Disseny de sistema de monitorització de potencia …deeea.urv.cat/public/PROPOSTES/pub/pdf/1582pub.pdf• Argentina: CNC (Comissió Nacional de Comunicacions). • Xile: Ministeri

Disseny de sistema de monitorització de potencia en

una xarxa RFID

TITULACIÓ : Enginyeria Tècnica de Telecomunicació Especialitat en

Telemàtica.

Autor: Zhongyang Zou

Director: Antonio Lázaro Guillén

Data: Juny de 2010

Disseny de sistema de monitorització de potencia en una xarxa RFID

‐ 1 ‐

ÍNDEX 1. Introducció i Objectiu ........................................................................................ - 3 -

1.1. Introducció............................................................................................... - 3 - 1.2. Objectiu ................................................................................................... - 3 - 1.3. Organització de la Memòria .................................................................... - 4 -

2. RFID .................................................................................................................. - 5 - 2.1. Components d’un sistema RFID ............................................................. - 5 -

2.1.1. Tags........................................................................................... - 6 - 2.1.2. Antena ...................................................................................... - 7 - 2.1.3. El Lector ................................................................................... - 8 - 2.1.4. El Servidor ............................................................................... - 8 -

2.2. Regulació Internacional........................................................................... - 9 - 2.3. Rang de freqüències i aplicacions ......................................................... - 11 - 2.4. Estàndards ............................................................................................. - 12 -

3. Desenvolupament del projecte......................................................................... - 13 - 3.1. Disseny i avaluació de components individuals.................................... - 15 -

3.1.1. PowerSensor ........................................................................... - 15 - 3.1.2. Switch ..................................................................................... - 22 - 3.1.3. Mòdul de Sensor de potencia integrat. ................................... - 24 - 3.1.4. Disseny d’acobladors direccionals ......................................... - 32 - 3.1.4.1. Acoblador de 25 dB : ........................................................... - 32 - 3.1.4.2. Acoblador de 15 dB : ........................................................... - 35 - 3.1.4.3. Mesures d’acoblador de 25 dB. ........................................... - 38 - 3.1.4.4. Mesures d’acoblador de 15 dB. ........................................... - 41 - 3.1.5. Potenciòmetre Digital............................................................. - 44 - 3.1.6. Atenuador Variable................................................................. - 48 - 3.1.7. Amplificador RF3809............................................................. - 51 - 3.1.8. Amplificador BGA6589 ........................................................ - 55 - 3.1.9. Mòdul ZigBee......................................................................... - 59 -

3.2. Avaluació del sistema ............................................................................ - 61 - 3.2.1. Avaluació del Mòdul de Monitorització de Potencia ............. - 61 - 3.2.2. Avaluació del Mòdul de Control de Potencia......................... - 65 - 3.2.3. Avaluació de la cadena emissora............................................ - 70 -

4. Conclusions i Línies Futures............................................................................ - 72 - 5. Referències....................................................................................................... - 73 - Annexos .................................................................................................................. - 75 -

Annex A : Programes de Matlab per a incrementar i decréixer la resistència del Potenciòmetre digital. ...................................................................................... - 75 -

A) INCREMENT WITHOUT WRITING WIPER SETTING TO EEPROM .... - 75 - B) INCREMENT WITH WRITING WIPER SETTING TO EEPROM ............ - 80 - C) DECREMENT WITHOUT WRITING WIPER SETTING TO EEPROM ... - 85 -

D) DECREMENT WITH WRITING WIPER SETTING TO EEPROM ........... - 90 - Annex B: Programa per a rebre potencia del mòdul ZigBee ........................... - 95 -


‐ 2 ‐

Annex C : Programa de monitorització i control automàtic de potencia en el sistema RFID. ................................................................................................ - 101 -

Apèndix................................................................................................................. - 111 -


‐ 3 ‐

1. Introducció i Objectiu

1.1. Introducció

Avui en dia, la tecnologia de detecció a distancia ja no és una paraula desconeguda a la gent, fins i tot la podem veure al supermercat “codi de barra”. Però el codi de barra presenta uns desavantatges com curta distancia de detecció, poca capacitat de emmagatzematge i la necessitat d’una visió directa entre lector i el codi de barra. Des d’aquest punt de vista es neix la tecnologia avançada la RFID (Radio Frequency Identification). Les millores del RFID son sense necessitat de contacte directe, es permet identificar un número d’usuaris més gran de forma pràcticament simultània a distancia. Té un gran capacitat d’emmagatzemar dades i són fàcils de modificar i esborrar. Aquesta tecnologia no només es aplicable al etiqueta del producte, ja està utilitzant en moltes altres situacions com els chips d’identificació que porten les mascotes baix la pell, en sistema d’accés, en la facturació d’equipatges, etc. El creixement de les aplicacions amb RFID està contínuament augmentant a mesura que apareixen noves tecnologies de menor cost millorant les prestacions.

1.2. Objectiu

L’objectiu principal d’aquest projecte es realitzar un estudi d’investigació i disseny d’un sistema de monitorització i control automàtic de potencia en una xarxa RFID, el qual treballarem amb la banda UHF RFID Europea, concretament 868MHz, i amb els Tags passius. Ja que si volem aplicar la tecnologia RFID a un gran abast, hi haurà molta atenuacions en els cables, la potencia arribada a la antena emissora serà molt petita, però el sistema passiu necessita molta potencia per activar el Tag i tornar la informació. L’ estudi que realitzarem es com compensar aquesta atenuació en funció de la distancia per obtenir el millor rendiment del sistema mitjançant monitoritzció i control automàtic de la potencia. Per a poder aconseguir aquest objectiu, aplicarem una altra tecnologia avançada ZigBee en el sistema per poder enviar les comandes de control de potencia i monitoritzar les potencies finals.


‐ 4 ‐

1.3. Organització de la Memòria

Aquest projecte està estructurada en quatre parts:

- En la primera part és fa una introducció a la tecnologia RFID, comentant les característiques principals, les bandes de freqüències i les aplicacions, els estàndards que fan servir, etc.

- En la segona part és el desenvolupament del projecte, es divideix en tres parts també:

Primer és els dissenys i avaluacions dels components individuals. Segon, l’avaluació dels sistemes de monitorització i control de potencia.

Al final, l’avaluació de la cadena emissora. - En la tercera part és conclusions finals del projecte i les línies futures. - L’ultima part és els annexos que contenen els programes de Matlab hem

realitzats i l’apèndix dels DataSheets dels components hem utilitzats.


‐ 5 ‐

2. RFID

RFID és una tecnologia d’identificació automàtica (Auto ID) similar a la tecnologia de codi de barra. La seva particularitat consisteix en utilitzar un senyal de radiofreqüència en lloc d’un senyal òptic. Els sistemes de codi de barra utilitzen un lector i etiquetes impreses, el lector adquireix les dades a través de la reflexió d’un raig laser sobre el codi de barra de forma unidireccional. En canvi, la RFID utilitza un lector i una etiqueta especial. La comunicació es realitza de forma bidireccional per medi d’un senyal de radiofreqüència de baixa potencia. Aquest senyal de radio no requereix una visió directa amb el lector, ja que els senyals de radio poden propagar-se a través de materials no conductors.

2.1. Components d’un sistema RFID

Un sistema RFID està compost dels següents components:

Transpondedor o Tag : és la etiqueta enganxada al objecte el qual es vol identificar. Està format per una antena i un chip que conté les informacions.

Antena : usada com transductor per a transmetre els senyals de RF entre el lector i el Tag.

Lector (Reader) : és el dispositiu encarregat de la comunicació, depenent del disseny i la tecnologia utilitzada, pots ser només de lectura o de lectura/escriptura. Enviar i rebre les transmissions RF del Tag i proporciona les dades al sistema de servidor per a ser processats.

Servidor : que contindrà la base de dades i l’aplicació que gestionarà les dades obtingudes pel lector.


‐ 6 ‐

Figura 2.1 : Components d’un sistema RFID

2.1.1. Tags

Els tags es poden classificar de maneres diferents atenent la forma d’alimentació o la seva possibilitat de lectura/escriptura.

Figura 2.1.1 : Estructura d’un Tag.

Segons la forma d’alimentació, es poden classificar en:

Passius : No incorporen ninguna font d’energia, s’alimenta de les ones electromagnètiques rebudes del lector.

Actius : Tenen una font d’alimentació pròpia que alimenta el seus circuits. Són més petits i fiables que els passius però tenen un temps de vida limitat. Normalment tenen una major capacitat d’emmagatzemar informacions i major abast.


‐ 7 ‐

Semi actius : Tenen una bateria per a activar el circuit del chip, però per la comunicació s’utilitza l’energia rebuda de les ones electromagnètiques del lector (com en els passius). Degut a l’ utilització de bateria són més grans i cars que els passius però aconsegueixen un major abast i dóna possibilitat d’integrar sensors de temperatura, moviment, etc.. per a proporcionar majors funcionalitats.

2.1.2. Antena

Són els dispositius que permet radiar els senyals dels lectors i recollir les ones dels tags. Hi ha dos tipus d’antenes : antena mòbil i antena fixa.

Antena mòbil : Normalment s’encontra integrada en lectors mòbils o són utilitzada manualment per un operari, la freqüència de treball es 13.56MHz.

Antena fixa : Es connecta al lector mitjançant cable o wireless. Un únic lector pot gestionar varies antenes.

Figura 2.1.2 a : Antena mòbil Figura 2.1.2 b : Antena fixa (Dock Door)


‐ 8 ‐

2.1.3. El Lector

El lector és el component bàsic per a la comunicació, s’encarrega d’enviar, rebre i convertir els senyals que reben del sistema. Els lectors poden variar en mida, funcionalitat i cost. En el cas dels tags passius, el lector genera un camp de radiofreqüència que activa l’etiqueta alimentant el chip per que pugui transmetre les dades emmagatzemades.

Figura 2.1.3 : El lector de RFID en bandes UHF

2.1.4. El Servidor

Normalment és un ordinador o un PDA que conté la base de dades i l’aplicació que gestionarà les dades obtingudes pel lector. És el dispositiu terminal del sistema RFID.


‐ 9 ‐

2.2. Regulació Internacional

No hi ha cap corporació pública global que governi les freqüències utilitzades per RFID. En principi, cada país pot fixar les seves pròpies regles. Les principals corporacions que governen l'assignació de les freqüències per RFID són:

• EUA: FCC (Federal Communications Commission) • Canadà: DOC (Departament de la Comunicació) • Europa: ERO, CEPT, ETSI i administracions nacionals. Les administracions

nacionals han de ratificar l'ús d'una freqüència específica abans que pugui ser utilitzada en aquest país

• Japó: MPHPT (Ministry of Public Management, Home Affairs, Post and Telecommunication)

• Xina: Ministeri de la Indústria d'Informació • Austràlia: Autoritat Australiana de la Comunicació (Australian

Communication Authority) • Nova Zelanda: Ministeri de desenvolupament econòmic de Nova Zelanda

(New Zealand Ministry of Economic Development). • Argentina: CNC (Comissió Nacional de Comunicacions). • Xile: Ministeri de Transports i Telecomunicacions.

