Радиочастотные компоненты Microchip

Компания Microchip Technology Inc. - ведущий производитель 8-, 16- и 32-х разрядных микроконтроллеров и цифровых сигнальных контроллеров, а так же аналоговых микросхем и микросхем Flash памяти, предлагает своим клиентам возможность добавления недорогой беспроводной радиочастотной связи в свои изделия. Microchip предлагает передатчики, приемники и приемопередатчики (трансиверы) для реализации решений для IEEE 802.15.4/ZigBee®, IEEE 802.11/Wi-Fi, а так же субгигагерцового ISM диапазона. Наличие в перечне выпускаемой продукции компании PIC-микроконтроллеров, аналоговых микросхем и микросхем памяти позволяет компании предложить комплексные решения для беспроводных решений.

Приемопередатчики субгигагерцового ISM диапазона 315/434/868/915 МГц

Системы, требующие беспроводного сообщения, характеризующегося невысокой скоростью передачи данных, малым радиусом действия и низким энергопотреблением, обычно используют ISM-диапазон частот 315/434/868/915 МГц. Вдобавок к давно зарекомендовавшим себя микроконтроллерам семейства rfPIC12F, объединившим в себе FLASH-микроконтроллер PIC12F675 и УКВ передатчик с синтезатором частоты и кварцевой стабилизацией, и супергетеродинным приемникам rfRXD0420 и fRXD0920, компания Microchip выпускает приемопередатчики MRF49XA и MRF89XA.

MRF49XA это полнофункциональный субгигагерцовый трансивер, поддерживающий ISM частотный диапазон 434/868/915МГц и идеально подходит для реализации двухсторонней связи на небольшие расстояния. Трансивер поддерживает FSK модуляцию с возможностью псевдослучайной перестройки рабочей частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS), что позволяет повысить эффективность приема-передачи данных в канале, подверженному сильным замираниям.

Основные характеристики MRF49XA:

• Полнофункциональный FSK приемопередатчик 434/868/915 МГц;
• питание 2,2-3,8 В;
• интегрированный опорный генератор 10 МГц;
• низкое энергопотребление:
  • 11 мА - в режиме приема;
  • 15 мА - в режиме передачи (+0 дБм);
  • 0,3 мкА - в режиме энергосбережения Sleep;
• 4-проводной SPI-интерфейс;
• высокая скорость передачи:
  • 115,2 кбит/с в цифровом режиме;
  • 256 кбит/с в аналоговом режиме;
• дифференциальный вход/выход, интегрированный усилитель мощности;
  • -110 дБм чувствительность;
  • +7 дБм усиление на выходе;
• программируемые девиация частоты в режиме передачи и ширина полосы в режиме приема;
• автоматический контроль частоты.

MRF89XA это однокристальный многоканальный трансивер, поддерживающий работу с FSK и OOK модуляцией в безлицензионном ISM диапазоне частот 863-870МГц, 902-928МГц и 950-960МГц. Трансивер оптимизирован для микропотребляющих применений (ток потребления в режиме приема всего 3мА), что позволяет в батарейных приборах дольше работать в режиме непрерывного приема. Трансивер MRF89XA обеспечивает скорость передачи данных до 200Кб/с и имеет функции пакетной обработки данных, включая 64-х байтный FIFO буфер, распознавание входящего синхрослова, обработчик пакетов, автоматическую генерацию циклической контрольной суммы CRC и скремблирование данных.

Все критические радиочастотные функции интегрированы в микросхему MRF89XA, что минимизирует необходимое число внешних элементов. Параметры, отвечающие за радиочастотный тракт, программируются и большинство из них могут изменяться динамически. Микроконтроллер, ПАВ-фильтр, кварц на 12.8МГц и несколько пассивных элементов - это все что нужно для построения приемо-передающего узла. Трансивер MRF89XA использует несколько механизмов для снижения общего потребления и увеличения срока службы в батарейных применениях.

