No title

Vážení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, že na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, že ukázka má sloužit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, že není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále šíøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umisováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN – technická literatura

[email protected]

2 Bezdrátová komunikace Ke komunikaci lze využívat radiové vlny, infra nebo viditelné záøení, zvuk popøípadì tlakové vlny. V této kapitole si ukážeme nìkteré konkrétní UHF systémy pro bezdrátový pøenos informace a nejèastìji používané pøenosové protokoly.

A

Bezdrátová komunikace

73

2.1 UHF komunikace Používání takovýchto zaøízení spadá do schvalování odborem certifikace ÈTU. Vlastní výroba je nároèná a vyžaduje mnohdy speciální pøístroje. Proto se zde nebudeme zabývat návrhy vlastních zaøízení, ale ukážeme si zde již hotové moduly. Pokud použijeme u nás homologované moduly ve svých zaøízeních a dodržíme podmínky homologace, nemusíme svoje zaøízení s tìmito moduly znovu homologovat. Pokud použijeme nehomologované moduly nebo zaøízení vlastní kostrukce, je tøeba hotové zaøízení homologovat!

2.1.1 Továrnì vyrábìné moduly pro pøenos dat

Potøebný èas k prostudování 45 minut

V této kapitole se seznámíme s dováženými moduly vysílaèù a pøijímaèù. Popíšeme si jejich dùležité vlastnosti a ukážeme si zpùsob jejich jednoduchého použití. Moduly firmy Radiometrix a STE

Popis modulu BIM-UHF

Modul vysílaèe/pøijímaèe BiM-433 firmy Radiometrix Tyto moduly se vyrábìjí ve verzi BiM-418 pro UK (Británii) a v evropské verzi BiM-433. Liší se od sebe nosným kmitoètem, který je pro UK 418 MHz a pro Evropu 433,92 MHz. Jsou urèeny pro montហdo plošného spoje. Moduly BiM-433-F jsou u nás homologovány pro pøenos digitálních nebo digitalizovaných dat. Použití pro pøenos hudby nebo øeèi není povoleno. Moduly musí být použity bez jakýchkoliv úprav, anténních zesilovaèù èi jiných druhù antén než tìch, které jsou popsány v katalogových listech.

Obr. 2.1 Vnitøní blokové schéma modulu BiM

74

Jiøí Hrbáèek: Komunikace mikrokontroléru s okolím – 2. díl

A

Protiváha antény se pøipojuje k vývodùm RF ground, anténa k vývodu Antenna. Odtud je vedena pøes pásmovou propust 433.92 MHz na elektronický pøepínaè (Tx/Rx switch), který anténu pøipojuje k pøijímaèi nebo vysílaèi pomocí øídících signálù –TX select a –RX select tak, jak je naznaèeno v tab. 2.1. Tab. 2.1 Tabulka ovládání BiM

±7;VHOHFW ±5;VHOHFW ýLQQRVW / / Y\VtODþLS LMtPDþDNWLYQtORRSWHVW  / + Y\VtODþDNWLYQt + / S LMtPDþDNWLYQt + + Y\VtODþLS LMtPDþGHDNWLYRYiQVWDQGE\  Úroveò L pro tyto vstupy je v rozsahu 0 V až 1 V a úroveò H je VCC – 0,5 V až VCC. Vstupní proud v úrovni L je maximálnì 1 mA. Napìtí pro H je typicky (VCC – 0,6 V), pro L je typicky 0,2 V. Tyto vývody mohou být øízeny CMOS logikou, nebo obvody s otevøeným kolektorem (OC). Jak ukazuje tab. 2.1, vysílaè i pøijímaè lze aktivovat souèasnì a tak mùžeme data vysílat a souèasnì pøijímat, tedy testovat modul ve smyèce (loop test). Pracuje-li modul v loop testu, pracuje se sníženým výkonem. Pøijímaè je konstruován jako superhet s dvojím smìšováním a mezifrekvencí 16 MHz. Z druhého smìšovaèe je signál pøivádìn na obvody diskriminátoru (FM detektoru). Jeho výstup je pøipojen pøes omezovací odpor na výstup Rx Audio. Na tomto výstupu se nachází netvarovaný pøijatý analogový signál. Z diskriminátoru je signál také veden na vstup tvarovaèe, který obvykle používáme pøi pøenosu digitálních dat. Tvarovaè se skládá se z integraèního èlánku RC, který vytváøí referenèní úroveò pro komparátor tvarovaèe (operaèní zesilovaè). Má však jednu nevýhodu. Pro spolehlivé obnovení tvaru a èasového prùbìhu vyslaného signálu je tøeba, aby vyslaný prùbìh mìl støední hodnotu co nejblíže napìtí (Vhigh – Vlow)/2 , tedy aby souèet dob, kdy je signál v H byl stejný jako souèet dob, po které je v L (aby byl pøenášený kód vyvážený). Výstup tvarovaèe se nazývá RxD. Je-li pøijímaè bez signálu, nebo je-li v úrovni L, pak je na nìm 0 V až 0,2 V. V úrovni H je na nìm napìtí (VCC – 0,6 V) až VCC. Modul je vybaven obvodem, který indikuje, je-li aktivován pøijímaè, pøítomnost nosné frekvence (zda pøichází na anténu dostateènì velký signál z nìjakého vysílaèe). Výstup tohoto obvodu je pøipojen na vývod –CD. Je-li nosná na anténì pøítomná, výstup –CD (Carrier Detect) je v úrovni L. V opaèném pøípadì v úrovni H.