Ara veurem els diferents nivells de potencia en funció del rang de freqüències i de la zona geogràfica de treball. Banda LF (119 – 135 kHz) EEUU/Canada Europa Japó Xina

2400/f(kHz)μV/m@300m

119-127 kHz, 66dBμA/m@10m;

127-135 kHz, 42dBμA/m@10m

30 V/m@3m PPEAK < 1 W

Banda HF (13.56 MHz) EEUU/Canada Europa Japó Xina

13.553-13.567 MHz, 42dBμA/m@10m

13.553-13.567 MHz,

42dBμA/m@10m

13.553-13.567 MHz,

42dBμA/m@10m

13.553-13.567 MHz,

42dBμA/m@10m


‐ 10 ‐

Banda UHF (860 – 960 MHz) EEUU/Canada Europa Japó Xina

902-928 MHz, Pe.r.p. = 4 W

865.0-868.0 MHz, Pe.r.p. = +20dBm

865.6-868.0 MHz, Pe.r.p. = +27dBm

865.6-867.6 MHz, Pe.r.p. = +33dBm

952-955 MHz, Pe.r.p. = 1 W + 6 dB

840.5-844.5 MHz Pe.r.p. = 2W 920.5-924.5 MHz Pe.r.p= 2w

Banda de Microwave (2.45 GHz) EEUU/Canada Europa Japó Xina

2.4-2.483 GHz, Pe.r.p = 4 W

2.446-2.454 GHz, Pe.r.p = 500 mW

ó 4 W

2.4-2.483 GHz 3mW/MHz (Pe.r.p = 1 W)

2.4-2.425 GHz 250 mW/@3m (Pe.r.p = 21 mW)

Taula 2.2 : Nivells de potencia en funció del rang de freqüències i de la zona

geogràfica de treball. Podem veure que només a la banda de 13.56 MHz es treballen amb la mateixa potencia, i a les altres bandes de freqüències, el nivell de potencia són diferents en cada regió reguladora.


‐ 11 ‐

2.3. Rang de freqüències i aplicacions

L’ utilització de l’espectre de radiofreqüència està condicionat a les normatives vigents de cada un dels països. Degut a que els sistemes RFID emeten lliurement les bandes de freqüències utilitzades són les bandes reservades per a les aplicacions industrials, científiques o mèdiques anomenades ISM (Industrial-Scientific-Medical). Les freqüències més usuals pel RFID són:

Figura 2.3 : Típiques freqüències en el rang de freqüències.

Rang de frequencia

Abast de lectura

Aplicacions

Low Frequency (LF)

125 kHz < 0.5 m Control d’accés Identificació d’animals Immobilització de vehicles Aplicacions POS (SpeedPass de ExxonMobil)

High Frequency (HF)

13.56 MHz ≥ 1 m Control d’accés, Smart Cards Prestatgeria intel·ligent Seguiment a nivell d’article (equipatge en

aeroports, préstec de llibres en biblioteca, etc)

Ultra High Frequency

(UHF)

860 MHz – 960 MHz

≥ 3 m Seguiment a nivell de palet i caixa

Microwave Frequency

2.45 GHz ≥ 10 m Electronic Toll Colletion, peatge

*Europa: 865-868 MHz; USA, Canada: 915 MHz; Japó: 950-956 MHz

Taula 2.3 : Rang de freqüències i aplicancions.


‐ 12 ‐

2.4. Estàndards

Existeixen dos grups principals de especificacions reguladors de la tecnologia RFID. Un és ISO (International Organization for Standardization) i altre és EPC global (Electronic Product Code Global), dedicats al desenvolupament d’estàndards com: ISO 10536; ISO 14443; ISO 15693; ISO 18000; EPC; EN 302 208. Els estàndards del RFID cobreixen quatre aspectes fonamentals:

Certificació : Es realitzen diferents proves per a comprovar que els equips compleixen els estàndards i poden comunicar-se correctament amb equips de altres fabricants.

Protocol en la interfície aeri : S’especifica de què forma es comuniquen mitjançant radiofreqüència els lectors i els tags de RFID.

Contingut de les dades : S’especifica semàntica i el format de les dades intercanviades entre els lectors i els tags.

Aplicacions : Diferents aplicacions dels sistemes RFID.


‐ 13 ‐

3. Desenvolupament del projecte

Per poder aconseguir un bon fi del objectiu del projecte, és convenient dividir el problema principal en subsistemes més petits. Traslladant el problema general, inaccessible i difícil en petits problemes independents i més accessibles, facilitant la solució i una major eficiència. Per tant, el desenvolupament del projecte es divideix en dos parts:

Primer és els dissenys i avaluacions dels components individuals. Segon, l’avaluació dels sistemes de monitorització i control de potencia.

Al final, l’avaluació de la cadena emissora.

Figura 3.0 : Esquema general del projecte

A la figura 3.0 veiem l’esquema general del projecte, amb el qual realitzarem la monitorització i el control automàtic de potencia, enviar i rebre les dades i el senyal de control mitjançant el mòdul ZigBee. Amb diferent longitud del cable tindrem diferents atenuacions, per a que antena emissora tingui suficient potencia per activar el Tag passiu i tornar la informació al lector, enviem senyals de control des del servidor mitjançant mòdul ZigBee al potenciòmetre digital per augmentar o disminuir l’atenuació i amplifiquem la senyal amb els amplificadors per a que la senyal tingui suficient potencia. Abans de l’antena emissora tenim un acoblador connectat al PowerSensor, l’acoblador ajusta la potencia d’entrada del PowerSensor al rang de funcionament amb l’acoblament i protegir el PowerSensor si hi ha molta potencia. El


‐ 14 ‐

PowerSensor tornar la potencia mesurada al servidor per saber si es necessari continuar ajustar l’atenuació. La cadena receptora es semblant a la emissora, s’ajusta l’atenuació per no saturar el sistema. Fem servir un Switch per no utilitzar tants PowerSensors.


‐ 15 ‐

3.1. Disseny i avaluació de components individuals

3.1.1. PowerSensor

El PowerSensor que fem servir és LT5534 de LINEAR TECHNOLOGY, és un RF detector monolític de 50MHz a 3GHz, es capaç de mesurar els senyals de RF en un rang dinàmic de 60 dB. El senyal de RF en una escala de decibels és precisament convertida en corrent continu en una escala lineal. Esquema del PowerSensor

RF

GND

VCC

EN

GND

VOUT

1

2

3

6

5

4

EN

R2

0ΩVOUT

LT5534

R147Ω

C5

C11nF J1

C3 C2100pF 0.1uF

VCC

RF

Figura 3.1.1 a : Esquema del PowerSensor Nota:

El port 1 EN és Enable, quan la tensió d’entrada és major de 0.9 V el circuit s’engega totalment. I si la tensió d’entrada és menor de 0.6 V, el circuit s’apaga.

Els ports 2 i 5 són masses.

El port 3 és la tensió de sortida.

El port 4 és la font d’alimentació, aquest pin ha de ser desacoblat utilitzant

condensadors de 100 pF i 0.1 uF. El port 6 és l’entrada RF, aquest pin és internament esbiaixada a Vcc - 0.18V. Per

a connectar-ne a la font de senyal de RF es necessari d’utilitzar un condensador d’acoblament.


‐ 16 ‐

Figura 3.1.1 b : Layout del PowerSensor del fabricant.

1 2

1

2 1

2

1

2

1 2

1

2

1

2

2 31

1 2

1

2 1

2

1

2

1 2

1

2

1

2

2 31

Figura 3.1.1 c : Layout de placa d’avaluació realitzada pel PowerSensor A la figura 3.1.1 b tenim el Layout del PowerSensor del fabricant i a la figura 3.1.1 c és el nostre Layout del PowerSensor. A aquesta placa, els components tenen els mateixos valors que l’esquema del PowerSensor. Aquesta és la primera versió del disseny per a comprovar els valors de la tensió de sortida, i compararem la corba de tensió amb la corba del fabricant per a saber si la nostra placa funciona correctament.


‐ 17 ‐

Taula de tensió de sortida de PowerSensor VS potencia d’entrada a diferents freqüències.

VOUT

PIN (dBm) V (500MHz) V (868MHz) V (900MHz) V (2.4GHz)

-60 0.13 0.13 0.13 0.15 -55 0.23 0.23 0.23 0.28 -50 0.40 0.40 0.40 0.47 -45 0.60 0.60 0.60 0.67 -40 0.82 0.81 0.81 0.84 -35 1.02 1.00 1.00 1.02 -30 1.24 1.21 1.21 1.20 -25 1.44 1.40 1.41 1.36 -20 1.65 1.60 1.61 1.54 -15 1.86 1.81 1.81 1.70 -10 2.08 2.01 2.01 1.89 -5 2.30 2.22 2.22 2.02 -4 2.33 2.25 2.25 2.03 -3 2.36 2.28 2.27 2.04 -2 2.38 2.30 2.29 2.05 -1 2.40 2.32 2.31 2.05 0 2.41 2.33 2.33 2.05

Taula 3.1.1 a: Taula de tensions de sortida del PowerSensor VS potencia d’entrada a

diferents freqüències Connectem el generador RF a l’entrada RF de la placa, alimentem el VCC amb 5V, fem les mesures en les 4 diferents freqüències les quals són més utilitzades. Veiem la taula 3.1.1a, a cada freqüència fem les mesures de la tensió de sortida del PowerSensor variant la potencia d’entrada RF de -60 dBm fins a 0 dBm, anotant tots els valors de les tensions corresponents a les potencies d’entrades.


‐ 18 ‐

Figura 3.1.1 d : La gràfica de la tensió de sortida VS potencia d’entrada a diferents freqüència “Datasheet del fabricant”.

-60 -50 -40 -30 -20 -10 00

0.5

1

1.5

2

2.5

RF INPUT POWER(dBm)

VO

UT(

V)

Output Voltage PowerSensor VS Frequency

500 MHz868 MHz900 MHz2.4 GHz

Figura 3.1.1 e : La tensió sortida de PowerSensor VS potencia d’entrada a diferents

freqüència. Les línies que hem obtinguts són molt semblants al Datasheet del fabricant, la zona que ens interessa és entre -10 dBm i – 50 dBm que és molt lineal. A continuació farem les comparacions més precisos i treure els polinomis de les línies.


‐ 19 ‐

-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -100.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

RF INPUT POWER(dBm)

VO

UT(

V)

Output Voltage VS 500MHz

Linia 500MHzLinia Polinomi

-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -100.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

RF INPUT POWER(dBm)

VO

UT(

V)




‐ 20 ‐

-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -100.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

RF INPUT POWER(dBm)

VO

UT(

V)



-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -100.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

RF INPUT POWER(dBm)

VO

UT(

V)

Output Voltage VS 2.4GHz

Linia 2.4GHzLinia Polinomi

Figura 3.1.1 f : Comparacions de les tensions de sortida del PowerSensor VS potencia d’entrada a diferents freqüència

Veiem que les línies són molt lineals i semblants, la diferencia es quan la potencia d’entrada és alta, les tensions de sortida hi ha petita diferencia.


‐ 21 ‐

Fem servir el Matlab per a fer les comparacions més precisos de les línies, aquí tenim un exemple de 500 MHz. La zona que ens interessa és entre -50 dBm i -10 dBm que és molt lineal, introduïm les tensions corresponents.

PIN=[ -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10]; V1=[0.40 0.6 0.82 1.02 1.24 1.44 1.65 1.86 2.08 ]; p=polyfit(PIN,V1,1) Vi=polyval(p,PIN) plot(PIN,V1,'red',PIN,Vi,'blue') xlabel('RF INPUT POWER(dBm)') ylabel('VOUT(V)') legend ('Linia 500MHz','Linia Polinomi') grid on title('Output Voltage VS 500MHz')

Amb la comanda “p=polyfit(PIN,V1,1)” podem treure els dos factors del polinomi, i amb “Vi=polyval(p,PIN)” podem treure els valors “VOUT” corresponents del polinomi.

Factors de polinomi 500 MHz 868 MHz 900 MHz 2.4 GHz P1 0.0419 0.0402 0.0403 0.0357

P2 2.4924 2.4094 2.4147 2.2520

Taula 3.1.1 b : Taula dels polinomis de les línies.

El polinomi es d’aquesta forma: , per tant, per a saber la tensió

de sortida de les diferents freqüències, apliquem :

-

-

-

-

Per calcular la potencia d’entrada apliquem :


‐ 22 ‐

3.1.2. Switch

El Switch que fem servir és AS213-92 de SKY WORKS, les seves característiques són baixa pèrdua d'inserció i el funcionament de tensió positiva amb el consum molt baix d'energia DC, rang de freqüència es entre 0.1 – 3 GHz . Aquest Switch pot ser utilitzat en una varietat d'aplicacions de telecomunicacions. Esquema del Switch

1

2

3

6

5

4

V2

V1

GND

CBL1100pF

CBL2

100pF

CBL3100pF

J1

J3

J2

Figura 3.1.2 a : Esquema del Switch

1 2

1 2

1 2

1 2

12

1 2

1 2

1 2

1 2

12

Figura 3.1.2 b : Layout de placa d’avaluació realitzada pel Switch.


