Алтайский государственный университет
Опубликован: 05.06.2014 | Доступ: свободный | Студентов: 1607 / 774 | Длительность: 08:16:00
Лекция 5:

Беспроводные однокристальные микроконтроллеры

< Лекция 4 || Лекция 5: 1234567

Silicon Laboratories

Silicon Laboratories располагает одним из наиболее обширных ассортиментов однокристальных беспроводных систем субгигагерцового диапазона. Предлагаются серии Si4010, Si100x, Si101x [67]. Все они в качестве управляющего содержат ядро контроллера х51-й архитектуры.

Схема включения Si4010 из внешних компонентов предполагает наличие только развязывающего конденсатора, антенны, средств взаимодействия с пользователем (например, кнопки).

Внутренний генератор, основанный на генераторе Si500 не требующем внешних резонаторов и времязадающих цепей, обеспечивает точность в ±150 ppm в коммерческом диапазоне температур и ±250 ppm в промышленном, что является достаточным для большинства областей применения. Трансивер с управляемым усилителем (выходная мощность до +10дБм) способен работать в диапазоне частот от 27 до 960 МГц.

Микроконтроллер Si4010 (Рис. 5.6) содержит 512 байт внутренней памяти данных, 4 Кбайта оперативной памяти, 8 Кбайт однократно программируемого ПЗУ, 128 бит EEPROM, 12Кбайтная библиотека ПЗУ-функций и аппаратный ускоритель шифрования (AES-128).

Контроллеры беспроводных систем серий Si100x, Si101x (Рис. 5.7) располагают 32 или 64 Кбайтами флеш-памяти, выходная мощность трансиверов до +13/+20 дБм. Серии Si1004/Si1005, Si1014/Si1015 содержат встроенный повышающий импульсный преобразователь (DC/DC, эффективность до 90%), позволяющий более полно использовать ресурсы автономного источника питания. Встроенный преобразователь имеет выходную мощность до 250 мВт, что позволяет питать не только микроконтроллер, но и другие внешние компоненты.

Структурная схема СнК серии Si4010

увеличить изображение
Рис. 5.6. Структурная схема СнК серии Si4010
Структурно-функциональная схема беспроводных контроллеров серий Si100x, Si101x

увеличить изображение
Рис. 5.7. Структурно-функциональная схема беспроводных контроллеров серий Si100x, Si101x

Однокристальные решения серии Si102x/3x совмещают в себе функции энергосбережения микроконтроллеров F96x и приемопередатчик субгигагерцового диапазона EZRadioPRO, ориентированные на применения во встраиваемых системах с батарейным питанием.

В микросхемы интегрирован низкопотребляющий счетчик импульсов, способный работать в спящем режиме без использования ресурсов процессорного ядра. Данное решение эффективно для снижения энергопотребления в устройствах автоматического снятия показания со счетчиков расхода энергоресурсов (электроэнергии, воды, тепла, газа), имеющих импульсный выход.

Основные характеристики трансиверов:

  • программируемая мощность выходного сигнала до +20 дБм;
  • чувствительность приемника: - 121 дБм;
  • скорость передачи данных: 0,1 - 256 кбит/c;
  • модуляция: FSK, ООК, GFSK;
  • поддержка скачкообразной перестройки частоты;
  • модуль ФАПЧ;
  • поддержка работы с пространственно-разнесенными антеннами (antenna diversity);
  • буферы FIFO на прием и передачу (по 64 байта);
  • встроенный процессор аппаратной обработки пакетов (DPPE), включающий в себя блоки AES, DMA, CRC.

Texas Instruments

СС430 является комбинацией низкопоребляющего микроконтроллера MSP430 и радиочастотного трансивера CC1101 [68]. Семейство приборов CC430 состоит из нескольких компонентов с различным набором периферийных устройств, предназначенных для создания широкого спектра электронных приборов. Архитектура поддерживает пять режимов работы, что позволяет достигнуть превосходных энергетических показателей для портативных устройств с батарейным питанием. Вычислительное ядро системы - 16-битный RISC микроконтроллер MSP430, содержащий 16-битные регистры и генераторы значений констант, позволяющие реализовать максимальную эффективность программного кода.

Приборы семейства CC430 (Рис. 5.8) отличаются глубокой интеграцией микроконтроллерного ядра, его периферийных устройств и радиочастотного трансивера, что, совместно с поставляемыми производителем драйверами и библиотеками, делает из него весьма простое в использовании решение для создания многофункциональных устройств.

Основные характеристики:

  • интегрированный трансивер серии CC1101;
  • потребление тока 1,7 мкА - в "спящем" режиме с работающим генератором тактовой частоты, и порядка 180 мкА/МГц - в активном режиме;
  • аппаратный модуль шифрования AES-128;
  • совместимость кода с приборами большого семейства контроллеров MSP430 и наличие бесплатного программного обеспечения для радиочастотной части системы;
  • интегрированный 16-канальный 12-битный АЦП.

