Беспроводные решения от atmel: завтрашние технологии, доступные сегодня Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Компоненты и технологии, № 5'2005

Беспроводные решения от ATMEL:

завтрашние технологии, доступные сегодня

е-

Корпорация ATMEL известна на российском рынке, в первую очередь, как производитель недорогих высокопроизводительных микроконтроллеров и микросхем памяти со всеми типами интерфейсов. Однако интересы этой компании распространяются также на рынок беспроводной связи. ATMEL предлагает свои компоненты в различных сегментах этого рынка — от микросхем для цифрового радиовещания и беспроводной телефонии до однокристальных приемопередатчиков, GPS-приемников, систем дистанционного измерения давления в шинах автомобилей и микросхем радиочастотной идентификации для диапазонов LF (125 кГц) и UHF (900 МГц). В рамках одной статьи невозможно охватить весь спектр радиочастотных компонентов производства корпорации ATMEL, поэтому ниже будут рассмотрены микросхемы, позиционируемые как семейство Smart RF.

Николай Королев

korolev@argussoft.ru

ATMEL располагает несколькими дизайн-центрами, где разрабатываются радиочастотные микросхемы. Один из них находится в небольшом городе Хайльбронн (Heilbronn), на юге Германии.

На одной территории с дизайн-центром расположен завод, который производит существенную часть радиочастотной продукции ATMEL. На сегодняшний день у ATMEL есть технологии, позволяющие производить микросхемы для работы в диапазонах более 50 ГГц.

Сотрудники дизайн-центра производят самое благоприятное впечатление. Со многими из них автор статьи продолжительное время был знаком заочно и было приятно пожать руку и лично обсудить текущие дела. Пример доброго гостеприимства проявил Оливер Дурм (Oliver Durm), руководитель отдела разработки приемопередатчиков на диапазон 2,4 ГГц (рис. 1).

С Оливером мы имели продолжительный разговор о применении этих микросхем и особенностях разработки печатных плат с СВЧ-компонентами.

В семейство Smart RF входят микросхемы передатчиков, приемников и приемопередатчиков для диапазонов ISM (Industrial, Scientific, Medical), причем выпускаются микросхемы как для американских, так и для европейских диапазонов — 315, 345, 433, 868 МГц и 2,4 ГГц. Состав семейства представлен на рис. 2.

Для использования в России интересны микросхемы, работающие в диапазонах 433 МГц и 2,4 ГГц, поэтому основное внимание в статье уделяется именно этим компонентам.

Однокристальные передатчики

Микросхемы T5753/5754/5750 — это передатчики на диапазоны 315/434/868-915 МГц соответственно. Они питаются напряжением от 2,0 до 4,0 В, выходная мощность — до 8 дБм. Тип модуляции ASK/FSK (Amplitude Shift Keying/Frequency Shift Keying), скорость передачи — до 32 кбод. Микросхемы имеют очень хорошую изоляцию на кристалле между модулем ФАПЧ, модулем выходного усилителя мощности и цепями питания — это облегчает задачу проектирования печатной платы. Потребляемый ток в режиме передачи составляет 9 мА, в ждущем режиме — 350 нА. Микросхемы упакованы в 8-выводной корпус TSSOP. На рис. 3 представлена структурная схема микросхемы T5754.

Микросхема ATA5757 — это передатчик со скоростью передачи 20 кбод (манчестерский код) или 40 кбод (NRZ-кодирование) в 10-выводном корпусе MSOP. Рабочий диапазон частот этой микросхемы составляет от 432 до 438 МГц, выходная мощность — 6 дБм, типовой потребляемый ток в активном режиме — 8,5 мА. Напряжение питания — от 2,0 до 3,6 В. Поддерживается как амплитудная, так и частотная модуляция. Микросхема характеризуется малым временем выхода на рабочий режим кварцевого генератора — не более 0,6 мс, что ощутимо снижает среднюю потребляемую мощность. Для этой микросхемы выпущен стартовый набор Transmitter Application Board ATAB5756/57 с антенной, выполненной на печатной плате. Внешний вид платы показан на рис. 4.

Компоненты и технологии, № 5'2005

I !

№ D

s а а ф Е Bi ф Е

s

к

S

I

о

а

ф

а.

