Politechnika WrocławskaWydział Elektroniki

Zdalny czujnik

Sebastian Dorobek

12 czerwca 2010

Spis treści

1 Wstęp 21.1 Założenia projektowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 Opis urządzenia 32.1 Przewidywane najważniejsze parametry układu pomiarowego . . . . . . 32.2 Parametry urządzenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3 Opis konstrukcji układów elektronicznych . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.3.1 Schematy blokowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.4 Opis etapu projektowania układu elektronicznego . . . . . . . . . . . . 7

2.4.1 Układ zasilania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.4.2 Promieniowanie elektromagnetyczne . . . . . . . . . . . . . . . . 82.4.3 Wypełnienie płytki obszarem podłączonym do masy . . . . . . . 82.4.4 Prowadzenie ścieżek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.4.5 Dobór elementów indukcyjnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3 Przebieg prac nad projektem 103.1 Harmonogram prac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.1.1 Zrealizowane etapy projektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4 Oprogramowanie 114.1 Oprogramowanie modułów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4.1.1 Ramka protokołu komunikacji radiowej . . . . . . . . . . . . . . 114.1.2 Ramka protokołu komunikacji z komputerem . . . . . . . . . . . 114.1.3 Obsługa wyświetlacza EA DOGM162 . . . . . . . . . . . . . . . 114.1.4 Obsługa transceivera MRF49XA . . . . . . . . . . . . . . . . . 114.1.5 Konfiguracja USART w mikrokontrolerze ATMega48PA . . . . . 114.1.6 Obsługa i konfigracja interfejsu SPI/USI . . . . . . . . . . . . . 124.1.7 Obsługa i konfiguracja licznika wznawiającego pracę mikrokon-

trolera ATTiny24A z trybu bezczynności . . . . . . . . . . . . . 124.1.8 Obsługa i konfigracja przetwornika A/C w mikrokontrolerze AT-

Tiny24A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.1.9 Odczyt temperatury z czujnika MCP9701 . . . . . . . . . . . . 124.1.10 Odczyt stanu baterii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4.2 Aplikacja dla komputera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

5 Podsumowanie 14

A Zdjęcia zmontowanych modułów 15A.1 Moduł podrzędny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15A.2 Moduł nadrzędny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

B Schematy układu elektronicznego 17B.1 Moduł nadrzędny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17B.2 Moduł podrzędny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

C Wykazy elementów 24C.1 Moduł nadrzędny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24C.2 Moduł podrzędny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1

1 Wstęp

Celem projektu było stworzenie urządzenia pozwalającego na bezprzewodową trans-misję danych odczytanych z czujnika pomiarowego oraz napisanie aplikacji do ich wi-zualizacji w postaci wykresu z możliwością zapisu danych do pliku.

Podczas realizacji tematu należało zastanowić się nad sposobem weryfikacji po-prawności przesyłanych danych oraz zarządzania komunikacją. Ważnym elementembyło również uwzględnienie możliwości przenoszenia się zakłóceń generowanych przeztor radiowy na pozostałą część urządzenia. W celu zapewnienia dostatecznej separacjipomiędzy torem radiowym, a pozostałymi obwodami urządzenia wymagane było opty-malne zaprojektowanie płytki drukowanej.

Zaprojektowane zostały dwa moduły - nadrzędny oraz podrzędny. Działanie mo-dułu nadrzędnego polega na odbieraniu danych z modułu podrzędnego, wyświetlaniuich na wyświetlaczu LCD oraz wysyłaniu poprzez port USB do komputera. Modułpodrzędny wysyła co jedną sekundę zmierzoną wartość temperatury i aktualny stanbaterii do modułu nadrzędnego. Napisana aplikacja przedstawia w formie wykresuzmierzone wartości temperatury oraz pozwala na zapis danych do pliku dla programuGnuplot.

1.1 Założenia projektowe

Przed przystąpieniem do etapów projektowania schematów ideowych oraz płytekdrukowanych modułów, również w trakcie doboru odpowiednich elementów, postawionezostały założenia projektowe dla projektowanych modułów.

Cechy urządzenia:

wykorzystanie jednego kanału w paśmie,

komunikacja jednokierunkowa - dane rozsyłane przez moduł podrzędny,

opcjonalne zasilanie bateryjne modułu z czujnikiem,

minimalizacja zużycia prądu modułu podrzędnego - wydłużenie czasu pracy z za-silaniem bateryjnym

komunikacja poprzez łącze USB,

wyświetlanie danych na wyświetlaczu LCD,

praca w paśmie 868 MHz.

2

2 Opis urządzenia

Urządzenie pozwala na wizualizację wartości temperatury zmierzonej przez modułpodrzędny. Dodatkowo na bieżąco można monitorować stan baterii znajdującej się wmodule.

Przewidziane zostało na płytce drukowanej opcjonalne miejsce dla akcelerometrutrójosiowego oraz pamięci zawierającej unikatowy 48 bitowy adres urządzenia[19]. Wprzyszłości będzie można rozszerzyć zaprojektowane urządzenie o funkcjonalność umoż-liwiającą odczyt danych z akcelerometru oraz identyfikację kilku modułów podrzędnychz użyciem 48 bitowego adresu.

Z założenia urządzenie może funkcjonować bez komputera, wyświetlając zmierzonewartości na alfanumerycznym wyświetlaczu LCD.

