Примеры аппаратных решений решения для беспроводных сетей различных технологий

Цифровой тракт обработки сигнала

Высокопроизводительные многоканальные приемопередатчики CC112х (Рис. 1.2, Рис. 2.1) обладают максимальной выходной мощностью до 16 дБм, чувствительностью -123 дБм при скорости передачи данных 1.2 Кбит/с в диапазонах 400 и 900 МГц. Чувствительность может быть еще улучшена за счет применение схемы кодового усиления - один информационный бит кодируется четырьмя чипами. Кодовое усиление дает дополнительно 2-3 дБм, таким образом, суммарная чувствительность может достигать -125 дБм. Выходная мощность регулируется с шагом 0.5 дБм. Простой расчет бюждета канала дает величину, порядка 140дБм. Максимальная дальность устойчивой связи в хороших условиях может быть порядка десяти километров. Однако, высокая выходная мощность и высокая чувствительность не являются единственными гарантами успешного приема или передачи данных. Так, достаточно мощный сигнал в соседнем частотном канале, способен повлиять на прием сигнала текущего канала при недостаточной избирательности фильтра.

Применение в сигнальном тракте АЦП с динамическим диапазоном 90 дБ позволяет полностью перейти на последующую цифровую обработку сигнала, включая его фильтрацию. Цифровые фильтры, помимо лучших характеристик в полосе пропускания и подавления сигнала вне полосы, обеспечивают высокую стабильность параметров вне зависимости от напряжения питания, температуры, и вариаций технологического процесса.

Фильтрами обеспечивается высокий уровень подавления сигнала вне текущего частотного канала - более 80 дБм. На Рис. 4.20a представлена типовая частотная характеристика фильтров, примененных в серии CC112x.

Высокий уровень подавления соседних каналов позволяет применять приемопередатчики в условиях плотного использования частотного диапазона, или при большом количестве устройств на одной территории, повышает совместимость систем, использующих СС112х, как друг с другом, так и с другими системами, использующими радиоканал. Упрощается процесс установки беспроводных узлов, так как ограничивается зона взаимного влияния узлов, в том числе узлов, работающих как в одной, так и в разных частотных полосах и каналов. Высокий уровень подавления соседних каналов и высокая селективность создают важное конкурентное преимущество линейке Performance Line (Рис. 4.20б).

увеличить изображение
Рис. 4.20. Частотные характеристики цифровых фильтров CC112x а) уровень ослабления сигнала в зависимости отклонения его частоты от центральной частоты канала; б) сравнительные уровни подавления сигнала серий СС1101, С110L, CC1120/CC1121, CC1125 (скорость передачи данных 38.4 Кбит/с, GPSK модуляция, диапазон 868/915 МГц) [40-43].

Новые режимы пониженного энергопотребления - RF Sniff Mode и eWOR

Важным дополнением к энергосберегающим режимам приемопередатчика стал новый режим прослушивания радиоканала (т.н. Channel Sniff Mode) [40-43]. Для узлов беспроводной сети ток потребления в режиме приема, является одним из важных показателей энергоэффективности. Особенно остро данный вопрос стоит для устройств с автономным питанием. Не секрет, что основное потребление для подобных устройств приходится на моменты активности передатчика или приемника. Моменты активности передатчика, в принципе, приложению известны, и он активируется только на относительно короткое время для передачи пакета данных ил набора пакетов. Время прихода данных по радиоканалу для приемного устройства в большинстве случаев не определено. Для большинства типов приложений сенсорных сетей время ожидания входящего пакета может быть довольно велико, и, конечно же, нет никакого желания бесполезно тратить ресурс источника питания.