ф

і

S

№

I

а

■ЬТАЧД

вдя шццам

315 МГц

433 МГц

868 МГц

915 МГц

Рис. 2

Для задач, где требуется компактное решение, удобно использовать микросхему ЛТ86ИР401 — радиопередатчик с ЛУИ-мик-роконтроллером на кристалле, выходная мощность которого составляет +6 дБм, скорость передачи — до 10 кбод, тип модуляции —

ООК (0п-0££-кеуі^). Полная схема передатчика содержит минимальное количество компонентов — помимо собственно передатчика ЛТ86ИР401 на плате нужно установить кварцевый резонатор на 18,08 МГц, три конденсатора и дроссель для работы узла ФАПЧ. Антенна выполняется на плате печатным способом. Питается передатчик от одной литиевой батареи. Микросхема ЛТ86ИР401 потребляет в спящем режиме менее 100 нА, поэтому выключатель питания не требуется. Для этой микросхемы предлагается два стартовых набора — ЛТ86ИР401Е-ЕК1, содержащий плату передатчика и компакт-диск с примерами программирования, а также набор ЛТЛК4015744, в который помимо передатчика входит плата приемника на микросхеме Т5744, которую можно использовать в качестве образца разводки при разработке собственной платы.

Однокристальные приемники

Широко распространены микросхемы T5743 и T5744. Обе микросхемы работают в диапазоне 300-450 МГц и питаются от источника напряжения 4,5-5,5 В. Типы корпусов: T5743 — S0IC20, T5744 — S0IC20 и SS020. Микросхемы отличаются тем, что T5743 поддерживает модуляцию ASK и FSK (чувствительность, соответственно, -110 и -104 дБм), а более дешевая T5744 — только модуляцию ASK (чувствительность -110 дБм). Кроме того, микросхема T5743 может работать с высоковольтным интерфейсом (до 20 В), а поскольку ее выход организован как каскад с открытым стоком, для нее требуется внешний нагрузочный резистор.

Микросхемы разработаны для применения в автомобильной промышленности, поэтому они могут эксплуатироваться в диапазоне тем-

VCC

о

Х4

С1

2.2V

GND

Х5

12

о—

о—

о—

о—

о—

о—

о—

о—

о—

о—

о—

о—

1

хз

С2 10п X7R

XI

SMB

сю

З.Зр

прО

+-0.ІР

С4 1 On X7R

1 , lj |R10 h

1R1 „ л |R3 1 lR 6 147k M

Nn.m. 1 In.m. I 147k

R5

27к

R2

47к

сз

ЗЗп

X7R

5‘

і

С6 150р прО

5%

С5 15р

É LTUll

printed і nductor >25 nH

СП

100p

прО

5%

Рис. 5

R7

п.т.

U1

Т5744

BR0 DATA

BRI ENABLE

CDEM TEST

AVCC RSSI

AGND MODE

MIXVCC ХТО

LNAGND LFGND

LNA IN LF

n.c. LFVCC

С8 1 On X7R

all inductors: Toko LL1608FS

Q TPI Data QTP2RSSI QTP3Enable

12

О Vs = +5V GND

I—°

-----O DATA

-----О BR0

-----О BRI

-О RSSI

—О —о

-О ENABLE

—О

Х2

С7

npï)

5%

НИ

Q1

6.76438 MHz 3HLB

Short description operation modes

power supply; +4,5V.,.+5,5 V

default mode : baud rate BRO/Enable = High

C9

150p

baud rate R1 R2 R3 R4 CDEM C3

default BR0 n m 47k n m 47k 33nF

BR1 n.m 47k 47k n.m. 18nF

BR2 47k n,m. n.m, 47k lOnF

BR3 47k n.m. 47k n.m. 6.8 nF

JR8 820 5%

4.7n X7R 5%

I I

test points TPlData TP2RSSI ТРЗЕпаЫе

T5744 Rn DATA RSSI Enable

C13 _ 1n ~r X7R 5%

-Q-

Компоненты и технологии, № 5'2005

vcc

GND

ci

1.2V

С2

10n

X7R

12

О— О— О— О— О— О— О— О— О— о— о— о— 1

хз

Рис. 6

С4

10п

X7R

С6

150р

С5 I-22р

"А0

, IRIO Г

1R1 г 1R3 Г ]R 6 І47к 1

Mn.m. 1 In.m. 1 147k

R5

27k

R2

47k

СЗ

33n

X7R

5^

І

П R4 П R7

M47k Mn.m.

U1

T5744

LJUU

printed і nductor >25 nH

BRO DATA

BRI ENABLE

CDEM TEST

AVCC RSSI

AGND MODE

DGND DVCC

MIXVCC ХТО

LNAGND LFGND

LNA IN LF

n.c. LFVCC

Q TPI Data

QTP2RSSI QTP3Enoble

12

О Vs = +5V

l—o gnd

----О DATA

О BRO -O BRI -О RSSI

—О

—о

----O ENABLE

—О

—О

і

Х2

С7

пр8

5%

НИ

Q1

6.76438 MHz 3HLB

Short description operation modes

power supply: +4,5V...+5,5 V

default mode: baud rate BRO/Enable = High

C8

lOn

X7R

C9

150p

npO

СП

lOOp

ж

I C12 8.2p npO 5%

C13

4.7n

X7R

5%

R8

820

5%

I I

test points TP1 Data TP2RSSI ТРЗЕпаЫе

T5744 Pin DATA RSSI Enable

C14

_____ 1 n

~T X7R 5%

all inductors: Toko LL1608FS

Є-

ператур до -40 до +105 °С, а также имеют встроенные цепи защиты от статического разряда до 10 кВ в соответствии со стандартом MIL-STD.883. Скорость информационного потока — 10 кбод. Микросхема имеет сигнал RSSI (Received Signal Strength Indication) для оценки уровня принимаемого сигнала. Выход сиг-

нала RSSI — аналоговый. Микросхемы имеют специальный вывод MODE для переключения рабочего диапазона.