2.1 Przewidywane najważniejsze parametry układu pomiaro-wego

Na podstawie dokumentacji technicznych określone zostały najważniejsze parame-try układów pomiarowych.

Przetwornik analogowo-cyfrowy mikrokontrolera ATTiny24A[6]:

rozdzielczość: 10 bit

bezwzględna dokładność: maks. 2.5 LSB

rezystancja wejścia: 100MΩ

Czujnik temperatury MCP9701[13]:

dokładność pomiaru: ± 4%

zakres mierzonej temperatury: -40 ÷ 125 C

Akcelerometr MMA7455L (opcjonalnie)[20]:

liczba osi: 3

zakres: ±2/4/8 g

rozdzielczość: do 16 mg/LSB

3

2.2 Parametry urządzenia

Na podstawie wcześniejszych założeń projektowych, po etapie doboru elementóworaz zaprojektowaniu schematów ideowych określone zostały parametry modułów.

Wybrane parametry (dla obu modułów)[1]:

częstotliwość pasma: 860.48 ÷ 879.515 MHz

maksymalna szybkość transmisji: 115.2kbps

maksymalna moc wyjściowa (przy obciążeniu 50Ω): 5dBm

czułość odbiornika: -110dBm

szerokość pasma: 67 ÷ 400 kHz

zakres temperatury pracy: 0 ÷ 70 C.

Parametry modułu nadrzędnego:

wartość napięcia zasilania interfejsu: +5 ... 12V / +5V (port USB)

wartość maksymalna poboru prądu: 90mA

wartość średnia poboru prądu: 50mA

Parametry modułu podrzędnego:

wartość napięcia zasilania interfejsu: +5 ... 12V / +3.3V (bateria)

wartość maksymalna poboru prądu: 18mA

wartość średnia poboru prądu: 0.16mA

2.3 Opis konstrukcji układów elektronicznych

Projekty schematów ideowych oraz płytek drukowanych modułów wykonane zostaływ programie DipTrace, w wersji Freeware dostępnej za darmo do użytku niekomercyj-nego. W wersji freeware programu wprowadzone zostały ograniczenia na liczbę padów- do 300 oraz liczbę warstw sygnałowych - do 2, brak natomiast jest ograniczenia na po-wierzchnię projektowanej płytki[22]. Projekt modułu nadrzędnego wykorzystuje 239,a podrzędnego 153 pady. Oba z projektowanych modułów zmieściły się w granicy 300padów co świadczy o przydatności programu do tego typu projektów akademickich.

Program DipTrace został wybrany ze względu na darmową licencję, dobre opiniewśród firm projektujących urządzenia elektroniczne oraz osobiste odczucie znacznielepszej ergonomii użycia i wydajności niż w przypadku konkurencyjnych programówm.in. Eagle, Pads, KiCad oraz OrCad, zbliżając się pod pewnymi względami do pro-gramu Protel. Pomimo dostępności autoroutera oraz narzędzia wspomagającego etaprozmieszczenia elementów, płytki drukowane zostały zaprojektowane bez użycia auto-routera oraz wspomnianego narzędzia. Związane jest to z małą skutecznością zasto-sowanych algorytmów w programie DipTrace oraz z faktem, że tego typu narzędziabez efektywnych algorytmów nie mają zastosowania w układach, gdzie istotna jestoptymalizacja procesu prowadzenia ścieżek, szczególnie w przypadku obwodów RF.

4

Ze względu na brak definicji niektórych symboli i obudów elementów w bibliote-kach programu, utworzona została nowa biblioteka zawierająca definicje brakującychelementów. Na zawartość utworzonej biblioteki składają się takie elementy jak AT-Tiny24A, FT232RL, MMA7455L, L6920, TPS3619, DLG 0504, MRF49XA, MCP9701,25AA02E48, LM2597, LP2980, P6SMBJ12, NCD02, KEYS108 oraz wyświetlacz EADOGM.

2.3.1 Schematy blokowe

Podczas etapu projektowania schematów modułów wykonane zostały schematy blo-kowe przedstawiające strukturę projektowanych modułów.

Rysunek 1: Schemat blokowy modułu nadrzędnego.

Rysunek 2: Schemat blokowy modułu podrzędnego.

Na rysunku 1 przedstawiony został schemat blokowy modułu nadrzędnego. Modułmoże być zasilany z zewnętrznego źródła napięcia zasilania (złącze Z1) lub bezpośrednio

5

z portu USB komputera. Napięcie z portu USB jest filtrowane przez filtr LC złożonyz elementów L5, C21, C22, C23, C24. Do układu FT232 podłączony został obwódsterujący załączaniem napięcia zasilania - klucz MOSFET - sterowany linią PWRENwyłączający napięcie zasilania np. podczas stanu wstrzymania pracy komputera[21].Układ transceivera MRF49XA wymaga napięcia zasilania o wartości 2.2÷3.8V[1] dla-tego w obwodzie zasilania zastosowany został stabilizator o napięciu wyjściowym 3.3V.Jako stabilizator wybrany został układ LM2597. W aplikacji układu[15] zastosowanyzostał dławik o indukcyjności 100µH i maksymalnym prądzie 0.52A[18], dioda BYS10-45 o maksymalnym napięciu 45V i prądzie 1.5A[16] oraz kondensator tantalowy ni-skoimpedancyjny firmy AVX serii TPS o pojemności 100µF i impedancji szeregowej0.075Ω[17].