Для снижения энергопотребления в режиме приема в линейке Performance Line реализован новый режим - RF Channel Shiff Mode - режим прослушивания канала. Режим RF Channel Shiff Mode позволяет автоматически обнаруживать активность в радиоканале. В этом режиме приемник автоматически через короткие промежутки времени проверяет наличие передачи в канале после чего отключается, и в следующем периоде времени ситуация повторяется. Период включения приемника установлен меньшим, чем длина преабулы пакета. Приемнику в СС112х требуется всего лишь время четырех бит преамбулы пакета для установления режима, включая компенсацию смещения частоты и автоматическую регулировку усиления - время перехода из режима IDLE в режим приема (RX) около 150 мкс. Всего время активности приемника, начиная от запуска генератора до начала прослушивания эфира составляет порядка 500 мкс, при общей длительности активной фазы цикла около 670 мкс (зависит от текущих настроек приемопередатчика) Рис. 4.21 иллюстрирует принцип работы приемника в режиме прослушивания и осциллограмму потребляемого тока.

увеличить изображение
Рис. 4.21. Режим прослушивания канала RF Channel Shiff Mode

Режим прослушивания канала RF Channel Shiff Mode абсолютно прозрачен для пользователя и никак не влияет на такие характеристики приемопередатчика, как (чувствительность, избирательность) и позволяет уменьшить энергопотребление в режиме приема без снижения производительности. Как видно из осциллограммы тока, основной пик потребления приходится на работу приемника и настройку аналоговой части приемника, включение усилителей, настройка коэффициента усиления. Конечно, среднее потребление в режиме приема будет зависеть от текущей скорости передачи и длины преамбулы, но выигрыш заметен даже при больших скоростях. Так применение данного режима при длине преамбулы 4 бита на скорости 1.2 кбит/с снижает потребление на приеме с 21 мА до 3 мА, а на скорости 50 кбит/с до 16 мА.

Улучшения в линейке Performance Line коснулись и режима Wake-on-Radio - режим пробуждения для прослушивания канала (пробуждение по наличию радиосигнала). Wake-on-Radio (WOR). В данном режиме радиоприемная часть периодически активируется для прослушивания канала в течение заданного времени для приема пакетов без участия внешнего контроллера. Для этого используется специальный таймер, тактируемый от внутреннего RC-генератора, который периодически генерирует два сигнала - включение регулятора напряжения цифровой части и запуск кварцевого генератора - режим IDLE и, через некоторое время, включение режима приема - RX. Если в течение установленного времени пакет не пришел, приемопередатчик переходит в режим IDLE, а затем в режим SLEEP.

По сравнению с приемопередатчиками CC1101 уменьшено энергопотребление 32 КГц RC-таймера, добавлена возможность автоматической калибровки таймера, изменена схема работы приемника в активной фазе [13]. В активной фазе режима Wake-on-Radio приемник работает в режиме прослушивания канала RF Sniff Mode (Рис. 4.22). Новый режим работы получил название Enhanced Wake-on-Radio (eWOR). В результате потребление мощности в режиме eWOR дополнительно снижается несколько раз.

увеличить изображение
Рис. 4.22. Работа режима Enhanced Wake-on-Radio (eWOR)

Основные характеристики производительности

Микросхемы линейки Performance Line могут работать с более узкополосными каналами, чем их предшественники. Так при ширине канала всего 6.25 КГц, поддерживается скорость передачи до 4.8 Кбит/с, а, при канале в 12.5 КГц - 9.6 Кбит/с. Таких скоростей передачи данный вполне хватает для многих задач телеметрии.

Некоторые сравнительные характеристики микросхем серий СС1101, СС110L, CC112x представлены в Табл. 4.2 [40-43].

Средства разработки

Традиционно, средства разработки, предлагаемые TI, включают набор аппаратных и программных средств - отладочные модули, отладочные платы, средства разработки [36-38].

Отладочные модули - небольшие платы, содержащие только беспроводную микросхему, необходимую обвязку и разъемы для подключения питания, периферийных узлов, антенны.

Отладочные платы - имеют разъемы для подключения отладочных модулей и являются платформой для тестирования работы беспроводных элементов и отладки программного обеспечения.

Средства разработки позволяют подключать отладочные платы к персональному компьютеру для тестирования работы, как аппаратной, так и программной частей сетевых приложений.

Для тестирования и отладки сетевого приложения предлагается несколько видов наборов аппаратных средств (Табл. 4.3).

Наборы разработчика - содержат все необходимое аппаратное обеспечение для начала разработки. Как правило, состоят из двух отладочных плат, двух отладочных модулей, антенн и кабелей.

