Примеры аппаратных решений решения для беспроводных сетей различных технологий

Беспроводные решения Maxim для систем сбора данных с приборов учета ресурсов

Компания Maxim известна, прежде всего, как производитель всего спектра компонентов для сигнального тракта: датчиков, операционных и инструментальных усилителей, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, микросхем управления питанием, специализированных контроллеров, драйверов интерфейсов. Компания является крупнейшим производителем микросхем для интеллектуальных систем измерения расхода ресурсов. Отличительные черты продукции Maxim - миниатюрные размеры и малое энергопотребление. Ассортимент продукции Maxim позволяет на базе её компонентов строить системы учета расхода ресурсов, начиная с датчиков и расходомеров, до блоков обработки и передачи данных.

В данном обзоре будут рассмотрены микросхемы для построения беспроводного канала передачи данных систем сбора данных со счетчиков энергоресурсов.

Интегральные беспроводные решения Maxim для субгигагерцового диапазона

На Рис. 1.2 цветом выделены те элементы интеллектуального счетчика, компоненты для которых предлагаются компанией Maxim - это большинство элементов за исключением первичных датчиков, силовых реле, средств визуализации и памяти. Не обойден вниманием и беспроводной канал передачи данных. Если рассматривать только микросхемы интегральных приемников, передатчиков и приемопередатчиков, то можно видеть, что предлагаются решения как для лицензируемых диапазонов (сотовая связь, GPS навигация, телевидение, радио, сети WiMax), так и для не лицензируемых частот (локальные сети WiFi, сенсорные сети) [44].

Для считывания показаний счетчиков наиболее подходящими являются микросхемы, работающие в нижней части разрешенного диапазона (т.н. субгигагерцовая область).

С учетом законодательных ограничений практический интерес представляют микросхемы серии MAX70xx, в число которых входят интегральные приемопередатчики, передатчики и приемники, ориентированные на работы с частотами от 300 МГц до 450 МГц.

Основные микросхемы данных серий с их краткими характеристиками представлены в Табл. 4.4-4.6 [45-47].

MAX7031 -экономичный приемопередатчик с частотной модуляцией сигнала, предварительно установленной частотой (заводские установки), встроенным переключателем приема/передачи и выходной мощностью до 10 дБм (при нагрузке 50 Ом).

MAX7030 - приемопередатчик с амплитудной модуляцией/манипуляцией сигнала (ASK/OOK), встроенным переключателем приема/передачи и выходной мощностью до 10 дБм (при нагрузке 50 Ом). Возможна работа с напряжениями питания от 2.1 В до 3.6 В или от 4.5 В до 5.5 В. Чувствительность приемника -114 дБм, уровень подавления за пределами канала более 45 дБм.

MAX7032 - универсальный АМ/ЧМ приемопередатчик (ASK/OOK или FSK) с выходной мощностью до 10 дБм, способен работать при напряжениях питания от 2.1 В до 3.6 В или от 4.5 В до 5.5 В. Встроенный переключатель режимов приема/передачи, режимы пониженного энергопотребления, выход индикации уровня принятого сигнала. Программируемая частота приема/передачи, настраиваемое отклонение от центральной частоты (для режима частотной модуляции). Чувствительность по приему -114 дБм/-110дБм для АМ/ЧМ режимов соответственно.

Для приложений, в которых не требуется двунаправленного обмена данными между узлами возможно установка на ряде узлов сети или приемников, или передатчиков. Это несколько снизит цену и энергопотребление конечных устройств. Доступные устройства для ISM диапазона представлены в Табл. 4.5 и Табл. 4.6.

MAX7049 - работает в диапазоне питающих напряжений от +2.1В до +3.6В, токи потребления 21 мА при выходной мощности 10 дБм и порядка 43 мА при 15 дБм. Токи утечки в выключенном состоянии менее 100 нА, ток потребления в состоянии низкого энергопотребления не превышает 400 нА. Поддерживает режимы амплитудной и частотной модуляции, отвечает требованиям стандартов ETSI EN300-220, FCC Part 15 (перестройка частоты), встроенный датчик температуры.

Передатчики MAX7057, MAX7060 также работают с однополярным питанием в диапазоне от +2.1 в до +3.6 В, имеет регулируемую выходную мощность (до 13 дБм) и частоту передачи. Токи потребления в режиме лежат в пределах от 8.5 мА (амплитудная модуляция) до 12.5 мА (частотная модуляция).

Передатчики поддерживают скорости передачи до 100 Кбит/с (код NRZ).