A

Bezdrátová komunikace

75

Modul používá frekvenèní modulaci (FM). Pøi obdelníkovém prùbìhu na vstupu TxD vyžaduje 0 V až 0,5 V pro úroveò L a (VCC – 0,5 V) až VCC pro úroveò H (je možné pøímé napojení na 5V CMOS logiku). Rychlost pøenosu dat pøi støídì 50 : 50 je max. 40 kb/s. Èas mezi hranami je min. 25 ms a max. 2000 ms. Prùmìrný pomìr jednièek a nul v èasovém intervalu 4 ms je minimálnì 30 % a maximálnì 70 %. Minimální doba trvání synchronizace (10101010) je 3 ms. Je-li na vstup vysílaèe pøiveden analogový signál o velikosti 4 VŠŠ superponovaný na napìtí 2,5 V, pak modulaèní nf kmitoèet se mùže pohybovat od 0,1 kHz po 17 kHz. V tomto rozsahu je pøenos  nf signálu s poklesem 3 dB a zkreslením max. 10 %. Moduly BiM 433F umožòují poloduplexní pøenos dat (half duplex) s dosahem 30 m v budovách a 120 m v otevøeném prostoru. Výkonnìjší verze modulu má oznaèení HF nebo HP. Tyto moduly (BiM 433FH) umožòují pøenos 300 až 400 m v otevøeném prostoru. Modul pracuje s napájecím napìtím 4,5–5,5 V. Maximální odebíraný proud ze zdroje je 15 mA pøi vysílání, 16 mA pøi pøíjmu a 25 mA pøi loop testu. Výkonnìjší verze modulu má maximální spotøebu pøi vysílání 21 mA. Deaktivujeme-li vysílaè i pøijímaè (režim stand-by), klesne spotøeba modulu na 1 µA.

PP

Obsazení vývodù modulu BIM-UHF

PP

5)JURXQG





9

$QWHQQD





9FF

5)JURXQG





5;VHOHFW

%H]YêYRGX





7;VHOHFW

%H]YêYRGX





7['

%H]YêYRGX





$XGLR

%H]YêYRGX





5['

%H]YêYRGX





&'





9

9

PP

PP

5R]WHþYêYRG PPYUWDWRWYRUPP

Obr. 2.2 Rozmìry a obsazení vývodù modulu BiM

76

Jiøí Hrbáèek: Komunikace mikrokontroléru s okolím – 2. díl

A

Obr. 2.3 Èasové prùbìhy signálù na vývodech modulu BiM Tab. 2.2 9êYRG



3RSLV 3URWLYiKDDQWpQ\3 LSRMXMtVHN]HPQtYUVWY   5)JURXQG SORãQêFKVSRM 9QLW Q MVRXSURSRMHQ\VYêYRG\ D  9VWXSYêVWXSDQWpQ\  $QWHQQD 1RPLQiOQtLPSHGDQFHW  966 9SURPRGXODFLDQDSiMHQt ,QGLNDFHS tWRPQRVWLQRVQpRGRVWDWHþQp~URYQL  ±&' 0 åHEêWS LSRMHQSRX]HQD&026YVWXS 7YDURYDQiS LMDWiQHLQYHUWRYDQiGDWDR~URYQtFK YROWRYp&026ORJLN\3 LSRMXMHVHNH[WHUQtP  5[' þtVOLFRYêPGHNRGpU P3RNXGQHQtS LMtPiQ åiGQêVLJQiOMHQDQ PWYDURYDQêãXP 3 LMDWiLQYHUWRYDQiDQDORJRYiGDWDO]HSRXåtYDW NGLDJQRVWLFNêP~þHO P 7UYDOHSRVXQXWê  5[$XGLR R9ÒURYH YêVWXSQtKRVLJQiOXMH9ãã 6LJQiOO]HS LSRMLWNDQDORJRYêPGHNRGpU PGDW MDNRMVRXPRGHP\QHER'70)GHNRGpU\ 9\VtODQiGDWD0 åHEêW t]HQS tPR]&026 ORJLN\QDSiMHQp]HVWHMQpKR]GURMHMDNRPRGXO  7[' 1HQtOLDNWLYRYDQpY\VtOiQtP OE\EêWS LSRMHQ QDQDS Wt9NY OLRPH]HQtRGE UXSURXGX $NWLYDFHY\VtODþH-HRSDW HQYQLW QtP3XOOXS  ±7;VHOHFWLRQ RGSRUHPRYHOLNRVWLN $NWLYDFHS LMtPDþH-HRSDW HQYQLW QtP3XOOXS  ±5;VHOHFWLRQ RGSRUHPRYHOLNRVWLN 1DSiMHQtPRGXOX9Då99QLW Q  ILOWURYiQR0D[LPiOQt]YOQ QtP9ãã  9FF 2%5È&(1Ë32/$5,7< 1$3È-(1Ë=1,ýË02'8/

