Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

Transkrypt

1 Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska Opracowanie na postawie: Noty Texas Instruments: SWRS048, DN503 (SWRA112b), SWRS040C, SWRS041B Nordic Semiconductor: nrf2401 Single Chip 2,4 GHz Radio Transceiver, nrf24l01+ Single Chip 2,4 GHz Radio Transceiver

2 Zygmunt Kubiak IIPP 2

3 Producent f. Chipcon (obecnie przejęta przez Texas Instruments) Zakres częstotliwości: MHz Programowalna czułość nadajnika (od -20dBm do 10dBm) Zasięg do 2000 m Prędkość transmisji danych do 76,8 kbaud Modulacja: FSK, Manchester lub brak Wyjście RSSI kontrola poziomu odbieranego sygnału Oprogramowanie konfigurujące: SmartRF Studio Zygmunt Kubiak IIPP 2

4 Uproszczony schemat blokowy Zygmunt Kubiak IIPP 2

5 Syntezator częstotliwości z pętlą fazową Zygmunt Kubiak IIPP 2

6 Interfejs CC1000 PDATA, PCLK, PALE magistrala konfiguracyjna DIO, DCLK magistrala danych Zygmunt Kubiak IIPP 2

7 Konfiguracja rejestrów CC1000 Operacja zapisu TCL > 50 ns; pozostałe czasy > 10 ns PCLK < 10MHz Zygmunt Kubiak IIPP 2

8 Konfiguracja rejestrów CC1000 Operacja odczytu TCL > 50 ns; pozostałe czasy > 10 ns PCLK < 10MHz Zygmunt Kubiak IIPP 2

9 Interfejs danych CC1000 synchr. tryb NRZ Zygmunt Kubiak IIPP 2

10 Interfejs danych CC1000 synchr. tryb Manchester Zygmunt Kubiak IIPP 2

11 Interfejs danych CC1000 asynchr. tryb UART Zygmunt Kubiak IIPP 2

12 Interfejs danych CC1000 kodowanie Manchester Zygmunt Kubiak IIPP 2

13 Algorytm kalibracji CC1000 dla RX i TX Zygmunt Kubiak IIPP 2

14 Algorytm inicjalizacji CC Zygmunt Kubiak IIPP 2

15 Algorytm inicjalizacji CC Zygmunt Kubiak IIPP 2

16 Pomiar poziomu sygnału odbieranego Zygmunt Kubiak IIPP 2

17 Pomiar poziomu sygnału odbieranego dbm logarytmiczna jednostka miary mocy odniesiona do 1 mw (db odniesiony do mw stąd nazwa dbm). Moc wyrażona w dbm mówi o ile decybeli moc ta jest większa (lub mniejsza) od mocy 1 mw. Przykładowo 100 mw przeliczona na dbm wynosi: 10 * log 10 (100mW/1mW) = 10 * log 10 (100) = 10 * 2 = 20 dbm Przy czym: P [dbm] 30 = [dbw] Zygmunt Kubiak IIPP 2

18 Przykładowe wartości mocy w mw i odpowiadające im moce w dbm Moc w dbm Moc w mw -10 0, Zygmunt Kubiak IIPP 2

19 Rejestry Zygmunt Kubiak IIPP 2

23 Podłączenie modułów CC1000 z UNI DC F020 (Silabs) z programową obsługą interfejsów (danych i konfiguracji) Zygmunt Kubiak IIPP 23

24 Rozwiązania sprzętowe Zygmunt Kubiak IIPP 2

25 Rozwiązania sprzętowe Zygmunt Kubiak IIPP 2

27 Producent f. Chipcon (obecnie przejęta przez Texas Instruments) Zakres częstotliwości: ,5 MHz Wysoka czułość odbiornika (-104dBm przy 2,4kBaud i 1% stopie błędów) Programowana moc wyjściowa do +1 dbm Prędkość transmisji danych do 500 kbaud Modulacja: OOK, 2-FSK, GFSK i MSK Cyfrowe wyjście RSSI kontrola poziomu odbieranego sygnału Interfejs SPI (do 10 MHz) Oprogramowanie konfigurujące: SmartRF Studio Zygmunt Kubiak IIPP 27

28 Schemat aplikacyjny CC Zygmunt Kubiak IIPP 28

29 Schemat blokowy CC Zygmunt Kubiak IIPP 29

30 Środowisko konfiguracyjne CC Zygmunt Kubiak IIPP 30

31 Środowisko uruchomieniowe CC Zygmunt Kubiak IIPP 31

32 Format pakietu CC2500 Opcjonalne pola Pole długości Pole adresów Pole CRC (2 bajty) CRC nadmiarowe zabezpieczenie danych przy wykorzystaniu kodowania liniowego w celu wykrywania błędów transmisji FEC (ang. Forward Error Correction) - metoda korekcji błędów oparta na kodowaniu splotowym Zygmunt Kubiak IIPP 32

33 Format pakietu CC2500 Operacja wybielania danych (ang. data whitening) -jej zadaniem jest uniknięcie długich sekwencji zer lub jedynek co oznaczałoby wprowadzenie składowej stałej Zygmunt Kubiak IIPP 33

34 FEC (ang. Forward Error Correction) Zastosowana do korekcji błędów metoda kodowania splotowego powoduje dwukrotne zwiększenie długości zabezpieczanego bloku danych. W celu zwiększenia odporności na błędy dodatkowo przy włączeniu FEC dodatkowo stosowany jest przeplot. FEC gdy minimum 2 bajty danych Zygmunt Kubiak IIPP 34

35 4-przewodowy interfejs SPI Faza i polaryzacja zegara Zygmunt Kubiak IIPP 35

36 4-przewodowy interfejs SPI CC2500 zawiera 47 rejestrów konfiguracyjnych (adr. 0 0x2E) Nagłówek z adresem Bity sterujące: R/W odczyt (R/W =1)/zapis danych (R/W =0), B=1 tryb burst, B=0 pojedynczy dostęp do rejestru Pojedynczy dostęp bajtowy (zapis i odczyt) Zygmunt Kubiak IIPP 36

37 4-przewodowy interfejs SPI Dostęp burst Operacja zapisu w trybie burst (bajt z adresem a potem 3 bajty danych wpisywane są do kolejnych rejestrów) Operacja odczytu w trybie pojedynczego dostępu (odczytywane są dane z kolejnych trzech rejestrów) Zygmunt Kubiak IIPP 37

38 Operacja zapisu i odczytu rejestru konfiguracyjnego CC Zygmunt Kubiak IIPP 38

39 Stroby poleceń (adr. 0x30 0x3F) są pojedynczymi bajtami instrukcji, które inicjują wewnętrzne sekwencje układu, np. start odbioru, start nadawania, przejście do trybu uśpienia itp. SIDLE wyjście z RX/TX, wyłączenie syntezatora i przejście do stanu bezczynności SRES programowy reset układu Zygmunt Kubiak IIPP 39

40 Status układu jest przekazywany przy wysyłaniu do układu nagłówka z adresem (1, 3), danych (2) lub strobów poleceń Pierwszy transfer zapis 0x0A do rejestru 0x02; odczytany status układu 0x0F oznacza liczbę bajtów (15 lub więcej) dostępnych w rejestrze TX FIFO Drugi transfer odczyt z rejestru 0x02 wartości 0x0A; odczytany status (3) 0x00 oznacza, że układ znajduje się w stanie bezczynności (IDLE) a RX FIFO jest pusty Zygmunt Kubiak IIPP 40