Двухчастотный MAX7058 поддерживает передачу данных в режиме амплитудной модуляции и амплитудной манипуляции, а также переключение между частотами передачи 315/390 МГц

Экономичный MAX1479 при напряжениях питания 2.1-3.6 В потребляет не более 6.5 мА/10.5 мА (АМ/ЧМ режимы соответственно) при выходной мощности свыше 10 дБм. Поддерживает режимы амплитудной модуляции и манипуляции, совместим со стандартами ETSI, EN300 220.

MAX7044/MAX1472 - экономичные АМ-передатчики с малым током потребления поддерживающие с глубину модуляции до 90 дБм при выходной мощности до 13/10 дБм соответственно.

Серии MAX2903, MAX2904 помимо амплитудной и частотной модуляции поддерживают режимы амплитудной манипуляций и расширение спектра при помощи двоичной фазовой манипуляции (BPSK). Данные серии обеспечивают выходную мощность до 20 дБм при питании 3.0 В и до 23 дБм при напряжении питания 4.5 В.

MAX7034 - приемник с малой зависимостью чувствительности от температуры и уровнем подавления зеркального канала 44 дБ. Обладает малым временем запуска - менее 250 мкс.

АМ-/ЧМ-приемники MAX1471 способны работать в широком температурном диапазоне - от -40°С до+125°С при напряжении питания 3.3 В или 5 В. Сохраняют работоспособность при понижении питающего напряжения до 2.4 В. Ток потребления в режиме приема 7 мА, в режиме низкого энергопотребления не более 1.1 мкА. Интересным решением являются разнесенные выходы демодулированных АМ- и ЧМ-данных.

При чувствительности порядка -144 дБм приемники серии MAX7033 работают при температурах от -40°С до +105°С. Обладают высоким уровнем подавления сигнала вне частотного канала (44 дБм), могут работать как с 3.3 В, так и с 5 В источниками питания, ток потребления в активном режиме не более 5.2 мА, в режиме пониженного потребления менее 3.5 мкА.

MAX7042 обеспечивает прием ЧМ-сигналов с уровнями до -110 дБм при подавлении сигнала вне канала на 45 дБм. Работают при напряжении питания 3.3 В и с 5 В с током потребления в пределах 6.2 мА (минимальное напряжение питания 2.4 В).

Для сложных условий эксплуатации (большие расстояния, высокий уровень помех) подойдет серия АМ-приемников MAX1473, которая, благодаря встроенному АРУ с широким динамическим диапазоном обеспечивает чувствительность приема до -115 дБм. Дополнительно к этому, обеспечивается высокий уровень подавления сигнала вне канала - до 53 дБм.

Как видно, большинство из представленных устройств способно напрямую работать от автономных источников питания, таких как, солевые батареи, литиевые аккумуляторы, никелевые аккумуляторные батареи, даже при их существенном разряде. Широкий диапазон питающих напряжений позволяет включать беспроводные микросхемы Maxim совместно с управляющим контроллером практически любого типа.

Универсальный приемопередатчик MAX7032

Для задачи организации сети сбора данных со счетчиков вариант с двусторонним обменом данными является более предпочтительным. Причиной этому является необходимость постоянного отслеживания состояния счетчика, оповещение о нештатных ситуациях или несанкционированных действиях, а также обеспечение возможности оперативной настройки счетчика - например, в случае изменения тарифов, обновления программного обеспечения. Следовательно, в качестве основы для построения канала передачи данных будут выступать приемопередатчики.

Одним из наиболее подходящих решений является универсальный приемопередатчик MAX7032 [48] диапазона 300 МГц - 450 МГц. Передатчик работает с амплитудно-модулированными и манипулированными сигналами (режимы ASK/OOK), а также с частотно модулированными сигналами (FSK). Обеспечивает достаточно большую для данного диапазона скорость обмена данными - до 33 Кбит/с в манчестерском коде и до 66 Кбит/с в коде без возвращения к нулю - NRZ.

Выходная мощность при работе на 50-омную антенну до 10 дБм. MAX7032 демонстрирует прекрасную чувствительность в режиме приема - до -114 дБм в режиме амплитудной и до -110 дБм в режиме частотной модуляции.

MAX7032 имеет раздельные выводы для передаваемых и принимаемых сигналов (PAOUT, LNAIN), встроенный RF-ключ для подключения передающих и принимающих выводов к одной общей антенне.