Во входном каскаде микросхем можно применить фильтр на поверхностных акустических волнах (SAW-filter). Пример использования микросхемы T5744 без ПАВ-фильтра —

на рис. 5, а вариант с ПАВ-фильтром приведен на рис. 6. Применение фильтра незначительно (на 1-2 дБ) снижает чувствительность приемника.

На микросхемах ЛТ86ИЕ401 и Т5744 можно построить недорогой двухкристальный приемопередатчик.

Компоненты и технологии, № 5'2005

Однокристальные

приемопередатчики

Обзор однокристальных приемопередатчиков (трансиверов) логично начать с микросхемы AT86RF211, выпускаемой по BiCMOS-технологии, поддерживающей модуляцию FSK и упакованной в корпус TQFP48. Эта микросхема содержит на кристалле модуль приемника, модуль передатчика, модуль модулятора-демодулятора и модуль синтезатора частоты, причем шаг установки частоты составляет 200 Гц. Микросхема может работать в одноканальном и многоканальном режимах (single channel, multiple channel, FHSS). К недостаткам микросхемы можно отнести повышенную потребляемую мощность.

В 2005 году начат выпуск модификации этой микросхемы — AT86RF211S. Структурная схема этой микросхемы показана на рис. 7.

Новая микросхема выпущена в корпусе, совместимом с AT86RF211, устанавливается на то же самое посадочное место и также питается от источника напряжения 2,4-3,6 В. Микросхема AT86RF211S имеет существенно улучшенные технические характеристики, в частности, выходная мощность повышена до +16 дБм, что обеспечивает связь на расстоянии более 1 км, а потребляемый ток уменьшен на 20% и составляет 35 мА в режиме передачи. Ток покоя в ждущем режиме не превышает 500 нА. Скорость передачи увеличена до 100 кбод. Еще одно усовершенствование — добавлен выход тактовой частоты, что позволяет отказаться от отдельного кварца для микроконтроллера. При подаче питания микросхема AT86RF211S работает в режиме совместимости с AT86RF211, а новые характеристики активизируются программно, установкой бита ADDFEAT. На рис. 8 показана плата на базе трансивера AT86RF211S — AT86RF211-433LT.

В 2004 году инженеры из Хайльбронна разработали новое семейство микросхем-трансиверов. Это ATA54xx и ATA58xx. Выбор типа модуляции (ASK или FSK) производится программно. Диапазон напряжений питания — 2,4-3,6 В или 4,4-6,6 В. Тип корпуса — QFN48 (7x7 мм). Микросхемы отличаются рабочим температурным диапазоном: серия ATA54xx функционирует в промышленном диапазоне (-40...+85 °С) а серия ATA58xx — в «автомо-

Ö

Frontend Enable PA_Enable (ASK) TX_DATA (FSK)

RX/TX

FREQ

Signal

Processing

(Mixer,

IF - Filter,

IF - Amp., Demodulator, Data Filter Data Slicer)

jjCjnterface

Digital Control Logic

TX/RX-Data Buffer Control Register Status Register Polling Circuit Bit-Check Logic

ХТО

SPi

Power

Supply

Switches

Regulators

Wakeup

Reset

3 VS2 3 VS1 1 VAUX —M VSOUT

I PWR_ON ЭТ1 I T2 I T3 З T4 З T5

z

о

Рис. 9

бильном» диапазоне (-40...+105 °С). Технические характеристики микросхем аналогичны. Микросхемы имеют уникальное сочетание параметров: потребляемый ток (прием и передача) при выходной мощности +5 дБм не превышает 10,5 мА! Микросхемы на диапазон 433 МГц называются соответственно ЛТЛ5428 и ЛТЛ5812. Далее будет рассматриваться микросхема ЛТЛ5428. Блок-схема микросхемы ЛТЛ542х приведена на рис. 9.

Скорость передачи составляет 1-20 кбод в режиме Е8К-модуляции (манчестерский код) и 1-20 кбод в режиме ЛвК-модуляции (манчестерский код). В режиме Е8К-модуляции в микросхеме используется дробный умножитель частоты с широкополосной ФАПЧ. Режим работы — полудуплекс, переключатель «прием — передача» размещен на кристалле, поэто-

му для работы приемника и передатчика используется одна антенна. Выходная мощность передатчика задается внешним резистором в диапазоне от 0 до +10 дБм. Параметры чувствительности приведены в таблице.

