Беспроводные однокристальные микроконтроллеры

Однокристальные беспроводные микроконтроллеры

Многофункциональные однокристальные беспроводные решения обеспечивают разработчикам возможность удовлетворения самых высоких требований потребителей при одновременном увеличении гибкости приложений, сокращении количества необходимых комплектующих и занимаемого места на печатной плате. На сегодняшний день на рынке однокристальных беспроводных микроконтроллеров присутствуют несколько фирм: Atmel, Freescale Semiconductor, Microchip, Nordic, NXP, Silicon Laboratories, ST Microelectronics, Texas Instruments. Условия достаточно сильной конкуренции вынуждают компании постоянно совершенствовать архитектуру систем-на-кристалле, оптимизировать параметры приемопередатчиков, режимы энергосбережения, развивать программное обеспечение, предлагая программные библиотеки, стеки протоколов, среды и средства разработки.

Аппаратные возможности микроконтроллеров беспроводных систем-на-кристалле отличаются друг от друга, как по разрядности обрабатываемых данных, так и по максимальным рабочим частотам. Представлены 8-, 16-, и даже 32-битные процессорные ядра. Достаточно часто в качестве управляющих микроконтроллеров, в беспроводных системах-на-кристалле встречаются общепринятые стандартные процессорные ядра, такие как, 8-битные ядра архитектуры х51 и 32-разрядные ARM-ядра. В ряде случаев фирмами предлагаются законченные решения - беспроводные системы сбора данных, интегральные датчики физических величин.

Однокристальные решения для субгигагерцового диапазона

Для частот менее 1 ГГц разрешенные диапазоны в различных странах могут отличаться, и не всегда есть возможность использовать одну и ту же элементную базу, хотя предлагаемые компаниями решения чаще всего являются достаточно универсальными в плане выбора частоты передачи. Преимущества субгигагерцового диапазона касаются лучшей дальности устойчивой работы по сравнению с частотами диапазона 2,4 ГГц при одинаковой выходной мощности передатчика, уменьшению влияния препятствий на прохождение сигнала, что особенно актуально для работы внутри зданий и офисных помещений.

Системы-на-кристалле для данного диапазона предлагаются фирмами Freescale Semiconductor, Microchip, Nordic Semiconductor, Silicon Laboratories, Texas Instruments.

Frеescale Semiconductor

Frеescale Semiconductor [64] представлена СнК MC12311 (Рис. 5.1) на базе 8-битного малопотребляющего контроллера HCS08, соединенного с приемопередатчиком, поддерживающим несколько типов модуляции сигнала, включая OOK, FSK, GFSK и MSK. Интегрированным приемопередатчиком поддерживается широкий диапазон частот, включая частоты 315, 433, 470, 868, 915, 928 и 960 МГц и скорости передачи данных от 1.2 до 300 Кбит/с. Максимальная чувствительность в режиме приема при скорости передачи данных 1.2 кбит/с -120дБм, высокая селективность каналов обеспечивается КИХ фильтром 16-го порядка. Поддерживается аппаратное вычисление контрольных сумм, шифрование данных (AES128), присутствует 66-байтный FIFO-буфер.

Периферийные устройства включают в свой состав 10-каналый 12-битный АЦП, два аналоговых компаратора, генератор с частотой 243 КГц±0.2% (погрешность при изменении напряжения в пределах ±0.5%). Микроконтроллер системы-на-кристалле MC12311 сохраняет работоспособность при напряжениях питания от 1.8 до 3.6 В при максимальных рабочих частотах от 20 (при напряжении питания 1.8 - 2.1 В) до 50 МГц (3.6 В). Примечательно, что производительность приемопередатчика не зависит от напряжения питания системы. Дополнительно присутствуют встроенный датчик температуры, индикатор разряда батареи.

увеличить изображение
Рис. 5.1. Структурная схема MC12311

Интегрированная однокорпусная система серии MPXY8300 представляет собой датчик давления, ускроения и температуры, интегрированные с беспроводной системой-на-кристалле на базе 8-битного контроллера семейства S08 и приемопередатчиком субгигагерцовго диапазона.

MPXY8300 включает в себя датчик давления, датчик температуры, датчики ускорения (оси X, Z), подключенные к 10-битному АЦП (Рис. 5.2). Приемопередатчик MPXY8300 работает в диапазонах 315/434 МГц, поддерживает амплитудную и фазовую модуляции. Предназначен прежде всего для систем мониторинга давления в реальном режиме времени, в частности, давление в шинах во время движения. Точность измерения давления составляет ±10 КПа в диапазоне 100-800Кпа при температуре от 0 до 70°С.

Для сетей Smart Grid субгигагерцового диапазона Freescale Semiconductor предлагает беспроводной микроконтроллер линейки Kinetis - Kinetis KW01. Поддерживает работу в диапазонах 315, 433, 470, 868, 915, 928 и 960 МГц с модуляцией сигнала GFSK, MSK, GMSK и OOK.

В основе Kinetis KW01 (MKW01Z128) процессорное ядро ARM Cortex-M0+, работающее на тактовой частоте до 48 МГц при потреблении порядка 40 мкА/МГц (Рис. 5.3). Имея 128 КБ флеш-памяти и 16 КБ статической оперативной памяти, этот микроконтроллер в типичных в Потребление тока режиме ожидания примерно 1.7 мкА (в режиме останова менее 100 нА), а возвращение к активному режиму за 4.3 мкс.

