СС2500 или СС2510/СС2511 MSP430F2418 + радиомодем СС2420/СС2520 или СС2430/СС2431
Частота и метод модуляции Любые частоты из диапазона до 1 ГГц (315/433/868/915 МГц) или 2,4 ГГц IEEE 802. 15.4, DSSS, 2.4ГГц
Размер кода, скомпилированного под MSP430, Кбайт
4
50…60 в зависимости от конфигурации
Совместимость с протоколами других вендоров
Нет
Да
Исполняемый код
Доступен без лицензии
Программа поддержки протокола загружается пользователем во флэш-память

 


Для расширения диапазона дальности в сети SimpliciTI могут использоваться ретрансляторы и шлюзы, питаемые от сетевых источников питания. Сетевой протокол SimpliciTI распространяется с открытым кодом и не требует лицензии. Разработчики сетевых устройств могут использовать протокол по своему усмотрению.
Отличительные особенности Simp­liciTI:
– экономичность — разработанный TI протокол ориентирован на сети с маломощными устройствами;
– низкая стоимость — используется флэш-память менее 4 кбайт, ОЗУ менее 512 байт;
– универсальность: непосредственная связь между устройствами; поддержка топологии «звезда» с точкой доступа для записи и отправки сообщений конечному устройству; поддержка ретрансляторов для 4-кратного увеличения дальности;
– использование всего пяти API-команд ;
– низкая скорость и низкая периодичность передачи данных ;
– простота применения.

 

Типовые приложения SimpliciTI:

– системы безопасности и сигнализации: датчики присутствия и движения, датчики управления включением света;
– датчики разбитого оконного стекла;
– детекторы дыма и угарного газа;
– бытовые расходомеры: измерители расхода газа, воды и электричества;
– домашняя автоматизация: дистанционные системы открывания гаражных дверей, системы кондиционирования и отопления и т.д.;
– управление домашней аудио-видеоаппаратурой.

 

Состав семейства СС2430/CC2431/CC2520

СС2430 — система на кристалле, в которой интегрированы ядро МК 8051 с периферийными блоками, ОЗУ, флэш-память для хранения стека протокола ZigBee и пользовательской программы, а также блок радиомодема с поддержкой стандарта IEEE 802.15.4. Есть реализация и отдельного блока радиомодема без микроконтроллерного ядра — микросхема CC2520. Пользователь может применить ее в сочетании со своим микроконтроллером, не обязательно MSP430xx. Для отдельных приложений, в которых необходима поддержка локального позиционирования мобильных узлов сети, разработана микросхема СС2431. Фактически это структура СС 2430 + модуль Location Engine.

Модуль Location Engine (только в СС2431)

В микросхеме CC2431 в отличие от CC2430 есть аппаратный модуль Location Engine — системы определения положения узла беспроводной сети. Для поддержки системы локального позиционирования должны использоваться опорные неподвижные узлы сети с известными координатами. Другие узлы могут быть мобильными. Их координаты при перемещениях относительно опорных узлов и могут быть определены с помощью встроенного модуля Location Engine. Для вычисления координат реализуется алгоритм распределенных вычислений, используя значения RSSI (индикатор интенсивности принятого сигнала). Точность определения координат — до 0,5 м. Время определения координат — 40 мкс. Система может работать на площади 64 × 64 м. Мощность принятого сигнала измеряется в приемнике и вставляется в пакет, передаваемый контроллеру. Вычисления координат выполняются в микроконтроллере.

 

Семейство CC2510/2511/2500

CC2510 — система на кристалле, архитектура которой отчасти повторяет архитектуру CC2430, но есть и существенные отличия. Во-первых, в ней используется совсем другой модуль радиомодема, который уже не поддерживает стандарт IEEE.802.15.4. Во-вторых, значительно уменьшен объем флэш-памяти и ОЗУ по сравнению с СС2430. По сравнению с СС2430 расширен состав периферийных портов. Добавлен интерфейс I2S для передачи аудиотрафика, для таймера 1 добавлен режим дельта-сигма-модулятора. Более подробно отличия архитектуры CC2510 и СС2430 будут рассмотрены ниже. Разработчикам беспроводных устройств доступен и отдельный модуль радиомодема, используемый в СС2510 — это микросхема СС2500. Используя ее, а также любой микроконтроллер, можно проектировать свою систему беспроводной связи. В данном семействе есть микросхема с расширенными функциями это CC2511, в которой используется архитектура СС2510 и встроенный контроллер USB c поддержкой скоростей передачи 12 Мбит/с.