Мини-наборы разработчика - содержат необходимое оборудование для разработки небольших демонстрационных приложений.

Наборы отладочных модулей - содержат два беспроводных модуля, антенны и кабеля - могут быть использованы для расширения возможностей других отладочных комплектов.

USB устройства - небольшие отладочные платы, имеющие возможность подключения к USB портам ПК, чип или печатную антенну. Чаще всего сроятся на базе систем-на-кристалле.

Отладочные наборы ZigBee - ZigBee Development Kit (ZDK) - имеют возможности отладочных наборов, но содержат дополнительные беспроводные узлы для обеспечения возможности тестирования возможностей ячеистых сетей ZigBee. В данных наборах узлы имеют предустановленное тестовое приложение.

Программные средства разработки

Кроме стеков протоколов TI предоставляет ряд программных инструментов разработчика, предназначенных для конфигурирования устройств, анализа их работоспособности, а также наборы программных библиотек для встроенных микроконтроллеров [36-38].

SmartRF™ Studio - приложение для ПК, позволяющее пользователю выставить необходимые настройки для выбранного устройства - частота передачи данных, канал, скорость передачи, выходная мощность и ряд других. При подключении отладочных модулей возможна удаленная установка параметров. Кроме этого приложение предоставляет простые инструменты тестирования беспроводного канала - проверка возможности приема-передачи данных, пакетов, измерение качества канала связи (количество ошибок связи). Предоставляется свободно для всей линейки продуктов TI.

SmartRF™ Packet Sniffer - анализатор пакетов для стандартных и фирменных сетевых протоколов - SimpliciTI, TIMAC, ZigBee, RemoTI. Работает совместно с любыми беспроводными модулями и отладочными платами TI, позволяет прослушивать сеть на выбранной частоте и частотном канале. Имеет графический интерфейс для облегчения разбора и анализа пакетов.

SmartRF Flash Programmer используется для обновления прошивки отладочных модулей, программирования флеш-памяти систем-на-кристалле.

Примеры библиотек - содержат основные функции, необходимые для осуществления сетевого взаимодействия между узлами сети.

USB Libraries - библиотеки, реализующие USB интерфейс для систем-на-кристалле и модулей (CC2511, CC1111, CC2531).

MSP430 Code Library - библиотеки программ и функций для МК MSP430 для систем-на-кристалле серий CC1100/2500.

PurePath™ Wireless Configurator - приложение на ПК с графическим интерфейсом для настройки параметров CC85xx.

Отладочная платформа TRXEB

Для оценки возможностей приемопередатчиков серий СС110L предлагается отладочный набор CC110LDK-868-915 [19] содержащий:

• две платы TRXEB;
• два модуля с приемопередатчиками CC110L, по одному оценочному модулю с передатчиками CC115L и приемниками CC113L;
• комплект соединительных кабелей и документации (Рис. 4.23).

Рис. 4.23. Отладочный набор CC110LDK-868-915

Оценочные модули представляют собой печатные платы с установленными беспроводными устройствами и спиральными антеннами и разъемами для подключения внешней антенны (Рис. 4.24).

Рис. 4.24. Оценочные модули с CC110L

Плата TRXEB (Рис. 4.25) содержит микроконтроллер MSP430F5438 MCU, светодиодные индикаторы, разъемы для подключения внешних устройств, оценочных модулей, набор кнопок, индикатор освещенности, трехосевой датчик ускорения, точечный жидкокристаллический экран 128х64 точки. В качестве примера в TRXEB предустановлен тест канала передачи данных на ошибки передачи (PER test) и тест на дальность связи, исходные тесты демонстрационной программы также предоставляются. Подключение к персональному компьютеру через USB интерфейс.

Рис. 4.25. Отладочная плата TRXEB

На этой же плате базируется отладочный комплект (Рис. 4.26) для представителя линейки Perfomance CC1120 - СС1120DK [19].

В его состав входит две платы TRXEB, два модуля с CC1120 в конфигурации на диапазон 868/915 МГц (для других диапазонов модули могут быть заказаны отдельно), две штыревые антенны, набор соединительных кабелей, батареи питания. В качестве примера предварительно прошит тест канала на количество ошибок (PER test).

