2010.09_Zaskakujaco proste uniwersalne łącze bezprzewodowe.pdf

2956

uniwersalne

łącze bezprzewodowe

Do czego to służy?

Uniwersalne łącze bezprzewodowe tworzą

zaskakująco proste moduły, mające 8 wejść

i 8 wyjść. Dwa moduły tworzą najprost-

sze łącze dwukierunkowe. Wtedy nie jest

potrzebna żadna konfiguracja, a działanie

jest proste i oczywiste: na wyjścia każdego

modułu przekazywany jest bezprzewodowo

stan wejść modułu współpracującego.

Większa liczba modułów pozwala stworzyć

sieć o dowolnej konfiguracji. Możliwa jest

jednoczesna praca wielu sieci, zawierają-

cych wiele modułów.

A to wszystko dzięki zastosowaniu niedro-

gich transceiverów RFM12 oraz popularnego

mikrokontrolera ATmega8.

Przedstawiane moduły rozwiążą mnóstwo

problemów, związanych ze sterowaniem na

odległość i monitoringiem. Liczba zastoso-

wań takich modułów jest ogromna za sprawą

ich ogromnej elastyczności. Moduły może-

my wykorzystać np. w sterowaniu modeli

RC, a także w robotach. Niemałą zaletą jest

możliwość śledzenia stanu wejść po drugiej

stronie, umożliwi to np. nadzorowanie stanu

czujników. Innym zastosowaniem może być

sterowanie oświetleniem i innymi pasywny-

mi urządzeniami. Przykładowo, mając kilka

pomieszczeń, możemy sterować oświetleniem

w każdym z każdego. Ważną cechą jest możli-

wość pracy na dziesiątkach różnych kanałów,

co umożliwia zrealizowanie dużej liczby sieci

działających jednocześnie obok siebie.

Cechy sprzętowe:

•

moduł RF 433MHz,

zasięg w otwartym terenie >150m.

Podstawowe wykorzystanie:

praca w parach,

Dodatkowe możliwości:

• praca w sieci typu master i slave

• możliwość dowolnej konfiguracji kierun-

ków przekazywania informacji,

• maksymalna liczba modułów w jednej

sieci: 9,

• 153 kanały fizyczne (różna częstotliwość),

• 16 kanałów wirtualnych (oddalone sieci),

• czas opóźnienia przełączania wyjść: dla

dwóch modułów: 25ms – w jednym kie-

runku, 50ms – w obu kierunkach, dla 9

modułów min. 0,5s – w obu kierunkach,

max. 1,2s.

8 wejść podciągniętych do „plusa”,

•

8 wyjść, maksymalny prąd 5mA/na wyj-

ście,

•

wejście konfigurujące tryb master/slave

(przydatne jedynie bez tablicy routingu),

Jak to działa?

Schemat ideowy jednego modułu został przed-

stawiony na rysunku 1 . Właściwie jedynymi

elementami zastosowanymi w modułach są

mikrokontroler US1 ATmega8L oraz ostatnio

coraz bardziej popularny niedrogi transceiver

M1 RFM12, firmy HOPE RF.

Transceiver został zbudowany na bazie

układu RF12, na jego płytce znajduje się

zaledwie kilka elementów zewnętrznych.

Układ ten jest wyposażony w interfejs SPI,

za pomocą którego można go nie tylko skon-

figurować, ale również odbierać i nadawać

dane. Ja zdecydowałem się na wykorzystanie

tylko SPI (Serial Peripheral Interface), czyli 4

wyprowadzeń, ponieważ chciałem dokładnie

sprawdzać stan flag statusu. Wadą tego roz-

wiązania jest mniejsza szybkość transmisji

danych.