 

Архитектура CC2510

На рисунке 2 показана структурная схема системы на кристалле СС2510/СС2511. Основные характеристики СС2510/СС2511:

 

Рис. 2. Структурная схема системы на кристалле СС2510/2511


Радиомодем:
– высокопроизводительный приемопередатчик (используется ядро CC2500);
– скорость передачи информации до 500 Кбит/с;
– высокая чувствительность приемника (−103 дБм для скорости передачи 2,4 Кбод);
– использование интерливинга для повышения помехоустойчивости;
– режимы модуляции 2-FSK , GFSK и MSK;
– низкое общее потребление (прием 23 мА, передача 24 мА, частота генератора 26 МГц);
– поддержка переключения частоты ( frequency hopping);
– поддержка пакетной передачи;
– аппаратный генератор псевдослучайных последовательностей.
Процессорный модуль:
– ядро МК 8051;
– есть модификации 8/16/32 Кбайт флэш-памяти программ;
– есть модификации 1/2/4 Кб ОЗУ;
– частота кварцевого генератора 24…27 МГц (для СС2511 используется 24 МГц).
Периферийные модули:
– контроллер DMA;
– встроенный порт USB (поддержка скорости 12 Мбит/с), только в СС2511;
– цифровой аудиоинтерфейс I2S (режимы моно и стерео);
– дельта-сигма-АЦП (7…12 бит), 8 каналов;
– два интерфейса USART/SPI;
– три 8-битных и один 16-битный таймеры;
– режим дельта-сигма-модулятора для таймера 1 (может быть использован как выход для синтеза звука или речи);
– AES-криптопроцессор;
– часы реального времени (кварц 32,768 кГц или внутренний RC -генератор 34 кГц);
– сверхбыстрый старт из режима Sleep, значительно снижающий общее энергопотребление;
– 4 режима уменьшения энергопотребления (минимальный ток потребления 400 нА).
Питание и корпус:
– диапазон питающих напряжений 2,0..3,6 В (две батареи АА или ААА);
– корпус QLP-32 6 × 6 мм (для сравнения — СС2430 выпускается в корпусе QLP-48 7 × 7 мм).
Пользователь имеет возможность выбора нужного объема флэш-памяти и ОЗУ, тем самым оптимизируя цену устройства в зависимости от конкретного приложения. Протокол SimpliciTI занимает 4 Кбайта. Остальные 4/12/28 Кбайт флэш-памяти контроллера могут быть задействованы для прикладной программы пользователя.

 

Особенности периферийных модулей СС2510/СС2511

Режим DSM таймера 1. Структура таймера 1 содержит 1-битовый дельта-сигма-модулятор DSM (Delta-Sigma Modulator) второго порядка, который может быть использован для синтеза аудиосигнала, в частности голосовых сообщений. Причем в этом случае на выходе не требуется установка сглаживающего фильтра как для обычного ШИМ.
Порт интерфейса I2S (СС2510/СС2511). Порт I2S полностью поддерживает промышленный стандарт. Может работать как в режиме Master, так и в режиме Slave. По интерфейсу во внешнее устройство (например, стереокодек) может передаваться аудиотрафик моно или стерео. Скорость обработки сэмплов и разрядность могут программироваться. Для сжатия данных в модуле интерфейса есть u-Law-логарифмический компандер. Данные могут передаваться и приниматься из радиоканала и без участия контроллера за счет использования встроенного контроллера DMA, который может использоваться как в канале приемника, так и в канале передатчика I2S.

 

Рис. 3. Примеры реализации систем на базе СС2510/2511 для передачи аудиотрафика


Наличие интерфейса I2S обеспечивает возможность передачи аудиотрафика через радиоканал. На рисунках 3 и 4 показаны примеры реализации систем на базе СС2510 для передачи аудиосигналов.
Сигналы с микрофона оцифровываются встроенным АЦП. Выход звукового сигнала реализован в режиме DSM (дельта-сигма-модулятор) через таймер 1.