‐ 23 ‐

Aquesta és la primera versió del disseny del Switch, es molt semblant a l’esquema que hem fet anteriorment, no hem fet mesures a aquesta placa. A continuació, hem fet un nou disseny que es integra el PowerSensor amb el Switch en una mateixa placa.

Figura 3.1.2 c : Taula de veritat del Switch

El marge de la tensió VHIGH es entre 1.8 V – 5 V, en el nostre cas li apliquem 3V. Si alimentem V1 amb 0V i V2 amb 3V, tindrem aïllament entre J1 i J2, i pèrdua d’inserció entre J1 i J3.

Figura 3.1.2 d : Especificacions electròniques en diferents freqüències del Switch.

Treballem amb 868MHz, per tant tindrem una pèrdua d’inserció de 0.3 - 0.5 dB i un aïllament de 24 - 27 dB amb aquest Switch.


‐ 24 ‐

3.1.3. Mòdul de Sensor de potencia integrat.

Aquesta és la nova versió del mòdul de sensor de potencia, es integra el PowerSensor i el Switch en una mateixa placa, facilita la connexió entre ells. La funció d’aquest mòdul és la monitorització de potencia del sistema. Hem afegit nous components al disseny, a continuació explicaré les funcions d’ells.

-a-

-b-

Figura 3.1.3 a : (a)Mòdul de sensor de potencia. (b)Layout d’avaluació realitzada pel mòdul de sensor de potencia.


‐ 25 ‐

Taula de components :

Components Valors Encapsulat R1 47Ω SMD 0603 R2 0Ω SMD 0603 C1 1nF SMD 0603 C2 0.1μF SMD 0603 C3 100pF SMD 0603 C5 Opcional SMD 0603 C6 1μF SMD 0603

CBL1, CBL2, CBL3 100pF SMD 0603 RS 430Ω SMD 0603 RP 56Ω SMD 0603

Regulador 5V SOT223 Inversor SOT23

Taula 3.1.3 a : Taula de components del mòdul de sensor de potencia.

La part taronja assenyalada a la figura 3.1.3 a (b) es un atenuador (PI) que hem afegit posteriorment, volem que faci una atenuació de 25 dB per protegir el PowerSensor si hi ha molta potencia d’entrada, fem servir el programa “RF SIM” per a calcular els valors de les resistències que necessitem.

Figura 3.1.3 b : Càlculs d’atenuador de 25 dB amb RF SIM.

Les resistències que hem posat són una mica diferent que les quals hem calculat a la figura 3.1.3 b, posem la RS amb una de 430Ω i RP amb una de 56Ω.


‐ 26 ‐

Podem calcular els valors de les resistències a partir de les expressions següents també:

LdB és l’atenuació, Z0 és 50Ω en nostre cas. La part vermella assenyalada a la figura 3.1.3 a (b) és un inversor:

- CTRL=3V Switch ON, = 0V

- CTRL=0V Switch OFF, = 3.3V

3.3 v

CTRL CTRL30K

RI210K

RI1

CI1uF

Figura 3.1.3 C : Esquema de l’inversor.

La sortida invertida ( ) s’utilitza per controlar l’entrada V2 del Switch, decideix

si el Switch commuta a l’altra banda o no.


‐ 27 ‐

Mesures de la tensió de sortida. Connectem el generador RF a un port d’entrada del Switch, alimentem el Switch amb 3 V i el PowerSensor amb 5 V. Variem la potencia d’entrada del generador RF de -65 dBm fins a 0 dBm i mesurem les tensions de sortida del PowerSensor a les 4 freqüències. Taula de tensió de sortida del mòdul de potencia VS potencia d’entrada a diferents freqüència

VOUT

PIN (dBm) V (500MHz) V (868MHz) V (900MHz) V (2.4GHz)

-65 0.315 0.287 0.297 0.290 -60 0.326 0.315 0.318 0.306 -55 0.390 0.374 0.384 0.369 -50 0.515 0.511 0.512 0.491 -45 0.706 0.702 0.702 0.673 -40 0.914 0.904 0.902 0.857 -35 1.110 1.091 1.087 1.024 -30 1.322 1.293 1.290 1.204 -25 1.526 1.484 1.481 1.373 -20 1.737 1.684 1.682 1.549 -15 1.947 1.888 1.882 1.723 -10 2.162 2.091 2.086 1.897 -9 2.207 2.137 2.131 1.935 -8 2.255 2.180 2.175 1.973 -7 2.296 2.224 2.217 2.008 -6 2.339 2.263 2.256 2.057 -5 2.372 2.298 2.291 2.062 -4 2.405 2.327 2.320 2.080 -3 2.429 2.353 2.346 2.095 -2 2.451 2.373 2.368 2.106 -1 2.471 2.391 2.384 2.114 0 2.485 2.405 2.399 2.119

Taula 3.1.3 b: Taula de tensió de sortida del mòdul de sensor de potencia VS potencia

d’entrada a diferents freqüència


‐ 28 ‐

L’aïllament a diferents freqüències:

- 1.458 V @ 500 MHz → aïllament ≈ 25 dB - 1.603 V @ 868 MHz → aïllament ≈ 22 dB - 1.604 V @ 900 MHz → aïllament ≈ 22 dB - 1.643 V @ 2.4GHz → aïllament ≈ 17 dB

Figura 3.1.3 d : Especificacions Electròniques del fabricant.

Comparem els aïllaments que hem obtinguts amb especificacions electròniques del fabricant, veiem que hi ha petits errors, alguns valors no estan dins del marge. Això es inevitable, ja que hem afegit més components i els càlculs no són precisos, però aquests valors son acceptables.

-60 -50 -40 -30 -20 -10 00

0.5

1

1.5

2

2.5

RF INPUT POWER(dBm)

VO

UT(

V)

Output Voltage Swtich VS Frequency

500 MHz868 MHz900 MHz2.4 GHz

Figura 3.1.3 e : La tensió de sortida del mòdul de sensor de potencia VS potencia

d’entrada a diferents freqüència.


‐ 29 ‐

A la figura 3.1.3 e tenim la tensió de sortida del mòdul de sensor de potencia a les 4 diferents freqüències, la zona que ens interessa més és entre -50 dBm i -10 dBm la qual es molt lineal. Ara fem el mateix que abans per treure el polinomi de la zona lineal de les línies i fer comparacions més precisos.

-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -100.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

RF INPUT POWER(dBm)

VO

UT(

V)

Output Voltage PowerSensor with Switch VS 500MHz


-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -100.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

RF INPUT POWER(dBm)

VO

UT(

V)




‐ 30 ‐

-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -100.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

RF INPUT POWER(dBm)

VO

UT(

V)



-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -100.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

RF INPUT POWER(dBm)

VO

UT(

V)

Output Voltage PowerSensor with Switch VS 2.4GHz

Linia 2.4GHzLinia Polinomi

Figura 3.1.3 f : Comparacions de les de tensions de sortida del mòdul de sensor de

potencia VS potencia d’entrada a diferents freqüència


‐ 31 ‐

A partir de la figura 3.1.3 f veiem que les 4 línies són molt semblants quan la potencia d’entrada es petita, quan la potencia d’entrada és alta (-10dBm), la tensió de sortida es veu la diferencia però són molt petites diferencies.

Factors de polinomi 500 MHz 868 MHz 900 MHz 2.4 GHz P1 0.0412 0.0394 0.0393 0.0350

P2 2.5639 2.4773 2.4706 2.2497

Taula 3.1.3 c : Taula dels polinomis de les línies.

El polinomi es d’aquesta forma: , per tant, per a saber la tensió

de sortida de les diferents freqüències, apliquem :

-

-

-

-

Per calcular la potencia d’entrada apliquem :

Si comparem aquests polinomis amb els polinomis que hem obtinguts anteriorment, són molt semblants i només hi ha petita diferencia en els factors del polinomi, la qual cosa vol dir que el disseny del mòdul de sensor de potencia funciona correctament.


‐ 32 ‐

3.1.4. Disseny d’acobladors direccionals

Per a fer els dissenys dels acobladors hem fet servir el ADS (Advanced Design System), que és un programa de dissenyar i simular els circuits RF. A baix tenim el disseny dels acobladors de 25 dB i 15 dB. La diferencia del disseny està els valors de W0 (Amplada), S (Separació) i L (Longitud).

3.1.4.1. Acoblador de 25 dB :

Figura 3.1.4.1 a: Disseny de l’acoblador de 25 dB amb ADS.

Figura 3.1.4.1 b: L’eina LineCalc per calcular els paràmetres W0,S i L de l’acoblador

de 25dB.


‐ 33 ‐

Freqüència nominal Substrat εr h tanδ 868 MHz Fibra de vidre 4.7 0.8 mm 0.002

t W0 S L 35 μm 1.39 mm 1.79 mm 28.08 mm

Taula 3.1.4.1 : Paràmetres de l’acoblador de 25 dB.

Per a obtenir els paràmetres del W0, S i L de l’acoblador, fem servir l’eina LineCalc d’ADS. Primer, seleccionem el tipus del component (Component Type) que és “MCLIN”, i introduïm els paràmetres de “MSub”. A continuació, fiquem 50 Ohms al “Z0” i – 25 al “C_DB”. Al final, amb “Synthesize” ens fa càlculs dels paràmetres de W0, S i L.

0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.40.5 1.5

-50

-40

-30

-20

-10

-60

0

freq, GHz

dB(S

(1,1

))dB

(S(2

,1))

dB(S

(3,1

)) m1

m1freq=dB(S(3,1))=-26.864

865.0MHz

Figura 3.1.4.1 c: Simulació de l’acoblador de 25 dB.

A la figura 3.1.4.1 c tenim la simulació de l’acoblador de 25 dB, veiem que l’acoblament és 26.864 dB a la 865 MHz, la qual cosa vol dir el disseny de l’acoblador es bastant precís.


‐ 34 ‐

-a-

-b-

Figura 3.1.4.1 d: (a)Acoblador de 25 dB (b)Layout de l’acoblador de 25 dB.

La figura 3.1.4.1 d és la gràfica i el Layout realitzat per l’acoblador de 25 dB.


‐ 35 ‐

3.1.4.2. Acoblador de 15 dB :

A continuació, tenim el disseny de l’acoblador de 15 dB, es molt semblant a l’acoblador de 25 dB, les úniques diferencies són els valors de amplada W0, longitud L i separació S.

Figura 3.1.4.2 a : Disseny de l’acoblador de 15 dB amb ADS.

Figura 3.1.4.2 b : L’eina LineCalc per calcular els paràmetres W0,S i L de l’acoblador de 15dB.


‐ 36 ‐

Freqüència nominal Substrat εr h tanδ

868 MHz Fibra de vidre 4.7 0.8 mm 0.002 t W0 S L

35 μm 1.32 mm 0.55 mm 28.40 mm

Taula 3.1.4.2 : Paràmetres de l’acoblador de 15 dB. Els paràmetres de “MSub” no han canviat, l’únic que hem modificat és el valor de “C_DB” a – 15 dB, d’aquesta manera obtenim els nous paràmetres de W0, S i L.

Figura 3.1.4.2 c : Simulació de l’acoblador de 15 dB.

A la figura3.1.4.2 c de la simulació veiem que l’acoblament d’aquest acoblador és 16.828 dB a la 865 MHz, la qual cosa vol dir el disseny està bastant precís també.


‐ 37 ‐

-a-

-b-

Figura 3.1.4.2 d: (a)Acoblador de 15 dB (b)Layout de l’acoblador de 15 dB. Si comparem els Layout dels dos acobladors podem veure que la diferencia més gran entre els dos acobladors és la separació, l’acoblador de 25 dB té una separació major que el de 15 dB.