Konfiguracja rozpoczynana jest komendą

Configuration Setting Command (0x8000),

•

zasilanie 3–5V (25mA przy 5V),

Rys. 1

V C C

CON1

C4 100n

C2 100n

R1 10k

IN1

VCC

nFFS

M1 RFM12

IN2

IN3

IN4

IN5

IN6

IN7

IN8

RST

VC C

nINT/VDI

C3 100n

R2 10k

VCC

MOSI

SCK

MISO

ADC7

SDI

OUT3

PD0 (RXD)

ADC6

SCK

OUT2

RST

PD1 (TXD)

(RESET) PC6

nSEL

OUT1

(ADC5/SCL) PC5 28

OUT4

OUT5

OUT6

OUT7

OUT8

PD2 (INT0)

SDO

PD3 (INT1)

(ADC4/SDA) PC4

nIRQ

IN1

nFFS

PD4 (XCK/T0)

(ADC3) PC3

FSK/DATA/nFFS

IN4

IN5

IN6

PD5 (T1)

(ADC2) PC2

DCLK/CFIL/FFIT

CON2

PD6 (AIN0)

(ADC1) PC1

CLK

OUT1

OUT2

OUT3

OUT4

OUT5

OUT6

OUT7

OUT8

PD7 (AIN1)

(ADC0) PC0

nRES

GND

IN2

IN3

MOSI

PB6 (XTAL1/TOSC1)

(MOSI/OC2) PB3

PB7 (XTAL2/TOSC2)

(SS/OC1B) PB2

V C C

SCK

MISO

IN8

PB5 (SCK)

(OC1A) PB1

D1 SM5818M

IN7

PB4 (MISO)

(ICP1) PB0

C1 10u

US1 ATMEGA8L

CON3

VCC DC 2.7-5V

Wrzesieñ 2010

Elektronika dla Wszystkich

Zaskakująco proste

uniwersalne

•

wysyłane są w niej ustawienia dotyczące czę-

stotliwości pracy nadajnika i odbiornika. W

tym przypadku jest to 433MHz, gdyż na taką

częstotliwość dobrane są elementy modułu

RFM12. Włączana jest kolejka FIFO (First

Input First Output) oraz wewnętrzny rejestr

danych, a dodatkowo należy też wybrać

pojemność obciążającą zastosowany kwarc.

Wstępnie wyłączany jest zarówno nadajnik,

jak i odbiornik, komendą Power Management

Command

związanych z torem odbiorczym. Istotnym

parametrem jest szerokość pasma filtru pas-

mowoprzepustowego – została ona ustawiona

na 67kHz, oraz wzmocnienie przedwzmac-

niacza, które ustawiono na maksimum, tj.

0dB. Określana jest też siła sygnału, przy któ-

rej jest ustawiana wewnętrzna flaga DRSSI.

Składa się ona wraz z innymi flagami CR_

LOOK (Clock Recovery Look) oraz DQD

(Data Quality Detector) na sygnał VDI (Valid

Data Indicator), który jest używany m.in. do

rozpoczęcia napełniania kolejki. Odbiornik

konfiguruję tak, aby koniunkcja wszystkich

trzech flag składała się na VDI. Data Filter

Command

, z ustawionym

bitem er (Enable Receiver). Następnie, zapi-

sywana jest komenda FIFO and Reset Mode

Command , z ustawionym bitem ff (FIFO fill).

Po czym następuje cykliczne sprawdzanie,

czy odebrano bajt. Jest to realizowane komen-

dą Status Read Command (0x0000) i testowa-

nia bitu FIIT. Jeśli bit jest ustawiony, nastę-

puje odczyt odebranych danych za pomocą

Receiver FIFO Read Command (0xB000), bit

FIIT zostanie wtedy wyzerowany. Czynność

ta powtarzana jest aż do odebrania żądanej

liczby bajtów, składających się na pakiet. Jeśli

się to stanie, bit ff (FIFO fill) jest czyszczony.

Brak wyzerowania tego bitu mogłoby skutko-

wać ciągłym napływem danych, nawet przy

braku nadawania.