 

Рис. 4. Пример реализации локальной радиотелефонной сети на базе СС2510


Встроенный генератор псевдо­случайной последовательности. Мик­росхема СС2510 имеет встроенный аппаратный генератор псевдослучайных чисел (PRBS). Данные генератора могут быть считаны МК. Модуль может использоваться для подсчета контрольной суммы CRC16. Генератор PRBS представляет собой 16-разрядный сдвиговый регистр с обратными связями, представляющий полином:

X 16 + X 15 + X 2 +1 (т.е. CRC16).

Аппаратная поддержка при подсчете и проверке контрольной суммы позволяет уменьшить нагрузку на микроконтроллер и уменьшить потребление.
Встроенный USB-контроллер (есть только в СС2511). USB-контроллер поддерживает протокол USB 2.0 с поддержкой скоростей передачи до 12 Мбит/с. В контроллере есть ФИФО размером 1 Кбайт.

 

Радиомодем СС2510

Радиомодем в СС2510/2511 (см. рис. 5) обеспечивает скорость передачи данных до 500 Кбит/с, обеспечивая, в частности, и передачу трафика стереоаудиосигналов. Структура радиомодема отличается от структуры радиомодема в СС2430/СС2431. Для повышения чувствительности в модуле приемника используется малошумящий ВЧ-усилитель.

 

Рис. 5. Структура блока радиомодема СС2510/2511

 

В канале приемника используется автоматическая регулировка усиления. Сигналы квадратурной модуляции I/Q оцифровываются АЦП. Далее обеспечивается фильтрация, демодуляция, битовая и байтовая синхронизации принятого цифрового потока. В передатчике CC2510Fx/CC2511Fx, в отличие от передатчика CC2430, используется метод прямого синтеза частоты. Синтезатор включает встроенный генератор, управляемый напряжением, и фазовый сдвигатель частоты для генерации Q- и I-сигналов.

Повышение помехоустойчивости в радиомодеме СС2510

При передаче данных через радиоканал неизбежно появление ошибок вследствие периодических затуханий сигналов из-за интерференции или изменения свойств среды распространения сигналов. В этом случае происходит потеря целых блоков информации. Для увеличения помехозащищенности используются избыточное кодирование, а также специальное перемеживание (interleaving) в битовом потоке информации (см. рис. 6). Цель этой процедуры — разбить последовательные биты сообщений так, чтобы эти биты не передавались последовательно друг за другом, т.е. распределить перед передачей сигнала последовательную информацию, которая имеет определенную контекстную связность по различным временным позициям.

 

Рис. 6. Матричное перемежение сигнала в радиомодеме СС2510/2511


При этом в синхронизирующие байты перемежение не вводится, что позволяет на приемной стороне произвести обратное перемежение. В случае потери фрагмента в процессе передачи, биты ошибок равномерно распределятся по нескольким смежным строкам. За счет контекста или избыточности есть возможность восстановления сигнала.
Операция перемежения позволяет длинные пакетные ошибки разделить на отдельные части, распределив их по разным кодовым словам кода Рида-Соломона, которые далее обнаруживаются и исправляются схемой защиты от ошибок. Интерливинг в CC2510/2511 осуществляется чисто аппаратно за счет использования матрицы буферной памяти размером 4 × 4.

 

Форматы передачи ZigBee и SimpliciTI

Формат данных в протоколе SimpliciTI значительно проще, чем в ZigBee. Эта простота обеспечивает, с одной стороны, снижение потребления за счет сокращения числа операций при упаковке и распаковке данных, выполняемых МК и блоком фреймера в радиомодеме, а с другой, позволяет увеличить эффективность передачи за счет увеличения доли полезной информации (payload) в пакетах. А это также дает уменьшение затраченной удельной энергии на переданный бит информации. В таблице 2 показаны количественные различия структуры кадров передаваемых данных для протоколов ZigBee и SimpliciTI.