Zastosowany wyświetlacz EA DOGM162 może pracować przy napięciu 3.3V wyko-rzystując wewnętrzny układ podwyższający napięcie[8], jednakże do poprawnej pracywymagane jest podłączenie dwóch dodatkowych kondensatorów (C14 i C11[7]). Jakomikrokontroler wybrany został układ ATMega48PA. Główną zaletą zastosowanegoukładu jest niski pobór prądu - 2.2mA podczas pracy dla wybranej częstotliwości tak-towania 8MHz[5].

Obwód dopasowania impedancji anteny został wykonany zgodnie z zaleceniami opi-sanymi w nocie katalogowej układu MRF49XA[1]. Przyjęte zostały wartości obliczoneprzez producenta - impedancja anteny 7.8+83j Ω, admitancja 1.2-11.9j ms oraz induk-cyjność 15.4 nH. Jako antenę wybrany został pojedynczy przewód o obliczonej długości.Do obliczenia wymaganej długości anteny monopolowej wykorzystany został wzór L =λ4, gdzie λ [m] = 2.99792458∗108[m/s]

f [GHz][2]. Dla wybranej częstotliwości - 868MHz obliczona

długość anteny wynosi 8.63 cm.Na rysunku 2 przedstawiony został schemat blokowy modułu podrzędnego. Moduł

może być zasilany z zewnętrznego źródła napięcia zasilania (Z1) lub z baterii litowej onapięciu 3.3V. Napięcie z zewnętrznego źródła stabilizowane jest przy użyciu układuLP2980[9]. W celu automatycznego rozłączania baterii przy pracy modułu z zewnętrz-nym źródłem zasilania zastosowany został elektroniczny układ przełączający napięciezasilania TPS3619. Wymieniony układ charakteryzuje się małą wartością prądu spo-czynkowego - maksymalnie 40µA[12]. Napięcie wyjściowe z układu TPS3619 podawanejest na stabilizator impulsowy podwyższający napięcie L6920. Jest on wymagany dopoprawnej pracy układu podczas obniżania się napięcia na baterii wraz ze wzrostem jejzużycia. Wybrany układ L6920 cechuje się bardzo niskim prądem spoczynkowym jakna stabilizator impulsowy - maksymalnie 15µA przy napięciu wyjściowym 3.3V[10]. Doaplikacji układu L6920[11] zastosowany został dławik o indukcyjności 22µH i maksy-malnym prądzie 1.11 A[18] oraz dwa kondensatory tantalowe niskoimpedancyjne firmyAVX serii TPS o pojemności 100µF i impedancji szeregowej 0.075Ω[17].

Jako mikrokontroler został wybrany układ ATTiny24A charakteryzujący się ni-skim pobór prądu - 0.42mA w stanie aktywnym i 0.058mA podczas zatrzymania pracydla wybranej częstotliwości taktowania 1MHz[6]. Wadą mikrokontrolera ATTiny24Ajest brak sprzętowego interfejsu SPI, a zamiast niego można skorzystać z interfejsuUSI, którego wadą jest m.in. wymagana ’ręczna’ zmiana zbocza zegara w kodzie pro-gramu. Do pomiaru temperatury użyty został półprzewodnikowy czujnik MCP9701 oniskim poborze prądu - maksymalnie 12µA[13]. Pomiar temperatury odbywa się po-przez pomiar napięcia na wyjściu czujnika przy wykorzystaniu przetwornika analogowo-cyfrowego mikrokontrolera ATTiny24A. Napięcie wyjściowe czujnika wyraża się zależ-nością VOUT = 19.5[mV/oC] ∗ TA[oC] + 400[mV ].[3]

6

Wybór wymienionych elementów pozwolił osiągnąć niską sumaryczną wartość śred-niego zużycia prądu modułu w granicy 0.16 mA. Obliczone zostało, że dla baterii litowej3.3 V o pojemności 1200 mAh moduł może pracować ponad 10 miesięcy bez przerwy,co wydaje się być bardzo dobrym rezultatem.

2.4 Opis etapu projektowania układu elektronicznego

Etap projektowania osobnych obwodów - radiowego oraz cyfrowego z mikrokontro-lerem przebiega zwykle bez większych komplikacji, lecz umieszczenie ich razem na tejsamej płytce drukowanej, a także użycie wspólnego źródła napięcia zasilania znacz-nie komplikuje proces projektowania układu. Napięcia na liniach cyfrowych bardzoczęsto zmieniają swoją wartość pomiędzy poziomem masy, a napięciem zasilania, coprzy wartości napięcia zasilania 3.3V oznacza zmiany rzędu 3.3Vpp. Dodatkowo czasyprzełączania są bardzo krótkie, wyrażone w nanosekundach. Adekwatnie do wysokiejamplitudy i bardzo krótkiego czasu przełączania sygnał cyfrowy zachowuje się podobniejak sygnał o bardzo wysokiej częstotliwości, niezależnie od rzeczywistej częstotliwościsygnału - widmo impulsu jest nieskończone. Sytuacja od strony toru radiowego wy-gląda nieco inaczej. Sygnał wejściowy pochodzący z anteny, doprowadzony do częściodbiorczej transceivera może mieć wartości rzędu 1-3 µVpp. Tym samym stosunekwielkości sygnału cyfrowego do analogowego może być rzędu 1000000:1. Jeśli sygnałyte nie zostaną odpowiednio odseparowane i zaekranowane, to w przypadku małychwartości sygnału wejściowego mogą pojawiać się błędy w transmisji, dodatkowo możepogorszyć się wydajność toru radiowego, a w wyjątkowych sytuacjach może doprowa-dzić do uszkodzenia układu.

