MODULÁRAMKÖRÖK VEZETÉK NÉLKÜLI KOMMUNIKÁCIÓJA

Átírás

1 MODULÁRAMKÖRÖK VEZETÉK NÉLKÜLI KOMMUNIKÁCIÓJA Géczy Attila Utoljára módosítva: (Géczy Attila által, eredeti PPT: Stubán Norbert) BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY

2 Miért orvosi és autó elektronikai példák? Magyar vagy Magyarországon jelen lévő nemzetközi kis, közepes és nagyvállalatok: Gépjármű elektronika: Audi, Mercedes, Bosch, Continental, Vishay, GE, Siemens, Knorr- Bremse... Stb. Orvosi elektronika: Innomed, Meditech, Lab Tech, Diagon, 77 Elektronika, GenoID, Cytotech, Mediso, Diamond Diagnostic Inc., Medicor, TensioMED, Digitalmed, Medimetal, Celitron Medical Technologies, stb. Medica kiállításon ~30 cég szokta képviseltetni magát. Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja 2 /25

3 AZ ELŐADÁS FELÉPÍTÉSE ISM sávok Bluetooth ZigBee IrDA Nem szabványos rádiós átviteli példa Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja 3 /25

4 AZ ISM SÁVOK ITU-R: International Telecommunication Union (Nemzetközi Távközlési Unió) A rádiófrekvenciás spektrum sávjainak hatékony elosztásáért felelős szervezet Frekvencia regisztrálás, műhold pozíciók kijelölése, országok közötti interferenciák megelőzése A második legidősebb nemzetközi szervezet (1865 Párizs) ISM: Industrial, Scientific and Medical radio bands A rádiófrekvenciás spektrum meghatározott sávjai Szabad frekvenciák, engedély nélkül használhatóak Az engedélyhez nem kötött eszközöknek tolerálniuk kell az ISM sávban kialakuló interferenciákat Az engedélyhez nem kötött eszközök nem okozhatnak interferenciát az engedélyhez kötött (ISM sávon kívüli) eszközök sávjaiban Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja 4 /25

5 AZ ISM SÁVOK Matrica pl. videókártyán: This device complies with FCC Part 15 regulations and CE approval. EU-n belül: CE jelzés (ábra fent). Az EMC-n kívül más feltételeket is támaszt. USA: FCC: Federal Communications Commission Part 15: elsősorban az engedélyhez nem kötött rádióátvitelt megvalósító eszközök szabályozására vonatkozó előírások Nem szándékos sugárzás (felharmonikusok) szabályozása Megengedett maximális térerő szabályozása. Például: FM sávban 10 nw (ez 250 µv/m 3 m-re az antennától) e felett büntetendő AM sávban a maximális adóteljesítmény: 100 mw. Az antenna méretei limitáltak. A TV sávokban mindenféle adás tilos, kivéve néhány távgyógyászati eszközt Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja 5 /25

6 AZ ISM SÁVOK MHz (közép frekvencia: MHz) MHz (nominális frekvencia: 13.5 MHz) MHz (nominális frekvencia: 27 MHz) MHz (nominális frekvencia: 40 MHz) MHz (nominális frekvencia: 433 v. 434 MHz) Csak Európa, Afrika, Közelkelet, Perzsa öböl, volt Szovjetunió, Mongólia MHz (nominális frekvencia: 915 MHz) Csak Amerika, Grönland, Mikronézia, Polinézia 868 MHz Európában GHz (nominális frekvencia: 2.4 GHz) GHz (közép frekvencia: GHz) GHz (közép frekvencia: GHz) GHz (közép frekvencia: GHz) GHz (közép frekvencia: GHz) GHz (közép frekvencia: 245 GHz) Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja 6 /25

7 AZ ISM SÁVOK Bluetooth MP3 napszemüveg 2.45 GHz MHz: RFID (nagy hatósugarú RFID: 0.3, 0.9, 2.4, 5.8 GHz-en is) Vezeték nélküli telefon 5.8 GHz Mikro hullámú sütő: 2.45 GHz Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja 7 /25

8 BLUETOOTH Név eredete: Harold Bluetooth Dánia és Norvégia királya a X. században A technológia kidolgozója: Ericsson (1994) Mi a Bluetooth? Az IEEE szabványban definiált protokoll implementációja Rádiós átviteli protokoll, kis távolságokra Eredetileg az RS-232 vezeték nélküli alternatívája 2.45 GHz középfrekvencia Frekvencia ugratás: az adatot feldarabolja és max. 79 frekvencián továbbítja a csonkokat ugrás/sec. A frekvenciák szekvenciája előre definiált. GFSK (Gausian Frequency Shift Keying) Frekvencia billentyűzés: a modulátor a bit értékétől függően kicsit megváltoztatja a frekvenciát Gausz szűrő csökkenti a spektrális sávszélességet Az egymást megtaláló eszközök ad-hoc hálózatot képeznek (piconet) A piconet az Internetre csatlakozhat, ha az egyik eszköz képes erre Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja 8 /25

