№5 / 2019 / статья 4

Слуги всех диапазонов: приемопередатчики Microchip для 868 МГц, 2,4 ГГц и ISM

Александр Калачев (г. Барнаул)

Microchip предлагает беспроводные микроконтроллеры, объединяющие ядро Cortex-M0+ и субгигагерцевый трансивер, для стандартов 802.15.4 и 2,4 ГГц, а также двухдиапазонный трансивер для стандартов 2,4 ГГц и Sub-1 GHz. Первые найдут применение в беспроводных системах автоматизации, в том числе – интернете вещей и индустрии 4,0, а второй – в системах интеллектуального учета потребления ресурсов. 

Основные задачи беспроводных систем – организация мониторинга состояния объектов, сигнализация о нештатных ситуациях, сбор данных, генерируемых различными подсистемами (например, в системах учета потребления ресурсов). Типовыми требованиями к элементам беспроводных систем являются малое энергопотребление, высокая чувствительность и избирательность канала, помехоустойчивость, гарантированный рабочий диапазон температур. Приветствуются также высокая выходная мощность, а в некоторых случаях – и производительность.

Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ) приняла решение о введении в РФ нового частотного отрезка в диапазоне 868 МГц и увеличении максимальной мощности до 100 мВт (+20 дБм) для беспроводных устройств малого радиуса действия. Работа в безлицензионном диапазоне не требует от потребителя регистрации или получения каких-либо разрешений. При этом производитель должен выпускать продукцию в соответствии с техническими параметрами радио, определенными нормами ГКРЧ [1].

Конечно, разрешения на предельную мощность в 100 мВт коснулись небольшого участка частот – 868,7…869,2 МГц, – но, тем не менее, для большинства задач этого должно быть достаточно, поскольку методы спектрального и временного уплотнения каналов позволяют организовать совместную работу устройств даже в весьма узком спектральном канале. Увеличенная разрешенная мощность, с одной стороны, позволит расширить предельную дальность связи между узлами системы, с другой – увеличит бюджет канала, что приведет к снижению процента ошибок и потерь при передаче пакетов.

Номенклатура Microchip за счет приобретения компании Atmel пополнилась семействами однокристальных беспроводных микроконтроллеров и радиокомпонентами субгигагерцевого диапазона и диапазона 2,4 ГГц. Предлагаемые решения обеспечивают как однонаправленную, так и двунаправленную передачу данных с поддержкой протоколов стандарта IEEE 802.15.4g, а также проприетарных протоколов, применяемых в таких задачах как интеллектуальный учет потребления ресурсов и энергии, системы сигнализации, домашняя автоматизация и в других приложениях интернета вещей (IoT).

32-битные беспроводные системы 802.15.4: ATSAMR30 и ATSAMR21

Для ISM-диапазона компания Microchip на данный момент предлагает беспроводные микроконтроллеры на базе популярного 8-битного ядра AVR и 32-битного ядра ARM Cortex-M0+.

Решения на базе ядра ARM являются новинками и представлены сериями SAMR21 (2,4 ГГц) и SAMR30 (868 МГц), поддерживающими стандарты IEEE® 802.15.4. Их преимущества:

  • 64…256 кбайт Flash-памяти;
  • богатый набор периферийных устройств;
  • универсальные последовательные интерфейсные модули SERCOM (могут играть роль интерфейсов UART/USART, SPI или I²C);
  • тактовая частота до 48 МГц;
  • бюджет радиотракта до 105 дБм.

Представители серии SAMR30 (рисунок 1) объединяют в одном корпусе (System In Package, SIP) ядро контроллера SAML21 Cortex M0+ и субгигагерцевый трансивер AT86RF212B. Из технических особенностей – 256 кбайт Flash-памяти, 32 кбайта оперативной памяти; отдельный блок 8 кбайт оперативной памяти, сохраняемой во всех режимах малого энергопотребления; ток потребления в режиме сна – менее 500 нА. Встроенные периферийные устройства:

Рис. 1. Структура беспроводных контроллеров серии SAMR30

Рис. 1. Структура беспроводных контроллеров серии SAMR30

  • криптографический ускоритель (AES);
  • генератор случайных чисел;
  • 12-битный АЦП с частотой выборок до 350 квыб/с;
  • набор системных и прикладных таймеров.

Экосистема разработчика включает в себя оценочные комплекты SAM R30 Xplained Pro ATSAMR30-XPRO и AC164159 (рисунок 2).