2.4.1 Układ zasilania

Z jednej strony układy cyfrowe pracujące przy napięciu zasilania rzędu kilku woltwprowadzają znaczne szumy do źródła napięcia zasilania, z drugiej, część analogowajest bardzo czuła na obecność szumów w napięciu zasilania. Z tego powodu prowa-dzenie linii zasilania toru radiowego powinno być realizowane z większą uwagą niż wprzypadku obwodów cyfrowych[3]. Szczególnie ważne jest unikanie posługiwaniem sięautorouter’a.

Istotnym faktem jest, iż współczesne mikrokontrolery wykonywane są w technologiiCMOS, tym samym pobierają znaczną część prądu w krótkich odstępach czasu, wtakt z częstotliwościa pracy zegara. Gdyby fakt ten zaobserwować na oscyloskopie,widoczne byłyby pulsacje prądu pobieranego ze źródła zasilania z częstotliwością pracymikrokontrolera. Pominięcie filtracji zasilania spowodowałoby pojawienie się ’szpilek’na linii napięcia zasilania. Jeśli zjawisko to przeniosłoby się na linie zasilania toruradiowego, mogłoby to doprowadzić do nieprawidłowej pracy układu transceivera, anawet do jego uszkodzenia. Z tego powodu szczególnie ważne jest użycie niezależnejlinii zasilania toru radiowego od pozostałych obwodów.

Dla zapewnienia prawidłowej pracy rozprowadzenie napięcia zasilania musi być zre-alizowane w topologi gwiazdy oraz przy każdym z zasilanych obwodów musi znajdowaćsię kondensator o niskiej rezystancji szeregowej.

Dokładna filtracja napięcia zasilania jest korzystna w przypadku redukcji szumóww paśmie transceivera radiowego, zwłaszcza, gdy szumy zmniejszają wydajność toruradiowego. Połączenie kondensatorów ceramicznych, o niskej pojemności - w granicy

7

27 do 47pF (z dielektrykiem NP0) oraz o większej pojemności - 100nF (z dielektrykiemX7R) pozwala na tłumienie szerokiego widma częstotliwości. Kondensatory o mniejszejpojemności - w zakresie 10-100nF powinny być umieszczone na linii zasilania układutransceivera oraz w punktach polaryzacji obwodu radiowego. Kondensatory o większejwartości pojemności - w zakresie 2.2-10µF powinny być umieszczone w centralnympunkcie układu zasilania

Filtracja napięcia zasilania jest niezbędna. Niedostateczna filtracja pozwala nawystępowanie zjawiska interferencji, co powoduje nasilenie się szumów oraz pojawieniesię nieprawidłowych sygnałów w torze radiowym, znacznie redukując jego wydajność.

2.4.2 Promieniowanie elektromagnetyczne

Wpływ promieniowania elektromagnetycznego jest dość często pomijany w odnie-sieniu do układów zawierających na jednej płytce zarówno tor radiowy, jak i mikro-kontroler. Obwody analogowe znajdujące się na jednej płytce wraz z torem radiowymnarażone są na wpływ promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez częśćnadawczą toru radiowego. Należy zauważyć, że każda ze ścieżek na płytce może byćanteną emitującą lub odbierającą sygnał radiowy. W takim przypadku, wejście prze-twornika analogowo-cyfrowego może być narażone na negatywny wpływ promieniowa-nia elektromagnetycznego. W przypadku niezapewnienia wystarczająco małej wartościimpedancji wejścia przetwornika analogowo-cyfrowego, sygnał radiowy, który przedo-stanie się na wejście przetwornika i wykazywać będzie względnie dużą amplitudę zostajewyprostowany przez diody zabezpieczające przed wyładowaniami elektrostatycznymiznajdujące się na wejściu przetwornika, węwnątrz mikrokontrolera. Taka sytuacja po-woduje ’przesunięcie’ wartości sygnału mierzonego przez przetwornik o wartość zakłó-cenia, co może powodować znaczy błąd pomiaru.

2.4.3 Wypełnienie płytki obszarem podłączonym do masy

Wypełnienie płytki obszarem podłączonym do masy używa się przy projektowaniupłytek drukowanych zawierających elementy o częstotliwości radiowej i jest elementemkluczowym do prawidłowego funkcjonowania układu. Z założenia takie pole ma stano-wić punkt odniesienia - 0V w układzie[4]. Bezwzględnie należy wypełniać obszar płytkipolem podłączonym do masy układu, nieprzestrzeganie tej zasady może być przyczynąwystąpienia niewyjaśnionych nieprawidłowości w działaniu układu, bardzo trudnych,a w pewnych przypadkach niemożliwych do zdiagnozowania.

Z punktu widzenia układów cyfrowych ciężko jest zrozumieć takie zjawisko, gdyżwiększość układów cyfrowych pracuje bez najmniejszych problemów, bez wypełnieniaobszaru płytki polem podłączonym do masy. Przy częstotliwościach radiowych, nawetbardzo krótka ścieżka zachowuje się jak element indukcyjny. Indukcyjność ścieżki możebyć nawet rzędu 1nH na 1 mm jej długości. W przypadku częstotliwości 868 MHzścieżka o długości 1 cm miałaby wartość impedancji indukcyjnej około 54 Ω. Większośćscieżek masy jest dłuższa niż podany przykład (1 cm), tym samym oczywiste jest,że niewypełnienie obszaru płytki doprowadzi do nieprawidłowej pracy układu. Niskaimpedancja pola masy pozwala na dostateczną separację dwóch różnych obwodów,pomiędzy którymi różnica amplitudy może wynosić nawet 120dB, tj. 1000000:1.

W przypadku elementów montowanych powierzchniowo, na warstwie górnej po-winny znajdować się elementy oraz linie z sygnałami, a na warstwie dolnej, pole pod-łączone do masy. Dobrym pomysłem jest wypełnienie całej możliwej przestrzeni na

8

płytce polem podłączonym do masy. W tym przypadku oba pola - na górnej orazdolnej warstwie muszą być połączone z użyciem dużej liczby przelotek.

Wszystkie połączenia do masy układu powinny być możliwie najkrótsze, a przelotkipowinny znajdować się dostatecznie blisko pad’ów łączonych z masą.

2.4.4 Prowadzenie ścieżek

Prowadzone ścieżki nie powinny mieć ostrych krawędzi - należy unikać kątów pro-stych, gdyż tak poprowadzone ścieżki zachowują się jak antena. Prowadzenie ścieżek zzaokrąglonymi rogami zmniejsza możliwe problemy z występowaniem zjawiska interfe-rencji elektromagnetycznej.

Ze względu na fakt, iż linie z sygnałami cyfrowymi w przypadku pracy z wyższą czę-stotliwością generują dużo szumów, powinno unikać się prowadzenia linii sygnałowychtoru radiowego w pobliżu układów cyfrowych.

Obowiązkowe jest wypełnienie przelotkami powierzchni masy pod układem trans-ceivera radiowego.

Zwiększone długości ścieżek mają wpływ na pracę oscylatora kwarcowego, poprzezdodanie pasożytniczej pojemności do całkowitego obciążenia kwarcu. Aby zmniejszyćpasożytniczą pojemność, należy umieścić kwarc możliwie najbliżej układu transceivera.

Użycie krótkich i bezpośrednich połączeń pomiędzy elementami zmniejsza zjawisko’podciągania częstotliwości’, spowodowane niepożądanymi pojemnościami.

Długa ścieżka z sygnałem zegarowym może powodować zjawisko interferencji elek-tromagnetycznej. Wpływa to znacząco na obniżenie wydajności części odbiorczej toruradiowego, jak i dodaje częstotliwości harmoniczne z niepożądaną modulacją do toruradiowego. Należy zachować możliwie najkrótszą ścieżkę z sygnałem zegarowym. Do-datkowo ścieżka ta powinna zostać otoczona przyległym obszarem masy. Obszar masypozwala na zredukowanie emisji zakłóceń oraz przesłuchu pojawiającego się przez sprzę-żenie pojemnościowe ze ścieżką sygnału zegarowego.

2.4.5 Dobór elementów indukcyjnych

Używane elementy indukcyjne znajdujące się w torze radiowym powinny mieścić sięw kategorii wysokich częstotliwości, a częstotliwość oscylacji własnych (SRF) powinnabyć co najmniej dwukrotnie większa niż częstotliwość pracy toru radiowego.

Zastosowane elementy indukcyjne w projektowanych modułach (8.2nH i 22nH)mają wartość SRF 2.8 oraz 4.4GHz[14].

9

3 Przebieg prac nad projektem

Wszystkie prace nad projektem odbywały się według harmonogramu pracy, któryokreśla poszczególne prace do wykonania w ramach realizacji projektu oraz czas wy-konania prac.

3.1 Harmonogram prac

Niezbędnym elementem przed realizacją projektu było ustalenie harmonogramuz uwzględnieniem czasu realizacji poszczególnych zadań do wykonania.

3.1.1 Zrealizowane etapy projektu

25 marca 2010 – zakończenie przeglądu materiałów związanych z danym tematem

31 marca 2010 – schemat układu elektronicznego

8 kwietnia 2010 – projekt płytki drukowanej

15 kwietnia 2010 – wykonanie płytki drukowanej

22 kwietnia 2010 – montaż układu elektronicznego

29 kwietnia 2010 – stworzenie oprogramowania pozwalającego na odczyt informa-cji z czujników oraz transmisję pojedynczych pakietów danych pomiędzy trans-ceiverami radiowymi

6 maja 2010 – zbadanie wpływu innych urządzeń radiowych na liczbę błędnieodebranych pakietów danych

13 maja 2010 – opracowanie i implementacja protokołu komunikacji radiowej

20 maja 2010 – stworzenie oprogramowania do wizualizacji danych z czujników

27 maja 2010 – testy poprawności działania

3 czerwca 2010 – opracowanie dokumentacji

10 czerwca 2010 – sformułowanie raportu końcowego

10

4 Oprogramowanie

Na etap opracowania oprogramowania składały się takie prace jak zapoznanie sięz dokumentacjami wykorzystanych układów, ze sposobem użycia portu szeregowegokomputera w systemach unix oraz z dokumentacją widgetu QwtPlot.

4.1 Oprogramowanie modułów

Oprogramowanie modułu nadrzędnego i podrzędnego zostało napisane z wykorzy-staniem środowiska AVR Studio firmy Atmel z zainstalowanym dodatkowo kompilato-rem GNU GCC.

4.1.1 Ramka protokołu komunikacji radiowej

Ramka danych rozpoczyna się ustaloną preambułą, zawierającą 3 bajty danych:0xAA, 0x2D, 0xD4. Układ transceivera jest tak skonfigurowany, aby automatyczniesynchronizował pobierane dane po wykryciu poprawnej preambuły. W efekcie transce-iver po wykryciu poprawnej preambuły zapisuje do bufora FIFO pozostałe dane (bezpreambuły)[1]. Następnie przesyłana jest starszy i młodszy bajt słowa 16-bitowego zwartością temperatury, starszy i młodszy bajt słowa 16-bitowego ze stanem baterii. Nakońcu wysyłany jest starszy i młodszy bajt sumy kontrolnej CRC16.

Struktura ramki danych:0xAA 0x2D 0xD4 TH TL BH BL CRCH CRCL

4.1.2 Ramka protokołu komunikacji z komputerem

Ramka danych rozpoczyna się ustaloną preambułą, zawierającą 1 bajty danych:0xAA. Następnie przesyłana jest bajt z wartością temperatury, bajt ze stanem baterii.Na końcu wysyłany jest starszy i młodszy bajt sumy kontrolnej CRC16.

Struktura ramki danych:0xAA T B CRCH CRCL

4.1.3 Obsługa wyświetlacza EA DOGM162

Na potrzeby obsługi wyświetlacza LCD napisany został zestaw funkcji umożliwia-jący inicjalizację wyświetlacza, sterowanie podświetleniem, sprawdzenie flagi zajętościkontrolera, wysłanie komendy sterującej, wysłanie znaku, wyczyszczenie zawartościokna wyświetlacza, powrót kursora do pozycji początkowej. Wyświetlanie danych nawyświetlaczu realizowane jest z wykorzystaniem funkcji ’printf’.

4.1.4 Obsługa transceivera MRF49XA

Na potrzeby obsługi transceivera MRF49XA napisany został zestaw funkcji umoż-liwiający inicjalizację transceivera, resetowanie stanu transceivera, uruchomienie trybuoszczędności energii, odebranie ramki danych oraz wysłanie ramki danych.

4.1.5 Konfiguracja USART w mikrokontrolerze ATMega48PA

Moduł USART skonfigurowany został do pracy w trybie asynchronicznym, z para-metrami: 8 bitów danych, 1 bit stopu, kontrola parzystosci - parzyste (Even).

11

4.1.6 Obsługa i konfigracja interfejsu SPI/USI

Interfejs SPI/USI został skonfigurowany do pracy w trybie (0,0). Tryb ten wyma-gany jest przez układ transceivera radiowego MRF49XA[1]. Napisane zostały funkcjeumożliwiające wysłanie bajtu oraz słowa 16-bitowego.

4.1.7 Obsługa i konfiguracja licznika wznawiającego pracę mikrokontroleraATTiny24A z trybu bezczynności

Ze względu na wymagany niski pobór prądu poprzez mikrokontroler, po wysłaniuramki z danymi, włączany jest tryb bezczynności. W trybie tym można użyć licznikado wznowienia pracy po określonym czasie[6]. W tym celu wykorzystany został licznikTimer1 oraz obliczone zostały wartości pozwalające uzyskać czas około jednej sekundy- preskaler 1024 oraz wartość komparatora 0x03D0. W efekcie po włączeniu stanubezczynności po upływie około jednej sekundy wystąpienie przerwania TIM1 COMPAwznawia pracę mikrokontrolera.

4.1.8 Obsługa i konfigracja przetwornika A/C w mikrokontrolerze AT-Tiny24A

Przetwornik analogowo-cyfrowy został skonfigurowany do pracy w trybie ciągłym’Freerun’. Wybrana została wartość źródła napięcia odniesienia z napięcia zasilania,więc zakres pomiarowy wynosi 0÷3.3V. Wynik pomiaru jest wyrównany do prawej,dlatego operacja odczytu wartości z przetwornika wygląda następująco:

value = ADCL;value += 256*ADCH;

4.1.9 Odczyt temperatury z czujnika MCP9701

Napięcie wyjściowe z czujnika podłączonego do wejścia ADC0 mikrokontrolera AT-Tiny24A mierzone jest 64 razy co 1ms, a suma wykonanych pomiarów jest zapisywanado ramki jako liczba 16-bitowa. Ponieważ napięcie wyjściowe czujnika temperatury wy-raża się zależnością VOUT = 19.5[mV/oC] ∗ TA[oC] + 400[mV ][13], dlatego po odczyciedanych przez moduł nadrzędny zmierzona suma poddawana jest operacjom:

Temperature /= 64;Temperature -= 124;Temperature /= 6;

