Микросхемы корпорации Atmel для построения систем передачи данных на ультравысоких частотах

Существует ряд задач, где требуется беспроводный канал передачи данных. Вряд ли кому-то понравится становиться на стул, чтобы настроить кондиционер, или в морозное зимнее утро покидать теплый салон автомобиля для открытия гаражных дверей. Однако не будут ли слишком большой ценой усилия, которые придется потратить на освоение принципов построения радиотракта передачи данных, за те удобства, которые мы в результате получим? Хочется надеяться, что ознакомившись с элементной базой Atmel, предназначенной для построения недорогих систем передачи данных в нелицензируемом частотном диапазоне ISM, Вы так считать не будете

Корпорация Atmel предлагает обширную элементную базу для построения радиочастотных приложений, работающих в нелицензируемом частотном диапазоне ISM [1]. В состав этой элементной базы входят интегральные схемы одноканальных передатчиков, приемников, а также трансиверов и передатчиков со встроенным 4-разр. ядром MARC и 8-разр. ядром AVR. Элементная база охватывает частотные диапазоны 250-450 МГц, 868-870 МГц, 902-928 МГц, что удовлетворяет требованиям большинства приложений в промышленной и пользовательской сферах. Общей чертой ISM-изделий компании Atmel является высокий уровень интеграции, и как следствие, простота схемы включения. На рисунке 1 представлена номенклатура элементной базы, основные ее классификационные признаки и помощь к ее выбору.

Типичными сферами применения рассматриваемых ИС являются: автоматизация бытового и офисного оборудования, а именно дистанционное его управление или беспроводные датчики; считывание показаний измерительных устройств; продвинутые игрушки и игровые приставки; дистанционное управление, передача данных в промышленной сфере; беспроводные наушники; конференц-системы; системы торговых терминалов; системы безопасности и сигнализации; автомобильная электроника (контроль внутришинного давления, безключевое управление).

Рисунок 1 – Номенклатура микросхем УВЧ-диапазона корпорации Atmel
АМн- амплитудная манипуляция, ЧМн- частотная манипуляция, МК- микроконтроллер

Краткая техническая характеристика приведенных на рис. 1 ИС приведена в таблицах 1-3. Из них следует, что большинство представленных ИС оптимизирована на использование в автомобильной электронике. В этом направлении можно выделить семейства ATAR862 (микроконтроллер MARC + радиопередатчик) и АТА (трансивер), которое полностью ориентировано на использование в автомобильной электронике; семейство передатчиков T575x и приемников T574x, которое представляет собой усовершенствованную замену соответствующих ИС семейства Ux74x и оптимизировано под автомобильную сферу применения; а также семейство SmartRF для промышленной и пользовательской электроники, ориентированного на совместную работу с AVR-микроконтроллерами через интерфейс SPI.

Таблица 1 – Краткая техническая характеристика УВЧ-передатчиков Atmel

Наименование	Рвых, дБм	Частотный диапазон, МГц	Тип модуляции	Скорость передачи, кбод	Uпит, В	Iпот, мА	Темп. диапазон	Ядро МК	Корпус
AT86RF401	6	264-456	АМн	10	2-5	23,2	-40°С…+85°С	8-р. AVR1)	TSSOP20
ATAR862-3	10	310-330	Амн, ЧМн	32	2-4	11	-40°С…+125°С	4-р. MARC2)	SSO24
T48С862-R3								4-р. MARC3)
ATAR862-4	10	429-439	АМн, ЧМн	32	2-4	11	-40°С…+125°С	4-р. MARC2)	SSO24
T48С862-R4								4-р. MARC3)
ATAR862-8	8	868-928	АМн, ЧМн	32	2-4	11	-40°С…+125°С	4-р. MARC2)	SSO24
T48С862-R8								4-р. MARC3)
T5753	8	310-330	АМн, ЧМн	32	2-4	9	-40°С…+125°С	-	TSSOP8L
T5754	7,5	429-439	АМн, ЧМн	32	2-4	9	-40°С…+125°С	-	TSSOP8L
T5750	5,5	868-928	АМн, ЧМн	32	2-4	8,5	-40°С…+125°С	-	TSSOP8L
ATA5756	6	313-317	АМн, ЧМн	40	2-3,6	8,1	-40°С…+125°С	-	MSOP10
ATA5757	6	432-448	АМн, ЧМн	40	2-3,6	8,5	-40°С…+125°С	-	MSOP10
U2741B	5	300-450	АМн, ЧМн	20	2-5.5	12,5	-40°С…+85°С	-	SSO16
U2745B	5	310-440	АМн, ЧМн	20	2-5.5	12,5	-40°С…+85°С	-	SSO16

