MODULÁRAMKÖRÖK VEZETÉK NÉLKÜLI KOMMUNIKÁCIÓJA

MODULÁRAMKÖRÖK VEZETÉK NÉLKÜLI KOMMUNIKÁCIÓJA Géczy Attila [email protected] Utoljára módosítva: 2014.03.09. (Géczy Attila által, eredeti PPT: Stubán Norbert)

BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY

Miért orvosi és autó elektronikai példák? • Magyar vagy Magyarországon jelen lévő nemzetközi kis, közepes és nagyvállalatok: • Gépjármű elektronika: Audi, Mercedes, Bosch, Continental, Vishay, GE, Siemens, KnorrBremse... Stb. • Orvosi elektronika: Innomed, Meditech, Lab Tech, Diagon, 77 Elektronika, GenoID, Cytotech, Mediso, Diamond Diagnostic Inc., Medicor, TensioMED, Digitalmed, Medimetal, Celitron Medical Technologies, stb. • Medica kiállításon ~30 cég szokta képviseltetni magát. Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja

2/25

AZ ELŐADÁS FELÉPÍTÉSE • • • • •

ISM sávok Bluetooth ZigBee IrDA Nem szabványos rádiós átviteli példa

Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja

3/25

AZ ISM SÁVOK • ITU-R: International Telecommunication Union (Nemzetközi Távközlési Unió) • A rádiófrekvenciás spektrum sávjainak hatékony elosztásáért felelős szervezet • Frekvencia regisztrálás, műhold pozíciók kijelölése, országok közötti interferenciák megelőzése • A második legidősebb nemzetközi szervezet (1865 Párizs)

• ISM: Industrial, Scientific and Medical radio bands • A rádiófrekvenciás spektrum meghatározott sávjai • Szabad frekvenciák, engedély nélkül használhatóak • Az engedélyhez nem kötött eszközöknek tolerálniuk kell az ISM sávban kialakuló interferenciákat • Az engedélyhez nem kötött eszközök nem okozhatnak interferenciát az engedélyhez kötött (ISM sávon kívüli) eszközök sávjaiban


4/25

AZ ISM SÁVOK Matrica pl. videókártyán: „This device complies with FCC Part 15 regulations and CE approval.”

• • •

EU-n belül: CE jelzés (ábra fent). Az EMC-n kívül más feltételeket is támaszt. USA: FCC: Federal Communications Commission Part 15: elsősorban az engedélyhez nem kötött rádióátvitelt megvalósító eszközök szabályozására vonatkozó előírások • •

•

Nem szándékos sugárzás (felharmonikusok) szabályozása Megengedett maximális térerő szabályozása. Például: • FM sávban 10 nW (ez 250 µV/m 3 m-re az antennától) e felett büntetendő • AM sávban a maximális adóteljesítmény: 100 mW. Az antenna méretei limitáltak. A TV sávokban mindenféle adás tilos, kivéve néhány távgyógyászati eszközt Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja

5/25

AZ ISM SÁVOK • • • • •

6.765–6.795 MHz (közép frekvencia: 6.780 MHz) 13.553–13.567 MHz (nominális frekvencia: 13.5 MHz) 26.957–27.283 MHz (nominális frekvencia: 27 MHz) 40.66–40.70 MHz (nominális frekvencia: 40 MHz) 433.05–434.79 MHz (nominális frekvencia: 433 v. 434 MHz) •

•

902–928 MHz (nominális frekvencia: 915 MHz) •

• • • • • • •

Csak Európa, Afrika, Közelkelet, Perzsa öböl, volt Szovjetunió, Mongólia Csak Amerika, Grönland, Mikronézia, Polinézia

868 MHz Európában 2.400–2.500 GHz (nominális frekvencia: 2.4 GHz) 5.725–5.875 GHz (közép frekvencia: 5.800 GHz) 24–24.25 GHz (közép frekvencia: 24.125 GHz) 61–61.5 GHz (közép frekvencia: 61.25 GHz) 122–123 GHz (közép frekvencia: 122.5 GHz) 244–246 GHz (közép frekvencia: 245 GHz) Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja

6/25

AZ ISM SÁVOK

Bluetooth MP3 napszemüveg 2.45 GHz 13.45 MHz: RFID (nagy hatósugarú RFID: 0.3, 0.9, 2.4, 5.8 GHz-en is)

Vezeték nélküli telefon 5.8 GHz

Mikro hullámú sütő: 2.45 GHz


7/25

BLUETOOTH •

Név eredete: Harold Bluetooth Dánia és Norvégia királya a X. században • A technológia kidolgozója: Ericsson (1994) Mi a Bluetooth? • Az IEEE 802.15.1 szabványban definiált protokoll implementációja • Rádiós átviteli protokoll, kis távolságokra • Eredetileg az RS-232 vezeték nélküli alternatívája • 2.45 GHz középfrekvencia • Frekvencia ugratás: az adatot feldarabolja és max. 79 frekvencián továbbítja a csonkokat. 1600 ugrás/sec. A frekvenciák szekvenciája előre definiált. • GFSK (Gausian Frequency Shift Keying) • •

• •

Frekvencia billentyűzés: a modulátor a bit értékétől függően kicsit megváltoztatja a frekvenciát Gausz szűrő csökkenti a spektrális sávszélességet

Az egymást megtaláló eszközök ad-hoc hálózatot képeznek (piconet) A piconet az Internetre csatlakozhat, ha az egyik eszköz képes erre Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja

8/25

BLUETOOTH • •

Egy Master, többi Slave Áthidalható távolságok: • • •

•

Sebességek • • • •

•

Class 1 Class 2 Class 3

100 mW (20 dBm) ~100 m 2.5 mW (4 dBm) ~10 m 1 mW (0 dBm) ~1 m

X dBm

mW = 10(dBm/10) v1.2: 1 Mbps v2.0: 3 Mbps v3.0: 24 Mbps (nagy sebességű Bluetooth) v4.0 (3 új féle protokol, sebesség nem változik)

Bluetooth low energy 4.0 speciális altípusa – Wibree • •

Ultra kis fogyasztású verzióterv Hívószám kijelzős óra, miniatűr orvosi eszközök Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja

9/25

BLUETOOTH PROTOKOL FELÉPÍTÉS •

Felépítés réteg szerkezetű • •

•

Mag (core) protokollok  Controller Stack Kiegészítő protokollok a szolgáltatások támogatására  Host Stack

Controller Stack – a BT rádióval és vezérlővel egy chipre integrálva •

•

• •

ACL Asynchronous Connection Less link • Csomagvesztéskor újraküld  adat orientált • Péládul: fájl átvitelnél SCO Synchronous Connection Oriented link • Csak az időzítés betartása fontos • Nem küld újra csomagvesztéskor • Például: beszéd átvitelnél LMP Link Management Protocol • A rádiókapcsolat vezérlésére HCI Host/Controller Interface • Szabványosított felület a Host (PC, telefon stb.) és a BT vezérlő között • HCI Fizikai réteg lehet: USB, UART, stb. Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja

10/25

BLUETOOTH PROTOKOL FELÉPÍTÉS •

Host Stack • • •

A BT kapcsolatot használó operációs rendszeren implementált protokollok Általában magas szintű nyelven megírva Példák: • Rádió frekvenciás kommunikáció (RFCOMM) • Átviteli protokollok gyűjteménye • RS-232 port emuláció • Szolgáltatás felfedező protokoll (SDP) • Hang/Videó eszköz vezérlő protokoll (ACTP) • Hang/Videó átviteli protokoll (AVDTP) • Objektum cserélő (OBEX) • Fájlátvitel, nyomtatás, telefonkönyv


11/25

BLUETOOTH READY-TO-USE MODULOK •

• • •

Bluegiga célhardverek nincs szükség a protokoll struktúra ismeretére Teljes funkcionalitást integráló moduláramkörök Átlátszó csatornát biztosít Támogatott interfészek: • • • •

• •

UART (RS-232) PCM USB SPI

2 MBps Integrált mikrokontroller, memória, akkutöltő, codec, stb. Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja

12/25

BLUETOOTH MODUL ILLESZTÉSE 330

Bulegiga WRAP_THOR_2022-1-B2B

Red PIC16F84

17 18 1 2 3

10k

16 15 100k 100p

4 14

3.3V

RA0 RA1 RA2 RA3 RA4/TOCKI

RB0/INT RB1 RB2 RB3 RB4 RB5 OSC1/CLKIN RB6 OSC2/CLKOUT RB7

6 7 8 9 10 11 12 13

MCLR VDD

GND

5

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

NC RESET_IN NC PIO (2) PIO (4) PIO (3) PIO (5) PIO (6) NC PIO (7) NC NC NC NC NC NC GND GND PCM_CLK PCM_SYNC PCM_OUT PCM_IN NC NC NC NC SPI_CLK SPI_MOSI SPI_MISO SPI_CSB USB_DUART_CTS USB_D+ UART_RTS UART_TX UART_RX GND GND 3V3 5V0

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39

Bluegiga Bluetooth modul illesztése mikorkontrollerhez RS-232 interfészen keresztül


13/25

ZIGBEE •

Városi legenda szerint a név a méhek táncából jön – csendes, de hatékony információcsere

• • • •

2003: IEEE 802.15.4 szabvány 2004: a ZigBee specifikáció jóváhagyva 2005: a specifikáció elérhető a nagyközönség számára (v1.0) 2007: a ZigBee PRO (továbbfejlesztett ZigBee) specifikálásának befejezése

• •

Nem kereskedelmi célra való felhasználása ingyenes Nem hivatalosan: a Bluetooth olcsóbb, alacsonyabb fogyasztású, lassabb riválisa Mesh network  hálós struktúra, nem hierarchikus mint a BT