41 Bajt statusu CC Zygmunt Kubiak IIPP 41

42 Podłączenie modułów CC2500 z UNI DC F020 (Silabs) ze sprzętową obsługą SPI Zygmunt Kubiak IIPP 42

43 Moduły z układem CC Zygmunt Kubiak IIPP 43

45 Producent f. Nordic Semiconductor Zakres częstotliwości: ,5 MHz (pasmo ISM) 126 kanałów radiowych Wysoka czułość odbiornika (-82dBm przy 2Mbps, -94dbm przy 250 kbps) Programowana moc wyjściowa: 0, -6, -12, -18 dbm Prędkość transmisji danych 250 kbps, 1 Mbps, 2 Mbps Modulacja: GFSK Interfejs SPI (do 10 MHz) Tryby pracy: ShockBurst, Enhanced ShockBurst Tryb odbiornika Multiceiver równoległa obsługa do 6 nadajników z unikalnym adresowaniem w jednym kanale transmisyjnym Zygmunt Kubiak IIPP 45

46 Schemat blokowy układu nrf24l Zygmunt Kubiak IIPP 46

47 Tryb ShockBurst Pakiet w trybie ShockBurst Preambuła 1bajt o wartości 0x55 gdy pierwszy bit adresu =0 i 0xAA gdy pierwszy bit adresu =1 (bajty transmitowane od najmłodszego bitu) automatycznie dodawana do pakietu Pole adresu ma długość 8 40 bitów Ładunek razem z polem adresu i CRC ma maks. długość 256bitów CRC jest opcjonalne pole 8 lub 16 bitów Zygmunt Kubiak IIPP 47

48 Tryb Enhanced ShockBurst Dynamiczna długość pakietu 1 32 bajtów Automatyczna obsługa pakietów analogicznie jak trybie ShockBurst (przygotowanie CRC w nadajniku, automatyczne adresu i CRC w odbiorniku) Automatyczna obsługa transakcji Automatyczne potwierdzanie pakietów (pakiet ACK) Automatyczna retransmisja Odbiornik może obsługiwać tryb MultiCeiver równoległa obsługa do 6 nadajników z unikalnym adresowaniem w jednym kanale transmisyjnym Zygmunt Kubiak IIPP 48

49 Pakiet w trybie Enhanced ShockBurst CRC jest wyznaczane na podstawie wielomianu lub Pole kontrolne pakietu Długość ładunku 0 (000000) do 32 (100000) bajtów PID - Identyfikacja pakietu pole służy do rozróżnienia czy pakiet jest nowy czy retransmitowany. Bit NO_ACK wykorzystywany jest gdy używane jest auto potwierdzanie pakietu. Ustawienie flagi w stan wysoki oznacza dla odbiornika, że pakiet nie może być potwierdzony Zygmunt Kubiak IIPP 49

50 Tryb MultiCeiver Zygmunt Kubiak IIPP 50

51 Tworzenie adresu w trybie MultiCeiver Zygmunt Kubiak IIPP 51

52 Magistrala SPI Operacja odczytu Operacja zapisu Zygmunt Kubiak IIPP 52

53 Pamięć RX FIFO i TX FIFO Zygmunt Kubiak IIPP 53

54 Schemat aplikacyjny układu nrf24l Zygmunt Kubiak IIPP 54

55 Moduły z układem nrf24l01+ lub odpowiednikiem Zygmunt Kubiak IIPP 55

56 Podłączenie modułów nrf24l01p z UNI DC F020 (Silabs) ze sprzętową obsługą SPI Zygmunt Kubiak IIPP 56

58 Producent f. Chipcon (obecnie przejęta przez Texas Instruments) Wspiera protokół IEEE Zakres częstotliwości: ,5 MHz (16 kanałów) Wysoka czułość odbiornika (-95dBm przy 1% stopie błędów) Programowana moc wyjściowa: 8 kroków od -24dBm do 0dBm Prędkość transmisji danych 250 kbps (2MChip/s) Modulacja: O-QPSK (z rozpraszaniem widma) Interfejs SPI (do 10 MHz) RX FIFO B i TX FIFO B Oprogramowanie konfigurujące: SmartRF Studio Zygmunt Kubiak IIPP 58

59 Schemat blokowy układu radiowego CC Zygmunt Kubiak IIPP 59

60 Schemat aplikacyjny układu radiowego CC Zygmunt Kubiak IIPP 60

61 Środowisko konfiguracyjne układu radiowego CC Zygmunt Kubiak IIPP 61

62 Połączenie z mikrokontrolerem układu radiowego CC2420 FIFO wyjście aktywne gdy dane w FIFO FIFOP wyjście aktywne gdy przekroczenie bufora CCA określa poziom sygnału (czystość kanału) programowany jest próg (z krokiem 1dB przełączania wyjścia) SFD przechodzi w stan wysoki po wykryciu słowa synchronizującego Zygmunt Kubiak IIPP 62

63 Transmisja SPI w układzie CC Zygmunt Kubiak IIPP 63

64 Typy operacji poprzez SPI Przykład wielokrotnego dostępu Zygmunt Kubiak IIPP 64

65 Pin SFD w trakcie nadawania pakietu Zygmunt Kubiak IIPP 65

66 Format ramki IEEE Zygmunt Kubiak IIPP 66

67 Dane w RX FIFO jeśli ustawiony bit AUTOCRC Zygmunt Kubiak IIPP 67

68 Format ramki potwierdzenia Zygmunt Kubiak IIPP 68

69 Podłączenie modułów CC2420 z UNI DC F020 (Silabs) ze sprzętową obsługą SPI Zygmunt Kubiak IIPP 69

70 Moduły z układem CC Zygmunt Kubiak IIPP 70

72 Producent f. Microchip Zakres częstotliwości: ,5 MHz (16 kanałów) Wysoka czułość odbiornika (-95dBm przy 1% stopie błędów) Programowana moc wyjściowa -36 dbm do 0 dbm Prędkość transmisji danych 250 kbps (IEEE ); 625 kbps (Turbo mode) Modulacja: O-QPSK (z rozpraszaniem widma) Interfejs 4-przewodowy SPI (do 10 MHz) MRF24J40 jest zgodny ze standardem IEEE Zygmunt Kubiak IIPP 72

73 Schemat blokowy układu radiowego MRF24J Zygmunt Kubiak IIPP 73

74 Odczyt z krótkim adresem (6 bitów, adr. rej. 0 0x3F ) Zapis z krótkim adresem Zygmunt Kubiak IIPP 74

75 Odczyt z długim adresem (10 bitów, adr. rej. 0x200 0x24C) Zapis z długim adresem Zygmunt Kubiak IIPP 75

76 Mapa pamięci MRF24J Zygmunt Kubiak IIPP 76

77 Struktura ramek warstw PHY i MAC w IEEE Zygmunt Kubiak IIPP 77

78 Struktura superramki CAP przedział z rywalizacją CFP przedział bez rywalizacji GTS przedział gwarantowanego czasu Zygmunt Kubiak IIPP 78

79 Struktura superramki Start superramki może być generowany w granicach od 15 ms do 251 s W obszarze CAP (ang. Contention Access Period) dostęp do medium w szczelinach czasowych jest oparty na rywalizacji mechanizm CSMA-CA (ang. Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance) Koordynator PAN może wyznaczyć szczeliny czasowe dla konkretnego urządzenia (obszar CFP ang. Contention Free Period), które wymaga dedykowanej szerokości pasma lub transmisji o małych opóźnieniach. Tak przygotowane szczeliny czasowe nazywane są GTS (ang. Guaranted Time Slot) przedział czasu dostępu dla danego urządzenia, bez rywalizacji Zygmunt Kubiak IIPP 79

80 Tryb bez superramki z mechanizmem dostępu CSMA-CA Zygmunt Kubiak IIPP 80

81 Odległości między ramkami; LIFS i SIFS parametry ustawiane przy pomocy rejestrów (0x21,0x27, 0x2E) Zygmunt Kubiak IIPP 81

82 Odbierany pakiet Zygmunt Kubiak IIPP 82

83 Pakiet nadawany Zygmunt Kubiak IIPP 83