Рис. 2. Оценочные комплекты SAM R30 Xplained Pro ATSAMR30-XPRO и AC164159

Рис. 2. Оценочные комплекты SAM R30 Xplained Pro ATSAMR30-XPRO и AC164159

Оценочный комплект SAM R30 Xplained Pro ATSAMR30-XPRO представляет собой аппаратную платформу, предназначенную для оценки возможностей контроллеров ATSAMR30G18A. AC164159 построена на основе модуля SAMR30M18A. Обе оценочные платы поддерживаются средой разработки Atmel Studio (начиная с версии 7), которая также включает в себя готовые примеры приложений. Благодаря ей обеспечивается легкий доступ к различным функциям беспроводного контроллера и имеется возможность подключать дополнительные периферийные устройства для расширения возможностей платы и упрощения разработки нестандартных беспроводных узлов.

Типовая схема включения SAM R30 требует только традиционной обвязки в виде конденсаторов, кварцевого резонатора и согласующего антенного фильтра (рисунок 3).

Рис. 3. Типовая схема включения SAM R30

Рис. 3. Типовая схема включения SAM R30

Серия Atmel | SMART SAMR21 – серия малопотребляющих контроллеров с 32-битным ядром ARM Cortex-M0+ и встроенным трансивером диапазона 2,4 ГГц. Они доступны в корпусах с 32 или 48 выводами, могут иметь до 256 кбайт Flash и 32 кбайт оперативной памяти.

Основные возможности AtmelSAMR21:

  • ISP Flash память;
  • 512 кбайт последовательной Flash-памяти (в некоторых контроллерах серии);
  • 12-канальный контроллер прямого доступа к памяти;
  • 12-канальный контроллер прерываний;
  • до 28 линий ввода-вывода;
  • 32-битный таймер часов реального времени с функцией календаря;
  • три таймера-счетчика и три таймера для управления, каждый из которых может быть настроен на генерацию определенной частоты или временных форм.

Представители Atmel SAMR21 имеют встроенный интерфейс USB 2.0 с функциями хоста и конечного устройства, могут иметь до пяти универсальных последовательных коммуникационных модулей SERCOM с тактовыми частотами до 3,4 МГц.

Из аналоговой периферии присутствует 8-канальный 12-битный АЦП со скоростью преобразований до 350 квыб/с с программируемым усилением каналов. Режимы передискретизации и децимации позволяют при необходимости поднять разрешение преобразователя до 16 бит. Доступны два аналоговых компаратора с программируемыми порогами срабатывания.

Устройства поддерживают систему обработки прерываний и взаимодействия между периферийными узлами Atmel Event System, примитивы для обработки сенсорных кнопок, слайдеров и колес прокрутки.

Встроенный контроллер сенсорных кнопок может поддерживать до 48 одиночных кнопок, а также слайдеры, колеса прокрутки и окна, что пригодится при реализации пользовательского интерфейса – пультов управления, сенсорных панелей, вандалостойких выключателей, датчиков приближения.

Контроллеры имеют несколько встроенных малопотребляющих осцилляторов, каждый из которых может служить источником системного тактового сигнала. Выделено несколько так называемых доменов тактирования, независимых друг от друга, что позволяет настраивать режимы работы требуемой в приложении периферии наиболее оптимальным с точки зрения энергопотребления образом.

Сами процессорные ядра имеют два режима пониженного энргопотребления: ждущий и режим останова (idle, standby). В ждущем режиме ядро останавливается, но работа периферийных узлов может быть продолжена. В режиме останова продолжается работа только выбранных узлов. Они работают в режиме, называемом «Sleep Walking», который позволяет им активизироваться, запустить собственное тактирование и выполнить действия без пробуждения процессорного ядра. Система управления событиями допускает синхронные и асинхронные события, позволяя периферийным узлам реагировать и генерировать события даже в состоянии останова.

SWD-интерфейс позволяет перепрограммировать контроллер уже в составе конечного устройства, он же позволяет производить отладку кода. Начальный загрузчик при необходимости позволяет использовать коммуникационные интерфейсы для обновления прошивки.

Среди отладочных и ознакомительных плат для SAMR21 интересны следующие:

  • Оценочная плата ZBSAMR21 Xplained Pro построена на базе модуля ATSAMR21G18-MR210UA. Она позиционируется как средство прототипирования узлов сетей ZigBee. Штыревые разъемы позволяют легко подключать к плате периферийные модули (рисунок 4).
Рис. 4. Оценочная плата ZBSAMR21 Xplained Pro

Рис. 4. Оценочная плата ZBSAMR21 Xplained Pro

  • Оценочная плата ATSAMR21ZLL-EK (рисунок 5) основана на микроконтроллере ATSAMR21G18A. Несмотря на небольшие размеры, плата имеет практически все необходимое для прототипирования и отладки решений встраиваемых беспроводных узлов. Есть в наличии встроенный отладчик, то есть при работе с ней нет необходимости в дополнительных внешних программаторах/отладчиках.
Рис. 5. Оценочная плата ATSAMR21ZLL-EK

Рис. 5. Оценочная плата ATSAMR21ZLL-EK

Оценочной платой поддерживается разнесение антенн, установлены – трехцветный светодиод (RGB-LED), сенсорные кнопки и слайдер, джойстик, монохромные светодиоды, тактовые кнопки, OLED-дисплей, UART- и USB-интерфейсы. Имеются также разъемы для подключения плат расширения и внешних модулей.