•

• •

Nagyobb megbízhatóság Öngyógyító


14/25

ZIGBEE • •

ZigBee adó-vevő+processzor+memória = 3$ Felhasználási területek: • • • •

• •

15 ms alatt feléled! (Bluetooth: >3 mp) A rádió bekapcsolási ideje minimalizálva van •

•

A vevő meghatározott időközönként belehallgat a csatornába (15 ms-768 s)

Maximális átviteli sebesség: • • •

• •

Ipari vezérlés Orvosi adatgyűjtés Füst és behatolás érzékelés Épület automatizálás (vezeték nélküli lámpa kapcsoló)

868 MHz (Európa), 915 MHz (Amerika): 40 kbps 2400 MHz: 250 kbps (Bluetooth maximuma szabvány szerint: 3 Mbps  12-szer gyorsabb)

Hatótávolság: 10-75 m (multi-hop) Maximális adóteljesítmény: 1 mW (0 dBm) Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja

15/25

ZIGBEE • • •

Emberi verbális kommunikációhoz hasonlóan működik: Figyel, és ha senki nem beszél akkor beszélhet Mesh struktúra mellett lehet fa vagy csillag is Titkosítás 128 bites kulccsal

USB-s ZigBee „kulcs”

ZigBee gateway és repeater


16/25

ZIGBEE •

•

Teljes funkcionalitású ZigBee hálózati processzor Interfész: • •

UART SPI


17/25

BLUETOOTH, ZIGBEE ÉS WIFI ÖSSZEHASONLÍTÁS Wide Area Network

Metropolitan Area Network

Local Area Network

Personal Area Network


18/25

IRDA • • •

Kis hatótávolságú adatcsere infravörös fénnyel IrDA: Infrared Data Association Specifikációk és protokollok együttese •

•

• • •

IrPHY (fizikai réteg, az IrDA specifikáció legalacsonyabb rétege) • 1 m hatótáv, low-power módban 20 cm • Sugárzó szög: 15° • Sebesség: 2.4 kbps – 16 Mbps (FIR (Fast IR) 4 Mbps felett) • Alapsávú átvitel, nincs moduláció IrLAP (Link Access Protocol) • Hibajavítás • Közeli készülék felismerése IrLMP (Link Management Protocol) • Szolgáltatások feltérképezése IrOBEX (IR Object Exchange) opcionális • Objektum csere (e-névjegy, naptár, fájl) IrSimpleShot opcionális • IR portos fényképezők és nyomtatók között Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja

19/25

IRDA • • • •

Ma már csak ott alkalmazzák, ahol az interferencia kizárja a rádiós átvitelt Hardver szinten egyszerű A protokoll rétegeket szoftverből kell megvalósítani Hardver szintű illesztésre példa:

HSDL 1001


20/25

NEM SZABVÁNYOS RÁDIÓS ÁTVITEL • •

Példa: Telecontrolli rádiós modulok Digitális jel rádiós továbbítására • • •

• •

A használt frekvencia csak az ISM sávban lehet Nem tartalmaz • • • •

•

Szenzorika Távirányítás Vagyonvédelmi rendszerek

Kódert/dekódert Hibafelismerést vagy hibajavítást Rádiós paraméterek figyelését Nincs beépített rádiós protokoll, handshake, kapcsolatfelvétel stb.

Mindezekről a rendszertervező mérnöknek kell gondoskodni  nem szabványos, egyedi átvitel valósítható meg

AM és FM adók, adóvevők Forrás: www.telecontrolli.com


21/25

NEM SZABVÁNYOS RÁDIÓS ÁTVITEL • Előnyei: • Vastagréteg hibrid áramkör kerámia hordozón  nagy megbízhatóság • Jobb hővezetés • SMD helyett nyomtatott ellenállások  nincs forrasztás • Lézer trimmelt ellenállások  precíz • Saját fejlesztésű rádiós protokoll  alkalmazáshoz idomítható • Alacsony fogyasztás • Egyszerű hardver  Nem drága

• Hátrány: • A protokoll fejlesztés időigényes


22/25

NEM SZABVÁNYOS RÁDIÓS ÁTVITELI PÉLDA Telecontrolli RTQ6-433 • • • • • • •

AM adó (433 MHz) Vcc: 1.9-5.5 V Itransmit=9 mA Istabdby=50 nA 9.6 kbps max -25-80 Cº Kb. 1000 Ft @1 db

Illesztés kontrollerhez Belső felépítés


23/25

EGY TOKOS MEGOLDÁSOK

Si4010: • RF adó + kontroller


24/25

EGY TOKOS MEGOLDÁSOK Si101x: • 2010-ben dobták piacra • RF adó-vevő (240-960 MHz) • 8051 kontroller • ADC (12 bit) • DC-DC konverer (a chipen)  egyetlen 1.5 V-os elemről OK • 20 dBm max adó teljesítmény • 5x7 mm QFN tok


25/25

MODULÁRAMKÖRÖK VEZETÉK NÉLKÜLI KOMMUNIKÁCIÓJA

Recommend Documents