REALIZACIJA RADIO MODEMA SA JEDNOM KLASOM RADIO PRIMOPREDAJNIKA ZA MEĐURAČUNARSKU KOMUNIKACIJU

Saša Vukosavljev, Uroš Grbić, Branislav Atlagić Fakultet tehničkih nauka, Katedra za računarsku tehniku i računarske komunikacije, Novi Sad

Sadržaj – Ovaj rad prikazuje rezultate bežične među-računarske komunikacije omogućenjene primenom radio modema koji je realizovan korišćenjem Chipcon CC2400 radio primopredajnika i Micronas PUC3030A programa-bilnog kontrolera. Ideja izrade ovog radio modema je da se ostvari kvalitetan bežični prenos različitih vrsta podataka: komandi, akvizicionih podataka, zvuka i slike na udaljenosti od nekoliko desetina, pa sve do stotinak metara. Krajnji cilj je ugradnja rešenja u autonomni robot.

1. UVOD

Potreba za izradom jednog ovakvog radio uređaja se pojavila u toku razvoja autonomnog robota predviđenog za nadzor, osmatranje, snimanje, i konačno prenos takvih podataka u realnom vremenu do nadzorne računarske jedinice.

Osnovni zahtevi ciljnog rešenja su veliki domet, mala potrošnja, jednostavan protokol i niska cena Uporedne karakteristike rešenja za bežicnu komunikaciju date su u tabeli1:

Tabela 1: Uporedne karakteristike

RF moduli Bluetooth Chipcon RF

WLAN

Brzina [Kb/s]

do 115.2 460 (1000)

1000 11000

Domet [m]

100 10-klasa2 100-klasa1

150 150

Spega Serijska asinhrona

Serijska asinhrona/sinhrona

Serijska sinhrona

PCI

Mane Mala brzina

Slozen protokol

PCI sprega

Nakon pregleda uporednih karakteristika izabran je

Chipcon radio primopredajno integrisano kolo. Chipcon norveška kompanija proglašena 2005. godine za svetskog lidera na polju bežičnih komunikacija kratkog dometa, pri čemu su važne odlike ovih proizvoda: mala potrošnja, niska cena, jednostavan protokol i izuzetna efikasnost. Bluetooth uređaji klase 2 zbog komplikovanog protokola, neznatno veće potrošnje, dometa do 10m i znatno veće cene, nisu prihvaćeni kao tehničko rešenje, a od upotrebe bežičnog LAN-a se odustalo iz razloga što mali kontroleri kao što je Micronas PUC3030A nemaju sprežni PCI sistem.

Radio-frekventni primopredajnik CC2400 koji je spregnut preko sinhronog serijskog prolaza (Synchronous Serial Ports - SSP) sa kontrolerom, operativan je na nelicenciranom frekventnom opsegu od 2,4GHz i podržava brzine protoka podataka od 1Mb/s, 250kb/s i 10kb/s, pri čemu je prema proizvođačkoj specifikaciji maksimalan domet komunikacije približno 150m pri brzini od 1Mb/s, odnosno 250m pri brzini od 250kbps.

2. CC2400 RF PRIMOPREDAJNIK

CC2400 je radio-frekventni primopredajnik radne frekvencije 2.4 GHz izrađen u CMOS tehnologiji. To je robustan radio primopredajnik namenjen za bežični prenos podataka na fizičkim arhitekturama sa ugrađenim aplikacijama. Osnovne prednosti ovog primopredajnika su mala potrošnja, mali radni napon i niska cena. Upravo te odlike svrstavaju ga u red integrisanih kola sa širokom primenom, a najviše na polju bežičnih audio uređaja, uređaja za daljinsko upravljanje, PC periferija, kontrolera za računarske igre kao i u industriji igračaka i sportskih rekvizita. Osnovne karakteristike CC2400:

odlična prijemna osetljivost brzine bežičnog prenosa podataka do 1Mb/s mala potrošnja (max 23mA) napon napajanja od 1.8V do 2.0 V napajanje ulazno-izlaznih izvoda (1.6–3.6V) programabilna izlazna snaga rukovanju paketski orijentisanim protokolima baferovanje podataka sa 32-bajtnom FIFO(First

In First Out) memorijom minimalan broj spoljnih komponenti digitalni RSSI(Receive Signal Strength

Indicator) izlaz QLP-48 kućiste(7x7mm) jednostavna a konfigurisanje CC2400 jednostavan protokol.

Paketski radio protokol treba da vodi računa o optimalnoj veličini paketa, organizaciji i tretiranju zaglavlja paketa, načinu adresiranja i usmeravanja, kontroli greške - tehnici njenog otkrivanja i ispravljanja putem zaštitnog kodovanja i/ili mehanizmom ponovljenog prenosa pogrešno prenetih paketa, izboru tipa veze sa uspostavljanjem ili bez uspostavljanja logičke veze (ponekad vreme potrebno za prenos paketa može biti duže od vremena uspostavljanja veze), tehnici višestrukog pristupa zajedničkom kanalu, itd.

Kod sinhronog paketskog protokola sinhronizacija je na nivou bita. Prijemnik se sinhroniše na osnovu sinhronizacione preambule. Svaki paket počinje sa tačno određenom grupom bita sa funkcijom razgraničavača paketa na koji se okida prijemnik. Sinhroni protokol je složeniji za implementaciju zbog primene digitalnih faznih petlji za izvlačenje takta i linijskog kodovanja, ali je zauzvrat mnogo otporniji na smetnje u realnom radio kanalu. Ako je npr. za sinhronizaciju potrebna preambula od 16 bita, za gubitak sinhronizacije biće potrebno isto toliko oštećenih bita.

3. SINHRONA SERIJSKA SPREGA

CC2400 se konfiguriše pomoću jednostavne četvoro-linijske serijske sinhrone sprege (SI, SO, SCLK i CSn), pri čemu je CC2400 prateći uređaj (slave), budući da prima instrukcije od mikrokontrolera koji ima ulogu vodećeg ugeđaja (master).

Zbornik radova 50. Konferencije za ETRAN, Beograd, 6-8. juna 2006, tom III Proc. 50th ETRAN Conference, Belgrade, June 6-8, 2006, Vol. III

49

Ukupno postoji 44 šesnaestobitnih konfiguracijskih registara, 9 komandnih-strobe registara(radnja se izvršava odmah nakon pristupa registru), i 1 registar preko kojeg se pristupa FIFO memoriji. Svaki registar ima sedmobitnu adresu. FIFO memorijski registar ima osmobitnu širinu. Bit čitaj/piši (R/W bit) ukazuje na operaciju čitanja ili upisa, i zajedno sa sedmobitnom adresom formira osmobitno adresno polje. Adresiranjem komandnih registara, startuju se određene interne sekvence kao što je na primer brz prelazak iz prijemnog (RX) u predajni (TX) režim rada.

Konfigurisanje CC2400 se izvodi slanjem 44 okvira podataka (data frames), koji sadrže 24 bita (1 R/W bit + 7 adresnih bitova + 16 bitova s podacima). Vreme koje je potrebno za potpuno konfigurisanje CC2400, zavisi od frekvencije takta sinhrone serijske sprege - SCLK (na pr. pri SCLK frekvenciji od 20MHz, to vreme iznosi oko 5 µs).

Mikrokontroler mora biti u mogućnosti da programira CC2400 u različitim režimima rada, kao i da čita povratne statusne informacije preko četvorolinijskog SSP sprežnog sistema, koja se u baferovanom režimu rada koristi i za prenos podataka. Ukoliko se koristi nebaferovani prenos podataka, mikrokontroler mora biti u mogućnosti da se spregne sa dvolinijskom (DIO i DCLK) sinhronom spregom. Na slici 1. prikazani su načini sprezanja sa vodećim kontrolerom.

Slika 1. Mikrokontrolerska sprega

Ukoliko se koristi baferovani radni režim, FIFO izvod može se koristiti za izazivanje prekida mikrokontrolera u slučaju da je FIFO memorija primopredajnika puna, odnosno prazna. Isto tako, ukoliko se koristi baferovani režim, pomoću PKT izvoda moguće je izazvati prekid kada je primljena sinhronizaciona reč (sync word) u prijemnom RX načinu rada, ili kada je paket poslat u predajnom TX načinu rada. RX i TX izvodi mogu da se koriste za promenu radnog režima CC2400 kao alternativa korišćenju strobe komandi. GIO1 i GIO6 izvodi kontrolera mogu se opciono koristiti za nadzor određenih statusnih podataka.

4. NAČIN RADA CC2400 RF PRIMOPREDAJNIKA

CC2400 moguće je programirati tako da se dobiju optimalne performanse koje bi se koristile u različitim aplikacijama. Pomoću programabilnih konfiguracijskih registara moguće je programirati sledeće funkcije i parametre:

prijemno-predajni način rada frekventni opseg modulacije izlazna snaga radio signala FSK devijaciju frekvencije power-down/power-up režin rada uključivanje/isključivanje krist.oscilatora protok podataka i linijsko kodiranje provera rada frekvencijskog sintisajzera FSK/GFSK modulacija baferovanje podataka.

CC2400 ima ugrađenu fizičku podršku za paketski orijentisane radio protokole. Podrška u baferovanom režimu pri rukovanju paketom sastoji se u konstukciji paketa u predajnom načinu rada:

generisanjem preambule sa programabilnom dužinom

dodavanjem programabilne sinhronizacijske reči

izračunavanje CRC-a(Cyclic Redundanchy Check).

U prijemnom načinu rada podrška se svodi na raspakivanje paketa: otkrivanje sinhronizacijske reči računanjem i proverom primljenog CRC-a

CC2400 može da se koristi u baferovanom i nebaferovanom režimu rada, upotrebom baferovane i nebaferovane sprege. U baferovanom režimu se koristi 32-bajtni FIFO memorijski blok za predaju/prijem podataka. Više bajtova mogu da se upišu/čitaju u FIFO bez ponavljanja adrese. Prilikom pristupa FIFO-u, kristalni oscilator mora biti u stabilnom radnom režimu. Više od 32 bajta moguće je primiti, pod uslovom da se, tokom prijema, FIFO iščitava. Isto tako, više od 32 bajta moguće je poslati, ali pod uslovom da se novi podaci upisuju u FIFO memoriju u toku prenosa. Na slici 2. prikazan je na koje načine može da se koristi FIFO u toku prenosa.

Slika 2. Načini korišćenja FIFO memorije u predajnom

načinu rada

U nebaferovanom režimu, sinhroni takt se omogućuje posredstvom DCLK signala, a DIO se koristi za određivanja ulazno-izlaznih podatka.CC2400 može se konfigurisati za različite radne režime, kodne šeme i podrške pri rukovanju paketom.

Na slici 3. prikazan je paket koji se prenosi, a sastoji se od četiri komponente: preambule, sinhronizacione reči, podataka i CRC-a. Podaci se, stavljaju u paket, putem programske aplikacije, a ostale tri komponente se generišu i umeću u paket od strane CC2400. Preambula je oblika ‘(0)101010….’. Prvi bit u preambuli je uvek isti kao prvi bit

50

sinhronizacione reči. Dužina preambule je programabilna, a preporučena dužina je 4 bajta. Sinhronizaciona reč se takođe može programirati, preporučena dužina je 32 bita, što pruža visoku otpornost na prijem lažne sinhronizacione reči.

Slika 3. Format paketa

U baferovanom radnom režimu, PKT se može koristiti kao prekidni signal mikrokontrolera pri nadzoru poslatih i primljenih paketa. PKT signal moguće je postaviti tako da izvrši prekid kada je frekvencijski sintesajzer zaključan i spreman da primi odnosno pošalje paket. Tada se može aktivirati prijemni (RX) odnosno predajni (TX) režim rada.U RX radnom režimu dolazi do prekida onog trenutka kada se otkrije sinhronizaciona reč (sync word) i tog trenutka ulazni podaci se upisuju u FIFO. U ovom radnom režimu PKT signal ostaje na niskom logičkom nivou sve dok se ne prime sva 32 bajta, bez obzira na dužinu primljenog paketa (CC2400 ne prepoznaje dužinu primljenog paketa).U TX radnom režimu, prekid se dešava onog trenutka kada se FIFO isprazni, dva CRC bajta pošalju i predajnik isključi. U ovom radnom režimu signal PKT samo na kratko ostaje na niskom logičkom nivou od onog trenutka kada je predaja paketa završena.

Slika 4. Vremenski dijagrami PKT i FIFO signala

CC2400 ima u sebi ugrađen mehanizam kontrole režima rada koji se koristi pri prelasku iz jednog režima rada u drugi. Radni režim se može promeniti upisivanjem u komandne registre ili jednostavno korišćenjem namenskih izvoda.

Treba istaći da brzina prenosa podataka radio signalima nije identična brzini prenosa podataka između mikrokontrolera i CC2400. To znači da mikrokontroler prenosi podatake (čitanje i upis), mnogo manjom brzinom prenosa od one kojom radi RF primopredajnik. Mikrokontroler ima mogućnost čak i da prepusti rukovanje trenutnom predajom RF primopredajniku, ukoliko se to zahteva. Ovo je u suprotnosti sa klasičnim RF primopredajnicima bez FIFO registra, kod kojih

mikrokontroler mora konstantno kontrolisati sprežni sistem. Paketskim načinom komunikacije postiže se smanjenje prosečne potrošnje kao i rasterećenje mikrokontrolera.

