Описание основных особеностей трансиверов линейки продуктов Texas Instruments от компании Chipcon на базе которых строются радиомодули компании EBWISE, Propox и других компаний.

Краткий обзор трансиверных модулей от Texas Instruments

Радиочастотные компоненты с малым потреблением линейки продуктов Texas Instruments от компании Chipcon, включают в себя широкий на­бор как проприетарных, так и основанных на общепринятых стандартах КМОП-мик­росхем, которые предназначены для ра­диочастотных приложений и отличаются низким энергопотреблением и высокой производительностью. Эти компоненты находят применение в самых различных приложениях, работающих в ISM-диапа­зонах с частотой до 1 ГГц и в диапазоне 2,4 ГГц. Они вклю­чают RF-передатчики и приемники с низ­ким энергопотреблением, решения “сис­тема-на-кристалле”, а также передовые для отрасли решения, отвечающие требовани­ям стандарта IEEE 802,15,4/ZigBeeTM.
В основном такие системы направлены на обычного пользователя: беспроводные клавиатура и мышь, решения по органи­зации беспроводного VoIP, устройства дис­танционного управления и беспроводные игровые аксессуары, а также решения в об­ласти «домашней автоматизации» – такие как системы сигнализации и безопасности, системы автоматизированного считывания показаний счетчиков, активные системы радиочастотной идентификации, а также системы контроля и управления.
Трансивер CC2430 вместе с программным решением Z-StackTM является первой платформой, ориентированной на созда­ние устройств, работающих в частотном диапазоне 2,4 ГГц и совместимых со стан­дартом IEEE 802,15,4 ZigBeeTM. В последнее время к микросхеме CC2430 были добавле­ны возможности по определению местопо­ложения – так появилась система-на-крис­талле CC2431. Широкий спектр продукции Chipcon, которую теперь представляет компания TI, позволяет выбрать одну из трех платформ для разработки, обеспе­чивающих совместимость со стандартом ZigBee. Для каждой из этих платформ обес­печивается полный набор необходимых компонентов, включая RF-трансиверы, на­иболее развитый в отрасли программный стек протокола ZigBee, инструменты раз­работки и опробованные на практике эта­лонные (reference) проекты.
Компания Texas Instruments (TI) выпускает несколько ИС для работы в диапазоне 2,4 ГГц, на основе которых возможна реализация трех вариантов решений, совместимых со стандартами IEEE 802.15.4 и ZigBee:
  1. полностью однокристальное решение на основе системы на кристалле (SoC) CC2430 или СС2431, интегрирующее IEEE 802.15.4-совместимый трансивер диапазона 2,4 ГГц и усовершенствованный 8051-совместимый микроконтроллер (CC2431 отличается интегрированием дополнительного сопроцессора для локализации положения);
  2. двухкристальное решение на основе ZigBee-процессора СС2480 и любого микроконтроллера (МК) из семейства MSP430;
  3. двухкристальное решение на основе IEEE 802.15.4-совместимого трансивера СС2420/СС2520 и микроконтроллера MSP430.
Общими особенностями всех этих решений являются простота применения, экономичность, низкая стоимость и всесторонняя техническая поддержка. Также нужно выделить и их отличительные особенности: первое решение отличает наименьшее занимаемое на плате место и совместимость с системами разработки для МК 8051; второе решение наиболее простое в осуществлении, т.к. протокол ZigBee реализован на аппаратном уровне и разработчику не потребуется детальное его изучение; наконец, третьему решению свойственна минимальная стоимость комплектующих.
Решение на основе SoC СС2430 можно назвать компромиссным, когда есть потребность в минимизации себестоимости конечного решения без существенного увеличения затрат времени и средств на проектирование.

Знакомство с системой на кристалле СС2430

ИС СС2430 совмещает в одном кристалле IEEE 802.15.4-совместимый РЧ-трансивер СС2420 и флэш-микроконтроллер, ядро которого совместимо со стандартным ядром 8051 и отличается от него улучшенным быстродействием выполнения инструкций. ИС выпускается в трех исполнениях СС2430F32/F64/F128, различающиеся объемом флэш-памяти - 32/64/128 кбайт, соответственно. В остальном все ИС идентичны: все они поставляются в миниатюрном RoHS-совместимом корпусе QLP-48 с размерами 7х7 мм и обладают одинаковыми рабочими характеристиками (табл. 1).
Таблица 1. Основные характеристики СС2430 
Параметры
MIN
TYP
MAX
Условия измерения
Условия эксплуатации
Частотный диапазон [МГц]
2400
-
2483,5
Рабочий температурный диапазон [°С]
-40
-
85
Рабочее напряжение питания [В]
2,0
-
3,6
Скорость РЧ передачи [кбод]
-
250
-
Чувствительность приемника [дБм]
-
-92
-
Подавление соседнего канала (±5 МГц) [дБ]
-
41/30
-
Подавление соседнего канала (±10 МГц) [дБ]
55/53
-
-
Подавление соседнего канала (±15 МГц) [дБ]
55/53
-
-
Номинальная выходная мощность в режиме передачи [дБм]
-
0
-
Потребляемый ток
Микроконтроллера в активном режиме и РЧ тракта в режиме приема [мА]
-
27
-
Максимальная тактовая  частота МК (32 МГц)
Микроконтроллера в активном режиме и РЧ тракта в режиме передачи [мА]
-
27
-
Максимальная тактовая  частота МК (32 МГц), выходная РЧ мощность 0 дБм
В экономичном режиме PM2 [мкА]
-
0,5
-
Активный генератор частоты 32 кГц и SLEEP-таймер
В экономичном режиме PM3 [мкА]
-
0,3
-
Синхронизация отключена, активна схема сброса при подаче питания. Сохраняется возможность возобновления работы по прерыванию.
Временные характеристики
Переход из режима PM2/PM3 в активный [мкс]
-
120
-
Переход из режима приема в режим передачи [мкс]
-
192
-