9 BLUETOOTH Egy Master, többi Slave Áthidalható távolságok: Class mw (20 dbm) ~100 m Class mw (4 dbm) ~10 m Class 3 1 mw (0 dbm) ~1 m Sebességek v1.2: 1 Mbps v2.0: 3 Mbps v3.0: 24 Mbps (nagy sebességű Bluetooth) X dbm v4.0 (3 új féle protokol, sebesség nem változik) mw = 10 (dbm/10) Bluetooth low energy 4.0 speciális altípusa Wibree Ultra kis fogyasztású verzióterv Hívószám kijelzős óra, miniatűr orvosi eszközök Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja 9 /25

10 BLUETOOTH PROTOKOL FELÉPÍTÉS Felépítés réteg szerkezetű Mag (core) protokollok Controller Stack Kiegészítő protokollok a szolgáltatások támogatására Host Stack Controller Stack a BT rádióval és vezérlővel egy chipre integrálva ACL Asynchronous Connection Less link Csomagvesztéskor újraküld adat orientált Péládul: fájl átvitelnél SCO Synchronous Connection Oriented link Csak az időzítés betartása fontos Nem küld újra csomagvesztéskor Például: beszéd átvitelnél LMP Link Management Protocol A rádiókapcsolat vezérlésére HCI Host/Controller Interface Szabványosított felület a Host (PC, telefon stb.) és a BT vezérlő között HCI Fizikai réteg lehet: USB, UART, stb. Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja 10 /25

11 BLUETOOTH PROTOKOL FELÉPÍTÉS Host Stack A BT kapcsolatot használó operációs rendszeren implementált protokollok Általában magas szintű nyelven megírva Példák: Rádió frekvenciás kommunikáció (RFCOMM) Átviteli protokollok gyűjteménye RS-232 port emuláció Szolgáltatás felfedező protokoll (SDP) Hang/Videó eszköz vezérlő protokoll (ACTP) Hang/Videó átviteli protokoll (AVDTP) Objektum cserélő (OBEX) Fájlátvitel, nyomtatás, telefonkönyv Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja 11 /25

12 BLUETOOTH READY-TO-USE MODULOK Bluegiga célhardverek nincs szükség a protokoll struktúra ismeretére Teljes funkcionalitást integráló moduláramkörök Átlátszó csatornát biztosít Támogatott interfészek: UART (RS-232) PCM USB SPI 2 MBps Integrált mikrokontroller, memória, akkutöltő, codec, stb. Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja 12 /25

13 BLUETOOTH MODUL ILLESZTÉSE 3.3V 10k 100p 100k Red PIC16F84 RA0 RA1 RA2 RA3 RA4/TOCKI OSC1/CLKIN OSC2/CLKOUT 4 MCLR RB0/INT RB1 RB2 RB3 RB4 RB5 RB6 RB7 14 VDD GND Bulegiga WRAP_THOR_ B2B NC RESET_IN NC PIO (2) PIO (4) PIO (3) PIO (5) PIO (6) NC PIO (7) NC NC NC NC NC NC GND GND PCM_CLK PCM_SYNC PCM_OUT PCM_IN NC NC NC NC SPI_CLK SPI_MOSI SPI_MISO SPI_CSB USB_D- UART_CTS USB_D+ UART_RTS UART_TX UART_RX GND GND 3V3 5V Bluegiga Bluetooth modul illesztése mikorkontrollerhez RS-232 interfészen keresztül Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja 13 /25

14 ZIGBEE Városi legenda szerint a név a méhek táncából jön csendes, de hatékony információcsere 2003: IEEE szabvány 2004: a ZigBee specifikáció jóváhagyva 2005: a specifikáció elérhető a nagyközönség számára (v1.0) 2007: a ZigBee PRO (továbbfejlesztett ZigBee) specifikálásának befejezése Nem kereskedelmi célra való felhasználása ingyenes Nem hivatalosan: a Bluetooth olcsóbb, alacsonyabb fogyasztású, lassabb riválisa Mesh network hálós struktúra, nem hierarchikus mint a BT Nagyobb megbízhatóság Öngyógyító Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja 14 /25