‐ 38 ‐

3.1.4.3. Mesures d’acoblador de 25 dB.

Per a fer les mesures de les característiques dels acobladors fem servir analitzador RF. Abans de fer les mesures, hem de calibrar tots el ports de l’analitzador, a continuació connectem els acobladors amb l’analitzador en diferents maneres per a mesurar les característiques de l’acoblador. Pèrdua d’inserció:

1 2

50 Ohms

Figura 3.1.4.3 a : Esquema de mesura de la pèrdua d’inserció.

Figura 3.1.4.3 b : Captura de mesura de la pèrdua d’inserció.


‐ 39 ‐

A la figura 3.1.4.1 a2 podem veure que el port S12 ≈ - 0.2 dB, la qual cosa vol dir que aquest acoblador de 25 dB té una pèrdua d’inserció de 0.2 dB. Acoblament:

1

2

50 Ohms

50 Ohms

Figura 3.1.4.3 c : Esquema de mesura del acoblament.

Figura 3.1.4.3 d : Captura de mesura del acoblament. Mirem els port S12 i S21, tenim un acoblament de 25 dB, la qual cosa vol dir el disseny d’aquest acoblador és molt precís.


‐ 40 ‐

Aïllament:

1

2

50 Ohms

50 Ohms

Figura 3.1.4.3 e : Esquema de mesura de l’aïllament.

Figura 3.1.4.3 f : Captura de mesura de l’aïllament. Veiem que al port S12 i S21 tenim un aïllament de 25 dB.


‐ 41 ‐

3.1.4.4. Mesures d’acoblador de 15 dB.

Fem els mateixos passos que l’acoblador anterior per a obtenir les seves característiques. Pèrdua d’inserció:

1 2

50 Ohms

Figura 3.1.4.4 a : Esquema de mesura de la pèrdua d’inserció.

Figura 3.1.4.4 b : Captura de mesura de la pèrdua d’inserció. Mirem el port S12 i S21, tenim una pèrdua d’inserció de 0.3 dB, és una mica més que l’acoblador de 25 dB.


‐ 42 ‐

Acoblament:

1

2

50 Ohms

50 Ohms

Figura 3.1.4.4 c : Esquema de mesura del acoblament.

Figura 3.1.4.4 d : Captura de mesura del acoblament. Amb aquest acoblador de 15 dB tenim un acoblament de 16.7 dB, és igual a la simulació de l’acoblador.


‐ 43 ‐

Aïllament:

1

2

50 Ohms

50 Ohms

Figura 3.1.4.4 e : Esquema de mesura de l’aïllament.

Figura 3.1.4.4 f : Captura de mesura de l’aïllament. Amb aquest acoblador de 15 dB, tenim un aïllament de 17 dB.


‐ 44 ‐

3.1.5. Potenciòmetre Digital

El potenciòmetre digital que fem servir és el MCP4021 Low-Cost NV Digital POT with WiperLock™ Technology de Microchip. S’utilitza per controlar la tensió de control (VCTRL) dels atenuadors variables com es veurà més endavant.

Figura 3.1.5 a : Taula de característiques.

A partir de la figura 3.1.5a veiem que aquest potenciòmetre digital porta una memòria EEPROM, i la resistència màxima és de 5KΩ en nostre cas, el Wiper té una resistència de 75Ω. Per a passar de 0Ω a 5kΩ hem de pujar 64 passos. L’alimentació VDD ha de estar en el marge de 2.7V a 5.5V. L'ajustament de Wiper es controla a través d'un simple UP/DOWN (U/D) interfície serial. WiperLock Technology es una tècnica de gravació el valor de la resistència en la memòria EEPROM. Hem fet uns petits programes en Matlab (Annex A) per a utilitzar les seves característiques d’incrementar, decréixer i guardar o no el valor en EEPROM.

Figura 3.1.5 b : Diagrama del potenciòmetre digital.

Descripcions de Pins:

VDD : Alimentació positiva. Ha de estar en el marge de 2.7V a 5.5V.

VSS : Es connecta a la massa.

A : Es connecta internament al terminal A del Potenciòmetre. La tensió del terminal A ha de ser entre VDD i VSS.


‐ 45 ‐

W : El pin W es connecta internament al terminal W (el Wiper) del potenciòmetre.

El terminal Wiper es el terminal ajustable del potenciòmetre. La tensió del terminal W ha de ser entre VDD i VSS.

: Chip Select. Forçar el pin CS a VIL que permet les comandes serials,

aquestes comandes poden incrementar i disminuir el Wiper. Depenent de la comanda, el Wiper pot (o no) gravar en la EEPROM.

B : Es connecta internament al terminal B del Potenciòmetre. La tensió del

terminal B ha de ser entre VDD i VSS.

NC : No Connection.

U/D : El pin U/D s'utilitza per incrementar o disminuir el Wiper al potenciòmetre digital. Un increment mou el Wiper un pas cap al terminal A, mentre que un decrement mou el Wiper un pas cap al terminal B.

Diagrames de les funcions del potenciòmetre i els programes de Matlab per controlar aquestes funcions.

Figura 3.1.5 c : Diagrama de Incrementa el Wiper i NO gravar al EEPROM.


‐ 46 ‐

Figura 3.1.5 d : Diagrama de Incrementa el Wiper i gravar al EEPROM.

Figura 3.1.5 e : Diagrama de Decréixer el Wiper i NO gravar al EEPROM.

Figura 3.1.5 f : Diagrama de Decréixer el Wiper i gravar al EEPROM.

Com podem veure a les figures 3.1.5 c, d, e i f, la diferencia de les funcions és el bit de control de U/D. Per tant, hem fet uns petits programes en Matlab per utilitzar aquestes funcions. Per exemple, la funció d’incrementar el Wiper i gravar al EEPROM :


‐ 47 ‐

%GPI1=CS

dada=1;enviar_dada_IO(s1,1,dada,dispositiu);

%GPI2=U/D

dada=1;enviar_dada_IO(s1,2,dada,dispositiu);%=0 decrementar, =1

incrementar

%GPI1=CS


for i=1:Valor,

%GPI2=U/D



end;

dada=0;enviar_dada_IO(s1,2,dada,dispositiu); %=0Graba a la EEPROM,=1

no ho graba

%GPI1=CS


El CS del potenciòmetre està connectat el GPIO1 del mòdul ZigBee, i el U/D està connectat al GPIO2 del mòdul ZigBee. Segons la figura 3.1.5 d, el CS i el U/D comencen amb un 1, desprès el CS es manté 0 i el U/D varia de 1 a 0 i de 0 a 1 fins passat “n” valors que li hem indicat. Per acabar, el U/D es posa a 0 i el CS es posa a 1. Desprès d’aquest procés de comandes, el Wiper del potenciòmetre és “n” i està gravat al EEPROM. Les altres funcions són semblants amb aquesta. Podem gravar el Wiper a un nivell mig per protegir el potenciòmetre si hi ha molta potencia abans d’incrementar el Wiper. En el meu cas, un cop hem establit la potencia del sistema i gravem el Wiper al EEPROM. El sistema ja pot funcionar sense modificar res cada cop engeguem el sistema si no canviem la longitud del cable Hem fet proves dels programes de Matlab que hem fet per incrementar i disminuir el Wiper, gravar (o no) a la EEPROM mitjançant el mòdul ZigBee. Fem proves de incrementar 30 passos del Wiper i gravar-lo en la EEPROM, anotem el valor. Apaguem la font d’alimentació i tornem engegar-la, tornem mesurar la resistència, i el resultat es correcte. Hem fet altres proves de disminuir el Wiper gravar (o no) a la EEPROM i els resultats són correctes també, podem dir el potenciòmetre i els programes que hem fet funcionen correctament.


‐ 48 ‐

3.1.6. Atenuador Variable

Aquest atenuador que fem servir és un atenuador disposat anteriorment, farem servir la seva característica d’atenuació. Aquest atenuador es HSMP-3816 de Avago Technologies, es un atenuador controlat per la tensió de control i basat en la topologia PI (π). Les seves característiques són alta linealitat d’atenuació i rang de freqüència ample de 0.3MHz a 3GHz. Substrat : Fibra de vidre amb permitivitat 4.7, 0.8mm de altura, 34 μm de metal·lització de coure i la dimensió es 60 mm x 60 mm.

C1

R1

C4

R4

R5

R6

R2

C2

C5

R3

L1

L2

C3

IC1 IC2TL1 TL2

IN OUT

VCTRL

V+=3.3V

C6+C7

12

3

IC3

+5V V+=3.3V

+C8

123

IC4

Vcc=12V

R7

P1

+C9

C10

Figura 3.1.6 a : Esquema de l’atenuador.

Figura 3.1.6 b : Layout de l’atenuador.


‐ 49 ‐

Taula de components :

Components Valor Tipus/Encapsulat Distribuïdor R1-R2 620 Ω SMD0603

R3 390 Ω SMD0603 R4 1 kΩ SMD0603 R5 0 Ω SMD0603 R6 1 kΩ SMD0603 R7 750 Ω SMD0603 P1 5 kΩ BOURNS,

3296W-1-502LF o similar

L1-L2 1 μH EPCOS B82432 SIMID 03 / SMD1210

RS-AMIDATA (254-7040)

IC1,IC2 Avago HSMP-3814-TR1G/SOT23

FARNELL (1056846)

IC3 Regulador SMD 3.3V Texas Instruments UA78M33CDCY

/SOT223

RS-AMIDATA (661-6733)

IC4 LM317/TO220 FARNELL (533-8209)

C1-C5 47 nF SMD0603 C6 47 nF SMD0603 C7 1 μF TAJ-C C8 10 μF TAJ-C C9 1 μF TAJ-C C10 100 pF SMD0603

Taula 3.1.6 : Taula de components d’atenuador variable.

Especificacions : Punt de compressió > 32 dBm, Punt Intercepció : 45 – 50 dBm. Marge d’atenuació : 3.65 – 50 dB entre 1.8 V i 10 V. Alimentació : 5V, 50 mA. Tensió de control : 12 V, 50 mA.


‐ 50 ‐

0 2 4 6 8 10-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Tensio de control VCTRL(V)

dB

S21(dB)S11(dB)

Figura 3.1.6 c : Atenuació i Adaptació en funció de la tensió de control.

A partir de la figura 3.1.6 c podem veure que quan la tensió de control està entre 0 V – 5 V, la senyal està adaptada al -15 dB. Quan es entre 7 V – 10 V, està adaptada al – 20 dB. També podem veure que no atenua fins la tensió de control es superior de 1.7 V, i l’atenuació es puja molt ràpidament entre 1.7 V – 3 V. Quan la tensió de control arriba a 7.5 V, l’atenuació es manté.


‐ 51 ‐

3.1.7. Amplificador RF3809

Aquest amplificador està disposat anteriorment, ho farem servir com un amplificador de potencia en el sistema. El RF3809 és un amplificador de potencia de GaAs preadaptat, dissenyat específicament per aplicacions d'infraestructura sense fils. Les seves característiques són alta potencia de sorida de 2W P1dB, alta linealitat i el rang de freqüència és de 450 MHz a 2500 MHz.

Figura 3.1.7 a : Diagrama del RF3809

Descripcions de Pins: VREF : Control d'entrada als circuits interns de biaix. NC : No Connection. RFIN : Entrada de senyal RF. RFOUT : Pin de sortida de RF i Pin d’alimentació VCC. VBIAS : Subministrament de RF als circuits interns de biaix. GND : Part posterior del paquet ha d'estar connectada a la massa.

- a -


‐ 52 ‐

- b -

- c -

Figura 3.1.7 b : (a) AMPLIFICADOR RF3809 (b) Esquema del AMPLIFICADOR RF3809 y (c) Lay-out del AMPLIFICADOR RF3809

Característiques del Layout i alimentació: Substrat : FR4, Er=4.7, Grossor = 800 micròmetres. Metal·lització : Coure, 34 micròmetres. Dimensions : 60 mm X 60 mm. Tensió d’alimentació i de control : 8V. Consum : 270 mA. Es necessari un dissipador.