Структурная схема СС2430

Особенности встроенного микроконтроллера

Входящее в состав СС2430 8-битное процессорное ядро (рис. 1) совместимо по набору инструкций, модели памяти и системе прерываний со стандартным ядром 8051, а отличается от него множеством улучшений:
  • для выполнения одного цикла инструкции требуется не 12 тактов синхронизации, как у стандартного ядра 8051, а всего лишь один такт;
  • применена гибкая система синхронизации с возможностями программного выбора источника высокочастотной синхронизации (кварцевый генератор 32МГц или RC генератор 16МГц) и низкочастотной синхронизации (кварцевый генератор 32.768кГц или RC-генератор 32.753кГц);
  • предусмотрены возможности энергосбережения, в т.ч. несколько режимов работы PM0...PM3, различающиеся степенью активности внутренних элементов, а, следовательно, и потребляемым током, и SLEEP-таймер, задающий длительность нахождения в экономичном режиме.
  • возможность самопрограммирования флэш-памяти при условии выполнения загрузочной программы из внутреннего ОЗУ;
  • обширное число встроенных устройств ввода-вывода (УВВ), в т.ч. 12-битный сигма-дельта АЦП, датчик температуры, два УСАПП, таймеры с возможностями генерации ШИМ-сигналов, МАС-таймер, AES-сопроцессор.
  • контрольные элементы: супервизор питания и сторожевой таймер;
  • контроллер ПДП: 5 независимых каналов, 3 программируемых уровня приоритета, 31 конфигурируемое событие, инициирующее передачу;
  • 2-проводный отладочный интерфейс, предназначенный для программирования флэш-памяти и доступа к внутренней памяти и регистрам.

Особенности РЧ-трансивера

Как уже упоминалось, входящий в СС2430 РЧ трансивер полностью идентичен трансиверу СС2420. Трансивер характеризуется отличной избирательностью и блокирующими характеристиками (см. табл. 1), что дает ему возможность прекрасно сосуществовать с устройствами, работающих по другим РЧ стандартам, в т.ч. Bluetooth и WiFi. Трансивер характеризуется чрезвычайно простой схемой включения (рис. 2), что делает конечное решение более компактным и конкурентоспособным.

Схема включения СС2430

В процессе передачи используется алгоритм расширения спектра DSSS.
Для передачи РЧ-сигнала может использоваться PCB-антенна или внешняя антенна. Использование внешней антенны обычно дает наилучшие результаты и используется, если проект не критичен к стоимости и имеет конструктивную возможность установки такой антенны. Если же антенна должна быть как можно более дешевой, даже в ущерб некоторым ее характеристикам, используют PCB-антенны.

Оценка энергопотребления

Оценка энергопотребления ZigBee-устройства очень важна в применениях с батарейным питанием и позволяет выбрать емкость батареи питания, которая обеспечит непрерывную работу в течение заданного времени, или оптимизировать энергопотребление, если тип батареи питания определен заданием к проекту. Данная задача сводится к нахождению среднего потребляемого тока (IСР) в течение фиксированного интервала времени, равного сумме продолжительности активного и пассивного состояний. Зная средний потребляемый ток можно легко найти требуемую емкость батареи, умножив его величину в миллиамперах на требуемое количество часов непрерывной работы.
Для нахождения IСР можно использовать следующую методику:
  1. определяем последовательность действий СС2430 в активном состоянии для выбранной конфигурации ZigBee-устройства (полнофункциональное устройство или неполнофункциональное) и сети (с передачей радиомаяка или нет);
  2. для каждого из этих действий находим длительность и потребляемый ток. Для этого необходимо снять осциллограмму потребляемого тока;
  3. находим энергопотребление для активного состояния в «мА х мс» путем суммирования произведений длительностей каждого из действий в активном состоянии на соответствующее им потребление;
  4. зная длительность (Tп) и потребляемый ток (Iп) для пассивного состояния находим энергопотребление для этого состояния Iп х Tп, а затем, суммируя полученную величину с предыдущей (п. 3), находим общее энергопотребление;
  5. делим полученное значение на длительность оцениваемого интервала времени - результат и есть искомое IСР.
Если для заданной емкости батареи не удается выполнить требование по непрерывной работе в течение требуемого интервала времени, необходимо снижать средний потребляемый ток, а наиболее эффективным средством для этого является увеличение длительности пассивного состояния.
Литература
  1. http://www.wireless-e.ru/articles/diapasons/2007_1_26.php
  2. http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Chipcon/CC2430.htm
  3. http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/cc2430.pdf