Тип модуляции Чувствительность, дБм (скорость 20 кбод) Чувствительность, дБм (скорость 10 кбод) Чувствительность, дБм (скорость 2,4 кбод)

FSK -106 - -109,5

ASK - -112 -116,5

Для связи с микроконтроллером используется интерфейс БРІ, скорость обмена — до 500 кГц. Трансивер имеет выход, на который выводится частота, используемая для тактирования управляющего микроконтроллера. Типовая схема подключения к микроконтроллеру приведена на рис. 10.

АТА5811 /АТА5812

RF —Transceiver Digital Control Logic

Рис 10

VS1 VS2 VAUX ■*- AVCC -» DVCC VSOUT

—vsTnt cs

SCK SDI_TMDI SDO_TMDO IRQ CLK NRESET DEM OUT

J—< і

]

О 2,4 V to 3,6 V

к

] W

Microcontroller

VS

OUT

OUT

OUT

IN

IN

IN

IN

Компоненты и технологии, № 5'2005

Для изучения работы микросхем ATA54xx и ATA58xx предлагается демонстрационная плата ATAB5811/12-D. Внешний вид платы представлен на рис. 11.

В комплект поставки платы входит программное обеспечение. Программа позволяет в визуальном режиме провести инициализацию микросхемы и посмотреть содержимое ее регистров. Главное окно программы показано на рис. 12.

Все большее внимание разработчиков электронной техники привлекает диапазон частот 2,4 ГГц. Несмотря на то, что этом диапазоне работают устройства Wi-Fi, Bluetooth и WiMAX, остается достаточно большая ниша для устройств, не использующих вышеуказанные протоколы. В частности, вышеперечисленные протоколы являются избыточными как по скорости передачи, так и по потребляемой мощности для задач, где требуется передача относительно низкоскоростных потоков данных. В качестве примеров можно привести интерфейс беспроводной консоли или беспроводную передачу звука на громкоговорители в домашнем кинотеатре — иными словами, простую замену проводного соединения. В таких задачах не требуется выполнение какого-либо стандартного протокола, а следовательно, можно снизить трафик и уменьшить потребляемую мощность, что важно для устройств с батарейным питанием. ATMEL предлагает для этого диапазона микросхемы серии ATR24xx, представленные на рис. 13.

Микросхема ATR2406 уже выпускается серийно, поэтому остановимся подробнее на ней. Это многоканальный трансивер (95 каналов) с поддержкой режимов скачкообразного переключения частоты (Frequency Hopping, ETSI) и цифровой модуляцией (Digital Modulation, FCC). Чувствительность приемника -93 дБм, мощность передатчика +4 дБм, что позволяет передавать данные на расстояние до 70 метров. На кристалле есть управляющие цепи для подключения внешнего усилителя мощности ATR7032, повышающего уровень выходной мощности до +23 дБм. Микросхема упакована в малогабаритный корпус QFN32 размерами 5х5х0,9 мм. К преимуществам трансивера ATR2406 можно отнести высокую скорость передачи — до 1152 кбит/с, что в сочетании с пакетным режимом приема-передачи позволяет существенно снизить среднюю потребляемую мощность устройства. Для работы с микросхемой ATR2406 предлагается

t

3 Mbit/s

1 Mbit/s

LolF TRX ATR2406

250kbit/s

62kbit/s

Рис. 13

2005

2006

2007

стартовый набор ATR2406-DEV-BOARD и образцовая плата (Reference Design) EvaluationKit RF + AVR. Размер платы ATR2406-DEV-BOARD составляет 44x25 мм, внешний вид представлен на рис. 14.

Плата может работать с печатной антенной, выполненной непосредственно на печатной плате, либо со стандартной штыревой антенной на диапазон 2,4 ГГц. Во втором случае на плату надо распаять коаксиальный разъем и перепаять резистор-перемычку, с помошью которого выбирается тип антенны. Плата допускает интересную возможность: можно об-

резать ее по контуру, образованному тремя рядами переходных отверстий, и получившуюся мини-плату размерами 20x15 мм использовать как готовый модуль приемопередатчика.

Образцовая плата (Reference Design) Evaluation-Kit RF + AVR, в отличие от ATR2406-DEV-BOARD, включает AVR-контроллер ATmega88 в корпусе QFN32 и цифробуквенный жидкокристаллический индикатор (рис. 15).

С платой поставляются примеры программ для AVR-микроконтроллера, иллюстрирующие процедуру управления трансивером и ЖКИ. Микроконтроллер можно перепрограмировать непосредственно на плате через интерфейс SPI, а с помощью интерфейса DebugWire можно производить аппаратную отладку платы стандартным эмулятором JTAGICE2.