Трансивер MRF89XA построен по супергетеродинной архитектуре с двойным преобразованием частоты, что обеспечивает лучшее подавление соседних и зеркального канала и более полного использования отведенного частотного диапазона.

Основные характеристики MRF89XA:

• Полнофункциональный FSK приемопередатчик 868/915 МГц;
• питание 2,1-3,6 В;
• интегрированный опорный генератор;
• низкое энергопотребление:
  • 3 мА - в режиме приема;
  • 25 мА - в режиме передачи (+10 дБм);
  • 0,1 мкА - в режиме энергосбережения Sleep;
• 4-проводной SPI-интерфейс;
• высокая скорость передачи:
  • 200 кбит/с;
• дифференциальный вход/выход, интегрированный усилитель мощности;
  • -107 дБм чувствительность (FSK);
  • -113 дБм чувствительность (OOK);
  • +12.5 дБм усиление на выходе;
• Аналоговый и цифровой выход RSSI.

Приемопередатчики IEEE 802.15.4/ZigBee® 2.4Гц

MRF24J40 - однокристальный приемопередатчик, соответствующий стандарту IEEE 802.15.4 для беспроводных решений ISM диапазона 2.405 - 2.48 ГГц. Этот трансивер содержит физический (PHY) и MAC функционал.

Вкупе с микропотребляющими PIC-микроконтроллерами и готовыми стеками MiWi и ZigBee трансивер позволяет реализовать как простые (на базе стека MiWi), так и более сложные (сертифицированные для работы в сетях ZigBee) персональные беспроводные сети (Wireless Personal Area Network - WPAN) для портативных устройств с батарейным питанием.

Основные характеристики трансивера:

• соответствие стандарту IEEE 802.15.4, диапазон частот 2,405-2,48 ГГц;
• поддержка протоколов ZigBee™, MiWi P2P™ и MiWi™;
• четырехпроводной SPI-интерфейс;
• интегрированные тактовые генераторы 20 МГц и 32,768 кГц;
• низкое энергопотребление, режим Sleep;
• аппаратная реализация CSMA-CA;
• автоквитироварие (ACK);
• аппаратная реализация алгоритмов шифрования AES-128;
• возможность автоматизированного повтора передачи;
• определение уровня принимаемого сигнала;
• миниатюрный 40-выводный корпус QFN 6х6 мм.

Наличие MAC-уровня помогает уменьшить нагрузку на управляющий микроконтроллер и позволяют использовать недорогие 8-и разрядные микроконтроллеры для построения радиосетей.

Таблица 1. Радиочастотные продукты ISM диапазона

Готовые модули приемопередатчиков ISM диапазона

Помимо микросхем трансиверов, компания Microchip Technology Inc. предлагает готовые решения для беспроводной связи - законченные радио-модули, применение которых позволяет уменьшить сроки разработки, решить ряд вопросов по сертификации, а так же быстро реализовать малосерийные проекты. Такие радиомодули имеют на плате все необходимые для работы трансивера компоненты, имеют PCB антенну, SPI интерфейс для связи с внешним микроконтроллером. Модули выпускаются с контактами под поверхностный монтаж, полностью готовы к применению и имеют сертификацию в FCC (для применения в США), IC (для применения в Канаде) и ETSI (для применения в Европе). Модуль на базе трансивера MRF24J40 имеет два варианта, один из которых содержит встроенный входной малошумящий усилитель и усилитель выходной мощности для создания устройств с увеличенной дальностью связи.

На основе каждого из модулей так же выпускаются дочерние платы для подключения к популярным отладочным платам Explorer 16 (для работы с 16-и и 32-х разрядными контроллерами PIC24, dsPIC33 и PIC32) и Explorer 18 (для работы со всей линейкой 8-и разрядных контроллеров PIC18).

Таблица 2. Модули и отладочные платы

Программная поддержка

На сайте компании www.microchip.com/wireless можно найти всю документацию, последние версии стеков протоколов, а также примеры применения, диагностическое ПО для ПК и соответствующие "прошивки" для микроконтроллеров, рекомендации по настройке сети, подбор оптимальной формы антенн и т. п.