Таблица 2 – Краткая техническая характеристика УВЧ-приемников Atmel

Наименование	Чувствительность, дБм 1)	Частотный диапазон, МГц	Тип модуляции	Скорость передачи, кбод	Uпит, В	Iпот, мА	Темп. диапазон	Корпус
T5743	-104…-113	300-450	Амн, ЧМн	1-10	4,5-5,5	9,1	-40°С…+105°С	SO20
T5744	-101…-112	300-450	Амн	1-10	4,5-5,5	8,7	-40°С…+105°С	SO20, SSO20
T5760	-96…-113	868-870	АМн, ЧМн	1-10	4,5-5,5	9,9	-40°С…+105°С	SO20
T5761	-96…-113	902-928	АМн, ЧМн	1-10	4,5-5,5	9,9	-40°С…+105°С	SO20
U3741B	-104…-113	300-450	Амн	1-10	4,5-5,5	8,6	-40°С…+105°С	SO20
U3742B	-104…-112	300-450	АМн, ЧМн	1-10	4,5-5,5	8,6	-40°С…+105°С	SO20
U3745B	-102…-113,5	310-440	АМн	1-10	4,5-5,5	8,6	-40°С…+85°С	SO20

Таблица 3 - Краткая техническая характеристика УВЧ-трансиверов Atmel

Наименование	Рвых, дБм	Чувствии-тельность, дБм2)	Частотный диапазон, МГц	Тип модуляции	Скорость передачи, кбод	Uпит, В	Темп. диапазон	Корпус
AT86RF211	8…141)	-105	400-950	ЧМн	64	2,4-3,75	-40°С…+85°С	TQFP48
ATA5811	10	-104…-118	433-435 868-870	АМн, ЧМн	1-10	2.4-3.63)	-40°С…+105°С	QFN48
ATA5812	10	-104…-118	314-316	АМн, ЧМн	1-10	2.4-3.63)	-40°С…+105°С	QFN48

Семейство передатчиков T575x и приемников T574x

Данное семейство является последователем приемников и передатчиков серии Uх74х. Если же структурная схема построения радиоканала (см. рисунок 2) практически не изменилась по сравнению с серией Uх74хB, то их прикладные свойства существенно изменились в лучшую сторону. Так, например, передатчики имеют всего лишь 8 выводов и требуют установки 5 внешних компонентов. Кроме того, они оптимизированы для использования в автомобильных приложениях, где рабочая температура может достигать +125°С (например, устройства контроля внутришинного давления). Схема приемников практически не видоизменилась и во многом совпадает с предшественниками. При их использовании следует обратить внимание на их автономность (не требуется программирование управляющих регистров), наличие выхода RSSI (датчик уровня РЧ-сигнала). Прочие отличительные особенности представителей семейств T575x и T574x представлены в таблице 4. К недостаткам передатчиков можно отнести необходимость внешнего ключа для режима ЧМн. Собственно этим они и отличаются от анонсированной в апреле 2004 года пары передатчиков ATA5756 и ATA5757, которые встроены в 10-выв. корпус и имеют встроенный ключ для ЧМн.

В качестве МК на рисунке 2 в общем случае рекомендовано использовать AVR-микроконтроллер, но, если речь идет о высокотемпературном применении, аналогичному автомобильному, то больше подойдет 4-разр. MARC-ядро, у которого верхняя температурная планка +125°С и плюс к этому очень низкое энергопотребление.

Рисунок 2 – Структурная схема радиоканала при использовании T575x и T574x
МК-микроконтроллер, ФАПЧ- фазовая автоподстройка частоты, КГ- кварцевый генератор, УМ-усилитель мощности, ГУН – генератор управляемый напряжением, МШУ- малошумящий усилитель, УПЧ- усилитель промежуточной частоты, Д-демодулятор, БУ- блок управления

Таблица 4 – Отличительные особенности T575x и T574x

Семейство Smart RF

Данное семейство представляют две ИС AT86RF401 и AT86RF211.