15 ZIGBEE ZigBee adó-vevő+processzor+memória = 3$ Felhasználási területek: Ipari vezérlés Orvosi adatgyűjtés Füst és behatolás érzékelés Épület automatizálás (vezeték nélküli lámpa kapcsoló) 15 ms alatt feléled! (Bluetooth: >3 mp) A rádió bekapcsolási ideje minimalizálva van A vevő meghatározott időközönként belehallgat a csatornába (15 ms-768 s) Maximális átviteli sebesség: 868 MHz (Európa), 915 MHz (Amerika): 40 kbps 2400 MHz: 250 kbps (Bluetooth maximuma szabvány szerint: 3 Mbps 12-szer gyorsabb) Hatótávolság: m (multi-hop) Maximális adóteljesítmény: 1 mw (0 dbm) Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja 15 /25

16 ZIGBEE Emberi verbális kommunikációhoz hasonlóan működik: Figyel, és ha senki nem beszél akkor beszélhet Mesh struktúra mellett lehet fa vagy csillag is Titkosítás 128 bites kulccsal USB-s ZigBee kulcs ZigBee gateway és repeater Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja 16 /25

17 ZIGBEE Teljes funkcionalitású ZigBee hálózati processzor Interfész: UART SPI Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja 17 /25

18 BLUETOOTH, ZIGBEE ÉS WIFI ÖSSZEHASONLÍTÁS Wide Area Network Metropolitan Area Network Local Area Network Personal Area Network Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja 18 /25

19 IRDA Kis hatótávolságú adatcsere infravörös fénnyel IrDA: Infrared Data Association Specifikációk és protokollok együttese IrPHY (fizikai réteg, az IrDA specifikáció legalacsonyabb rétege) 1 m hatótáv, low-power módban 20 cm Sugárzó szög: 15 Sebesség: 2.4 kbps 16 Mbps (FIR (Fast IR) 4 Mbps felett) Alapsávú átvitel, nincs moduláció IrLAP (Link Access Protocol) Hibajavítás Közeli készülék felismerése IrLMP (Link Management Protocol) Szolgáltatások feltérképezése IrOBEX (IR Object Exchange) opcionális Objektum csere (e-névjegy, naptár, fájl) IrSimpleShot opcionális IR portos fényképezők és nyomtatók között Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja 19 /25

20 IRDA Ma már csak ott alkalmazzák, ahol az interferencia kizárja a rádiós átvitelt Hardver szinten egyszerű A protokoll rétegeket szoftverből kell megvalósítani Hardver szintű illesztésre példa: HSDL 1001 Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja 20 /25

21 NEM SZABVÁNYOS RÁDIÓS ÁTVITEL Példa: Telecontrolli rádiós modulok Digitális jel rádiós továbbítására Szenzorika Távirányítás Vagyonvédelmi rendszerek A használt frekvencia csak az ISM sávban lehet Nem tartalmaz Kódert/dekódert Hibafelismerést vagy hibajavítást Rádiós paraméterek figyelését Nincs beépített rádiós protokoll, handshake, kapcsolatfelvétel stb. Mindezekről a rendszertervező mérnöknek kell gondoskodni nem szabványos, egyedi átvitel valósítható meg AM és FM adók, adóvevők Forrás: Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja 21 /25

22 NEM SZABVÁNYOS RÁDIÓS ÁTVITEL Előnyei: Vastagréteg hibrid áramkör kerámia hordozón nagy megbízhatóság Jobb hővezetés SMD helyett nyomtatott ellenállások nincs forrasztás Lézer trimmelt ellenállások precíz Saját fejlesztésű rádiós protokoll alkalmazáshoz idomítható Alacsony fogyasztás Egyszerű hardver Nem drága Hátrány: A protokoll fejlesztés időigényes Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja 22 /25

23 NEM SZABVÁNYOS RÁDIÓS ÁTVITELI PÉLDA Telecontrolli RTQ6-433 AM adó (433 MHz) Vcc: V I transmit =9 ma I stabdby =50 na 9.6 kbps max Cº Kb db Illesztés kontrollerhez Belső felépítés Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja 23 /25

24 EGY TOKOS MEGOLDÁSOK Si4010: RF adó + kontroller Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja 24 /25

25 EGY TOKOS MEGOLDÁSOK Si101x: 2010-ben dobták piacra RF adó-vevő ( MHz) 8051 kontroller ADC (12 bit) DC-DC konverer (a chipen) egyetlen 1.5 V-os elemről OK 20 dbm max adó teljesítmény 5x7 mm QFN tok Moduláramkörök vezeték nélküli kommunikációja 25 /25