 

Таблица 2. Сравнение структуры кадров IEEE 802.15.4 и SimpliciTI

 
SimpliciTI
802.15.4
Преамбула, бит
32/64
32
Граница кадра, бит
16/32
8
Длина кадра, бит
8
8
Управление кадром, бит
16
Номер кадра, бит
8
Адрес ID, бит
8
32
Полезные данные, байт
255
4
Контрольная сумма, бит
16
16

 

SimpliciTI поддерживает передачу пакетов как с фиксированной, так и с переменной длиной. Максимальная длина пакета — 255 байт. Для потоковой передачи эффективная скорость передачи полезных данных будет выше.
Из таблицы 2 можно заметить, что оверхед протокола SimpliciTI значительно меньше, чем у IEEE 802.15.4. Следовательно, меньше удельной энергии будет расходоваться на один переданный бит полезных данных. Увеличится и время работы от одного комплекта батарей.

 

Отладочный комплект eZ430-RF2500

Компания TEXAS INSTRUMENTS пре­доставляет недорогой (менее 50 долл.) и очень эффективный инструмент для разработки пользовательских систем беспроводной связи с использованием протокола SimpliciTI.
Оценочный комплект (см. рис. 7) включает в себя USB-эмулятор для программирования и отладки приложения на целевой плате и две отладочные платы для разработки сети беспроводной связи на частоте 2,4 ГГц. В целевой плате используются микроконтроллер MSP430F2274 и радиомодем CC2500. В комплект входит также батарейный отсек для установки двух батарей типа AAA, а также переходники для подключения внешних компонентов или устройства к целевой плате. Все необходимое программное обеспечение входит в комплект: интегрированная среда разработчика и программный стек SimpliciTI для сети конфигурации «звезда».

 

Рис. 7. Состав оценочного набора eZ430-RF2500


Набор eZ430-RF2500 поставляется в комплекте со всем программным обеспечением, необходимым для программирования беспроводного MSP430-приложения. Пользователь может выбрать оболочку из Embedded Workbench IDE компании IAR или Code Composer Studio Essentials IDE компании TI для написания и загрузки кода, после чего отладить приложение, используя аппаратные точки останова и пошаговое выполнение, не применяя при этом никаких дополнительных аппаратных ресурсов. Набор включает законченный пример проекта для измерения температуры и напряжения через беспроводную сеть датчиков. С набором поставляется полная документация на программные и аппаратные компоненты.

 

Заключение

Для настоящего успеха на массовом рынке домашней автоматизации необходимо, чтобы технология, используемая в таких устройствах была недорогой, а монтаж и настройка устройств — простыми и не требующими постоянного сопровождения.
Компания Texas Instruments представляет на рынке несколько альтернативных технологий домашней автоматизации для массового рынка, которые характеризуются низкой ценой, низким энергопотреблением, простотой использования и надежностью. Для сложных топологий может использоваться ячеистая сеть ZigBee с функциями самоорганизации и самовосстановления в сочетании с гибкими инсталляционными процедурами, представляет простое в использовании сетевое решение. При этом обеспечивается совместимость приложений и устройств ZigBee, выпущенных разными производителями.
Протокол SimpliciTI и чип СС2510/СС2511 с высокой степенью интеграции обеспечивают малую стоимость, низкое потребление и высокую гибкость и простоту реализации приложений.

 

Литература

1. Никитов А. Как построить ZigBee-сеть на основе системы на кристалле CC2430//Chip News, 2007, № 8.
2. Бочарников И. Новинки TI для беспроводных решений в диапазонах 433-2400 МГц//Новости электроники, 2007, №18.
3. Панфилов Д., Соколов М. Введение в беспроводную технологию ZigBee стандарта 802.15.4//Электронные компоненты, 2004, №12.
4. Соколов М., Воробьев О. Реа­лизация беспроводных сетей на основе техноло­гии ZigBee стандарта 802.15.4//Компоненты и технологии, 2005.
5. Datasheet CC2430. Материалы сайта: ti.com.
6. Стратиенко А. Радиомодули диапазона ISM компании RADIOCRAFTS//Компоненты и Технологии, 2007, №4.
7. Datasheet CC2510 swru130.pdf . Мате­риа­лы сайта: ti.com.
8. Aamodt K. CC2431 Location Engine. Appli­ca­tion Note AN042.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Александр Самарин, технический консультант, ИД «Электроника»



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты