Беспроводная передача данных

Автор: Ракович Н.Н.

В мире современной электроники одним из направлений, которое неуклонно развивается «вширь и вглубь», является связь. Причем доля беспроводной связи стремительно растет буквально не по дням, а по часам. На мобильной связи, которая позволяет общаться практически в любой части света, мы останавливаться не будем. В статье же рассмотрим микросхемы для систем радиочастотной идентификации и регистрации объектов (системы охраны доступа, автомобильные иммобилайзеры, автоматизированная торговля и т. д.). Это широкий круг приборов, которые работают на расстоянии от одного до нескольких сотен метров, позволяющие решать различные задачи с простотой, легкостью и надежностью, о которых раньше можно было только мечтать. Кроме того, поговорим о системах беспроводной передачи данных в ультразвуковом и инфракрасном диапазонах.

Первоначально рынок компонентов для устройств, работающих на небольшом расстоянии (shot-range devices — SRD), был ориентирован, в основном, на использование в системах дистанционного управления для автомобильной промышленности (блокирование и открывание дверей автомобиля без помощи механического ключа). Сейчас, помимо автомобильной автоматики, компоненты для SRD-устройств применяют в медицинских комплексах, системах сбора телеметрической информации и в огромном числе других приборов различного назначения, куда входят системы обнаружения, охраны и безопасности, устройства передачи данных и т. д.

Этот сектор очень чувствителен к цене. Кроме того, важно и постоянное совершенствование продукции, которое может быть достигнуто повышением уровня интеграции элементной базы с одновременным улучшением качества и надежности.

До недавнего времени подавляющее большинство дешевых SRD-устройств разрабатывали и производили на основе ПАВ-резонаторов и дискретных элементов, как, например, всем известные автомобильные сигнализации диапазона 434 МГц. Невысокая стабильность частоты и недостаточная помехозащищенность устройств на ПАВ не позволяют использовать их для решения таких задач, как, например, передача данных.

Появление приемопередающих приборов, выполненных на одном кристалле, позволяет упростить решение задачи беспроводной передачи данных. Обычная система на основе таких микросхем состоит из микроконтроллера, приемника и передатчика (или приемопередатчика — трансивера) и небольшого числа внешних элементов. Области применения подобных систем передачи данных весьма широки: устройства сигнализации, беспроводные сети, телеметрия, системы двустороннего вызова, дистанционное управление и контроль. Помимо традиционных приложений стоит упомянуть системы контроля параметров окружающей среды, контроля доступа и перемещения, беспроводного считывания штрих-кода, и этим список далеко не исчерпывается.

Естественно, что столь перспективное направление на рынке электронных компонентов не могло остаться без внимания. Как следствие, микросхемы для приемопередающих систем выпускают фирмы Infineon Technologies AG, Gran-Jansen AS, Xemics, RF Monolithics Inc., Microchip, Maxim, Telecontrolli.

Вкратце рассмотрим продукцию этих фирм. Infineon Technologies AG предлагает передатчик TDA5100 и приемник TDA5200, работающие в диапазоне 434 МГц или 869 МГц с амплитудной или частотной модуляцией. Наличие встроенного синтезатора позволяет существенно повысить стабильность рабочей частоты, снизить паразитные излучения и шумы радиосигнала, что в свою очередь дает возможность реализовывать системы с более длинным, помехозащищенным кодом. Замечательное свойство микросхем: стабильность частоты системы определяется только характеристиками тактового генератора и кварцевого резонатора. Высокая стабильность частоты позволяет использовать узкополосные приемники, что значительно увеличивает их чувствительность.

В состав трансивера GJRF400 для работы в диапазоне 434 МГц, выпускаемого норвежской фирмой Gran-Jansen AS, входит передатчик с выходной мощностью 5 мВт и приемник с чувствительностью —110 дБм. В микросхеме предусмотрена только частотная манипуляция (FSK), а фильтр системы ФАПЧ — внешний. Управление трансивером осуществляется по четырехпроводной линии.

Не отстает от конкурентов и швейцарский Xemics. Выпускаемая этой фирмой серия трансиверов ХЕ120X позволяет решать всевозможные задачи по передаче данных на небольшие расстояния в диапазоне 434, 868, 915 МГц. Недавно фирма анонсировала микроконтроллер со встроенным радиоканалом, что наверняка упростит создание систем связи на основе ее микросхем.

Широкая номенклатура приборов фирмы RF Monolithics Inc. понравится разработчикам: тактовые генераторы, фильтры, резонаторы, приемники, приемопередатчики и передатчики на диапазон частот от десятков килогерц до гигагерц.

На продукции Microchip особо останавливаться не будем, поскольку производимые микросхемы идентификации радиодиапазона серии MCRxxx и передатчики со встроенным PIC-контроллером уже получили достаточное освещение в литературе.

Очень часто соотношение критериев частотного диапазона и стоимости приборов являются определяющими для отечественных разработчиков. Поэтому пристальное внимание стоит уделить продукции компании Telecontrolli, почти неизвестной в России.

Фирма Telecontrolli специализируется на производстве гибридных интегральных схем (ГИС) по толстопленочной технологии. Среди выпускаемых изделий: заказные ГИС, стандартные электронные модули, DC/DC конвертеры и передатчики/приемники радиочастотного диапазона. Telecontrolli входит в состав IPM Group, основное направление деятельности которой — телекоммуникация и передача данных. Представительства компании открыты почти во всех европейских странах, Южной Африке, Канаде, США, Бразилии и Аргентине, а дистрибьюторская сеть охватывает практически весь мир.

В табл. 1 приведены микросхемы для беспроводной связи, выпускаемые фирмой (ХХХ — рабочая частота, МГц). При разработке различных систем с беспроводной передачей данных не всегда требуется приемник и передатчик в одном корпусе, а если не нужен приемник (или передатчик), то зачем платить за него? Аналогичная ситуация и со встроенными контроллерами. Таким образом, широкая номенклатура приборов от Telecontrolli позволяет решать разнообразные прикладные задачи с максимальной эффективностью.

Таблица 1.

Наименование	Краткое описание
RR1-XXX	Cверхрегенеративный радиоприемник с фиксированной частотой
RR3-XXX	Cверхрегенеративный радиоприемник с лазерной настройкой контура в процессе изготовления
RR4-XXX	Cверхрегенеративный радиоприемник с лазерной настройкой контура в процессе изготовления и каскадным входом
RR6-XXX	Сверхнизкопотребляющий сверхрегенеративный радиоприемник
RR8-XXX	Низкопотребляющий сверхрегенеративный радиоприемник с напряжением питания 3В
RR10-XXX	Cверхрегенеративный радиоприемник с узкой полосой пропускания
RR11-XXX	Низкопотребляющий сверхрегенеративный радиоприемник с коротким временем включения
RR15-XXX	Cверхрегенеративный радиоприемник с амплитудной модуляцией и с входным фильтром на ПАВ
RRS1-XXX	Супергетеродинный приемник с амплитудной модуляцией и входным фильтром на ПАВ
RRS2-XXX	Супергетеродинный приемник с амплитудной модуляцией
RRS3-XXX	Супергетеродинный приемник c амплитудной модуляцией, входным фильтром и предварительным усилителем
RRQ1-XXX	Супергетеродинный приемник с амплитудной модуляцией и с кварцевым генератором
RRQ2-XXX	Супергетеродинный приемник с амплитудной модуляцией, кварцевым генератором и бесшумной настройкой
RRF1-XXX	Cупергетеродинный приемник с частотной модуляцией
RRFQ1-XXX	Cупергетеродинный приемник с частотной модуляцией и кварцевым генератором
RT1-XXX	Радиопередатчик с амплитудной модуляцией и встроенной антенной
RT2-XXX	Радиопередатчик с амплитудной модуляцией, резонатором на ПАВ и встроенной антенной
RT4-XXX	Радиопередатчик с амплитудной модуляцией и резонатором на ПАВ
RT5-XXX	Радиопередатчик с амплитудной модуляцией и резонатором на ПАВ
RT6-XXX	Радиопередатчик с амплитудной модуляцией и резонатором на ПАВ
RT8-XXX	Радиопередатчик с амплитудной модуляцией и резонатором на ПАВ
RTQ1-XXX	Радиопередатчик с амплитудной модуляцией и кварцевым генератором
RTF2-XXX	Радиопередатчик с частотной модуляцией и резонатором на ПАВ
RTFQ1-XXX	Радиопередатчик с частотной модуляцией и кварцевым генератором
UTR1	Ультразвуковой приемопередатчик
UTR2	Ультразвуковой приемопередатчик
UTR3	Ультразвуковой приемопередатчик
PID1	Пассивный инфракрасный детектор
IRT1	Импульсный инфракрасный передатчик
IRD1	Инфракрасный приемопередатчик с импульсной модуляцией

Немного подробнее рассмотрим компоненты ультразвукового и инфракрасного диапазонов.

Ультразвуковые передатчики/приемники UTR1-UTR3 представляют собой гибридные схемы, что дает возможность создать на их основе ультразвуковой детектор с минимальным числом внешних элементов. Изменение амплитуды входного сигнала (частота 40 кГц), вызванное перемещением объекта, детектируется, и таким образом происходит обнаружение движущейся цели. Высокая стабильность параметров ГИС достигнута применением технологии «Thick film hybrid», разработанной фирмой Telecontrolli. Все это позволяет эффективно использовать передатчики/приемники UTR1-UTR3 в автомобильных, квартирных и офисных охранных системах, устройствах автоматического открывания дверей.

Основные технические параметры ГИС UTR1-UTR3 приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Параметры	UTR1	UTR2	UTR3
Напряжение питания, В	9…16	9…16	9…16
Потребляемый ток, мА	9	15	10
Коэффициент усиления, дБ	50	50	50
Рабочая частота, кГц	38…42	38…42	38…42
Ток нагрузки, мА	100	20	1
Интервал рабочей температуры, °С	-20…+80	-20…+80	-20…+80

В качестве излучателя и приемника ультразвукового сигнала используют датчики MA40S3S и MA40S3R фирмы Murata или аналогичные, которые подключают непосредственно к выводам микросхемы. Типовые схемы включения передатчиков/приемников UTR1-UTR3 показаны на рис. 1-3. Как видно, ГИС этого семейства представляют собой функционально законченные устройства, требующие для подключения минимум внешних элементов.

Рис. 1.

Рис. 2.

Рис. 3.

В завершение краткого обзора по приемопередающим системам расскажем немного о ГИС ИК-диапазона. Большой интерес представляет пассивный инфракрасный детектор PID1, который реагирует на тепловое излучение человеческого тела. Прибор незаменим в системах охраны и безопасности, учитывая высокую помехозащищенность от радиопомех и функциональную завершенность. Для сборки законченного устройства потребуется лишь четыре конденсатора, переменный резистор, светодиод (необязательно), исполнительный элемент и ИК-датчик Heimann LHi954. Типовая схема включения детектора PID1 показана на рис. 4.

Таблица 3.

Параметры	IRT1	IRD1
Напряжение питания, В	8…10	18…32
Потребляемый ток, мА	35	3
Рабочая частота, Гц	300…400	300…400
Длительность импульса, мкс	40	-
Ток нагрузки, мА	100	20
Интервал рабочей температуры, °С	-20…+80	-20…+80

Рис. 4.

Рис. 5.

Если необходимо вообще заблокировать доступ в какое-либо помещение (и не только помещение), то наиболее оптимальное решение — инфракрасный барьер на основе импульсного передатчика IRT1 и детектора IRD1 (типовая схема применения показана на рис. 5). Параметры этих микросхем приведены в табл. 3. У микросхемы IRD1 кроме основного (вывод 14) есть еще один вывод питания (вывод 15), на который допустимо подавать напряжение в пределах 9…18 В. К этому же выводу можно подключать и маломощную нагрузку, когда напряжение питания микросхемы подают на основной вывод.

Журнал «Радио» №10 2002 г.