2.2.6.1 Miêu tả chung
Bộ thu phát CC1010 UHF RF đƣợc thiết kế cho những ứng dụng tiêu thụ năng lƣợng thấp và điện áp thấp. Mạch thu phát đƣợc dành cho ISM (công nghiệp, khoa học và y học) và SRD (Short Range Device) dải tần 315, 433, 868 và 915 MHz, nhƣng có thể dễ dàng lập trình để hoạt động trong dải tần 300-1000 MHz. Các thông số chính của CC1010 có thể đƣợc lập trình thông qua các thanh ghi chức năng đặc biệt (Special Function Registers - SFRs), làm cho CC1010 rất mềm dẻo và
dễ sử dụng bộ thu phát vô tuyến. Rất ít các thành phần tích cực đòi hỏi cho hoạt động của bộ thu phát RF.
Một sơ đồ khối đƣợc đơn giản hoá của bộ thu phát RF đƣợc thể hiện ở hình 2.1. Chỉ các chân tín hiệu analog đƣợc thể hiện cùng với bus dữ liệu SFR bên trong để thiết lập giao tiếp RF và để truyền và nhận dữ liệu.
Trong chế độ nhận, tín hiệu vào RF đƣợc khuếch đại bởi bộ khuếch đại ồn thấp (low-noise amplifier LNA) và đƣợc chuyển thành trung tần (intermediate frequency - IF) bởi bộ trộn (MIXER). Trong giai đoạn trung tần (IF STAGE) tín hiệu đƣợc khuếch đại và lọc trƣớc khi đƣa tới bộ giải điều chế (DEMOD). Nhƣ một lựa chọn, một tín hiệu RSSI hay IF sau khi trộn đƣợc đƣa vào AD2. Sau khi giải điều chế, tín hiệu số đƣợc đƣa tới thanh ghi RFBUF. Ngắt có thể đƣợc sinh ra theo mỗi bit hay mỗi byte nhận đƣợc (EXIF.RFIF).
Trong chế độ truyền, dao động đƣợc điều khiển bởi điện áp (VCO) đƣợc đƣa trực tiếp tới khuếch đại công suất (PA). Đầu ra RF là khoá dịch chuyển tần số (frequency shift keyed - FSK) bởi luồng bit đƣợc đƣa tới thanh ghi RFBUF. Ngắt có thể đƣợc sinh ra cho mỗi bit hay byte đƣợc truyền (EXIF.RFIF). Mạch chuyển
bên trong T/R làm cho giao tiếp với antenna dễ dàng và sử dụng rất ít thành phần ngoại vi.
Bộ tổ hợp tần số tạo ra dao động bên trong đƣợc đƣa tới MIXER trong chế độ nhận và PA trong chế độ truyền. Bộ tổ hợp tần số bao gồm một dao động thạch anh (XOSC), bộ nhận biết pha (phase detector - PD), bơm nạp (CHARGE PUMP), bộ lọc (internal loop filter - LPF), VCO, và các bộ chia tần (/R và /N). Một tinh thể ngoài có thể đƣợc nối vào XOSC. VCO chỉ cần một cuộn cảm ngoài.
2.2.6.2 Mạch ứng dụng RF
Bộ thu phát RF đòi hỏi rất ít các ngoại vi. Một mạch ứng dụng điển hình đƣợc thể hiện ở hình 2.2. Các giá trị của các thành phần này xin xem thêm phần Tài liệu tham khảo [6].
Tương ứng vào/ra
Cặp C31/L32 là đầu vào cho nơi nhận của bộ nhận, và nội trở của L32 có tác dụng định thiên (bias) một chiều. C41, L41 và C42 đƣợc sử dụng để tƣơng ứng với bộ truyền có trở kháng 50 Ohm. Một bộ chuyển mạch trong T/R làm cho nó có khả năng cùng nối với đầu vào và đầu ra và thích hợp với bộ thu phát 50Ω trong cả hai chế độ RX và TX. VCO đƣợc tích hợp hoàn toàn trừ cuộn cảm L101.
Lọc
Các thành phần bên ngoài (ví dụ RF LC hay lọc răng cƣa) có thể đƣợc sử dụng để cải tiến hiệu năng cho các ứng dụng riêng biệt. Nếu lọc răng cƣa đƣợc sử dụng, nó chỉ có tác dụng cho RX (phải sử dụng chuyển mạch ngoài RX/TX).
Nguồn cung cấp
Các tụ tách và lọc nguồn cần đƣợc sử dụng (không chỉ ra trong mạch ứng dụng). Các tụ này càng gần chân nguồn càng tốt. Vị trí và kích thƣớc của tụ tách và lọc nguồn là rất quan trọng để đạt đƣợc độ nhạy tốt nhất.
Chú ý rằng các giá trị hợp thành cho 868 và 915 MHz có thể là nhƣ nhau. Tuy nhiên, rất quan trọng là cách bố trí đƣợc tối ƣu hoá để lựa chọn cuộn cảm VCO để làm cho tần số hoạt động đƣợc chính xác. Cuộn cảm VCO phải đƣợc đặt rất sát và đối xứng với các chân tƣơng ứng (L1 và L2). Chipcon cung cấp cách bố trí tham khảo để đạt đƣợc hiệu năng cao nhất.
2.2.6.3 Điều khiển bộ thu phát RF và quản lý năng lƣợng
Thanh ghi RFMAIN điều khiển chế độ hoạt động (RX hay TX), sử dụng hai thanh ghi tần số và các chế độ tiết kiệm năng lƣợng (power down). Theo cách này CC1010 có đƣợc sự mềm dẻo để quản lý công suất RF để đạt đƣợc chính xác năng lƣợng tiêu thụ đòi hỏi và các ứng dụng chỉ sử dụng pin. Các chế độ tiết kiệm năng lƣợng khác nhau đƣợc điều khiển thông qua các bit riêng biệt trong thanh ghi
RFMAIN. Các bit này điều khiển phần RX, TX, bộ tổ hợp tần số và dao động thạch anh. Sự điều khiển riêng biệt này có thể dùng để tối ƣu hoá làm cho dòng tiêu thụ thấp nhất có thể trong các ứng dụng nào đó. Một thứ tự bật nguồn điển hình để đạt đƣợc dòng tiêu thụ thấp nhất đƣợc thể hiện ở hình 2.3. Hình vẽ giả thiết rằng tần số A dùng cho RX và tần số B dùng cho TX. Nếu không gặp trƣờng hợp này, đảo lại thiết lập F_REG.
2.2.6.4 Điều chế dữ liệu và các chế độ dữ liệu
Có bốn chế độ dữ liệu khác nhau đƣợc xác định cho truyền và nhận, có thể lập trình đƣợc qua MODEM0.DATA_FORMAT. Các chế độ này khác nhau ở cách mã hoá dữ liệu, cách dữ liệu đến và đi đƣợc và đƣợc chấp nhận, và liệu có sự đồng bộ hoá luồng bit hay không. Định dạng dữ liệu cần đƣợc chọn trƣớc khi bộ thu phát RF hoạt động. Hai trong số các chế độ, chế độ đồng bộ NRZ và chế độ đồng bộ Manchester, truyền hay nhận dữ liệu có tốc độ baud đƣợc thiết lập trong
MODEM0.BAUDRATE. Modem thực hiện việc đồng bộ hoá luồng bit trong suốt quá trình nhận. Trong chế độ Manchester modem cũng thực hiện mã hoá và giải mã Manchester. Các chế độ NRZ và Manchester chấp nhận và truyền dữ liệu theo cả hai cách một bit hay một byte trong cùng một thời điểm, lập trình đƣợc qua
RFCON.BYTEMODE. Trong hầu hết các ứng dụng có hai chế độ đƣợc khuyên
RX hay TX Bật RX: RFMAIN: RXTX=0, F_REG=0 RX_PD=0, FS_PD=0 CURRENT=”RX current” Chờ 250 s Bật TX: PA_POW=00h RFMAIN: RXTX=1, F_REG=1 TX_PD=0, FS_PD=0 CURRENT=”RX current” Chờ 250 s Chế độ RX Chế độ TX Tắt RX: RFMAIN: RX_PD=1, FS_PD=1 Tắt TX: RFMAIN: TX_PD=1, FS_PD=1 PA_POW=00h Tắt RF Tắt RF Hình 2.3. Tuần tự bật thu phát RF
dùng. Dữ liệu truyền đi hay nhận về đƣợc đặt trong thanh ghi RFBUF. Trong quá trình truyền hay nhận cần biết có dữ liệu đến hay đi, từng bit hay từng byte phụ thuộc vào RFCON.BYTEMODE, đƣợc báo hiệu bằng cách tạo ra (EXIF.RFIF.) Phụ thuộc vào liệu ngắt RF đƣợc cho phép hay không (EIE.RFIE), việc truyền hay nhận dữ liệu có thể đƣợc điều khiển bởi chƣơng trình phục vụ ngắt hay có thể đƣợc thực hiện bằng cách hỏi (polling). Trong quá trình nhận khi sử dụng chế độ NRZ
hay Manchester, nhận biết tín hiệu dẫn đƣờng bằng phần cứng và nhận biết dấu hiệu bắt đầu một frame có thể sử dụng các thanh ghi PDET và BSYNC. Hai chế độ khác, Transparent mode và UART mode, chỉ đơn giản là truyền số liệu FSK modem và thanh ghi RFBUF và UART0, cho phép lựa chọn tốc độ và mã hoá dữ liệu. Khi sử dụng UART0 trong chế độ UART chân P3.1 không đƣợc sử dụng cho UART output và có thể sử dụng nhƣ một cổng I/O. Chipcon khuyên rằng các chế độ đồng bộ đƣợc sử dụng. Các chế độ dữ liệu khác bỏ qua mạch quyết định dữ liệu của bộ thu phát RF và không hỗ trợ chế độ bytemode. Chế độ Transparent mode chỉ dùng để kiểm thử.
Mã hoá Manchester
Trong chế độ Manchester data clock đƣợc truyền cùng với dữ liệu. '1' đƣợc mã hoá bằng tần số cao f1 theo sau là tần số thấp hơn f0. '0' đƣợc mã hoá bằng tần số thấp f0 theo sau là tần số cao hơn f1. Điều này đƣợc minh hoạ ở hình 2.4.
2.2.6.5 Tốc độ Baud
Tốc độ từ 0.6 kBaud tới 76.8 kBaud đƣợc thiết lập trong bit điều khiển (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
MODEM0.BAUDRATE. MODEM0.XOSC_FREQ cũng phải đƣợc thiết lập tuỳ vào tinh thể thạch anh đang sử dụng. Tốc độ baud đƣợc tính theo công thức sau:
kbaud MHz fxosc FREQ XOSC BAUDRATE RF BAUDRATE 6 . 0 . 6864 . 3 . 1 _ _ 2
RF_BAUDRATE là tốc độ tính theo kBaud, BAUDRATE và XOSC_FREQ là các bit điều khiển trong MODEM0. Sử dụng một trong các thạch anh chuẩn đặt trong
MODEM0.XOSC_FREQ sẽ tạo ra các tốc độ chuẩn 0.6, 1.2, 2.4, 4.8, 9.6, 19.2, 38.4 hay 76.8 kBaud. Các tần số thạch anh khác nhau sẽ xác định các tốc độ khác nhau nhƣ miêu tả ở trên. Tốc độ baud tới 19.2 kBaud có thể đƣợc tạo ra cho bởi bất kỳ tần số thạch anh nào. Tốc độ lớn hơn 19.2 kBaud cần có thêm các sự kết hợp nhƣ bảng 2.
Bảng 2. Tốc độ baud theo tần số thạch anh
MODEM0. BAUDRATE /XOSC fxosc (MHz) RF_BAUDRATE (kBaud) 3.6864 7.3728 11.0592 14.7456 18.4320 22.1184 0.6 0/0 0/1 0/2 0/3 0/4 0/5 1.2 1/0 1/1 1/2 1/3 1/4 1/5 2.4 2/0 2/1 2/2 2/3 2/4 2/5 4.8 3/0 3/1 3/2 3/3 3/4 3/5 9.6 4/0 4/1 4/2 4/3 4/4 4/5
19.2 5/0 5/1 5/2 5/3 5/4 5/5
38.4 NA 5/0 NA 5/1 NA 5/2
76.8 NA NA NA 5/0 NA NA
2.2.6.6 Truyền và nhận dữ liệu
Trong chế độ Transparent hay UART dữ liệu đi hay đến đƣợc đƣa trực tiếp tới bộ điều chế trong chế độ truyền và đƣợc nhận trực tiếp trong chế độ nhận. Trong các chế độ NRZ và Manchester, dữ liệu đƣợc lƣu tại RFBUF nhƣ đƣợc minh hoạ ở hình 2.5. Việc lƣu nhƣ vậy có những ảnh hƣởng cần đƣợc xem xét khi nhận hay truyền dữ liệu, nhất là trong chế độ bytemode.
Quá trình truyền
Khi truyền dữ liệu theo bytemode (RFCON.BYTEMODE=1), một thanh ghi 8-bit sẽ dịch từng bit tới bộ điều chế, MSB (bit cao nhất) trƣớc tiên, và chu kỳ phụ thuộc vào tốc độ đƣợc lựa chọn. Khi thanh ghi dịch này rỗng sẽ nạp một byte mới từ RFBUF tiếp tục dịch bit. Nội dung của thanh ghi RFBUF không đổi sau khi thanh ghi dịch lấy dữ liệu từ nó. Một ngắt đƣợc tạo ra (EICON.RFI) và RFBUF có
Thanh ghi dịch 8 bit
RFBUF Nhân 8051 Điều chế truyền không dây Giải điều chế nhận không dây LSB Hình 2.5 Đệm dữ liệu RF. Đƣờng gạch là chế độ bit
thể đƣợc nạp với byte dữ liệu mới. Nếu một byte mới không đƣợc ghi vào trong chu kỳ tám bit (chu kỳ tám bit trong chế độ NRZ và chu kỳ 16 baud trong chế độ
Manchester), thời điểm tiếp theo thanh ghi dịch rỗng sẽ lấy lại dữ liệu cũ từ
RFBUF. Chẳng hạn khi truyền một tín hiệu dẫn đƣờng bao gồm '0' và '1' thay đổi, nó chỉ cần ghi byte vào RFBUF một lần và chờ tới khi số các byte cần truyền tín hiệu dẫn đƣờng đƣợc truyền đi. Ở chế độ bitmode (RFCON.BYTEMODE=0), cũng xảy ra tƣơng tự, nhƣng chỉ một bit tại một thời điểm. Theo đó, thanh ghi dịch sẽ nạp bit mới từ RFBUF.0 sau khi truyền một bit đi, và ngắt RF đƣợc tạo ra để báo có bit mới đƣợc nạp. Để có thể ghi bit tiếp theo vào RFBUF.0 trong một chu kỳ bit ở tốc độ cao, nên sử dụng vòng quét nhanh (tight polling loop) thay vì thủ tục truyền dựa trên ngắt. Để bắt đầu truyền dữ liệu ngay khi có thể, bit/byte đầu tiên đƣợc truyền đƣợc ghi vào RFBUF trƣớc khi bộ điều chế hoạt động (RFMAIN.TX_PD=0). Nó sẽ ngay lập tức đƣợc nạp vào thanh ghi dịch và một yêu cầu ngắt đƣợc tạo ra cho bit/byte thứ hai. Điều này đặc biệt quan trọng khi tính đến việc lƣu dữ liệu tại cuối một quá trình truyền. Khi byte cuối cùng của một frame hay packet đƣợc nạp vào thanh ghi dịch nó vẫn không đƣợc truyền đi. Nhƣ vậy yêu cầu ngắt đƣợc tạo ra tại cùng thời điểm không bị dừng đối với cả phần analog hay digital của một quá trình truyền. Quá trình truyền không thể kết thúc đƣợc một cách an toàn cho tới chu kỳ 9 bit cuối cùng trong chế độ bytemode và chu kỳ 2 bit trong chế độ bitmode, khi bit cuối cùng đƣợc dịch và đƣợc truyền tới antenna. Một giải pháp đơn giản là luôn luôn truyền hai byte mở rộng trong chế độ bytemode hay hai bit mở rộng trong chế độ bitmode ở cuối quá trình truyền dữ liệu. Điều này không gây ra vấn đề gì trong thực tế
Quá trình nhận
Khi nhận dữ liệu lƣợc đồ đệm sẽ hoạt động ngƣợc với quá trình truyền. Từng bit từ bộ giải điều chế đƣợc dịch vào thanh ghi dịch 8-bit, MSB trƣớc tiên: Khi thanh ghi dịch đầy nó đƣợc nạp vào RFBUF và một yêu cầu ngắt đƣợc sinh ra (EICON.RFIF). Byte cần đƣợc đọc trong chu kỳ một byte (chu kỳ 8 baud trong chế độ NRZ và 16 baud trong chế độ Manchester). Nếu không, nó sẽ bị ghi đè bởi byte nhận đƣợc tiếp theo và dữ liệu sẽ bị mất. Trong chế độ bitmode quá trình đệm
cũng xảy ra tƣơng tự, nhƣng mỗi bit tại một thời điểm. Theo đó, khi một bit mới tới từ bộ giải điều chế thanh ghi dịch sẽ lƣu nó và lƣu bit cuối cùng vào RFBUF.0, lần lƣợt tạo ra các yêu cầu ngắt RF để có thể đọc các bit mới. Để có thể đọc bit tiếp theo từ RFBUF.0 trong chu kỳ một bit ở tốc độ cao nên sử dụng vòng quét nhanh thay vì dựa vào ngắt. Không có sự cân nhắc đặc biệt nào đối với thời điểm bắt đầu hay kết thúc quá trình nhận.