Podobna jest procedura nadawania, przed-

stawiona na diagramie czynności – rysunek

3 . Początkowo uruchamiany jest tor nadajni-

ka. Od razu następuje cykliczny odczyt sta-

tusu (Status Read Command). Jeśli bit RGIT

jest ustawiony, przesyłany jest bajt do kolejki

nadajnika komendą Transmitter Register Write

Command

(0x8200). Dodatkowo wyłączam

nieużywane wyjście zegara, którego prze-

znaczeniem jest taktowanie np. proceso-

ra. Komenda Frequency Setting Command

(0xA000) jest bardzo istotna – za jej pomocą

określana jest dokładna częstotliwość pracy

odbiornika i nadajnika. Cały zakres częstotli-

wości wynoszący 9,525MHz został podzie-

lony ze skokiem 62,5kHz, co pozwoliło na

uzyskanie 153 kanałów. Ustawienie dwóch

sąsiednich kanałów nie powoduje przenikania

sygnału między nimi, nawet jeśli moduły leżą

obok siebie. Komenda

(0xC200) określa sposób odzyska-

nia sygnału zegara (CR_LOOK), polega to

na zliczaniu kolejnych przejść 0/1. Tak więc,

zanim jakiekolwiek użyteczne dane zostaną

nadane, wysyłany jest ciąg 0/1. Dodatkowo

ustawiany jest próg DQD oraz filtr cyfrowy.

Komenda niezbędna przy odbiorze to FIFO

and Reset Mode Command (0xCA00), usta-

wia ona m.in. wartość progową liczby ode-

branych bitów, która spowoduje ustawienie

flagi FIIT. Wartość ta zostaje ustawiona na

8. Ponadto ustawiany jest wymóg odbio-

ru słowa/sygnatury składającej się z dwóch

bajtów (0x2DD4), a powodującej rozpoczę-

cie napełniania kolejki, gdy DVI i bit ff są

ustawione. Współpracujące transceivery mają

możliwość automatycznego odstrojenie się od

częstotliwości głównej. Umożliwia to lepsze

zgranie nadajnika z odbiornikiem, zwłaszcza

gdy rezonator kwarcowy nie jest zbyt dokład-

ny oraz przy pracy z wieloma różnymi modu-

łami. Włączenie tej możliwości dokonywane

jest za pomocą AFC Command (0xC400).

Konfiguracja nadajnika dokonywana jest za

pomocą

Data Rate Command

(0xC600) ustawia prędkość transmisji i zosta-

ła ona ustawiona na 4800bps, dyktuje to, ile

czasu ma program, by przesłać lub odebrać

kolejny bajt z kolejki. Oczywiście, czym więk-

sza prędkość transmisji, tym mniejszy zasięg

i większa podatność na błędy. Transceiver

posiada maleńką 16-bitową kolejkę FIFO,

która może być i jest używana zarówno

przy transmisji, jak i odbiorze danych.

Zastosowanie tak małej kolejki jest trochę

uciążliwe dla sterownika zajmującego się

obsługą modułu, gdyż musi on naprzemiennie

badać stan flag oraz odczytywać lub zapisy-

wać kolejkę, co powoduje spadek wydajności.

Kolejna komenda, Receiver Control Command

(0x9000),

ustawia sze-

reg

(0xB800). Czynność ta powtarzana

jest aż do wysłania wszystkich bajtów pakie-

tu, w tym bajtów poprzedzających (0xAA),

preambuły (0x2DD4), właściwej zawartości

pakietu, bajtu zaślepki.

Oczywiście wysyłanie zawartości pakietu

w oryginalnej, niezmienionej postaci nie było-

by możliwe, bo ciągi zer i jedynek spowodo-

wałyby rozsynchronizowanie odbiornika i nie

mógłby on poprawnie odebrać danych. Dlatego

też wysyłany

pakiet zamienia-

ny jest zgodnie

z regułą 1 do 2

bitów. Zero jest

kodowane jako

01, a jeden jako

10. Pakiet wypo-

sażony jest też w

sumy kontrolne,

zapobiegając

błędnej interpre-

tacji danych.

Zasada dzia-

łania sieci opie-

ra się na zało-

żeniu, że jeden

moduł musi

władać pozo-

stałymi . Stąd

też specjalny pin

konfiguracyj-

ny, określający,

który moduł jest

władcą (master).

TX Configuration Control Command

(0xB800) i sprowadza się wyłącznie do usta-

wienia mocy

Rys. 2

opcji

Rys. 4

Rys. 3

Elektronika dla Wszystkich Wrzesieñ 2010

Wrzesieñ 2010

wyjściowej (0dB) oraz głębokości modulacji

FSK (30kHz).