  • Плата SAMR21 Xplained Pro (рисунок 6) также содержит микроконтроллер ATSAMR21G18A. Данная плата является бюджетным отладочным средством – на ней установлены только пара пользовательских кнопок, светодиодов и разъемы расширения, но при этом есть встроенный отладчик.
Рис. 6. Отладочная плата SAM R21 Xplained Pro

Рис. 6. Отладочная плата SAM R21 Xplained Pro

Программная экосистема беспроводных контроллеров включает в себя полный набор программ и сред разработки, включая С-компиляторы, макроассемблеры, отладчики и симуляторы, а также программаторы и оценочные модули.

Двухдиапазонный трансивер AT86RF215 для SmartEnergy 

Интересным предложением для сетей автоматизации и управления коммерческого и промышленного уровней является двухдиапазонный трансивер AT86RF215, поддерживающий стандарты IEEE 802.15.4g-2012 и ETSITS 102 887-1. Трансивер имеет несколько режимов скорости передачи данных и три типа модуляции: многоуровневую частотную манипуляцию (MR-FSK), мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (MR-OFDM) и квадратурную фазовую манипуляцию со сдвигом (MR-O-QPSK). Это включает в себя физический уровень, используемый для ZigBee® Pro и IP.

Отличительной особенностью данного трансивера по сравнению с другими решениями, присутствующими в данный момент на рынке, является возможность одновременной работы и в субгигагерцевом диапазоне, и в диапазоне 2,4 ГГц. Это достигается благодаря двум независимым радиотрактам для каждого диапазона (рисунок 7).

Рис. 7. Структурная схема трансивера AT86RF215

Рис. 7. Структурная схема трансивера AT86RF215

Целевые области применений трансивера – интеллектуальные системы учета, системы управления освещением, домашняя автоматизация управления электроприборами, автоматизированное оборудование.

Основные технические возможности:

  • частотный диапазон, перекрывающий практически все разрешенные полосы, с учетом региональных стандартов и ограничений:
    • субгигагерцевый, занимающий частоты 389,5…510 МГц и 779…1020 МГц, включая европейский диапазон 863…870 и 915…921 МГц, китайские частотные полосы 470…510 и 779…787 МГц, североамериканские 902…928 МГц, корейские 917…923,5 и японские 920…928 МГц;
    • диапазон 2,4ГГц с частотами 2400…2483.5 МГц.
  • поддержка физических уровней стандартов IEEE15.4g-2012 и IEEE 802.15.4- 2011;
  • методы модуляции и скорости данных:
    • MR-FSK 50…400 кбит/с;
    • MR-OFDM 50…2400 кбит/с;
    • MR-O-QPSK 6,25…1000 кбит/с, 100…2000 кбит/с;
    • O-QPSK 250…1000 кбит/с, 1000 и 2000 кбит/с;
  • напряжение питания 1,8…3,6 В;
  • выходная мощность до 14 дБм;
  • максимальная чувствительность до -123 дБм (режим MR-O-QPSK при скорости данных 6,25 кбит/с), типовые значения порядка -100…-105 дБм;
  • поддержка скорости передачи данных 6,25 кбит/с…2,4 Мбит/с;
  • встроенные FIFO-буферы размером по 2 кбит на прием и передачу.

Поддержка OFDM дает трансиверу AT86RF215 преимущество при работе в условиях плотной застройки, внутри помещений и в условиях повышенных шумов, так как данный вид модуляции обеспечивает более эффективное использование спектра частот и устойчив к проблеме многолучевого распространения сигналов.

Оптимальная чувствительность и выходная мощность достигаются при 50 Ом дифференциальной нагрузки.

Аппаратная поддержка стандарта IEEE 802.15.4 MAC:

  • фильтр кадров;
  • автоматическая отправка подтверждений пакетов.