2.2.7 Module CC1010EM
Để dễ dàng và thuận tiện cho việc phát triển các ứng dụng sử dụng CC1010, hãng Chipcon cũng cung cấp module CC1010 EM (Evaluation module), trên đó có tích hợp hầu hết các linh kiện cần cho việc xây dựng một nút mạng nhƣ:
- VĐK CC1010
- Dao động thạch anh
- Antena
- Một cảm biến nhiệt độ đƣa vào chân AD1
- Các chân cổng
Việc xây dựng thử nghiệm trong khuôn khổ luận văn cũng dùng module CC1010EM. Việc thử nghiệm sau này đã cho thấy rằng module này đã đáp ứng
đƣợc các chức năng cơ bản nút mạng đó là chức năng mạng và chức năng cảm nhận. Tuy nhiên, giá thành module này còn đắt (khoảng 150USD) trong khi giá thành VĐK CC1010 rất rẻ (khoảng 10USD) nên việc nghiên cứu chế tạo module này ở Việt Nam để hạ giá thành là rất cần thiết. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.3 Kết luận
Chƣơng này đã giới thiệu các một số loại VĐK có thể đƣợc dùng làm nút mạng trong WSN theo các tiêu chí: năng lƣợng tiêu thụ thấp, tính mềm dẻo, sức mạnh của nút mạng, tính bảo mật, truyền thông, khả năng tính toán, kích thƣớc của nút mạng. Từ các chỉ tiêu đánh giá đó đã chọn đƣợc loại vi điều khiển CC1010 của hãng Chipcon (Nauy) để làm nút mạng. Đây là loại vi điều khiển tƣơng thích họ 8051 thông dụng, sử dụng ngôn ngữ lập trình C và chƣơng trình dịch Keil µVision2.0. Bên cạnh đó Chipcon cũng cung cấp các thƣ viện làm việc với CC1010 làm cho việc viết chƣơng trình trở nên dễ dàng và thuận tiện.
CHƢƠNG 3
CÁC PHƢƠNG PHÁP GHÉP NỐI VỚI CÁC LOẠI ĐẦU ĐO VÀ CHƢƠNG TRÌNH THỰC HIỆN CHỨC NĂNG THU THẬP DỮ LIỆU
3.1 Giới thiệu cảm biến 3.1.1 Khái niệm
Trong các hệ thống đo lƣờng điều khiển mọi quá trình đều đƣợc đặc trƣng bởi các trạng thái nhƣ nhiệt độ, áp suất, tốc độ, momen…Các biến trạng thái này thƣờng là các đại lƣợng không điện. Nhằm mục đích điều chỉnh, điều khiển các quá trình ta cần thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận, đáp ứng với các tín hiệu và kích thích, là tai mắt của các hoạt động khoa học và công nghệ của con ngƣời.
Các bộ cảm biến thƣờng đƣợc định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích.
Trong mô hình mạch, ta có thể coi bộ cảm biến nhƣ một mạng hai cửa, trong đó cửa vào là biến trạng thái cần đo x và cửa ra là đáp ứng y của bộ cảm biến với kích thích đầu vào x.