Procedura odbioru składa się z szeregu

operacji, przedstawionych na diagramie czyn-

ności – rysunek 2 . Początkowo uruchamiany

jest tor odbiorczy poprzez zapis komendy

Power Management Command

Rys. 6

wiada trzem pierwszym war-

stwom modelu OSI, pewność

transmisji nie jest spełniona.

Oznacza to, że w przypadku

błędu dane są odrzucane. Jeśli

władca nie otrzymał żądane-

go stanu wejść któregoś ze

sług, to przyjmuje za niego

stan, w którym żadne wejście

nie jest aktywne (połączone

z masą), wiadomość ta roz-

syłana jest do odpowiednich

modułów w kolejnym cyklu.

Zapobiega to utrzymywaniu

się stanów wysokich na wyj-

ściach modułów po zerwaniu

połączenia z modułem ustającym ten stan.

Inny przypadek – groźny jest wtedy, gdy

moduł władcy z jakichś przyczyn przestanie

działać, wtedy cała sieć obumiera, a wyjścia

sług po chwili automatycznie przejdą w stan

zerowy. Ponieważ wszystkie moduły są jed-

nakowe, tylko zawartość pamięci EEPROM

lub stan pinu konfiguracyjnego decyduje o

tym, który moduł jest władcą, a które słu-

gami .

Rys. 5

ścia o tym numerze na wyjście o tym samym

numerze. Jeśli w danym wierszu jest więcej

jedynek na danej pozycji, stan wyjścia jest

traktowany jako alternatywa z nich. Wejścia

jednego modułu mogą być przekazane na wyj-

ścia różnych modułów lub żadnego. Możliwa

jest też dziwna konstrukcja przekazania wejść

na wyjścia tego samego modułu, np. w celu

kontroli zestawienia połączenia. Jeśli moduł

nie uczestniczy w wymianie, tj. jego wejścia

nie są przekazywane na żadne wyjścia i do

jego wyjść nie są przekazywane żadne wej-

ścia, to jest on wyłączany z sieci.

Rysunek 4 przedstawia opis przeznaczenia

poszczególnych komórek pamięci. Na rysun-

ku 5 przedstawiono przykład tablicy routin-

gu. Analizując rysunek, możemy doszukać

się następujących tras: – Wszystkie wejścia

modułu 0 przypisane są do wszystkich wyjść

modułu 1. – Wszystkie wejścia modułu 1

przypisane są do wszystkich wyjść modułu

0. – Wejścia 6 i 8 modułu 3 przypisane są do

wyjść modułu 2 o tych samych numerach.

Dodatkowo, wejścia modułu 3 o numerach 1,

3, 5, 7 przypisane są do wyjść o tych samych

numerach modułu 4. – Wejścia 1–4 modułu 2

przekazywane są na wyjścia o tych samych

numerach, modułu 4. – Na stan wyjść modułu

4 składa się alternatywa odpowiednich wejść,

modułów 2 i 3. – Wejścia 1–5, 7

modułu 6 przypisane są do wyjść

o tych samych numerach modułu

2. – Dodatkowo, wszystkie wej-

ścia modułu 6 przekazywane są

na wszystkie wyjścia modułu 7.

– Moduł o identyfikatorze 5 i 8 nie

uczestniczy w wymianie, więc nie

musi być go w sieci. Obrazowo

przedstawia to rysunek 6 .

Władca, czyli moduł o iden-

tyfikatorze 0 i wpisanej zawar-

tości tablicy routingu, odpytuje

kolejno wszystkie moduły, znaj-

dujące się w sieci, o stan ich

wejść. Stan wejść tych modułów

jest buforowany w celu później-

szego przekazania na wyjścia

innego modułu. Ponieważ sieć

tworzona poprzez moduły odpo-

To władca wysyła pierwszy pakiet, a jego

sługa (slave), odbierając go, odpowiada.

Proces ten trwa bez przerwy, a pasmo sieci

jest całkiem zajęte, ponieważ gdy tylko moduł

odbierze dane, od razu przechodzi do wysyła-

nia i znowu do odbioru. Niezaprogramowanie

pamięci EEPROM umożliwia prostą pracę

dwóch modułów. W konfiguracji tej wejścia

jednego modułu dołączone są do wyjść dru-

giego i na odwrót.