5. KARAKTERISITKE PLATFORME COLUMBUS BOARD

Za realizaciju radio-modemskog uredjaja korišćen je programabilni kontroler Micronas PUC3030A koji se nalazi na platformi Micronas Columbus Board. Osim kontrolera na platformi se nalaze grafički LCD ekran, tastatura, JTAG sprega, audio podsistem, I2C i USB sprežni podsistem i memorijska flash kartica. JTAG sprega omogućuje pristup kontroleru u procesu učitavanja programa i praćenja izvršavanja. Unutrašnja struktura programabilnog kontrolera PUC3030A prikazana je na slici 5.

Osnova PUC3030A kontrolera je ARM7TDMI je RISC (Reduced Instruction Set Computer) procesorsko jezgro i sadrži sledeći skup karakterističnih osobina: veliki skup registara, Load–Store arhitekturu gde se obrada podataka izvodi nad sadržajem registara, jednostavne adresne režime - gde se adrese za Load/Store instrukcije određuju iz sadržaja registara ili neposredno iz instrukcije, fiksnu dužinu instrukcija - što pojednostavljuje instrukcijski dekoder, kontrolu aritmetičko logičke jedinice i pomerača u svakoj instrukciji obrade podataka što omogućuje njihovo maksimalno iskorišćenje, adresni režim samouvećavanja (autoincrement) i samoumanjivanja (autodecrement) da bi se optimizovale programske petlje, višestruke Load i Store instrukcije da bi se povećao protok podataka, uslovno izvršavanje svih instrukcija da bi se povećala brzina izvršavanja, itd.

Slika 5. Struktura kontrolera PUC3030A

6. FIZIČKA REALIZACIJA RADIO MODEMA

Radio modem se sastoji od četiri strukturne celine: RF dela, antene, regulatora napajanja i konektora za spregu sa mikrokontrolerom. Dimenzije radio modema su 73 x 48 x 1,5 mm i izveden je u četvoroslojnoj štampi.

Radio frekventna električna kola koja rade na visokim frekvencijama su veoma osetljiva u pogledu fizičke izvedbe električnog kola, pa je kolo potrebno pažljivo optimizirati. Treba posebno obratiti pažnju na raspored i karakteristike svih ugrađenih elemenata, a preporuka je da spoljašnje komponente budu što manjih dimenzija. Upravo iz navedenih razloga, štampana ploča radio modema, realizovana je u četiri sloja. Prvi i četvrti sloj koriste se za trasiranje signalnih vodova, a drugi i treći međusloj koriste se za izvođenje mase i napajanja.

51

Radio modem ima integrisanu antenu koja je izvedena na gornjem sloju i ona predstavlja invertovani F-tip antene. Ovaj tip antene je zapravo antenski monopol kod koga je gornji deo povijen ka dole kako bi bio paralelan sa delom za uzemljenje.

7. PROGRAMSKA PODRŠKA ZA RUKOVANJE RADIO MODEMOM I KARAKTERISTIČNE SEKVENCE

Za korišćenje radio primopredajnika u jednom od navedenih način rada, potrebno je izvršiti programsku proceduru za inicijalizovanje kojom se upisuju i kalibrišu vrednosti konfiguracionih registara. Vrednost pojedinih registara se menja u zavisnosti od toga kojom brzinom prenosa podataka se želi raditi (data rate). Potrebno je napomenuti da je na Columbus razvojnoj plaformi ostvarena frekvencija radnog takta od 8,33MHz na SSP prolazu, dok je dozvoljena frekvencija takta koja omogućuje pristup registrima primopredajnika 20MHz.

Na slici 6. prikazana je tipična sekvenca signala prilikom inicijalizacije. Zatim je potrebno uključiti radio primopredajnik, a to podrazumeva uključivanje i kalibrisanje kristalnog oscilatora da bi radio modem mogao da obrađuje signale na SSP prolazima, što se ostvaruje korišćenjem strobe komandi. Na sličan način, potrebno je po izlasku iz predajno-prijemnog načina rada isključiti radio primopredajnik, odnosno postaviti ga u stand-by režim.

Slika 6. Sekvenca inicijalizacije

Nakon inicijalizacije potrebno je postavti primopredajnik u prijemni-predajni način rada i pokrenuti programske procedure za prenos-prijem paketa podataka. Na slici 7. 8. 9. su prikazane sekvence signala prilikom izrvšenja ovih programskih procedura.

Slika 7. Ciklus postavljanja u RX način rada

Slika 8. Ciklus slanja paketa

Slika 9. Ciklus prijema paketa

8. ISPITIVANJE I ZAKLJUČAK

Ispitivanje razvojne platforme radio modema, dalo je određena odstupanja od deklarisanih rezultata koje je proizvođač naveo u specifikaciji. Prema tim rezultatima, maksimalna udaljenost pri kojoj je moguće ostvariti prenos podataka pri brzini prenosa od 1Mb/s, iznosi 140 metara, a pri brzini prenosa od 250 kb/s čak 250 metara. Testiranjem naše platforme maksimalna udaljenost pri kojoj je moguće ostvariti prenos podataka u liniji optičke vidljivosti, pri brzini prenosa od 1Mb/s i 250 kb/s, iznosi 30 metara. Treba napomenuti važnu činjenicu da rezultate koje je proizvođač dobio su ispitivanja u sledećim uslovima: liniji optičke vidljivosti, sa jednostavnim paketskim protokolom. Naši rezultati dobijeni su po realnim vremenskim uslovima u sredini gde je prisutan veliki broj radio izvora koji utiču na ometanje signala. Zamenom antene realizovane na štampanoj ploči sa namenskom spoljnom antenom prvenstveno bih uticala na domet.

Sa sigurnošću se može reći da će se u budućnosti sve više koristiti prednosti bežičnog prenosa podataka, počevši od upotrebe u domaćinstvu pa sve do primene u industriji. Neosporno je da će opisani način komunikacije biti jedan od važnijih elemenata na kome će se zasnivati i mnogi robotski sistemi, zbog respektivnog protoka podataka koji je moguće ostvariti, dobrog dometa komunikacije, izuzetne efikasnosti, odlične prijemne osetljivosti, jednostavnog protokola i niske potrošnje. Na kraju, ono što je u današnje vreme često presudno, ovaj vid bežičnog prenosa se odlikuje i niskom cenom izvedbe u odnosu na alternativna rešenja.

Napomena: Rad je delimično podržan od strane Ministarstva za nauku i zaštitu životne sredine Republike Srbije, ugovor EE-232008.

LITERATURA

[1] ARM Architecture Reference, http:// www.arm.com [2] MICRONAS PRELIMINARY DATA SHEET:

“PU303XA Programmable Universal Controller”, Edition April 2, 2002.

[3] Chipcon AS SmartRF® CC2400 PRELIMINARY Datasheet (rev. 1.3), 2004-10-20.

Abstract – This paper deals with the result of the wireless communication project using the radio modules based on the Chipcon CC2400 RF transciever and Micronas PUC3030A controller. The goal of this project was the development of the well and cheap wireless solution for the various data type transfer.

THE RADIO MODEM APPLICATION BASED ON THE RF TRANSCEIVER IC

Saša Vukosavljev, Uroš Grbić, Branislav Atlagić

52

/ColorImageDict > /JPEG2000ColorACSImageDict > /JPEG2000ColorImageDict > /AntiAliasGrayImages false /DownsampleGrayImages true /GrayImageDownsampleType /Bicubic /GrayImageResolution 300 /GrayImageDepth -1 /GrayImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeGrayImages true /GrayImageFilter /DCTEncode /AutoFilterGrayImages true /GrayImageAutoFilterStrategy /JPEG /GrayACSImageDict > /GrayImageDict > /JPEG2000GrayACSImageDict > /JPEG2000GrayImageDict > /AntiAliasMonoImages false /DownsampleMonoImages true /MonoImageDownsampleType /Bicubic /MonoImageResolution 1200 /MonoImageDepth -1 /MonoImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeMonoImages true /MonoImageFilter /CCITTFaxEncode /MonoImageDict > /AllowPSXObjects false /PDFX1aCheck false /PDFX3Check false /PDFXCompliantPDFOnly false /PDFXNoTrimBoxError true /PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXSetBleedBoxToMediaBox true /PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXOutputIntentProfile () /PDFXOutputCondition () /PDFXRegistryName (http://www.color.org) /PDFXTrapped /Unknown

/Description >>> setdistillerparams> setpagedevice