Частота передачи в MAX7032 генерируется 16-битным синтезатором частот с фазовой синхронизацией (PLL) с дробным коэффициентом умножения частоты (fractional-N). В режиме приема опорная частота генерируется синтезатором с целочисленным коэффициентом умножения. Подобная гибридная архитектура исключает необходимость в отдельных внешних резонаторах для приема и передачи сигналов. Так, PLL с дробным умножением позволяет установить частоту передачи в пределах 2 КГц от частоты приема - минимальный шаг настройки частоты передачи . Применение PLL с целым коэффициентом умножения на приеме позволяет снизить ток потребления в данном режиме (рабочий ток дробного PLL несколько выше). Таким образом снижается стоимость конечного изделия, благодаря сокращению числа внешних компонентов и минимизируется ток потребления при приеме, что продлевает время автономной работы устройства.

Кроме этого, архитектура дробного PLL позволяет настроить девиацию частоты в режиме частотной модуляции, что полностью исключает проблему затягивания частоты генератора. Все компоненты, необходимые для генерации частот интегрированы на кристалле, для подключения MAX7032 требуется всего несколько внешних компонент, среди которых кварцевый резонатор, фильтр промежуточной частоты на 10.7 МГц, некоторое количество дискретных элементов (Рис. 4.28) [49].

Приемопередатчик может работать как с внешней, так и с печатной антенной (в последнем случае эффективность работы будет несколько ниже).

Управляющим интерфейсом выступает интерфейс SPI, используемый для настройки приемопередатчика, линии DATA, EN, TR, RSSI отображают состояние приемопередатчика, управляют направлением передачей данных, а также служат для приема-передачи данных. В качестве управляющего контроллера может быть использован практически любой из контроллеров семейства MAXQ.

Основа автоматического счетчика с беспроводной передачей данных - MAX7032+MAXQ610

Прекрасной базой для собственных разработок является пример автоматической системы считывания показаний на базе демонстрационного набора LFRD002 [9-10, 12, 13]. В связке с MAX7032 в данном наборе задействован 16-разрядный низкопотребляющий контроллер MAXQ610.

MAXQ1610 [51] содержит в себе 16-разрядное RISC ядро, два интегрированных последовательных порта USART, SPI, модуль ИК интерфейса, а также набор линий ввода-вывода. 64 Кбайта флеш-памяти и 2 Кбайта вполне достаточно и для прикладной программы, и для реализации достаточно сложного стека протоколов. Потребление контроллера в режиме останова составляет всего 0.2 мкА.

увеличить изображение
Рис. 4.28. Схема включения приемопередатчика MAX7032

LFRD002 может быть с успехом использован для демонстрации возможностей и приемопередатчика MAX7032 и контроллера MAXQ610. В набор входит три платы - две с контроллеров и приемопередатчиком (MTR) - для работы со счетчиками - измерительные узлы, и одна плата, в которой к приемопередатчику и контроллеру добавлен ЖК-дисплей и клавиатура - управляющий узел (RDR). Размеры плат MTR всего 3 см х 3 см, плата RDR несколько больше - 11.5 см х 6.1 см - см. Рис. 4.29.

Рис. 4.29. Демонстрационный набор LFRD002

Контроллеры плат доступны для программирования посредством JTAG интерфейса. Изначально в контроллеры зашито демонстрационное приложение, иллюстрирующее подключение/отключение измерительных узлов к управляющему, а также прием-передачу данных от них.

Разработчикам также доступны Gerber файлы плат, электрические принципиальные схемы, списки комплектующих и исходные тексты программ [9 - 13].

Как представлено в документе [53], платы из набора LFRD002 вполне успешно могут быть использованы и в качестве самостоятельных узлов в составе счетчиков (Рис. 4.30).

увеличить изображение
Рис. 4.30. Плата MRT в составе счетчика расхода воды

Безусловно, контроллер MAXQ610 может быть настроен для работы с датчиками практически любых типов.

Как видно, на основе компонентов компании Maxim возможно создание экономичного но достаточно эффективного решения для индивидуальных систем учета расхода ресурсов. Работа в диапазоне 433 МГц снимает ряд проблем, связанных с распространением радиосигнала - сигналы данного диапазона менее чувствительны к наличию препятствий, характерных для помещений (перегородки, мебель, офисная техника и т.п.), что позволяет работать при меньших мощностях сигнала, а также снизить требования к протоколам передачи данных. Maxim предоставляет практически все необходимые компоненты для создания интеллектуальных счетчиков расхода ресурсов с беспроводным интерфейсом.