Moduły mogą też tworzyć większą sieć,

przypomina ona wtedy topologię gwiazdy.

Obrazowo mówiąc, pośrodku znajduje się

władca, a dookoła otaczają go słudzy. Aby

było możliwe takie działanie sieci, wymagane

jest zdefiniowanie statycznej tablicy routingu

i umieszczenie jej w pamięci EEPROM pro-

cesora władcy. Władcę można utożsamiać

z routerem. W tablicy routingu znajdują się

wytyczne dotyczące tego, który pin jakiego

modułu ma zostać przekazany, na które wyj-

ście jakiego modułu. W tej konfiguracji modu-

ły muszą być kolejno ponumerowane, nume-

racji należy dokonać samodzielnie, wpisując

odpowiednie wartości do pamięci EEPROM

każdego modułu. Identyfikator modułu sługi

musi być z przedziału wartości 1–8, a wład-

cy – musi być równy 0. Oczywiście w sieci

na tym samym kanele nie może być dwóch

modułów o tym samym identyfikatorze. W

sieci musi być jeden władca, czyli moduł o

identyfikatorze 0. Brak władcy uniemożliwia

działanie sieci – słudzy nie mogą komuniko-

wać się między sobą bezpośrednio.

Tablica routingu ma kształt tabeli o takiej

samej liczbie wierszy, co kolumn. Kolumn

i wierszy jest dziewięć, czyli tyle, ile może

być maksymalnie modułów w jednej sieci.

Identyfikatory kolumn i wierszy odpowiadają

identyfikatorom modułów. Kolumna o danym

identyfikatorze odpowiada wejściom modułu

o tym identyfikatorze, a wiersz wyjściom

modułu o identyfikatorze wiersza. Komórka

pamięci występująca na przecięciach wierszy

i kolumn określa, które piny z wejścia mają

być przekazane na wyjście. Wpisanie jedynki

na danej pozycji powoduje przekazanie wej-

Rys. 7

Montaż i uruchomienie

Układ można zmontować na płytce drukowa-

nej pokazanej na rysunku 7 . Montaż rozpo-

czynamy od wlutowania mikrokontrolerów

(uwaga na właściwe wlutowanie, wyżłobio-

ne kółko na obudowie mikrokontrolera musi

zgadzać się z tym na płytce drukowanej), a

kończymy wlutowaniem goldpinów i pod-

stawki pod moduł RFM. Do modułów RFM

lutujemy dostarczone razem z nimi ante-

ny. Po upewnieniu się, że wszystko zostało

zlutowane poprawnie, wgrywamy oprogra-

mowanie (można je ściągnąć z Elportalu)

do mikrokontrolera – jeśli jeszcze go tam

nie ma. Napięcie zasilające moduł powinno

być stabilizowane, w zakresie 2,7–5V – w

czasie programowania 5V. Rysunek 8 poka-

zuje połączenie układu. Szczególną uwagę

zwracamy na poprawność zapro-

gramowania FuseBits, bez zapro-

gramowania których program na

pewno nie będzie działał popraw-

nie. W wariancie z dwoma modu-

łami nie jest konieczne programo-

wanie pamięci EEPROM, w tym

przypadku w jednym z modułów

wystarczy zewrzeć pin 23 (ozna-

czanie P1 na PCB) procesora z

masą, nadając mu w ten sposób

funkcję master . Jeśli zdecydu-

jemy się na wgranie ustawień do

pamięci EEPROM, uzyskamy

możliwość zdefiniowania sta-

tycznej tablicy routingu, fizycz-

nego i wirtualnego kanału pracy

oraz identyfikatora urządzenia.