‐ 53 ‐

Taula de components : COMPONENT VALOR ENCAPSULAT DISTRIBUÏDOR

C1 22 pF SMD0402 C2 5.1 pF SMD0402

C3, C4 2 pF SMD0402 C5 6.2 pF SMD0402 C6 100 pF SMD0402

C7, C12, C16, C20

100 nF SMD0402

C8, C9, C13, C17

33 pF SMD0402

C10, C14, C18 1 nF SMD0402 C11, C15, C19 10 µF Tántalo Farnell (538-2587)

C21 100 nF MKP C22 1 µF MKP C23 10 µF Electrolític L1 2.7 nH SMD0603 L2 33 nH SMD0603 L3 2.2 nH SMD0603

R1, R2 750 Ω SMD0603 IC1 RFMD-RF3809SR Farnell (171-5359) IC2 LM7808 Regulador 8V Farnell (9490248)

Taula 3.1.7 a : Taula de components de l’amplificador RF 3809. Mesures. Prototip 1:

0 500 1000 1500 2000 2500 3000-30

-20

-10

0

10

20

30

f(MHz)

dB

f=868 MHz S11=-10.97 dB S22=-10.62 dB S21=11.43 dB

S11

S22S21

12 14 16 18 20 22 24 26 286

8

10

12

Pin(dBm)

Gan

anci

a(dB

)

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 357

8

9

10

11

12

Pout(dBm)

Gan

anci

a(dB

)

(a) (b)

Figura 3.1.7 c : Mesures paràmetres S (a) y mesures no lineals (b) del Prototip 1.


‐ 54 ‐

Prototip 2:

0 500 1000 1500 2000 2500 3000-30

-20

-10

0

10

20

30

f(MHz)

dBf=868 MHz S11=-10.78 dB S22=-10.49 dB S21=11.46 dB

S11

S22S21

4 6 8 10 12 14 16 18 20 229.5

10

10.5

11

11.5

Pin(dBm)

Gan

anci

a(dB

)

16 18 20 22 24 26 28 30 329.5

10

10.5

11

11.5

Pout(dBm)

Gan

anci

a(dB

)

Figura 3.1.7 d : Mesures paràmetres S (a) y mesures no lineals (b) del Prototip 2.

A partir de les figures 3.1.8.2 i 3.1.8.3 podem treure les mesures del guany, pèrdues de retorn i PC1dB dels dos prototips, la freqüència nominal de les proves és 868 MHz. Mesures Ports PROTOTIP 1 PROTOTIP 2 Guany (dB) S21 11.43 11.46

S11 -10.97 -10.78 Pèrdues de retorn (dB)

S22 -10.62 -10.49 Punt de compressió a 1 dB a la sortida (dBm) Pc1dB 31.9 30.9

Taula 3.1.7 b : Mesures dels prototips amplificador RF3809 @868 MHz.


‐ 55 ‐

3.1.8. Amplificador BGA6589

Aquest amplificador està disposat anteriorment també, s’utilitzarem com a amplificador de Buffer. Les seves característiques són banda ampla de bloc de guany de 50Ω, potencia sortida de 20 dBm, el rang de freqüència entre 200MHz i 3GHz.

Figura 3.1.8 a : Diagrama de l’amplificador BGA6589.

- a -

- b -

PIN Descripcions 1 RF out/ bias 2 GND 3 RF in


‐ 56 ‐

- c -

Figura 3.1.8 b: (a) AMPLIFICADOR BGA6589 (b) Esquema del AMPLIFICADOR BGA6589 y (c) Lay-out del AMPLIFICADOR BGA6589

Característiques del Layout i alimentació: Substrat : FR4, Er=4.7, Grossor = 800 micròmetres. Metal·lització : Coure, 34 micròmetres. Dimensions : 60 mm X 60 mm. Tensió d’alimentació i de control : 9V. Consum : 84 mA. Taula de components : COMPONENT VALOR ENCAPSULAT DISTRIBUÏDOR

C1,C2 100 pF SMD0402 C3 1 nF SMD0402 C4 68 pF SMD0402 C5 1 μF SMD0402 C6 100 nF MKP C7 1 μF MKP C8 10 μF Electrolític L1 33 nH SMD0603 R1 51 Ω SMD0603 IC1 BGA-6589 NXP

BGA-6589/SOT89 RS AMIDATA

(626-3516) IC2 LM7809 Regulador 9V/TO220

Taula 3.1.8 a : Taula de components d’amplificador Buffer.


‐ 57 ‐

Mesures :

0 500 1000 1500 2000 2500 3000-30

-20

-10

0

10

20

30

f(MHz)

dB

f=868 MHz S11=-13.64 dB S22=-14.63 dB S21=22.61 dB

S11

S22S21

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

-30

-20

-10

0

10

20

30

f(MHz)

dB

f=868 MHz S11=-13.43 dB S22=-14.69 dB S21=22.52 dB

S11

S22S21

(a) (b)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000-30

-20

-10

0

10

20

30

f(MHz)

dB

f=868 MHz S11=-14.07 dB S22=-14.93 dB S21=22.68 dB

S11

S22S21

(c)

Figura 3.1.8 c : Mesures paràmetres S amb polarització 9V y resistència 51Ω (a), amb polarització 8V y resistència 39Ω (b) i amb polarització 6V y resistència 15Ω (c).

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 416

18

20

22

24

Pin(dBm)

Gan

anci

a(dB

m)

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 2216

18

20

22

24

Pout(dBm)

Gan

anci

a(dB

m)

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 416

18

20

22

24

Pin(dBm)

Gan

anci

a(dB

m)

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 2216

18

20

22

24

Pout(dBm)

Gan

anci

a(dB

m)

(a) (b) Figura 3.1.8 d : Mesures no lineals de l’amplificador BGA6589. V=9V y R=51Ω (a) y

V=8V y R=39Ω (b).


‐ 58 ‐

A partir de les gràfiques i els resultats del paràmetre S veiem que són quasi idèntics, s’ha optat la configuració de V=8V i R=39Ω per unificar la tensió de polarització amb la resta de circuits. Mesures Ports V=9V / R=51 V=8V / R=39 Guany (dB) S21 22.61 22.52

S11 -13.63 -13.43 Pèrdues de retorn(dB) S22 -14.63 -14.69

Punt de compressió a 1 dB a la sortida(dBm) Pc1dB 20.7 20.2

Taula 3.1.8 b : Mesures dels prototips amplificador BGA6589 @868 MHz.


‐ 59 ‐

3.1.9. Mòdul ZigBee

El mòdul ZigBee que fem servir és el ZMN2405/HP ZigBee™, s’utilitza un Module Developer’s Kit. Fem servir dos mòduls, un es Coordinador que es connecta al PC i l’altre es Router que es connecta a les plaques de control de potencia.

Figura 3.1.9 a : Placa del mòdul ZigBee.

Figura 3.1.9 b : Pins deJP1 i JP2.

Els pins que fem servir més són els GPIO 0, GPIO1, GPIO 2 del JP1 i ADCZ del JP2 per enviar i rebre les dades i les comandes de control.


‐ 60 ‐

-a-

-b-

Figura 3.1.9 c : (a)Vista frontera de la placa ZigBee. (b)Vista oposada de la placa ZigBee.

Fem diferents tipus de connectors als Pins de ADC i els de GPIO per facilita connexions de diferents components.


‐ 61 ‐

3.2. Avaluació del sistema

3.2.1. Avaluació del Mòdul de Monitorització de Potencia

Anteriorment, hem fet avaluacions de components individuals. Ara ens dediquem a fer una avaluació del mòdul de monitorització de potencia amb el mòdul ZigBee i el mòdul de sensor de potencia conjuntament. Amb les diferents potencies d’entrada RF, mesurarem les tensions de sortida del PowerSensor i enviem les mesures al servidor a través del mòdul ZigBee. Per a poder realitzar aquestes mesures, hem fet uns petits programes en Matlab basat en un PFC d’un company que es tracta sobre el funcionament del mòdul ZigBee. Fem dues mesures, quan el Switch està en una banda i quan es commuta a l’altra banda.

Generador RF

f=500MHz,868MHz,900MHz i 2.4GHzPin=-55dBm fins 0dBm

1

2

3

6

5

4

V2

V1

GND

Modul ZigBee

GPIO1 GPIO2

ADCZ

RF

GND

VCC

EN

GND

VOUT

1

2

3

6

5

4

LT5534

5VJ2

J1

J3

Servidor

Figura 3.2.1 a: Esquema de l’avaluació 1, sense aïllament.

Connectem el port J2 del Switch amb el generador RF, l’entrada de tensió de control (V1) es connecta al Pin GPIO1 del mòdul ZigBee per controlar que si hem de commutar a l’altra banda. Connectem la sortida del PowerSensor al Pin ADCZ del mòdul ZigBee per enviar els valors de les tensions de sortida al servidor. Per agafar el valor de la tensió corresponent de la potencia d’entrada, fem una pausa en cada mesura per donar temps a modificar la potencia d’entrada manualment. Variem la potencia d’entrada de -55 dBm fins a 0 dBm, i guardem les tensions de sortida en un document anomenat “corba_potencia_0.mat”.


‐ 62 ‐

Generador RF

f=500MHz,868MHz,900MHz i 2.4GHzPin=-55dBm fins 0dBm

1

2

3

6

5

4

V2

V1

GND

Modul ZigBee

GPIO1 GPIO2

ADCZ

RF

GND

VCC

EN

GND

VOUT

1

2

3

6

5

4

LT5534

5VJ2

J1

J3

Servidor

Figura 3.2.1 b: Esquema de l’avaluació 2, amb aïllament.

Connectem l’altre port del Switch (J3) amb el generador RF però sense activar la commutació del Switch, i fem les mateixes mesures que abans i guardem els resultats en “corba_potencia_1.mat”. Fem les dues corbes en una mateixa gràfica per poder comparar les diferencies. A continuació són els programes de Matlab que hem fet servir per rebre els resultats i dibuixar la gràfica. Programa per a rebre potencia del mòdul ZigBee : Annex B. Programa de fer mesures quan el Switch està “ON” :

Pin=[-55,-50,-45,-40,-35,-30,-25,-20,-15,-10,-9,-8,-7,-6,-5,-4,-3

,-2,-1,0]; Canal=0; for ll=1:length(Pin), Pin(ll) disp('Pulsa una tecla'); pause; rebre_potencia(Canal,10); load mesura Nivell(ll)=mean(mesura3) end plot(Pin,Nivell); save corba_potencia_0.mat Canal Nivell Pin


‐ 63 ‐

Programa de fer mesures quan el Switch està “OFF” :

Pin=[-55,-50,-45,-40,-35,-30,-25,-20,-15,-10,-9,-8,-7,-6,-5,-4,-3

,-2,-1,0]; Canal=1; for ll=1:length(Pin), Pin(ll) disp('Pulsa una tecla'); pause; rebre_potencia(Canal,10); load mesura Nivell(ll)=mean(mesura3) end plot(Pin,Nivell); save corba_potencia_1.mat Canal Nivell Pin

Programa per a dibuixar les corbes de tensions :

load corba_potencia_0.mat x1=Pin;y1=Nivell; load corba_potencia_1.mat x2=Pin;y2=Nivell; plot(x1,y1,'-o',x2,y2,'+-'); xlabel('Potencia(dBm)'); ylabel('Nivell (mV)'); legend('Switch On','Switch Off'); grid


‐ 64 ‐

-60 -50 -40 -30 -20 -10 00

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Potencia(dBm)

Niv

ell (

mV

)

Switch OnSwitch Off

Figura 3.2.1 c : Potencia VS Nivell amb Switch ON i OFF.

A partir de la gràfica veiem que quan el Switch “ON”, la pujada de les tensions es molt lineal. En canvi, quan el Switch “OFF”, es manté el nivell fins que passa uns 25 dBm el qual es degut de l’aïllament del Switch. Podem monitoritzar correctament les tensions de sortida del PowerSensor., aquest és l’objectiu que volem aconseguir en aquesta avaluació.