Семейство беспроводных контроллеров CC1110Fx (CC1110F8/F16/F32) состоит из трёх приборов, предназначенных для создания маломощных низковольтных беспроводных систем связи в диапазонах 315/433/868/915 МГц. Устройства являются комбинацией радиочастотного трансивера, микроконтроллера с ядром х51, блока флэш-памяти (8/16/32 Кбайт) и набора периферийных устройств.

  • высокопроизводительное микроконтроллерное ядро класса 8015, с восьмикратной производительностью по сравнению с классическими контроллерами 8015;
  • скорость передачи данных - от 1.2 до 500 Кбит/с ;
  • потребление тока в "спящем" режиме -200 нА;
  • аппаратная поддержка функций "самосинхронизации", проверки адреса, подстраиваемой длины пакета и контроля CRC;
  • независимые 64-битные буферы для данных приёмника и передатчика для поддержки пакетной передачи данных;
  • удовлетворяет требованиям стандартов EN 300 200 (Европа) и FCC CFR part 15 (США);
  • позволяет создавать конечный продукт быстро и без высоких затрат;
  • гибкая оптимизация мощности излучения;
  • позволяет использовать недорогой микроконтроллер для основных задач приложения;
  • функция гибкого подбора канала для обеспечения совместной работы с другими беспроводными системами;
  • компактные размеры.

Семейство CC1111 (CC1111F8/F16/F32) представляют собой однокристальные системы с интегрированным контроллером USB для создания маломощных низковольтных беспроводных систем связи в диапазонах 315/433/868/915 МГц.

Приборы являются комбинацией радиочастотного трансивера, микроконтроллера с ядром х51, контроллера USB 2.0, блока флэш-памяти (8/16/32 Кбайт), 4 Кбайт памяти RAM, блока аппаратного шифрования AES с ключом длиной 128 бит, и ряда других устройств:

  • контроллер Full-Speed USB (12 Мб/с) 2.0 с 1 кБ буфером данных FIFO;
  • радиочастотный трансивер CC1101, со скоростью передачи данных от 1,2 до 500 кбит/с и с поддержкой модуляций FSK, MSK, GFSK, OOK/ASK;
  • потребление тока в "спящем" режиме -0,3 мкА;
  • 8/16/32 Кбайт встроенной флэш-памяти;
  • 1/2/4 Кбайт памяти SRAM с возможностью доступа в любом режиме работы;
  • высокая чувствительность и помехоустойчивость приёмника;
  • аппаратная поддержка шифрования AES-128;
  • 8-канальный АЦП (8 - 14-битный).
Структурная схема приборов семейства CC430F*

Рис. 5.8. Структурная схема приборов семейства CC430F*

Сетевой процессор CC1180 является системой-на-кристалле CC1110F32 поставляющейся с прошитым стеком протоколов NanoStack 2.0 Lite компании Sensinode для сетей 6LoWPAN. CC1180 выполняет все критически важные и ресурсоемкие процессы связанные с работой сетевых протоколов, экономя ресурсы внешнего микроконтроллера для решения прикладных задач. Взаимодействие с внешним контроллером (часто называемого прикладным контроллером или контроллером приложений) осуществляется по интерфейсу UART с протоколом обмена NAP. Например, возможно использование микроконтроллеров серии MSP430 или любых других. Сетевой процессор позволяет легко расширить функциональность создаваемой или существующей системы за счет подключения к 6LoWPAN сети.

Ключевые особенности:

  • простая интеграция в сеть 6LoWPAN;
  • распространенный UART интерфейс;
  • простой и функциональный протокол взаимодействия;
  • обновление прошивки через радиоканал;
  • большой выбор возможных диапазонов частот - 315/433/868/915 МГц;
  • выходная мощность радиосигнала от -30 до +10 дБм;
  • скорости передачи данных: 50, 100, 150, 200 Кбит/с;
  • AES шифрование в пределах подсети;
  • диапазон напряжений питания от 2 до 3.6 В;
  • компактные размеры - корпус QFN36 - 6x6 мм.

Некоторая статистика

Сводные характеристики процессорных ядер систем-на-кристалле диапазона менее 1 ГГц представлены в Табл. 5.1, основные характеристики радиочастотного тракта и энергопотребления в Табл. 5.2.

На Рис. 5.9 показано примерное время выхода на рынок наиболее заметных серий и беспроводных систем-на-кристалле.

Временная диаграмма выхода на рынок беспроводных систем-на-кристалле для диапазона < 1ГГц

увеличить изображение
Рис. 5.9. Временная диаграмма выхода на рынок беспроводных систем-на-кристалле для диапазона < 1ГГц

Диаграмма на Рис. 5.10 дает приблизительную оценку доступности (возможности заказа) беспроводных контроллеров субгигагерцового диапазона в России (отображено количество фирм-поставщиков, предлагающих указанные контроллеры со склада или на заказ по данным сервиса efind.ru).

Безусловно, остается возможность заказа интересующих контроллеров у ближайших официальных дистрибьюторов, расположенных за пределами страны.

Таблица 5.1. Основные характеристики микроконтроллеров беспроводных систем-на-кристалле
Наименование Тип процессорного ядра Максимальные рабочие частоты контроллера, МГц Объем встроенной памяти, байт ОЗУ/флеш Напряжение питания, В Тип корпуса
MC12311 HCS08, 8 бит (9S08QE32) 50.33 (Uпит=2.4 - 3.6В); 40 (Uпит=1.2 - 2.4В); 20 (Uпит=1.8 - 2.1В) 2К/32К 1.8 - 3.6 LGA60
MPXY8300 HCS08, 8 бит (M68HC08) 10 512/8К (+8К firmware) 1.8 - 3.6 SOIC20
MKW01Z128 ARM Cortex-M0+, 32 бит 48 16K/128K 1.8 - 3.6 LGA60
PIC12F529T RISC, 8 бит 8 201/1536+64(для данных) 1.8 - 3.6 TSSOP14
PIC12LF1840T39A RISC, 8 бит 32 256/4K(+256 EEPROM) 1.8 - 3.6 TSSOP14
rfPIC12F675 RISC, 8 бит 20 64/1024x14 2.0 - 5.5 TSSOP14
PIC16LF1824T39A RISC, 8 бит 32 256/4K(+256 EEPROM) 1.8 - 3.6 TSSOP20
nRF9E5 8051, 8 бит 4 - 20 256/512+4К ОЗУ 1.9 - 3.6 QFN32L
Si4010 8051, 8 бит 24 256+4К/12К 1.8 - 3.6 MSOP10, SOIC14
Si100x 8051, 8 бит 25 256+4K/32K или 64K 0.9 - 3.6 QFN42, LGA42
Si101x 8051, 8 бит 25 768/16K или 8K 0.9 - 3.6 QFN42
CC430 MSP430, 16 бит 25 2K-4K/8K-32K 2 - 3.6 VQFN48, VQFN64
CC111x 8051, 8 бит 26 1K-4K/8K-32K 2 - 3.6 QFN36
Таблица 5.2. Основные характеристики радиочастотного тракта беспроводных систем-на-кристалле
Наименование Чувствительность приемника, дБм Выходная мощность передатчика, дБм Максимальные скорости передачи данных, Кбит/с Поддерживаемые виды модуляции сигнала Потребляемый ток Передача/прием, мА (режимы пониженного потребления, мкА) Частотные диапазоны, МГц
MC12311 -120 -18…+17 (с шагом 1 дБм) 300 FSK, GFSK, MSK, GMSK, OOK 16…95/16 (0.1…1.25) 290…1020
MPXY8300 - ASK, FSK 6…13/- - 315/433
MKW01Z128 -120 -18…+17 600 FSK, GFSK, MSK, GMSK, OOK 16…95/16 (0.1…1.25) 290-340, 424-510, 862-1020
PIC12F529T 0, +10 100 OOK, FSK 9.7, 16.7/9.7 (0.25…170) 418, 434, 868
PIC12LF1840T39A 0, +10 100 OOK, FSK 9.7, 16.7/9.7 (0.17…350) 310, 434, 868, 915
rfPIC12F675 -12 … +10 40 ASK, FSK 4..14/4 (9…800) 290-350, 380-450, 850-930
PIC16LF1824T39A 0, +10 100 OOK, FSK 9, 16.5/9 (0.17..) 310, 434, 868, 915
nRF9E5 -100 -10, -2, 6, 10 50 GFSK 9/12 (2.5) 430-928
Si4010 -13…+10 100 OOK, FSK 11..20/10 (0.7) 27-960
Si100x -121 -1…+20 (Si1000/1); -8…+13 (Si1002/3/4) 0.123 - 256 FSK, GFSK, OOK 18..85/18 -1 240-960
Si101x -121 -1…+20 (Si1010/1); -8…+13 (Si1012/3/4) 0.123 - 256 FSK, GFSK, OOK 18..85/18 -1 240-960
CC430 -117|-111 <13 500 2-FSK, GFSK, MSK, OOK, ASK 17..36/15 -1 300-348, 387-464, 779-928
CC111x -112 -30…+10 500 2-FSK, GFSK, MSK, OOK, ASK
Оценка доступности (возможности заказа) беспроводных контроллеров субгигагерцового диапазона в России

увеличить изображение
Рис. 5.10. Оценка доступности (возможности заказа) беспроводных контроллеров субгигагерцового диапазона в России
< Лекция 4 || Лекция 5: 1234567