Стеки протоколов MiWi и ZigBee

Компания Microchip, являясь членом ZigBee Альянса, предлагает сертифицированную ZigBee совместимую платформу (ZigBee Compliant Platform - ZCP) для стеков протоколов ZigBee® PRO, ZigBee RF4CE и ZigBee Residential. ZigBee совместимая платформа это хорошая отправная точка для начала разработки продуктов, совместимых и соответствующих спецификации ZigBee.

ZigBee совместимая платформа состоит из соответствующих стандартам IEEE 802.15.4 трансиверов и модулей MRF24J40/MA/MB, микроконтроллеров семейств PIC18, PIC24, dsPIC и PIC32, а так же сертифицированных стеков протоколов.

Компания Microchip предоставляет Zigbee Smart Energy Profile (SEP), который, наряду с Smart Energy Profile, включает стек ZigBee PRO и библиотеку ZigBee Cluster Library. Используя предоставляемый Microchip профиль Smart Energy Profile, разработчики получают легкий способ разработки приложений для реализации беспроводных домашних сетей для контроля и учета расхода ресурсов и управления умной бытовой техникой.

Для приложений, требующих простой связи между двумя устройствами и которым не нужно создание полнофункциональной меш-сети, ZigBee предлагает стандарт ZigBee RF4CE. Реализация протокола ZigBee RF4CE требует меньшего объема памяти от управляющего микроконтроллера и соответственно, такие устройства имеют меньшую стоимость. Протокол стандарта ZigBee RF4CE предоставляет возможность создавать универсальные, независимые от производителя бытовые приборы с беспроводной радиосвязью, такие как пульты управления аудио и видео аппаратурой, пульты управления системой "умный дом" и пр.

Рис.1. Структура платформы ZigBee RF4CE

Компания Microchip предлагает ZigBee RF4CE совместимую платформу: ZigBee RF4CE совместимый программный стек, микропотребляющие микроконтроллеры PIC, трансиверы и готовые модули диапазона 2.4ГГц (рис.1).

Реализация протокола типа точка-точка соответствующая спецификации ZigBee RF4CE занимает всего лишь 16Кб памяти программ, что позволяет реализовать данный протокол на дешевых микроконтроллерах, а технология энергосбережения NanoWatt XLP помагает разработчикам создать пульты управления с большим сроком службы от одного комплекта батарей.

Таблица 3. ZigBee RF4CE, требования к ресурсам микроконтроллера

Еще одна часть ZigBee совместимой платформы, предлагаемой Microchip, это сертифицированный стек ZigBee 2006, который может быть запущен на контроллерах семейств PIC18, PIC24 и dsPIC и выходить на связь в диапазоне частот 2.4ГГц с помощью трансиверов и готовых модулей MRF24J40. Бесплатная реализация стека ZigBee 2006 полностью соответствует спецификации ZigBee, поддерживает топологии сети типа Mesh, и звезда и доступна для скачивания с сайта компании Microchip.

В помощь разработчикам предоставляется описание по применению AN1232 и полные исходные коды программной реализации.

Как дополнительное решение для задач, не требующих функционала ZigBee решений, компания Microchip предлагает собственный стек протоколов MiWi, основные преимущества которого заключены в отсутствии необходимости сертификации в ZigBee и дополнительных отчислений, простоте реализации, меньшем объеме программной памяти микроконтроллеров и, соответственно, меньшей стоимости реализации.

Microchip предлагает целый набор для реализации MiWi - MiWi™ Development Environment (MiWi DE, рис.2). Пакет MiWi DE включает поддержку собственных радиочастотных протоколов Microchip: MiWi™ Mesh и MiWi P2P.

