Oferta STMicroelectronics i pasma ISM

Rys. 1.

Układy SPIRIT1 to nowe w ofercie STMicroelectronics jednoukładowe transceivery radiowe na bezlicencyjne pasma ISM (Industrial, Scientific, Medical). Zintegrowano w nich wszystkie elementy toru nadawczo-odbiorczego, przystosowanego do pracy we wszystkich podzakresach "wolnych" częstotliwości poniżej 1 GHz, tzn. 150...174 MHz, 300...348 MHz, 387...470 MHz oraz 779...956 MHz.

Układy te uzupełniają skromną dotychczas w ofercie producenta liczbę podzespołów przeznaczonych do stosowania w aplikacjach ISM, spośród których uznanie na rynku znalazły mikrokontrolery STM32W, w których zintegrowano szybki mikrokontroler z rdzeniem Cortex-M3 oraz kompletny tor nadawczo-odbiorczy na pasmo 2,4 GHz (schemat blokowy mikrokontrolerów STM32W pokazano na rysunku 1), zgodny z zaleceniami IEEE802.15.4.

Schemat blokowy jednoukładowego transceivera SPIRIT1 pokazano na rysunku 2. Podczas konstruowania tego układu wyraźnie nie wzięto sobie za punkt honoru bicia jakichkolwiek rekordów, poza rekordowym komfortem jego aplikowania: dotyczy to zarówno fizycznej aplikacji (rys. 3), poboru mocy (9 mA w trybie odbioru, 21 mA w trybie nadawania przy poziomie mocy wyjściowej +11 dBm), jak i wewnętrznych rozwiązań sprzętowych wspierających transfer danych.

SPIRIT1 umożliwia transfer danych z prędkością od 1 do 500 kb/s z wykorzystaniem wszystkich popularnych metod modulacji sygnału nośnego: 2-FSK, GFSK, MSK, GMSK, OOK oraz ASK (z odstępem międzykanałowym 12,5 kHz). Duża czułość odbiornika (-118 dBm) oraz moc wyjścia o poziomie programowanym do +11 dBm pozwalają budować na prezentowanych transceiverach tory radiowe dla najbardziej wymagających aplikacji. Tor radiowy jest programowany poprzez interfejs SPI, który służy także do transferu danych.

W ścieżkach nadawczej i odbiorczej zastosowano niezależne bufory FIFO o pojemności po 96 bajtów każdy, a obwody toru radiowego wyposażono w mechanizmy minimalizujące wpływ wielkości fizycznych w otoczeniu na jakość transmisji (np. filtr odbiorczy o programowanej szerokości przenoszenia, automatyczną kompensację offsetu częstotliwości referencyjnej, "inteligentny" system dywersyfikacji anten bazujący na pomiarze poziomu sygnału nośnego preambuł, wbudowany w strukturę czujnik temperatury itp.).

Rys. 2.

Prezentowany transceiver wyposażono także w sprzętowe bloki automatyzujące transmisję danych, w tym m.in. automatyczne potwierdzanie poprawnego odbioru, automatyczne żądanie retransmisji, monitorowanie czasu transmisji i sygnalizowanie wystąpienia timeoutu. Zautomatyzowano także system synchronizacji transmisji z mechanizmem CCA (Clear Channel Assessment), na którym bazuje mechanizm dostępu do kanału transmisyjnego CSMA.

Wymienione elementy "automatyki" transmisji są wbrew pozorom łatwe do przyswojenia i bardzo przydatne w prostych systemach transmisyjnych punkt-punkt, systemach rozgłoszeniowych oraz sieciach radiowych, w których w jednym zakresie częstotliwości musi komunikować się wiele urządzeń w tym samym czasie.

Użytkownik może w protokole transmisji zaimplementować dynamicznie modyfikowaną długość ramek danych oraz automatyczną detekcję adresu urządzenia docelowego, przesyłane dane mogą być szyfrowane za pomocą sprzętowego bloku kryptograficznego AES128. Minimalizację ryzyka błędnych transferów uzyskano dzięki systemowi automatycznej synchronizacji transmisji, sprzętowej ochronie konsystencji danych z CRC oraz wbudowanemu systemowi korekcji błędów FEC (Forward Error Correction).

Twórcy układu zadbali także o elektromagnetyczne skutki transmisji danych za pomocą transcievera SPIRIT1 i żeby zminimalizować poziom emitowanych przez niego zaburzeń, wyposażyli go w sprzętowy system "zaszumiania" przesyłanych danych. Jest on stosowany w torze nadawczym i odbiorczym, a jego rolą jest zminimalizowanie poziomu emisji zaburzeń podczas transmisji szybko zmieniających się danych (np. ciągu 01010101).

Kolejnym zabiegiem minimalizującym emisję podczas nadawania jest cyfrowa modulacja ASK z dyskretnymi poziomami mocy, przy czym czasy kroków narastania i zmniejszania poziomu wyjściowego są programowane przez użytkownika.

Diagnostykę połączeń nawiązywanych przez transceivery SPIRIT1 ułatwiają dodatkowe mechanizmy w nich zaimplementowane: detektor nośnej, cyfrowy wskaźnik poziomu odbieranego sygnału RSSI (Received Signal Strenght Indicator), programowany detektor jakości preambuły, a także miernik jakości połączenia, bazujący na statystycznej weryfikacji danych przesyłanych i odbieranych.

Rys. 3.

Bardzo przydatnym - przede wszystkim w aplikacjach bateryjnych - wyposażeniem układów SPIRIT1 jest wbudowany w nie system monitorowania stanu baterii zasilającej (z sygnalizacją zbyt niskiej wartości napięcia zasilającego) oraz system oszczędzania energii z mechanizmami usypiania i wybudzania za pomocą wewnętrznego timera lub zewnętrznego zdarzenia.

Bogactwu wyposażenia wewnętrznego i ogromnych możliwości transceivera SPIRIT1 "zaprzecza" niewielka obudowa QFN z 20, wyprowadzeniami, której wymiary zewnętrzne nie przekraczają 4×4 mm. Zaawansowana technologia produkcji struktur półprzewodnikowych umożliwiła jednak zintegrowanie w niej wszystkich wymienionych funkcji przy jednoczesnym zapewnieniu niewielkiego poboru mocy.

Na koniec warto wspomnieć, że standardowe wersje SPIRIT1 mogą pracować w zakresie temperatur otoczenia od -40 do +85°C, spełniają także wymagania norm i zaleceń Wireless M-BUS, EN 300 220, FCC CFR47 15 (15.205, 15.209, 15.231, 15.247, 15.249), są także zgodne z ARIB STD T-67, T93, T-108.

Piotr Zbysiński