‐ 65 ‐

3.2.2. Avaluació del Mòdul de Control de Potencia

Abans de fer aquesta avaluació, hem fet una altra prova del Potenciòmetre amb un regulador LM 117, però la tensió de sortida és molt baixa. Perquè la tensió de control de l’atenuador ha de ser entre 0V-8V per utilitzar les seves característiques d’atenuació variable. Per solucionar aquest problema hem fet aquesta nova avaluació, fent servir un amplificador operacional per poder augmentar la tensió de sortida. A la sortida d’amplificador li connectem l’atenuador variable per controlar l’atenuació de l’atenuador variable del transmissor i del receptor necessiten una font controlable. S’utilitza el potenciòmetre i un amplificador operacional per aconseguir aquesta font. Amplificador Operacional. L’amplificador operacional que fem servir és el OP07 de ANALOG DEVICES. Les seves característiques són : Baixa tensió de OFFSET, 75 μV màxim; Baix soroll, 0.6μV p-p Max. La tensió d’entrada és entre 3V-18V. És un amplificador operacional no inversor.

Figura 3.2.2 a : Diagrama del OP07

Descripcions de Pins:

VOSTRIM : És la tensió de OFFSET, 75 μV màxim. -IN : L’entrada negativa de l’amplificador. +IN : L’entrada positiva de l’amplificador. V- : L’alimentació negativa de l’amplificador. V+ : L’alimentació positiva de l’amplificador. OUT : Sortida de l’amplificador. NC : NO CONNECT.

Com el potenciòmetre només pot suportar 3V, es requereix amplificar la sortida del divisor. S’utilitza el OP07 amb configuració no inversor i la polarització única (+15V) per obtenir la tensió de sortida ideal.


‐ 66 ‐

2

3

4 5

6

7

81

1 2 3 4

8 7 6 5

1 2

1

2

1 2

1

2

12

1 2

12

12

1

2

2

3

4 5

6

7

81

1 2 3 4

8 7 6 5

1 2

1

2

1 2

1

2

12

1 2

12

12

1

2

Figura 3.2.2 b : Layout de la placa de Potenciòmetre amb Amplificador.

V+

V-

R1 10k

R2 10k

R339k

R43k

R5 39k

OUT

15V

0V5k

Potenciometre Digital

AT Variable

3.3V

VIN

Figura 3.2.2 c : Esquema de l’avaluació del Potenciòmetre Digital i l’Amplificador Operacional amb Atenuador Variable.


‐ 67 ‐

La tensió de sortida es pot calcular amb la següent expressió:

On P es la resistència del Potenciòmetre a massa. Alimentem el potenciòmetre digital amb 3.3V, l’amplificador operacional 15V i l’atenuador 5V. El Pin CS i el Pin U/D del potenciòmetre es connecten als GPIO 1 i GPIO 2 del mòdul ZigBee respectivament, per rebre les comandes de augmentar i disminuir el Wiper del potenciòmetre. La sortida (OUT) de l’amplificador es connecta amb l’atenuador variable per controlar l’atenuació. Al final, connectem l’atenuador a l’analitzador RF. Abans de fer les mesures, hem de calibrar els ports de l’analitzador RF. Desprès, baixem el Wiper del potenciòmetre a zero. Anem augmentant el Wiper del potenciòmetre, mesurem la tensió del Pin W del potenciòmetre el qual tenim connexió amb l’amplificador. Mesurem la tensió de sortida de l’amplificador i anotem les atenuacions de l’analitzador a les freqüències de 868MHz i 2.4GHz.

Atenuacions(dB) Valor de Wiper VW(V) VOUT(V) 868MHz 2.4GHz

0 0.001 2.277 -24.20 -22.75 5 0.165 2.278 -24.18 -22.74 10 0.326 2.279 -24.18 -22.73 15 0.548 2.310 -23.76 -22.32 20 0.706 2.751 -19.40 -18.18 25 0.800 3.118 -17.04 -16.14 30 0.957 3.727 -14.19 -13.90 35 1.113 4.336 -12.01 -12.28 40 1.269 4.945 -10.14 -10.82 45 1.426 5.558 -8.42 -9.31 50 1.584 6.170 -6.77 -7.69 55 1.743 6.79 -5.23 -5.98 60 1.903 7.41 -4.20 -4.80 64 2.000 7.79 -4.03 -4.61

Taula 3.2.2 : Tensions de sortides i Atenuacions VS Wiper.


‐ 68 ‐

0 10 20 30 40 50 60 700

1

2

3

4

5

6

7

8

Wiper

Tens

ions

(V)

Output Voltage VS Wiper

VwVout

Figura 3.2.2 d : Tensions sortides VS Wiper

0 10 20 30 40 50 60 70-25

-20

-15

-10

-5

0

Wiper

Ate

nuac

ions

(dB

)

Atenuacions VS Wiper

868MHz2.4GHz

Figura 3.2.2 e : Atenuacions VS Wiper


‐ 69 ‐

A partir de la figura 3.2.2 c podem veure que la tensió de sortida del potenciòmetre es bastant lineal, de 0V puja fins a 2V, la qual cosa vol dir que el potenciòmetre funciona correctament. La tensió de sortida de l’amplificador es manté el nivell fins passat 15 valors de Wiper, desprès puja linealment fins a quasi 8V, es la solució que volem aconseguir. A partir de la figura 3.2.2 d veiem que les dues corbes son molt semblants, es mantenen l’atenuació fins passat 15 valors de Wiper, es degut la tensió de sortida de l’amplificador no ha pujat a les 15 primers valors. Desprès es pugen linealment fins a -5 dBs.

0 2 4 6 8 10-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Tensio de control VCTRL(V)

dB

S21(dB)S11(dB)

Figura 3.2.2 f : Atenuació i Adaptació en funció de la tensió de control d’atenuador.

Aquesta figura 3.2.2 f es una copia del capítol 3.1.6 que representa l’atenuació variable en funció de la tensió de control d’atenuador. Si comparem les tres figures de dalt, el Wiper té un valor entre 0 – 15, VCTRL= 2.2V l’atenuació = -24dB; VCTRL=7.79V l’atenuació = -5dB. La qual cosa vol dir tenim l’èxit en aquesta avaluació del control de potencia.


‐ 70 ‐

3.2.3. Avaluació de la cadena emissora

L’objectiu d’aquesta avaluació és comprovar el funcionament de la cadena emissora, fent servir un programa de Matlab que hem realitzat per monitoritzar i controlar la potencia de sortida automàticament.

Figura 3.2.3 a : Esquema ideal del funcionament de la cadena emissora.

Com podem veure a la figura 3.2.3 a, el funcionament del mòdul de potencia es controlar la potencia arribada a l’antena emissora automàticament en funció de la longitud del cable.

Figura 3.2.3 b : Esquema d’avaluació de la cadena emissora.

Com podem veure a la figura 3.2.3 b l’esquema d’avaluació de la cadena emissora, generem diferents potencia amb generador RF (- 5 dB, - 10 dB, -15dB, etc ) i es connecta a l’entrada d’atenuador variable. L’atenuador està alimentat amb 5V i controlat pel potenciòmetre digital, la sortida es connecta amb l’amplificador Buffer. La funció d’amplificador Buffer és amplifica la potencia del senyal per no saturar el sistema, i la sortida es connecta amb l’amplificador potencia el qual amplifica més el senyal per a que l’antena emissora tingui suficient potencia per activar el Tag passiu i


‐ 71 ‐

tornar la informació al servidor. El PowerSensor comercial es per visualitzar la potencia arribada a l’antena emissora. Com que el nostre mòdul de sensor de potencia es funciona en el rang de -50 dBm fins a -10 dBm, posem un acoblador de 25dB i un atenuador PI de 25 dB a l’entrada RF del Switch per a que la potencia sigui entre el rang de funcionament del PowerSensor. El mòdul de sensor de potencia torna la potencia mesurada al servidor mitjançant el mòdul ZigBee, aquest procés és la monitorització de potencia del sistema. Amb la potencia mesurada del mòdul de sensor de potencia decidim si hem de continuar variar l’atenuació de l’atenuador variable mitjançant el control del potenciòmetre. La potencia de l’antena emissora es pot calcular amb l’expressió següent:

Es a dir, la potencia arribada a l’antena emissora es la potencia mesurada més 50 dB, si volem que l’antena tingui 30 dB (Potencia Òptima), la potencia mesurada ha de ser -20 dB. Hem implementat un petit programa en Matlab (Annex C) per a poder realitzar aquest procés automàticament. Introduïm la potencia final que volem aconseguir, carreguem les mesures d'avaluació del Mòdul de sensor de potencia anteriorment, fem comparació de la potencia mesurada amb la potencia final que hem introduït. Fem una interpretació de la tensió i la potencia mesurada per a que poder realitzar la comparació. S’incrementa el Wiper del potenciòmetre amb passos de 5, quan la diferencia es menor que 2, s’incrementa amb pas de 1. Quan són iguals, el programa pararà automàticament. Hem fet avaluacions de diferents potencies d’entrades del generador RF (- 5 dB, - 10 dB, -15dB, etc ) per simular que són diferents longituds dels cables, al programa posem PFinal es -20 dB. Desprès d’execució del programa, la potencia mostrada al PowerSensor comercial és sobre uns 25 dBm, la qual cosa vol dir que tenim l’èxit en l’avaluació de monitorització i control de potencia de la cadena emissora.


‐ 72 ‐

4. Conclusions i Línies Futures

Amb la realització d’aquest projecte es poden diferents conclusions respecte la monitorització de potencia amb mòdul de sensor de potencia i el control de potencia en la xarxa RFID. Primer, la diferencia entre la potencia mesurada del mòdul de sensor de potencia i la potencia arribada a l’antena emissora no són 50 dB exactes, es degut a l’acoblament de l’acoblador no són 25 dB exactes i l’atenuació a l’entrada RF del Switch no són 25 dB exactes tampoc, els quals es poden millorar amb els dissenys més precisos. Respecte el procés de control de potencia, l’execució és lenta degut els processos d’obrir i tancar els ports del ZigBee en Windows i l’ increment de Wiper amb passos de 5 també incrementa el temps d’execució. Per solucionar aquest problema es pot millorar els programes de control, minimitzar el nombre d’obriment de ports i optimar l’ increment del Wiper. Amb l’ultima avaluació de monitorització i control de potencia en la cadena emissora, podem afirmar que els dissenys i avaluacions funcionen correctament i hem pogut aconseguir l’objectiu plantejat al principi del projecte amb l’èxit. Per la línia futura que volem realitzar es integrar tots els circuits hem utilitzat en una nova placa, facilita les connexions i la portabilitat. I avaluar el nou circuit amb el lector, antena i tags passius reals per comprovar la funcionalitat del sistema de monitorització i control de potencia automàtic en la xarxa RFID.


‐ 73 ‐

5. Referències.

[1] Klaus Finkenzeller, RFID Handbook : Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification, Chichester, England : John Wiley & Sons, cop. 2003

[2] Antonio Lázaro, “Tecnologia de RF i Òptica”, Assignatura d’Enginyeria

Tècnica de Telecomunicacions esp. en Telemàtica, 2009. [3] Ramón Villarino, “Sistemes de Telecomunicació Industrial”, Assignatura

d’Enginyeria Tècnica de Telecomunicacions esp. en Telemàtica, 2010. [4] Datasheet del PowerSensor LT5534 de Linear Technology.

http://cds.linear.com/docs/Datasheet/5534fa.pdf [5] Datasheet del Switch AS213-92 de SkyWorks.

http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/120493/SKYWORKS/AS213-92.html

[6] Datasheet del Potenciòmetre Digital MCP4021 de Microchip. http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21945c.pdf [7] Datasheet de l’Amplificador Operacional OP07 de Analog Devices. http://web.mit.edu/6.301/www/OP07_a.pdf [8] Datasheet de l’Atenuador HSMP-3816 de Avago Technologies.

http://www.avagotech.com/docs/AV01-0079EN [9] Datasheet de l’Amplificador de Potencia RF3809 de RFMD. http://www.si-links.com/pdf/3809.pdf [10] Datasheet de l’Amplificador de Buffer BGA6589 de Philips. http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/philips/BGA6589.pdf


‐ 74 ‐

[11] http://es.wikipedia.org/wiki/RFID [12] http://www.webopedia.com/term/r/rfid.html [13] www.rfid.org


‐ 75 ‐

Annexos

Annex A : Programes de Matlab per a incrementar i decréixer la resistència del

Potenciòmetre digital.

A) INCREMENT WITHOUT WRITING WIPER SETTING TO EEPROM

Figura 3.1.5 a : Incrementar resistència i NO gravar el valor al EEPROM.

function incrementa_no_graba(Valor)

%Cas Incrementa i NO graba el valor al EEPROM

%Modul Zigbee

dispositiu=1; %=1 si es router , 2=coordinador

% Adreca Port Seria

PortSerie=5;

%Configuracio modul zigbee

%--------------------------------------

%Obra el port serie

s1=socket_openf(PortSerie);

config_ports_IO(s1,dispositiu);


‐ 76 ‐

%GPI1=CS


%GPI2=U/D


incrementar

%GPI1=CS


for i=1:Valor,

%GPI2=U/D



%pause(0.1);

end;

dada=1;enviar_dada_IO(s1,2,dada,dispositiu); %=0Graba a la EPPROM,=1

no ho graba

%GPI1=CS


% Tanco Port Serie

fclose(s1);

%----------------------------------------------------------------

----

% FUNCIONS AUXILIARS

%----------------------------------------------------------------

----

function config_ports_IO(s1,dispositiu)

PortSerie=5;

%Creem una variable global de Matlab ja que sino es aixi no podrem

enviar

%mes d'una comanda per connexio d'aquesta forma canviarem el TransID

de

%forma aleatoria entre 1 i 0, esta indicat mes endevant


‐ 77 ‐

global Contador

if isempty(Contador),

Contador=0;

end;

if dispositiu==1,

%Router

Address='0100000001663000';

end

if dispositiu==2,

%Coordinador

Address='0000000001663000';

end

%Dades per a crear el packet ZigBee

SOP='FD';

length='12';

TransID=dec2hex(Contador,2);

Contador=1-Contador;

MSGType='01';

%Creem la primera part de la cadena del paquet ZigBee

resta=[SOP,length,TransID,MSGType];

ProfileID='00C0';

Endpoint='01';

Cluster='01';

Offset='1200';

Len='01';

Timeout='';

%Configurarem els ports del GPIO0 al GPIO5 amb els bits 0 i 1, cuan

sigui 0

%estaran configurats d'entrada i cuan sigui 1 de sortida

%GPIO5...GPIO0

Data=dec2hex(bin2dec('00111111'),2) %Tots sortida

%Creem la cadena de la comanda a enviar

cad=crear_cadena(resta,Address,ProfileID,Endpoint,Cluster,Offset,

Len,Data,Timeout);

%Enviem la comanda

fwrite(s1,cad);


‐ 78 ‐

%----------------------------------------------------------------

---

function enviar_dada_IO(s1,gpio,valor,dispositiu)

PortSerie=5;


enviar


de


global Contador


Contador=0;

end;

n=0;

%La variable opcio tria a quin dispositiu enviarem la comanda

if dispositiu==1,

%Router

Address='0100000001663000';

end

if dispositiu==2,

%Coordinador

Address='0000000001663000';

end


SOP='FD';

length='12';



MSGType='01';



ProfileID='00C0';

Endpoint='01';

Cluster='01';

Len='01';

Timeout='';

%Depenent del GPIO que entri per els arguments enviarem la dada per

un GPIO

%o un altre, aquest valor ve donat per la funcio narda


‐ 79 ‐

if (gpio == 0)

Offset='0A00';

end

if (gpio == 1)

Offset='0B00';

end

if (gpio == 2)

Offset='0C00';

end

if (gpio == 3)

Offset='0D00';

end

if (gpio == 4)

Offset='0E00';

end

if (gpio == 5)

Offset='0F00';

end

Data=dec2hex(valor,2);



Len,Data,Timeout);

%Enviem la comanda

fwrite(s1,cad);


‐ 80 ‐

B) INCREMENT WITH WRITING WIPER SETTING TO EEPROM

Figura 3.1.5 b : Incrementar resistència i gravar el valor al EEPROM.

function incrementa_graba(Valor)

%Cas Incrementa i graba el valor al EEPROM

%Modul Zigbee


% Adreca Port Seria

PortSerie=5;


%--------------------------------------

%Obra el port serie



%GPI1=CS


%GPI2=U/D


‐ 81 ‐


incrementar

%GPI1=CS


for i=1:Valor,

%GPI2=U/D



end;


no ho graba

%GPI1=CS


% Tanco Port Serie

fclose(s1);

%----------------------------------------------------------------

----


%----------------------------------------------------------------

----


PortSerie=5;


enviar


de


global Contador


Contador=0;

end;


‐ 82 ‐

if dispositiu==1,

%Router

Address='0100000001663000';

end

if dispositiu==2,

%Coordinador

Address='0000000001663000';

end


SOP='FD';

length='12';



MSGType='01';



ProfileID='00C0';

Endpoint='01';

Cluster='01';

Offset='1200';

Len='01';

Timeout='';


sigui 0


%GPIO5...GPIO0




Len,Data,Timeout);

%Enviem la comanda

fwrite(s1,cad);

%----------------------------------------------------------------

---


‐ 83 ‐


PortSerie=5;


enviar


de


global Contador


Contador=0;

end;

n=0;


if dispositiu==1,

%Router

Address='0100000001663000';

end

if dispositiu==2,

%Coordinador

Address='0000000001663000';

end


SOP='FD';

length='12';



MSGType='01';



ProfileID='00C0';

Endpoint='01';

Cluster='01';

Len='01';

Timeout='';


un GPIO


if (gpio == 0)

Offset='0A00';


‐ 84 ‐

end

if (gpio == 1)

Offset='0B00';

end

if (gpio == 2)

Offset='0C00';

end

if (gpio == 3)

Offset='0D00';

end

if (gpio == 4)

Offset='0E00';

end

if (gpio == 5)

Offset='0F00';

end




Len,Data,Timeout);

%Enviem la comanda

fwrite(s1,cad);


‐ 85 ‐

C) DECREMENT WITHOUT WRITING WIPER SETTING TO EEPROM

Figura 3.1.5 c : Decréixer resistència i NO gravar el valor al EEPROM.

function decrementa_no_graba(Valor)

%Cas Decrementa i NO graba el valor al EEPROM

%Modul Zigbee


% Adreca Port Seria

PortSerie=5;


%--------------------------------------

%Obra el port serie



%GPI1=CS


%GPI2=U/D



‐ 86 ‐

incrementar

%GPI1=CS


for i=1:Valor,

%GPI2=U/D



%pause(0.1);

end;


no ho graba

%GPI1=CS


% Tanco Port Serie

fclose(s1);

%----------------------------------------------------------------

----


%----------------------------------------------------------------

----


PortSerie=5;


enviar


de


global Contador


Contador=0;

end;

if dispositiu==1,

%Router


‐ 87 ‐

Address='0100000001663000';

end

if dispositiu==2,

%Coordinador

Address='0000000001663000';

end


SOP='FD';

length='12';



MSGType='01';



ProfileID='00C0';

Endpoint='01';

Cluster='01';

Offset='1200';

Len='01';

Timeout='';


sigui 0


%GPIO5...GPIO0




Len,Data,Timeout);

%Enviem la comanda

fwrite(s1,cad);

%----------------------------------------------------------------

---


PortSerie=5;


enviar


‐ 88 ‐


de


global Contador


Contador=0;

end;

n=0;


if dispositiu==1,

%Router

Address='0100000001663000';

end

if dispositiu==2,

%Coordinador

Address='0000000001663000';

end


SOP='FD';

length='12';



MSGType='01';



ProfileID='00C0';

Endpoint='01';

Cluster='01';

Len='01';

Timeout='';


un GPIO


if (gpio == 0)

Offset='0A00';

end

if (gpio == 1)

Offset='0B00';

end


‐ 89 ‐

if (gpio == 2)

Offset='0C00';

end

if (gpio == 3)

Offset='0D00';

end

if (gpio == 4)

Offset='0E00';

end

if (gpio == 5)

Offset='0F00';

end




Len,Data,Timeout);

%Enviem la comanda

fwrite(s1,cad);


‐ 90 ‐

D) DECREMENT WITH WRITING WIPER SETTING TO EEPROM

Figura 3.1.5 d : Decréixer resistència i gravar el valor al EEPROM.

function decrementa_graba(Valor) %Cas Decrementa i graba el valor al EEPROM %Modul Zigbee dispositiu=1; %=1 si es router , 2=coordinador % Adreca Port Seria PortSerie=5; %Configuracio modul zigbee %‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ %Obra el port serie s1=socket_openf(PortSerie); config_ports_IO(s1,dispositiu); %GPI1=CS dada=1;enviar_dada_IO(s1,1,dada,dispositiu); %GPI2=U/D dada=0;enviar_dada_IO(s1,2,dada,dispositiu);%=0 decrementar, =1 incrementar


‐ 91 ‐

%GPI1=CS dada=0;enviar_dada_IO(s1,1,dada,dispositiu); for i=1:Valor, %GPI2=U/D dada=0;enviar_dada_IO(s1,2,dada,dispositiu); dada=1;enviar_dada_IO(s1,2,dada,dispositiu); pause(0.1); end; dada=1;enviar_dada_IO(s1,2,dada,dispositiu); %=1Graba a la EEPROM,=0 no ho graba %GPI1=CS dada=1;enviar_dada_IO(s1,1,dada,dispositiu); % Tanco Port Serie fclose(s1); %‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ % FUNCIONS AUXILIARS %‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ function config_ports_IO(s1,dispositiu) PortSerie=5; %Creem una variable global de Matlab ja que sino es aixi no podrem enviar %mes d'una comanda per connexio d'aquesta forma canviarem el TransID de %forma aleatoria entre 1 i 0, esta indicat mes endevant global Contador if isempty(Contador), Contador=0; end; if dispositiu==1, %Router Address='0100000001663000'; end if dispositiu==2, %Coordinador Address='0000000001663000'; end


‐ 92 ‐

%Dades per a crear el packet ZigBee SOP='FD'; length='12'; TransID=dec2hex(Contador,2); Contador=1‐Contador; MSGType='01'; %Creem la primera part de la cadena del paquet ZigBee resta=[SOP,length,TransID,MSGType]; ProfileID='00C0'; Endpoint='01'; Cluster='01'; Offset='1200'; Len='01'; Timeout=''; %Configurarem els ports del GPIO0 al GPIO5 amb els bits 0 i 1, cuan sigui 0 %estaran configurats d'entrada i cuan sigui 1 de sortida %GPIO5...GPIO0 Data=dec2hex(bin2dec('00111111'),2) %Tots sortida %Creem la cadena de la comanda a enviar cad=crear_cadena(resta,Address,ProfileID,Endpoint,Cluster,Offset,Len,Data,Timeout); %Enviem la comanda fwrite(s1,cad); %‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ function enviar_dada_IO(s1,gpio,valor,dispositiu) PortSerie=5; %Creem una variable global de Matlab ja que sino es aixi no podrem enviar %mes d'una comanda per connexio d'aquesta forma canviarem el TransID de %forma aleatoria entre 1 i 0, esta indicat mes endevant global Contador if isempty(Contador), Contador=0; end; n=0; %La variable opcio tria a quin dispositiu enviarem la comanda if dispositiu==1, %Router Address='0100000001663000'; end