Szczegóły dotyczące zawar-

tości pamięci EEPROM były

Rys. 8

Wrzesieñ 2010

Elektronika dla Wszystkich

podawane wcześniej. Zwarcie wcześniej oma-

wianego pinu z masą ma większy priorytet

niż zaprogramowane ID modułu w pamięci

EEPROM. Tak więc zalecane jest wypełnie-

nie obszaru tablicy routingu zerami, nawet

dla modułów typu slave. Razem z plikami

wsadowymi przygotowałem też obraz pamięci

EEPROM, ułatwiający stworzenie wymaga-

nych ustawień. Tablica routingu w module

typu slave (ID: 1–8) nie będzie normalnie uży-

wana, można ją jednak aktywować bez zmian

w pamięci EEPROM, zwierając wcześniej

omawiany pin do masy. Wtedy moduł stanie

się modułem master i zacznie używać tej

tablicy. Możliwość taka może być potrzebna

w przypadku awarii wcześniejszego modułu

master. Po zmianie ustawień pinu moduł nale-

ży zrestartować. Przypominam, że w sieci nie

mogą równocześnie pracować dwa moduły

typu master (na tych samych kanałach).

Sieci wirtualne to tylko dodatkowe zabez-

pieczanie przed przeniknięciem sygnału z

innej sieci w przypadku, gdy dwie sieci na

tym samym kanale fizycznym znajdą się z

jakichś przyczyn obok siebie. Wtedy żadna

sieć nie będzie działać. Jeśli spodziewamy się

natłoku sieci z tymi modułami, powinniśmy

zmienić domyślne ustawienia kanałów.

I tu bardzo ważna uwaga przy wkładaniu

transceiverów. Przynajmniej moje podstawki

pod transceiver były słabej jakości, co skutko-

wało spadkiem napięcia uniemożliwiającym

poprawną pracę transceivera. Poszukiwania

ewentualnej przyczyny niedziałania należy

rozpocząć od sprawdzenia napięcia na sty-

kach zasilania transceivera (trzeba dokładnie

zmierzyć napięcie na płytce transceivera

Wykaz elementów

, w

miejscu wlutowania goldpinów, pin pierwszy

i ostatni od strony układu scalonego), powin-

no ono być równe napięciu zasilania układu.

Zazwyczaj dociśnięcie pomaga. Oczywiście

transceiver wkładamy tak, aby pokrywał się

z płytką drukowaną, a nie wystawał poza

nią. UWAGA! Wlutowanie transceivera bez

podstawki uniemożliwi późniejsze zmiany

pamięci EEPROM.

Maksymalny prąd, jaki może być pobie-

rany z wyjścia modułu nie może przekroczyć

5mA. Na wyjściach nie powinny pojawiać się

„obce” napięcia wymuszające przepływ prądu.

W przypadku sterowania np. oświetleniem

należy we własnym zakresie dodać matry-

cę tranzystorów (ULN2803A) wzmacniającą

prąd oraz przekaźniki lub tyrystory (nie są to

skomplikowane obwody). Do wejść modułu

nie doprowadzać „obcych” napięć. Wejścia są

podciągnięte do plusa zasilania, w takim przy-

padku ich stan jest nieaktywny i odpowiada

stanu niskiemu na wyjściu. Do wejść można

bezpośrednio dołączyć przyciski, pod warun-

R1,R2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10k Ω /SMD/0805

C1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10μF/SMD/1206

C2-C4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF/SMD/0805

D1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . SM5818M

US1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ATmega8L

M1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RFM12-433-D

CON1,CON2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . goldpin 1x8

CON3,CON4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . goldpin 1x2

Dwurzędowe gniazdo pod małe goldpiny

Komplet podzespołów z płytką jest dostęp ny

w sieci handlowej AVT jako kit szkolny AVT-2956.

kiem że są umieszczone nie dalej jak 20cm.

W przypadku większych odległości zalecane

jest stosowanie transoptorów, a w przypadku

prądu przemiennego zalecane jest stosowanie

transoptorów z dwoma diodami (np. PC814),

dodatkowo na wejściu modułu wykorzystać

filtr tłumiący tętnienia. Jeszcze raz przypomi-

nam (dla wystraszonych), że moduły mogą

pracować bez jakiejkolwiek ingerencji w

pamięć EEPROM procesora .

Ustawiając moduły, należy pamiętać, że

największy zasięg uzyskamy, ustawiając ante-

ny w tej samej polaryzacji, czyli równolegle

do siebie w obu płaszczyznach.

Szymon Janek

sx13@o2.pl

R E K L A M A

Elektronika dla Wszystkich Wrzesieñ 2010

Wrzesieñ 2010

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: