Bezdrátová aplikace s minimální spotřebou

V minulém článku jsme si představili dva obvody s extrémně nízkou spotřebou – obvody EM9201 a EM6819. Tyto obvody byly vyvinuty v pražské firmě ASICentrum, návrhovém středisku společnosti EM Microelectronic. V tomto článku se seznámíme se zajímavou aplikací bezdrátového přenosu vyvinutou ve spolupráci s Laboratoří pro vývoj a realizaci elektrotechnické fakulty ČVUT (LVR), která využívá vlastností právě těchto dvou obvodů.

Popis aplikace

Tato ukázková aplikace kombinuje plně integrovaný 2,4GHz transceiver EM9201 a 8bitový flash mikrokontrolér EM6819, oba pracující s nízkým napájecím napětím a extrémně nízkou spotřebou. Bezdrátová senzorová aplikace toho samozřejmě využívá a je optimalizována tak, aby šetřila baterie, a mohla tak fungovat po dlouhou dobu a s minimálními náklady.

Obr. 1 Periferní jednotka (zvětšeno)

Aplikace využívá topologie „do hvězdy“ a sestává z centrální jednotky obsahující počítač s USB hardwarovým klíčem a až 6 periferních jednotek napájených 3V knoflíkovými bateriemi (viz obrázky 1 a 2).

Obr. 2 USB hardwarový klíč

Minimalizace proudové spotřeby periferních jednotek je možná díky vhodně optimalizovanému komunikačnímu protokolu s frequency hopping („přeskakování frekvence“ – metoda přenosu v rozprostřeném spektru) a bezdrátovým přenosem s využitím protokolu orientovaného na přenos dat. Parametry jednotlivých připojení jsou velmi variabilní, aby vždy umožnily kompromis mezi rychlostí přenosu dat, zpožděním signálu a proudovou spotřebou.

Obecně lze bezdrátové aplikace použít například pro:

• bezdrátovou komunikaci obecně
• bezdrátové myši, klávesnice atd.
• senzory v hodinkách, sportovní vybavení (sport testery)
• alarmy a bezpečnostní systémy

Tabulka základních parametrů

Architektura systému

Celková architektura bezdrátového systému je zobrazena na obr. 3. V následujícím popíšeme architektury periferní a centrální jednotky.

Obr. 3 Architektura bezdrátového systému (vlevo periferní jednotka, vpravo centrální jednotka)

Architektura periferní jednotky

Periferní jednotka je složena z 3osého akcelerometru (ST Microelectronics LIS3DH), mikrokontroléru EM6819 a transceiveru EM9201. Mikrokontrolér je s transceiverem a akcelerometrem propojen přes sériově periferní rozhraní (SPI). Bezdrátovou komunikaci zajišťuje mikrokontrolér pomocí komunikačního protokolu využívajícího spojovací (link layer) a transportní vrstvy. Zajímavostí periferní jednotky je volné místo na desce s plošnými spoji (průměr 2,54 cm) umožňující přidání uživatelského hardware. Součástí desky je rovněž anténa, jejíž vyzařovací parametry lze ovlivňovat změnou polohy napájecího bodu (vliv na impedanci) nebo změnou délky (vliv na rezonanční frekvenci). Případné další změny na desce je samozřejmě nutné provádět citlivě, s ohledem na možný vliv na parametry antény.

Architektura centrální jednotky

Centrální jednotka se skládá z transceiveru EM9201, mikrokontroléru EM6819, USB kontroléru FT245 a hostitelského PC. Mikrokontrolér je s transceiverem propojen přes SPI. Komunikace mezi mikrokontrolérem a hostitelským počítačem funguje hromadným přenosem přes USB za pomoci USB převodníku FT245. Bezdrátovou komunikaci zajišťuje mikrokontrolér a hostitelské PC pomocí komunikačního protokolu využívajícího spojovací (link) a transportní vrstvy.

Komunikační protokol je sestavený dle požadavků na bezdrátový přenos s nízkou spotřebou a hvězdicovou topologii.

Zobrazení demonstrační aplikace na PC

Fungování bezdrátové aplikace se pozoruje a ovládá prostřednictvím hostitelského PC. Podstatné informace pro porozumění fungování aplikace jsou přehledně zachyceny na screenshotu obrazovky PC (viz obr. 4).

Obr. 4 Screenshot s vizualizací údajů z obou jednotek

Na pozadí je vidět hlavní okno aplikace (Measurement Network). V jeho horní části se ve třech oddílech zobrazují informace o zaregistrovaných, resp. připojených periferních jednotkách, včetně jejich srozumitelných pojmenování – zde jsou vidět například jednotky teplotní senzor a akcelerometr. V levé dolní části hlavního okna jsou informace o průběhu jednotlivých časových úseků činnosti připojených periferních jednotek. V pravé dolní části je zobrazena grafická reprezentace časových úseků a jejich přiřazení k jednotlivým připojením. Každý časový úsek je reprezentován obdélníkem, jehož pozice, barva a její intenzita odpovídají pozici časového úseku v rámci frekvenčního skoku a stavu připojení.

Ve dvou oknech vlevo (Data Processor), částečně překrývajících hlavní okno, jsou zobrazeny identifikační naměřené údaje o dvou aktivovaných senzorech, v tomto případě akcelerometrech. Tečka ve čtverci znázorňuje relativní polohu periferní jednotky s akcelerometrem.

V pravém dolním překrývajícím okně (též Data Processor) jsou zobrazeny údaje z jiné periferní jednotky, jíž je tentokrát teplotní senzor, v pravé části se tedy zobrazuje teplota.

Obr. 5 Fotografie kompletního demonstračního kitu

Na závěr bychom rádi zdůraznili, že tato ukázková bezdrátová aplikace s nízkou spotřebou je jen jedním příkladem z celé řady dalších užitečných aplikací, které lze vyvinout s pomocí obvodů EM9201 a EM6819. Pro zájemce o vyzkoušení této aplikace firma ASICentrum vyvinula a prodává speciální demonstrační kit, který umožňuje otestovat si základní funkce, včetně vizualizace naměřených údajů. Součástí kitu je kromě USB klíče, 5 periferních jednotek a 5 knoflíkových baterií i CD s kompletní dokumentací, firmware včetně zdrojových kódů, demo software, schéma zapojení a Gerber data plošných spojů (viz obr. 5).

(Článek byl napsán s využitím materiálů poskytnutých firmami EM Microelectronic a ASICentrum spol. s r. o.)