12

4.1.10 Odczyt stanu baterii

Napięcie całkowicie naładowanej 3V litowej baterii bez obciążenia wynosi 3.6V, aprzy nominalnym obciążeniu 3.3V. Przyjęte zostało więc, że napięcie w pełni nałado-wanej baterii wynosi 3.3V. Pomiar napięcia baterii wykonywany jest 64 razy co 1ms,a suma wykonanych pomiarów jest zapisywana do ramki jako liczba 16-bitowa. Zewzględu na fakt, że napięcie odniesienia przetwornika analogowo-cyfrowego jest równe3.3V, to zmierzona wartość baterii poddawana jest tylko jednej operacji:

Battery /= 655;

4.2 Aplikacja dla komputera

Aplikacja służąca do wizualizacji oraz rejestracji zmierzonej wartości temperaturynapisana została z wykorzystaniem elementów biblioteki Qt.

Rysunek 3: Widok okna aplikacji.

Na rysunku 3 przedstawiony został widok okna aplikacji. W górnej części okna znaj-duje się okno wykresu prezentującego wartości temperatury zmierzonej przez modułpodrzędny. W dolnej części po lewej stronie znajdują się przycisk do połączenia/rozłą-czenia, pole wyboru portu szeregowego, przycisk zapisu danych do pliku oraz wkaźnikstanu baterii. Dane zapisywane są do pliku zgodnego z programem gnuplot.

13

Aby zobaczyć dane z pliku w formie wykresu wystarczy wypisać polecenie:

gnuplot nazwa_pliku

Wskaźnik baterii zmienia kolor w zależności od aktualnego stanu baterii. Gdypozostało więcej niż 10% baterii wskaźnik przyjmuje kolor zielony. W przeciwnymprzypadku - tj. gdy pozostało niewiecej niż 10% baterii wsaźnik przyjmuje kolor czer-wony.

5 Podsumowanie

W ramach realizacji projektu zbudowane zostały dwa moduły, które współpracu-jąc ze sobą umożliwiają zdalne monitorowanie temperatury. Zaletą zaprojektowanychmodułów są niskie koszta budowy układu oraz względnie długi czas pracy modułu zczujnikiem przy zasilaniu bateryjnym.

Podczas realizacji prac wymagana była umiejętność projektowania układów elektro-nicznych. Poznane zostało wiele zagadnień związanych z prawidłowym projektowaniemobwodów drukowanych dla układów z elementami w.cz. Duża część projektu skupia sięwłaśnie na etapie projektowania modułów. Istotne było również sprecyzowanie założeńdotyczących budowy i parametrów modułu, a także wybór elementów spełniającychwymagania.

Zrealizowanie projektu pozwoliło pogłębić wiedzę w zakresie projektowania ukła-dów elektroniczych, wykorzystania układów radiowych w.cz., a także zapoznać się znieznaną dotychczas biblioteką Qt o ogromnych możliwościach, dzięki której w bardzoprosty sposób można stworzyć aplikacje do wizualizacji danych pomiarowych.

14

A Zdjęcia zmontowanych modułów

Poniżej zostały zamieszczone zdjęcia zmontowanych modułów.

A.1 Moduł podrzędny

Rysunek 4: Zdjęcie modułu podrzędnego - widok z góry.

Rysunek 5: Zdjęcie modułu podrzędnego - widok od spodu.

A.2 Moduł nadrzędny

Rysunek 6: Zdjęcie modułu nadrzędnego - widok z góry bez wyświetlacza LCD.

15

Rysunek 7: Zdjęcie modułu nadrzędnego - widok z góry z wyświetlaczem LCD.

Rysunek 8: Zdjęcie uruchomionego modułu nadrzędnego - widok z góry .

Rysunek 9: Zdjęcie modułu nadrzędnego - widok od spodu.

16

B Schematy układu elektronicznego

Poniżej znajdują się schematy ideowe, montażowe oraz widoki płytek drukowanychzaprojektowanych modułów.

B.1 Moduł nadrzędny

Rysunek 10: Schemat ideowy modułu nadrzędnego (1/2).

17

Rysunek 11: Schemat ideowy modułu nadrzędnego (2/2).

18

Rysunek 12: Płytka drukowana modułu nadrzędnego - warstwa TOP.

Rysunek 13: Płytka drukowana modułu nadrzędnego - warstwa BOTTOM.

Rysunek 14: Schemat montażowy modułu nadrzędnego - warstwa TOP.

19

Rysunek 15: Schemat montażowy modułu nadrzędnego - warstwa BOTTOM.

20

B.2 Moduł podrzędny

Rysunek 16: Schemat ideowy modułu podrzędnego.

21

Rysunek 17: Płytka drukowana modułu podrzędnego - warstwa TOP.

Rysunek 18: Płytka drukowana modułu podrzędnego - warstwa BOTTOM.

22

Rysunek 19: Schemat montażowy modułu podrzędnego - warstwa TOP.

Rysunek 20: Schemat montażowy modułu podrzędnego - warstwa BOTTOM.

23

C Wykazy elementów

Poniżej znajdują się wykazy elementów użytych do budowy zaporojektowanych mo-dułów.