AT86RF401 – уникальное сочетание микроконтроллера и радиопередатчика, причем, следует подчеркнуть что AT86RF401 является однокристальной ИС, что достигнуто за счет совместной работы проектных групп от начала до конца разработки [2]. В качестве ядра микроконтроллера выбрано AVR-ядро, что деланный данный микроконтроллер доступным для широкого круга разработчиков, в отличие от аналогичных устройств (ATAR862), где используется 4-разрядное MARC-ядро и нужны специальные средства для проектирования (программаторы, эмуляторы, компиляторы и пр.). На рисунке 3 представлена структурная схема AT86RF401, откуда следует, что радиопередатчик и микроконтроллер тактируются от одного и того же кварцевого тактового генератора, а «сердцем» радиопередатчика является схема ФАПЧ, умножающая частоту КГ на 24. Схема включения AT86RF401 чрезвычайна проста и требует всего 3 внешних элемента при работе на стандартных частотах (315 или 433 МГц), в противном случае потребуется установка внешнего петлевого фильтра. Память программ выполнена в виде флэш-памяти размером 2 кбайт и поддерживает внутрисистемное программирование через интерфейс SPI. Таким образом, привлекательной чертой AT86RF401является возможность программирования стандартным ISP-программатором AVR-микроконтроллера. Минимальная стоимость готового решения может быть достигнута за счет исполнения рамочной антенны в виде печатного проводника (см. рис. 4). От других передатчиков AT86RF401 отличается возможностью программирования выходной мощности в диапазоне 0…36 дБ с шагом 1 дБ и программно подстраивать ГУН, работающий только от одной внешней индуктивности.

AT86RF401 поддерживается стандартным набором инструментальных средств, в т.ч. интегрированная среда для проектирования AVR STUDIO с компилятором и симулятором, стартовый набор STK500 и оценочный набор AT86RF401U-EK1. Последний поставляется вместе с программным обеспечением SPI Controller , которое в реальном времени позволяет управлять регистрами микроконтроллера и тем самым управлять радиопередачей.

AT86RF211 – однокристальный трансивер, предназначенный для организации маломощной беспроводной дуплексной передачи данных в свободном от лицензирования частотном диапазоне ISM (400…930 МГц). За счет уникального уровня интеграции AT86RF211 является идеальным для решения таких задач, как телеметрия, дистанционное управление, радио модемы, радиоуправление игрушками и др.

AT86RF211 также адаптирован для работы в устройствах с батарейным питанием и нижний порог питания составляет 2.4В. Также реализована функция возобновления активной работы управляющего микроконтроллера при активизации приемника, тем самым позволяя выполнить проектируемое устройство более экономичным.

AT86RF211 легко программируется через SPI-интерфейс, что делает привлекательным применение в качестве «компаньона» AVR-микроконтроллера со встроенным интерфейсом SPI. Уникальность данной ИС заключается в возможности программирования частоты канала связи с шагом 200 Гц. и возможностью передачи данных на скорости до 64 кбод. Для AT86RF211 выпускается обширный набор оценочных средств, опорных разработок и программное обеспечение, что максимально упрощает этапы проектирования [3]. При выходной мощности более 10 дБм дальность передачи данных на открытом пространстве может достигать 300-400м.

Рисунок 3 – Структурная схема микроконтроллера AT86RF401
ПВВ- порт ввода-вывода, ИРП- интерфейс радиопередатчика, УРЧ- усилитель радиочастоты, ЭСППЗУ- электрически стираемое перепрограммируемое запоминающее устройство, ВСП- внутрисистемное программирование

Рисунок 4 – Пример печатной платы для AT86RF401 с печатной антенной

Выводы:

• номенклатуру ИС для УВЧ-связи можно разделить на семейства, которые ориентированы на автомобильную электронику и совместную работу с 4-разр. микроконтроллерами MARC (семейства АТА/АТАR), а также на семейства, которые ориентированные на пользовательскую и промышленную электронику и совместную работу с AVR-микроконтроллерами (Smart RF).
• судя по последним анонсам компании Atmel [1,4] намечена тенденция расширения частотного диапазона до 2,4 ГГц добавлением новых представителей в семейство Smart RF, что расширяет область их применения до беспроводной передачи аудио, видео информации и представляет определенный практический интерфейс в различных сферах, в т.ч. пользовательская электроника, игровые устройства, охранные системы и др.
• общими чертами рассмотренных ИС является низкая стоимость, высокий уровень интеграции, простота схемы включения, ориентированность на батарейное питание (пониженное напряжение питания, малое энергопотребление, наличие экономичных режимов, функция пробуждения микроконтроллера по запросу приемника).