Рис.2. Стеки беспроводных протоколов Microchip MiWi

Application Configurations - Приложения, Wireless Application - Программа 1, Protocol Configurations - Протоколы, Transceiver Configurations - Приемопередатчики, Interchangeable Microchip Proprietary Wireless Protocols - Совместимые беспроводные протоколы Microchip, Interchangeable Microchip RF Transceivers - Взаимозаменяемые трансиверы Microchip

Пакет MiWi DE состоит из двух уровней:

• MiApp - разработчик, используя MiApp, может легко переключаться между различными беспроводными протоколами MiWi Mesh и MiWi P2P без изменений в программном обеспечении микроконтроллера.
• MiMAC - с помощью этого уровня разработчик может управлять различными трансиверами с различными частотными диапазонами в не зависимости есть или нет в трансивере аппаратной поддержки MAC уровня: MRF24J40 (2.4ГГц) или MRF49XA и MRF89XA (диапазон 433-868-930МГц).

Основные преимущества MiWi DE это легкость разработки готовых приложений и легкость портирования приложений между различными трансиверами Microchip и различными беспроводными протоколами в зависимости от требований задачи практически без изменения программного кода.

Таблица 4. MiWi Development Environment

Подробное описание стека MiWi Mesh вы можете найти в заметке по применению AN1066 - "MiWi Wireless Networking Protocol Stack".

Стек протокола MiWi P2P может быть использован в различных областях, таких как мониторинг и управление промышленными устройствами, системы "умного дома", автоматизация процессов, удаленное управление, в малопотребляющих беспроводных сетях датчиков, для управления освещением, удаленного считывания данных со счетчиков и т.д.

Стек протоколов MiWi P2P поддерживает топологию сети равноправных узлов, а так же типа "звезда". Для PIC-микроконтроллеров код стека составляет 3 Кб. Таким образом, стек позволяет быструю и легкую замену проводных соединений типа RS232/RS432 в тех случаях, когда возникает такая необходимость, а также позволяет быструю смену рабочего частотного радиодиапазона в случае необходимости обеспечить требуемую дальность работы радиоканала на более чем ста доступных микроконтроллерах. Также стек MiWi P2P обеспечивает режим ожидания (sleep) узла сети, активное сканирование и детектирование уровня несущей, что позволяет создать надежную связь для малопотребляющих устройств с батарейным питанием.

Подробное описание стека MiWi P2P, а так же исходные коды программы, вы можете найти в заметке по применению AN1204 - "Microchip MiWi P2P Wireless Protocol".

Бесплатные стеки протоколов ZigBee, MiWi Mesh и MiWi P2P поддерживается анализатором беспроводных сетей ZENA

Zena™ Network Analyzer - это программно-аппаратный набор из платы, подключаемой по USB к персональному компьютеру и программного обеспечения, наглядно показывающее топологию сети и прохождение пакетов в исследуемой беспроводной сети. Программное обеспечение Zena содержит инструменты для создания конфигурации и скрипта линкера в зависимости от требований пользовательского приложения. Демонстрационная версия программы Zena является частью бесплатного стека протоколов ZigBee и MiWi и позволяет создавать исходные коды программы под конкретную пользовательскую задачу и анализировать предварительно записанный сетевой трафик. Полнофункциональная версия работает с платой, которая анализирует радиочастотный трафик и связывается с компьютером по USB интерфейсу. Плата позволяет захватывать и анализировать в реальном времени сетевые пакеты ZigBee и MiWi сетей, а использование фильтров пакетов и адресов устройств позволяют гибко конфигурировать отображаемые пакеты для легкого поиска нужной информации.

• Оптимизация размера кода за счет включения в стек только самых необходимых функций
• Уменьшает время разработки благодаря простому взаимодействию со стеком
• Окно конфигурации сети позволяет в реальном времени отслеживать трафик и пути прохождения данных между узлами сети
• Весь трафик может быть записан в файл для последующего анализа сетевого трафика

Инженеры могут использовать демонстрационный набор Microchip's PICDEM Z Demonstration Kit (DM163027-5) с любым из трех стеков и модулем приемопередатчика MRF24J40MA. Набор включает 2 "материнские" платы с микроконтроллером PIC18LF4620, 2 дочерние радиочастотные платы, полнофункциональный анализатор сетей ZENA Network Analyser и утилиту настройки беспроводных сетей.

Программный драйвер

Для упрощения разработки и проверки беспроводных протоколов в устройствах на базе приемопередатчиков, компания Microchip предоставляет пакет программных драйверов.

Программный драйвер отладки радиоканала предоставляет инженерам платформу для тестирования и разработки устройств с применением приемопередатчиков MRF49XA, MRF89XA и MRF24J40, а так же модулей, выполненных на их основе.

Программный драйвер отладки радиоканала может использоваться для тестирования возможностей передачи, приема и режима энергосбережения Sleep трансиверов, а так же тестирования различных способов модуляции и перестройки частоты посредством управления с компьютера через интерфейс командной строки или графического меню пользователя. Помимо тестирования свойств трансиверов разработчик получает возможность тестирования собственных модулей и антенн.

Основные возможности:

• конфигурация трансиверов
• отправка и прием данных
• режим сниффера сетевого трафика
• программирование регистров трансиверов
• перевод приемопередатчика в режим Sleep
• "Ping-Pong Test" с возможностью установки размера пакета
• тест на частоту появления ошибок в пакетах (PER Test) с возможностью установки размера пакета
• режим генерации гармонического колебания (CW mode)
• режим приема без FIFO
• установка рабочей частоты, полосы пропускания и девиации частоты
• установка скорости передачи данных (TX Data Rate), задержки при передаче пакета
• включение/выключение функции индикатора данных на выводе INT/DIO
• установки коэф. усиления усилителя (LNA Gain)
• установка порога RSSI
• установка выходной мощности

Программный драйвер может быть запущен на отладочных платах PIC18 Explorer (используется микроконтроллер PIC18F87J11) или Explorer 16 (PIC24F128GA010) при подключении к ним соответствующей дочерней платы (см. табл. 2): "MRF89XA RF transceiver" (номера для заказов AC164138-1 для диапазона 868МГц и AC164138-2 для 915МГц, MRF49XA PICtail™/PICtail Plus Daughter Board (номера для заказа AC164137-1 - для диапазона 433.92 MГц и AC164137-2 для 868/915 MГц), PICDEM Z MRF24J40 2.4 GHz Daughter Card (номер для заказа AC163027-4).

Отладочные платы подключаются к компьютеру через последовательный COM-порт и управляются через гипер-терминал. Исходные коды программных радио-драйверов и описание работы с ним можно скачать с сайта компании Microchip www.microchip.com/wireless, таким образом, разработчик имеет возможность предусмотреть возможность использования радио-драйверов в своем устройстве.

Приемопередатчики IEEE 802.11 - модули Wi-Fi

Для выхода в Wi-Fi сеть Microchip предлагает специализированные Wi-Fi-модули для встраиваемых систем.

Однокристальные решения, соответствующие спецификации IEEE 802.11B, включают MAC-уровень, радиочастотную часть и усилитель мощности.

Предлагаются несколько вариантов Wi-Fi модулей: ZG2100M и его усовершенствованный вариант MRF24WB0MA (оба модуля имеют интегрированную печатную антенну) и ZG2101M и MRF24WB0MB (имеют uFL коннектор для подключения внешней антенны).

Основные особенности Wi-Fi модулей:

• Скорость передачи данных 1 или 2 Мбит/с.
• Совместимость со стандартами 802.11B/G и 802.11n draft 2.0.
• Сверхмалое потребление, энергосберегающий режим Sleep.
• Скорость передачи данных 1 или 2 Мбит/с.
• API для удобства работы, ОС не требуется.
• Печатная антенна с возможностью подключения внешней.
• Аппаратная поддержка шифрования AES и RC4 (WEP, WPA, WPA2).
• Связь с контроллером - SPI-ведомый с поддержкой прерываний.
• Диапазон питающих напряжений от 2,7 до 3,6 В.
• 21.31мм 36-выводный корпус для планарного монтажа.
• Сертифицировано FCC, IC, Wi-Fi.
• Последовательный интерфейс для трассировки (UART).

