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:
- 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);
- двухкристальное решение на основе ZigBee-процессора СС2480 и любого микроконтроллера (МК) из семейства MSP430;
- 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:
- определяем последовательность действий СС2430 в активном состоянии для выбранной конфигурации ZigBee-устройства (полнофункциональное устройство или неполнофункциональное) и сети (с передачей радиомаяка или нет);
- для каждого из этих действий находим длительность и потребляемый ток. Для этого необходимо снять осциллограмму потребляемого тока;
- находим энергопотребление для активного состояния в «мА х мс» путем суммирования произведений длительностей каждого из действий в активном состоянии на соответствующее им потребление;
- 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;
- 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
- http://www.wireless-e.ru/articles/diapasons/2007_1_26.php
- http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Chipcon/CC2430.htm
- http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/cc2430.pdf