‐ 93 ‐

if dispositiu==2, %Coordinador Address='0000000001663000'; end %Dades per a crear el packet ZigBee SOP='FD'; length='12'; TransID=dec2hex(Contador,2); Contador=1‐Contador; MSGType='01'; %Creem la primera part de la cadena del paquet ZigBee resta=[SOP,length,TransID,MSGType]; ProfileID='00C0'; Endpoint='01'; Cluster='01'; Len='01'; Timeout=''; %Depenent del GPIO que entri per els arguments enviarem la dada per un GPIO %o un altre, aquest valor ve donat per la funcio narda if (gpio == 0) Offset='0A00'; end if (gpio == 1) Offset='0B00'; end if (gpio == 2) Offset='0C00'; end if (gpio == 3) Offset='0D00'; end if (gpio == 4) Offset='0E00'; end if (gpio == 5) Offset='0F00'; end Data=dec2hex(valor,2);


‐ 94 ‐

%Creem la cadena de la comanda a enviar cad=crear_cadena(resta,Address,ProfileID,Endpoint,Cluster,Offset,Len,Data,Timeout); %Enviem la comanda fwrite(s1,cad);


‐ 95 ‐

Annex B: Programa per a rebre potencia del mòdul ZigBee

function rebre_potencia(Sortida,mostres)

global Contador

PortSerie=5;

%Activen el switch

dispositiu=1;%Router, si posem 2 sera coordinador

%Configurem els ports de sortida o entrada

config_portsIO(dispositiu,PortSerie);%Router, si posem 2 sera

coordinador

%Cridarem la funcio enviar_dada(port a enviar la dada, valor a

enviar,

%dispositiu a enviar la dada (router 1, coordinador 2))

if Sortida==0, %Si el port coincideix que es amb 1 commutarem

la dada per configurar el switch de entrada

enviar_dada(1,0,dispositiu); %GPIO1

else

enviar_dada(1,1,dispositiu); %GPIO1

end

%--------------------

pause(1)


Contador=0;

end;

%Variables del script

n=0;

index=1;

a=1;

b=1;

interruptor=0; %Variable intercalacio de canals

%Necessitarem agafar el doble de mostres ja que que estarem rebent

de dos

%canals separats, per tant rebrem intercaladament l'un i laltre

canal1=10;

canal2=10;


‐ 96 ‐

canal3=10;

mesura1=[];

mesura2=[];

mesura3=[];

t1=[];

t2=[];

t3=[];

opcio=dispositiu;

if opcio==1,

%Router

Address='0100000001663000';

end

if opcio==2,

%Coordinador

Address='0000000001663000';

end

%Obrim la connexi?amb el dispositiu


%Dades per a crear el paquet ZigBee

SOP='FD';

length='11';

ProfileID='00C0';

Endpoint='01';

Cluster='01';

Len='02';

Data='';

Timeout='';

MSGType='05';

offset1=0; %ADCX

offset2=0; %ADCY

offset3=1; %ADCZ

canal1=0;

canal2=0;

canal3=1;

t0=clock; %Varible que correspon al temps inicial, per poder

realitzar calculs temporals

%Bucle per rebre les dades


‐ 97 ‐

while(index<=mostres+1)

if canal1==1 , %Si el canal s'ha seleccionat previament

%Offset del canal que cal enviar

Offset='0000';%ADC0 o ADCX

%Aquesta comanda s'utilitza per a poder canviar el TransID

i d'aquesta

%forma poder enviar mes d'una comanda per connexi?i no fer-ho

manualment





%Cridem a la funci?per crear la cadena de caracters que ens

la retorna en

%Hex

cad=crear_cadena(resta,Address,ProfileID,Endpoint,Cluster,Offse

t,Len,Data,Timeout);

%Enviem la comanda al dispositiu

fwrite(s1,cad);

%Rebem el paquet i filtrem les dades que nosaltres volem, nomes

utilitzarem

%la potencia i LQI (per a proves de senyal)

[LQI,ADCZ] = filtre_dades(s1);

mesura1(index)=ADCZ;

potencia(index+n)=LQI;

t_pot(index+n)=etime(clock,t0); %Temps utilitzat per fer la

grafica del LQI si es requereix

n=n+1; %Contador per guardar el LQI i el t_pot en una taula

acumulativa

t1(index)=etime(clock,t0);

end

if canal2==1 ,


‐ 98 ‐

Offset='0200';%ADC0 o ADCY






fwrite(s1,cad);




t_pot(index+n)=etime(clock,t0);

n=n+1;


end

if canal3==1 ,

Offset='0400';%ADC3 o ADCZ






fwrite(s1,cad);





n=n+1;


end

n=0;

index=index+1;

end

save mesura.mat mesura3 t3 potencia

%diff(t1)

disp('Finalitzat OK!');


‐ 99 ‐

%Tanquem la connexi?un cop acabat el proces

fclose(s1);

%-------------------------

function config_portsIO(opcio,PortSerie)

%Creem una variable global de Matlab ja que sino es aix no podrem

enviar


de


global Contador


Contador=0;

end;

if opcio==1,

%Router

Address='0100000001663000';

end

if opcio==2,

%Coordinador

Address='0000000001663000';

end


SOP='FD';

length='12';



MSGType='01';



ProfileID='00C0';

Endpoint='01';

Cluster='01';

Offset='1200';

Len='01';

Timeout='';


sigui 0


‐ 100 ‐


%GPIO5...GPIO0


%Port de connexio COM3 en el nostre cas

%Cridem obertura del socket





%Enviem la comanda

fwrite(s1,cad);

fclose(s1);


‐ 101 ‐

Annex C : Programa de monitorització i control automàtic de potencia en el

sistema RFID.

function Vatenuador=valor_final_potencia(sortida,PotenciaFinal)

global Contador


Contador=0;

end;


%----------------------------------------

%Obro el port

PortSerie=5;


%Configurar GPIO

config_ports_IO(s1,dispositiu)

% Posem el switch

if sortida==0, %Si el port coincideix que es amb 1 commutarem la dada

per configurar el switch de entrada

enviar_dada_IO(s1,0,0,dispositiu); %GPIO_0

else

enviar_dada_IO(s1,0,1,dispositiu); %GPIO_0

end

fclose(s1);

%%% Suposem que el valor grabat es 0

Vatenuador=0;

%Carreguem les mesures d'avaluacio del Modul de sensor de potencia

load corba_potencia_0.mat

NivellFinal=calcula_nivell(Pin,Nivell,PotenciaFinal)

Vinicial=rebre_potencia_rapid(10);

%Fem comparacio de la potencia mesurada amb la potencia

final,incrementem


‐ 102 ‐

%el Wiper de 0 amb passos de 5, quan la diferencia es memor que 2

%incrementem amb pas de 1.

Increment=5;

Pinicial=calcula_potencia(Pin,Nivell,Vinicial)

PMesurada=Pinicial;

while PMesurada<PotenciaFinal,

incrementa_no_graba_rapid(Increment);

Vatenuador=Vatenuador+Increment

v=rebre_potencia_rapid(10);

PMesurada=calcula_potencia(Pin,Nivell,v)

if PMesurada>PotenciaFinal-2, Increment=1; end

end;

%%----------------------

function v=calcula_nivell(Pin,Nivell,valor)

v=interp1(Pin,Nivell,valor);

%%----------------------

function v=calcula_potencia(Pin,Nivell,valor)

v=interp1(Nivell,Pin,valor);

%--------------------------------

function vmig=rebre_potencia_rapid(mostres)

global Contador


Contador=0;

end;

PortSerie=5;

%Activen el switch




‐ 103 ‐

%config_ports_IO(s1,dispositiu)

%Variables del script

n=0;

index=1;

a=1;

b=1;

interruptor=0; %Variable intercalaci?de canals

%Necessitarem agafar el doble de mostres ja que que estarem rebent

de dos

%canals separats, per tant rebrem intercaladament l'un i laltre

canal1=10;

canal2=10;

canal3=10;

mesura1=[];

mesura2=[];

mesura3=[];

t1=[];

t2=[];

t3=[];

opcio=dispositiu;

if opcio==1,

%Router

Address='0100000001663000';

end

if opcio==2,

%Coordinador

Address='0000000001663000';

end

%Dades per a crear el paquet ZigBee

SOP='FD';

length='11';

ProfileID='00C0';

Endpoint='01';

Cluster='01';


‐ 104 ‐

Len='02';

Data='';

Timeout='';

MSGType='05';

offset1=0; %ADCX

offset2=0; %AADCDY

offset3=1; %ADCZ

canal1=0;

canal2=0;

canal3=1;

t0=clock; %Varible que correspon al temps inicial, per poder realitzar

calculs temporals

%Bucle per rebre les dades

while(index<=mostres+1)

if canal1==1 , %Si el canal s'ha seleccionat previament

%Offset del canal que cal enviar

Offset='0000';%ADC0 o ADCX

%Aquesta comanda s'utilitza per a poder canviar el TransID i

d'aquesta

%forma poder enviar mes d'una comanda per connexi?i no fer-ho

manualment





%Cridem a la funci?per crear la cadena de caracters que ens la

retorna en Hex


‐ 105 ‐


Len,Data,Timeout);

%Enviem la comanda al dispositiu

fwrite(s1,cad);

%Rebem el paquet i filtrem les dades que nosaltres volem, nomes

utilitzarem

%la potencia i LQI (per a proves de senyal)




t_pot(index+n)=etime(clock,t0); %Temps utilitzat per fer la

grafica del LQI si es requereix

n=n+1; %Contador per guardar el LQI i el t_pot en una taula

acumulativa


end

if canal2==1 ,

Offset='0200';%ADC0 o ADCY





Len,Data,Timeout);

fwrite(s1,cad);





n=n+1;


end


‐ 106 ‐

if canal3==1 ,

Offset='0400';%ADC3 o ADCZ





Len,Data,Timeout);

fwrite(s1,cad);





n=n+1;


end

n=0;

index=index+1;

end

vmig=mean(mesura3);

fclose(s1);

%-------------------------

%-------------------------

function incrementa_no_graba_rapid(Valor)

%Cas Incrementa i no graba el valor al EEPROM

%Modul Zigbee


% Adreca Port Seria

PortSerie=5;


‐ 107 ‐


%--------------------------------------


%GPI1=CS


%GPI2=U/D


incrementar

%GPI1=CS


for i=1:Valor,

%GPI2=U/D



%pause(0.1);

end;

dada=1;enviar_dada_IO(s1,2,dada,dispositiu); %=0Graba a la EPPROM,=1

no ho graba

%GPI1=CS


fclose(s1);

%----------------------------------------------------------------

----


%----------------------------------------------------------------

----


PortSerie=5;


enviar


de



‐ 108 ‐

global Contador


Contador=0;

end;

if dispositiu==1,

%Router

Address='0100000001663000';

end

if dispositiu==2,

%Coordinador

Address='0000000001663000';

end


SOP='FD';

length='12';



MSGType='01';



ProfileID='00C0';

Endpoint='01';

Cluster='01';

Offset='1200';

Len='01';

Timeout='';


sigui 0


%GPIO5...GPIO0




Len,Data,Timeout);

%Enviem la comanda

fwrite(s1,cad);


‐ 109 ‐

%----------------------------------------------------------------

---


PortSerie=5;


enviar


de


global Contador


Contador=0;

end;

n=0;


if dispositiu==1,

%Router

Address='0100000001663000';

end

if dispositiu==2,

%Coordinador

Address='0000000001663000';

end


SOP='FD';

length='12';



MSGType='01';



ProfileID='00C0';

Endpoint='01';

Cluster='01';

Len='01';

Timeout='';


un GPIO

%o unaltre, aquest valor ve donat per la funcio


‐ 110 ‐

if (gpio == 0)

Offset='0A00';

end

if (gpio == 1)

Offset='0B00';

end

if (gpio == 2)

Offset='0C00';

end

if (gpio == 3)

Offset='0D00';

end

if (gpio == 4)

Offset='0E00';

end

if (gpio == 5)

Offset='0F00';

end




Len,Data,Timeout);

%Enviem la comanda

fwrite(s1,cad);


‐ 111 ‐

Apèndix

Documents

Disseny de sistema de monitorització de potencia …deeea.urv.cat/public/PROPOSTES/pub/pdf/1582pub.pdf• Argentina: CNC (Comissió Nacional de Comunicacions). • Xile: Ministeri