MKW01Z128 поддерживает работу в диапазонах частот 290-340, 424-510 и 862-1020 МГц, несколько режимов модуляции: FSK, GFSK, MSK, GMSK и OOK. Возможные скорости передачи данных от 1 до 600 Кбит/с (FSK-модуляция). Максимальная чувствительность приемника до -120 дБм (при скорости 1.2 кбит/с), диапазон выходной мощности передатчика от -18 до +17 дБм.

Среди периферийных устройств Kinetis KW01 16-канальный 16-битный АЦП, высокоскоростной аналоговый компаратор с 6-битным АЦП, 12-битный ЦАП, 5 многоканальных таймеров, набор последовательных интерфейсов, 16-канальный тач-сенсор.

Программное обеспечение для Kinetis KW01 включает в себя проприетарные и стандартные протоколы 6LoWPAN, WMBUS (EN13757-4), KNX и ECHONET. Беспроводной микроконтроллер KW01 может использоваться в качестве сетевого процессора, обрабатывающего младшие уровни сетевого протокола, при работе в паре с контроллером, выполняющим прикладные задачи. Возможности процессорного ядра и встроенной памяти позволяют строить на базе Kinetis KW01 полнофункциональные автономные узлы сенсорных сетей, совмещающих в себе и работу в сети, обработку внешних событий и работу с периферийным оборудованием.

Рис. 5.2. Структурная схема датчика давления и ускорения MPXY8300 с беспроводным интерфейсом

Рис. 5.3. Структурная схема беспроводных контроллеров семейства Kinetis KW01

Microchip

Ассортимент беспроводных контроллеров компании Microchip на данный момент представлен сериями - PIC12F529T***, PIC12LF1840T39A, rfPIC12F675*, PIC16LF1824T39A [65].

Серии PIC12F529T39, PIC12LF1840T39A и PIC12F529T48 обладают практически идентичными характеристиками за исключением рабочих диапазонов частот. Трансиверы PIC12F529T39 и PIC12LF1840T39A работают в диапазонах 310, 433, 868 и 915 МГц, PIC12F529T48 418, 433 и 868 МГц.

Микроконтроллер систем PIC12F529T*** обладает встроенным прецизионным генератором на 8 МГц (±1%), несколькими режимами энергосбережения, несколькими таймерами, линиями ввода-вывода. Встроенные трансиверы обеспечивают скорости передачи данных до 100 кбит/с при FSK модуляции и до 10 кбит/с до в режиме OOK 043Cодуляции. Выходная мощность 0 дБм или 10 дБм.

Восьмибитный RISС контроллер с 12-битными инструкциями обеспечивает высокую производительность (преимущественно однотактное исполнение команд) при высокой плотности кода (выигрыш порядка 2:1 по отношению к контроллерам с 8-битными командами).

Средства разработки и поддержки беспроводных PIC-контроллеров диапазона включают макро-ассемблер, программный симулятор, программаторы.

Основными областями применения являются беспроводные системы управления персонально пользования, системы безопасности, низкопотребляющие системы удаленного управления.

Серии rfPIC12F675* отличает 8-разрядный микроконтроллер семейства PIC, приемопередатчик на 290-350/380-450/850-930 МГц (литеры K, F, H соответственно) с поддержкой ASK и FSK модуляции в компактном 20-выводном корпусе. Среди периферийных устройств - 4-канальный 10-битный АЦП, одноканальный аналоговый компаратор, 128-байт EEPROM. Трансивер поддерживает скорости передачи данных до 40 кбит/с при выходной мощности до 10 дБм.

Системы серий PIC16LF1824T39A (Рис. 5.4) на базе 8-разрядного RISC микроконтроллера семейства PIC, приемопередатчик диапазонов 310, 434, 868, 815 МГц с поддержкой OOK и FSK модуляции в компактном 20-выводном корпусе. Периферийные устройства - 12-канальный 10-битный АЦП, два аналоговых компаратора, встроенный источник опорного напряжения (выходные напряжения 1.024, 2.048, 4.096 В), 5-битный ЦАП. Трансивер поддерживает скорости передачи данных до 100 кбит/с (режим FSK, в режиме OOK - до 10 Кбит/с) при выходной мощности 0 или 10 дБм.

Nordic Semiconductor

Система-на-кристалле nRF9E5 компании Nordic Semiconductor [66] предназначена для работы в диапазонах 433/868/915 МГц, включает в себя приемопередатчик, 8-битный микроконтроллер на базе ядра х51 с 256 байтами оперативной памяти, 512 байтами ПЗУ с предпрошитым загрузчиком, 4 Кбайтами памяти программ, выполненной по технологии оперативной памяти (Рис. 5.5). Выполняемая программа размещается во внешнем последовательном ПЗУ (SPI-флеш) и при старте загружается во внутреннюю память. Набор периферийных устройств содержит последовательные интерфейсы (SPI, UART), 4-канальный 10-битный АЦП, набор таймеров, ШИМ-контроллер.

Трансивер nRF9E5 поддерживает все возможности приемопередатчика nRF905, включая технологию ShockBurst™ с автоматической поддержкой распознавания преамбулы, адреса, вычисления контрольной суммы. nRF9E5 содержит встроенный стабилизатор напряжения, повышающий устойчивость системы к шумам и обеспечивающий стабильную работу в диапазоне напряжений 1.9 - 3.6В. Четыре возможных варианта выходной мощности передатчика: -10, -2, +6 и +10 дБм, чувствительность приемника порядка -100дБм, скорость передачи данных до 50 Кбит/с.

Рис. 5.4. Структурно-функциональная схема PIC16LF1824T39A

увеличить изображение
Рис. 5.5. Структурная схема системы-на-кристалле nRF9E5 компании Nordic Semiconductor