A

6LJQiO

Bezdrátová komunikace

77

UPOZORNÌNÍ

Nenastavujte trimr na modulu, který øídí naladìní pøijímaèe. Toto naladìní lze provést pouze speciálními pøístroji! Platný stav na –CD od pøechodu –RX select do L je maximálnì 1 ms. Platný stav na –RxD od pøechodu –RX select do L je maximálnì 3 ms. Doba pøepnutí vysílání-pøíjem je maximálnì 1 ms. RF vstup (5 mV) po platnost –CD je maximálnì 0,5 ms. RF vstup (5 mV) po ustálení dat na výstupu RX audio je maximálnì 0,5 ms. Požadavky na anténu Antény pro modul BIM-UHF

Pro tento modul jsou doporuèeny tøi typy antén. Prutová, smyèková a šroubovice. Liší se svými vlastnostmi. Tab. 2.3

 âURXERYLFH 6P\þND 3UXW





 &HONRYêYêNRQ





 -HGQRGXFKRVWQiYUKX





 9HOLNRVW





 2GROQRVWSURWLEOt]NêPS HGP W P    'RVDKYRWHY HQpPSURVWRUXP 

Obr. 2.4 Konstrukce antén pro modul BiM

78

Jiøí Hrbáèek: Komunikace mikrokontroléru s okolím – 2. díl

A

Prut

– tvoøí drát, prut nebo plošný spoj nebo jejich kombinace o délce l/4. Pro vysílaè 433,92 MHz je jeho délka 15,5 cm. Anténu lze pøipojit pøímo na vývod 2 modulu, nebo prostøednictvím koaxiálního vodièe o impedanci 50 W. Tyto antény jsou citlivé na zemní plochu a zvyšují svoji úèinnost pøipojením interní ètvrtvlnné zemní protiváhy, je-li výrobek malý nebo v plastové skøíòce.

Smyèka

– je tvoøena plošným spojem o šíøce 1 mm. Její vnitøní plocha je 4 až 10 cm2. Napájecí bod je v 15 % až 25 % délky smyèky. Promìnný nebo pevný kondenzátor má kapacitu 1,5 pF až 5 pF. Má vysokou odolnost proti odladìní vlivem blízkosti vodivých pøedmìtù.

Šroubovice – je navinuta Cu smaltovaným drátem o prùmìru 0,5 mm. Vnitøní prùmìr je 3,2 mm. Pro kmitoèet 433,92 MHz má 24 závitù. Její doladìní se provádí zmìnou její délky (roztažením závitù). Znaènì se rozlaïuje v blízkosti vodivých pøedmìtù. Antény se snažíme umístit co nejdál od kovových èástí systému jako jsou transformátory, baterie, spoje a zemní plochy desky plošných spojù. I antény, lze zakoupit hotové. Problémy, které vznikají v pásmu VHF/UHF pøi šíøení signálu na malé vzdálenosti, lze rozdìlit na tøi èásti. První z nich jsou odrazy signálu. Odrazy zpùsobují, že se signál dostává díky odrazùm k anténì pøijímaèe více cestami, které jsou rùznì dlouhé. Tím dochází k tomu, že každý z tìchto signálù má jinou velikost i fázi. Jejich sèítáním dochází k vzniku „nulových bodù“ v prostoru, tedy bodù kde má signál témìø nulovou velikost. Tyto body jsou malé, øádovì centimetry velké. Jsou èasté tam, kde je malá úroveò signálu a nebo kde jsou velké kovové pøedmìty. Nulové body zcela chybí v otevøeném prostoru.

Problémy pøi šíøení VHF/UHF signálù

Signálový stín vzniká za velkými kovovými plochami (nákladní auta, lepenky polepené kovovou fólií, kovem vyztužené zdi apod.). Za takovými pøekážkami je signál pøenášen výhradnì odrazy a zde se vyskytuje mnoho nulových bodù. Tøetí je absorbce signálu, napø. pøi prùchodu signálu tlustou vlhkou kamennou zdí. Zde je situace podobná jako v signálovém stínu, ale je zde ménì odražených signálù.

A

Bezdrátová komunikace

79