Готовый бесплатный стек протоколов TCP/IP от Microchip включает программный драйвер для совместной работы Wi-Fi модулей с большинством 8-, 16- и 32-битных PIC-микроконтроллеров и контроллеров цифровой обработки сигналов dsPIC.

Недорогие Wi-Fi модули семейства ZG2100 и MRF24WB0M позволяют разработчикам значительно увеличить функциональность своих систем путем добавления беспроводной Wi-Fi связи. Wi-Fi модули семейства ZG2100 и MRF24WB0M имеют низкую стоимость и низкое энергопотребление.

Низкое энергопотребление

Модули ZG2100 и MRF24WB0M имеют встроенную аппаратную и программную поддержку управления питанием, необходимую для создания микропотребляющих Wi-Fi устройств работающих от батарей. Технологии сохранения энергии, примененные как в модулях Wi-Fi, так и в микроконтроллерах PIC позволяют использовать Wi-Fi связь для широкого класса приложений. Модули Wi-Fi автоматически снижают свое потребление без вмешательства управляющего микроконтроллера, который может находиться в режиме сохранения энергии до тех пор, пока Wi-Fi модуль не подготовит для него пакет принятых данных. Модули автоматически переходят в режим сохранения энергии в интервалах между приемом и передачей пакетов и быстро просыпаются при приеме пакетов. Таким образом, режимы сохранения энергии позволяют обеспечить работу батарейных Wi-Fi устройств до 10 лет при ежедневных сеансах связи.

Быстрый старт

Готовые библиотеки позволяют разработчикам быстро освоить Wi-Fi технологии и интегрировать Wi-Fi в свои системы на базе PIC микроконтроллеров.

Предоставляемая компанией Microchip программная и аппаратная поддержка позволяет разработчикам быстро, с минимальными затратами освоить Wi-Fi технологии, а также, при необходимости, легко заменить проводной канал Ethernet на беспроводной с минимальными изменениями в функциональной части устройства. Модули семейства ZG2100 и MRF24WB0M разработаны для применения во встраиваемых системах и требуют минимальных ресурсов от управляющего микроконтроллера как по памяти, так и по времени обработки.

Интегрированная поддержка шифрования облегчает создание защищенных сетей WEP/WPA/WPA2.

Интегрированный MAC уровень и поддержка шифрования требует минимальных ресурсов от управляющего микроконтроллера: до 2.8Кб RAM и менее чем 10Кб памяти программ.

С сайта www.microchip.com/wifi доступны для скачивания следующие библиотеки и примеры применения:

• Бесплатный TCP/IP стек с поддержкой Wi-Fi (для микроконтроллеров PIC18, PIC24 и PIC32) и готовые примеры (WiFi DemoApp, WiFi Console DemoApp, WiFi EasyConfig Demo под различные демо-платы);
• Google Power Meter - первая практическая реализация мониторинга энергопотребления различных устройств с передачей данных в соответствующий виджет сервера www.google.com для учета и контроля потребления пользователями своих устройств из любой точки мира.

Заключение

Вкупе с разнообразными средствами разработки, готовыми примерами программ и предоставляемыми стеками протоколов, радиочастотные компоненты Microchip позволят быстро и эффективно разрабатывать устройства с пониженным энергопотреблением для работы в беспроводных сетях даже тем инженерам, которые не имеют опыта работы с беспроводными сетями.

Используемая литература:

• www.microchip.com/wireless
• www.microchip.com/WiFi
• www.microchip.com/ZigBee

Статья была еще опубликована в журнале "Беспроводные технологии №3 2010"

Илья Афанасьев,
Компания Гамма Санкт-Петербург