Отладочные средства для устройств линейки Performance Line базируются на плате TRXEB содержащей микроконтроллер MSP430F5438, светодиодные индикаторы, разъемы для подключения внешних устройств, оценочных модулей беспроводных приемопередатчиков, набор кнопок, индикатор освещенности, трехосевой датчик ускорения, точечный жидкокристаллический экран 128х64 точки. В качестве примера в предустановлен тест канала передачи данных на ошибки передачи (PER test) и тест на дальность связи, исходные тесты демонстрационной программы также предоставляются. Подключение к персональному компьютеру через USB интерфейс.

Рис. 4.26. Отладочный набор СС1120DK

В качестве программной поддержки предоставляется инструментарий SmartRF Studio 7 для тестирования модулей и для задания настроек приемопередающего тракта. Для целей отладки работы беспроводной сети свободно доступно приложение Packet sniffer, являющееся сетевым снифером для радиоканала, построенного на базе LPRF микросхем от Texas Instruments.

Среды IAR Embedded workbench и CCS позволяют вести разработку прикладного программного обеспечения для систем, использующих связку - контроллер типа MSP430+CC11xx.

Ознакомительный комплект CC-6LOWPAN-DK-868

Ознакомительный комплект CC-6LOWPAN-DK-868 (Рис. 4.27) позволяет пользователям посмотреть работу сетей 6LoWPAN, начать разработку собственных сетевых приложений на базе данного протокола. В составе комплекта беспроводные модули Texas Instruments с программным обеспечением от Sensinode (стек протоколов NanoStack) [36].

CC-6LOWPAN-DK-868 демонстрирует два способа реализации и применения стека NanoStack - для систем-на-кристалле, и с использованием сетевого процессора CC1180.

В состав комплекта входят:

• граничный маршрутизатор 6LoWPAN на базе микроконтроллера OMAP-L138 с модулем CC1180EM в качестве беспроводного интерфейса;
• две отладочные платы EM430F5137RF900 Rev 3.2;
• две платы CC1180DB.

Граничный маршрутизатор содержит программное обеспечение Sensinode NanoRouter 2.0 и способен присоединять к сети и работать с узлами, работющими под управлением стека протоколов NanoStack 2.0 lite. В предлагаемой в ознакомительном комплекте версии NanoRouter 2.0 установлено ограничение в 10 узлов на один граничный маршрутизатор.

Платы EM430F5137RF900 и CC1180DB используются в комплекте как узлы беспроводной сети. Системы-на-кристалле CC430 демонстрируют работу со стеком протоколов через библиотеку NanoSocket API.

увеличить изображение
Рис. 4.27. Ознакомительный комплект CC-6LOWPAN-DK-868

CC1180DB содержат сетевой процессор CC1180, выполняющий основную часть стека, и хост-контроллер MPS430F5438A, выполняющий прикладные задачи, в частности демонстрационное приложение. Взаимодействие между сетевым и хост-процессорами идет по интерфейсу UART с помощью протокола Sensinode NAPSocket API.

В качестве демонстрационного приложения для работы с сетью 6LoWPAN идет приложение монитор сети NodeView 2.0, позволяющее управлять граничным маршрутизатором, отслеживать состояние сети в реальном времени. Прикладной управляющий протокол основывается на протоколе UDP стека NanoStack lite. NodeView 2.0 также позволяет создавать небольшие пользовательские java-приложения.

Все представленные беспроводные узлы могут выступать в роли маршрутизаторов в данной подсети 6LoWPAN. Платой за это выступает необходимость постоянной активности приемопередатчика, и питание узлов целесообразнее брать стационарное.

Texas Instruments предлагает широкий спектр продуктов для самых различных областей применения:

• охранно-пожарные системы;
• дистанционное управление;
• беспроводные аудио системы;
• бытовые медицинские приборы;
• периферийные устройства (HID);
• системы домашней автоматики, управления освещением;
• системы сбора данных и др.

Одна из ключевых особенностей политики компании - всесторонняя поддержка разработчика - документация, свободные средства настройки и тестирования, форумы разработчиков.