C.1 Moduł nadrzędny

C1 47pF 0603 1 szt.C10, C12, C16, C17, C19, C9,C20, C22, C24, C25, C7, C8 100nF 0603 12 szt.C11, C14 1uF 0805 2 szt.C13 22uF/16V SMDC 1 szt.C15, C6 10uF/10V SMDA 2 szt.C18 TPSC107K010R0075 1 szt.C2 10nF 0603 1 szt.C21, C23 4.7uF/10V SMDA 2 szt.C3 1.2pF 0603 1 szt.C4 27pF 0603 1 szt.C5 2.7pF 0603 1 szt.D1, D3 BYS10-45 2 szt.D2 P6SMBJ12A 1 szt.D4 LL-S172GC-2A 1 szt.IC1 MRF49XA 1 szt.IC2 ATMega48PA-20AU 1 szt.IC3 25AA02E48 1 szt.IC4 LM2597M-3.3 1 szt.IC5 FT232RL 1 szt.L1 100nH 0603 1 szt.L2 8.2nH 0603 1 szt.L3 22nH 0603 1 szt.L4 100uH DLG0504 1 szt.L5 LCBA-601 1 szt.LCD1 EA DOGM162S 1 szt.Q1 NDS355 1 szt.Q2 IRLML6401 1 szt.R1, R6, R7 10k 0603 3 szt.R2 0R 0805 1 szt.R3, R8 1k 0603 2 szt.R4, R5 10R 0805 2 szt.USB1 USBB-G 1 szt.X1 10MHz HC49S/SMD 1 szt.Z1 NCDW-02 1 szt.ZL1 ZL201-10G 1 szt.

24

C.2 Moduł podrzędny

BT1 KEYS-108 / LS-14250 1 szt.C1, C19, C22, C24 47pF 0603 4 szt.C10, C12, C16, C17, C20, C7, C8, C9 100nF 0603 8 szt.C11, C18 TPSC107K010R0075 2 szt.C13 22uF/16V SMDC 1 szt.C14 4.7uF/10V SMDA 1 szt.C15, C6 10uF/10V SMDA 2 szt.C2 10nF 0603 1 szt.C3 1.2pF 0603 1 szt.C4 27pF 0603 1 szt.C5 2.7pF 0603 1 szt.D1 LL-S172GC-2A 1 szt.D2 P6SMBJ12A 1 szt.IC1 MRF49XA 1 szt.IC2 ATTiny24A-SSU 1 szt.IC3 25AA02E48 1 szt.IC4 L6920D 1 szt.L1 100nH 0603 1 szt.L2 8.2nH 0603 1 szt.L3 22nH 0603 1 szt.L4 22uH DLG0504 1 szt.R1 10k 0603 1 szt.R2 0R 0805 1 szt.R3 510R 0603 1 szt.U1 MCP9701 1 szt.U2 TPS3619 1 szt.U3 MMA7455L 1 szt.U4 LP2980AIM5-3.3 1 szt.X1 10MHz HC49S/SMD 1 szt.Z1 NCDW-02 1 szt.ZL1 ZL201-10G 1 szt.

25

Literatura

[1] MRF49XA Datasheet, 2009, Microchip Technology, 2.2, 2.3.1, 4.1.1, 4.1.6

[2] Antenna Selection Guide, Application Note AN058, Texas Instruments, 2.3.1

[3] Powering Low-Power RF Products, Design Note DN019, Texas Instruments, 2.3.1,2.4.1

[4] Adapting TI LPRF Reference Designs for Layer Stacking, Application NoteAN068, Texas Instruments, 2.4.3

[5] ATmega48PA Datasheet, Rev B, 4/2010, Atmel Corporation, 2.3.1

[6] ATtiny24A Datasheet, Rev B, 3/2010, Atmel Corporation, 2.1, 2.3.1, 4.1.7

[7] ST7036 Datasheet V1.1, 12/2003, Sitronix, 2.3.1

[8] DOG-M Datasheet, Electronic Assembly, 2.3.1

[9] LP2980 Datasheet, 01/2009, National Semiconductor, 2.3.1

[10] L6920 Datasheet, 10/2006, STMicroelectronics, 2.3.1

[11] Designing with L6920DB, high efficiency syncronous rectifier step-up converter,Application Note AN2206, STMicroelectronics, 2.3.1

[12] TPS3619 Datasheet, 01/2007, Texas Instruments, 2.3.1

[13] MCP9701 Datasheet, 2005, Microchip Technology, 2.1, 2.3.1, 4.1.9

[14] High-Frequency Wound Chip Inductor Datasheet, Ferrocore, 2.4.5

[15] LM2597 Datasheet, 12/2000, National Semiconductor, 2.3.1

[16] BYS10-45 Datasheet, 2004, Vishay Semiconductors, 2.3.1

[17] TPS Series Low ESR Capacitor Datasheet, AVX, 2.3.1

[18] Unshielded SMD power inductors / DLG type, Ferrocore, 2.3.1

[19] 25AA02E48 2K SPI Bus Serial EEPROM with EUI-48 Node Identity, Datasheet,2010, Microchip Technology, 2

[20] MMA7455L Technical Data, Rev 10, 12/2009, Freescale Semiconductor, 2.1

[21] FT232R Datasheet, Rev. 2.05, 2009, Future Technology Devices International Li-mited, 2.3.1

[22] diptrace.com, Novarm, 2.3

26