Трансивер обладает сравнительно малым энергопотреблением в спящем режиме – всего порядка 30 нА, ток потребления в режиме приема составляет 6…28 мА, а в режиме передачи — 65 мА (при выходной мощности 14 дБм). Из дополнительных модулей трансивер имеет встроенные генератор случайных чисел и контроллер разряда батареи. Тактируется или от встроенного термостабилизированного генератора 26 МГц (TCXO), или от генератора с внешним кварцевым резонатором.

Данные трансиверы имеют высокую степень интеграции и сводят к минимуму количество внешних компонентов печатной платы. Они управляются через быстрый последовательный периферийный интерфейс (SPI), могут работать с внешним микроконтроллером, например, с моделями семейства Atmel SAM4, и/или с внешним BaseBand-процессором (процессором основной полосы частот).

Каждый из приемопередатчиков AT86RF215 может работать в одном из двух режимов:

  • трансивера – режиме основной полосы;
  • I/Q, при котором внешний Baseband-процессор может задавать режимы модуляции и кодирования-декодирования данных.

В режиме трансивера встроенные baseband-ядра управляют радиотрактом, обмен данными и настройка трансивера осуществляются по SPI.

В режиме I/Q настройка радиотрактов реализуется с внешнего микроконтроллера через SPI, а обмен данными осуществляется через соответствующий интерфейс данных I/Q. Так как приемопередатчики в составе трансивера независимы, возможна их настройка в различных режимах (рисунок 8).

Рис. 8. Способы взаимодействия AT86RF215 с хост-системой в различных режимах работы

Рис. 8. Способы взаимодействия AT86RF215 с хост-системой в различных режимах работы

В режиме I/Q AT86RF215 выступает в роли конечного элемента радиотракта систем класса Software Defined Radio (SDR).

Стек протоколов MiWi™

Стек протоколов MiWi – проприетарный стек, разработанный компанией Microchip для построения энергоэффективной, надежной и безопасной сети с минимальным размером кода.

MiWi поддерживает уровень PHYстандарта IEEE 802.15.4 для субгигагерцевого диапазона и диапазона 2,4 ГГц. Ориентирован на создание бюджетных коммерческих и домашних интеллектуальных сетей, применяется в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также в охранно-пожарных системах. Способен создавать надежные ячеистые сети с функциями самовосстановления.

По сравнению с протоколом ZigBee, MiWi занимает заметно меньше места в памяти контроллера, например, типовое решение для конечного устройства занимает всего порядка 20 кбайт памяти программ. Протокол предоставляет функции для поиска, формирования и присоединения к сети, а также обнаружения узлов в сети и маршрута к ним. MiWi определяет три типа сетевых устройств, в зависимости от их функции в сети:

  • PAN-координатор;
  • координатор;
  • конечное устройство.

Поддерживаются топологии «звезда», «кластерное дерево», ячеистая топология.

Протокол MiWi P2P является частью стека протоколов MiWi и предназначен для создания небольших сетей топологии «точка-точка» или «звезда». MiWi P2P в типичной конфигурации занимает всего 4 кбайт в памяти программ контроллера.

Стек MiWi поддерживается практически всей линейкой беспроводных контроллеров и трансиверов производства Microchip, включая 32-разрядные новинки – SAM21/30.

Заключение

Компания Microchip предлагает интересные программные и аппаратные решения для беспроводных сетей автоматизации. Серии беспроводных контроллеров SAMR21 (2,4 ГГц) и SAMR30 (868 МГц) отвечают требованиям современных приложений по производительности и функциональности.

Трансивер AT86RF215 прекрасно подходит для сетей интеллектуального учета энергии и потребления ресурсов, сочетая в себе преимущества работы в двух диапазонах одновременно.

Литература

  1. Новые диапазоны частот для интернета вещей
  2. Sub-GHz _ Microchip Technology.
  3. Single-Chip Solutions _ Microchip Technology.
  4. https://www.microchip.com.
  5. http://microchipdeveloper.com.
  6. Microchip MiWi™ Wireless Networking Protocol Stack.
  7. Microchip MiWi™ P2P Wireless Protocol.

Наши информационные каналы

Теги: ,
Рубрики:
Применения:
Группы товаров:

О компании Microchip

Microchip Technology Inc. - ведущий поставщик микроконтроллеров, схем смешанного сигнала, аналоговых полупроводников и решений на основе флэш-IP. Решения Microchip обеспечивают разработку с низким уровнем риска, снижают общую стоимость системы и сокращают время выхода на рынок для тысяч различных клиентских приложений по всему миру. Штаб-квартира в Чандлер, штат Аризона. Продукция Microchip обладает высокими качеством и уровнем технической поддержки. Продукция Microchip обладает высоким уровн ...читать далее