Jste zde

Návrh vf rozhraní inteligentních měřidel – 2.část

Jan Robenek, 15. Listopad 2010 - 23:00

Měření spotřeby energií nehýbe pouze rozpočty domácností, ale celou Evropou. Jak navrhnout „chytrá“ měřidla s vf rozhraním a podporou nejrůznějších funkcí přiblížíme v překladu původního pramenu s názvem Implementing low-cost, high performance WMBus RF Interface for smart meters – autor Milen Stefanov.

Výchozí text článku, tj. Návrh vf rozhraní inteligentních měřidel – 1.část, otevřete kliknutím na tento odkaz.

Možnosti v otázce RF a jeho přizpůsobení

Pokud jsme již tedy zvolili 1 nebo 2čipové řešení, stojíme před dalším důležitým krokem návrhu modulu WMBus – výběrem antény a vhodného přizpůsobení mezi vf obvodem a již zmíněnou anténou. Anténou zde zpravidla rozumíme single – ended řešení (50 Ω), které implementujeme nejčastěji jako čip nebo prvek, řešený přímo motivem plošného spoje. Budeme tedy muset zapracovat filtr – balun, který vložíme mezi RF transceiver a příslušnou anténu (jedná se o několik součástek, vytvářejících balun včetně filtrace, resp. náležité impedanční přizpůsobení mezi vf čipem a anténou). V podobě balunu zde máme k dispozici síť pro transformaci symetrických, rozdílových signálů (2drátově) na nesymetrické (1drátově) – proto označení balun (z původního „balanced“ - „unbalanced“). Na obr. 10 vidíme doporučené schéma zapojení pro filtr – balun, řešený z diskrétních součástek pro práci v pásmu 868 / 915 MHz spolu s obvodem CC1101. TI nabízí větší počet referenčních návrhů se strukturami CC1101, pokrývajících obě možnosti zapracování vf přizpůsobení, tj. z diskrétních součástek nebo také jako integrované provedení filtru – balunu.

Běžně využívané řešení s diskrétními součástkami lze osadit vícevrstvými indukčnostmi, které jsou nejlevnější. Vlastnosti takové aplikace budou dobré, ale můžeme je dále výraznou měrou vylepšit drátovými indukčnostmi. Přesně takové zlepšení vf parametrů je zachyceno v rámci dokumentu [7], kde nahrazujeme vícevrstvé struktury (ML) těmi drátovými (WW) a dosahujeme zlepšení až o +2 dB (TX), resp. těsně okolo 1 dB (RX).

Obr. 10: Schéma zapojení obvodu CC1101 a diskrétního filtru – balunu (868 / 915 MHz)

Je obvyklé, že i zde máme na výběr celou řadu drátových indukčností. Abychom dosáhli těch nejlepších vf parametrů, používáme v TI na pozicích pro L121 – 124, L131 a L132 prvky LQW15A (Murata). Podobné indukčnosti však nabízí i jiní výrobci, jako např. Wuerth, KOA, Coilcraft, Johanson nebo ABC. V závislosti na koncové ceně, dostupnosti či dalších faktorech si pak vývojáři mohou zvolit kteréhokoli z těchto dodavatelů. V TI jsme vynaložili velké úsilí na ověření a porovnání vf vlastností různých typů drátových indukčností, takže víme, že drátové indukčnosti od všech zmiňovaných výrobců mohou vyhovět požadavkům poslední normy ETSI 300220. Musíme však zmínit mírné zhoršení vf výkonu (TX) v rozsahu od 0,1 dB do 0,5 dB (v závislosti na použitém typu indukčnosti), budeme – li porovnávat s prvky Murata. Alternativní indukčnosti však můžeme využívat při cenové optimalizaci rozpisky součástek, kde ponecháme možnost volby z více zdrojů.

Druhá možnost volby pro filtr – balun, integrovaná, spočívá v umístění uceleného, diskrétního řešení do jednoho, jediného pouzdra. Takové řešení však musí být s ohledem na nejlepší dosahované parametry přizpůsobeno konkrétnímu RF obvodu a tudíž vyžaduje odborné znalosti v oblasti vf návrhu a příslušné výroby.

Protože obvody CC1101, CC111x a CC430 jsou na současném trhu docela populární, rozhodli se ve společnosti Johanson Technology vyvinout jednočipový filtr – balun, optimalizovaný pro CC11xx, který by se přímo zapojil na RF piny obvodů CC1101, CC1110 nebo CC430. Tento balun s označením 0896BM15A0001 je dnes již ve výrobě, přičemž jej můžete najít hned v několika eval. kitech od TI, včetně Chronos Watch [14]. Hlavní výhoda integrovaného provedení balunu spočívá ve výrazně jednodušším layoutu (menší náchylnost k chybám) a také menší zastavěné ploše na desce plošného spoje.

Obr. 11: Schéma zapojení CC1101 (868 / 915 MHz) s integrovaným filtrem – balunem (0896BM15A0001, JTI)

Výběr vhodné antény

Výběr vhodné antény rozhodně nelze podcenit, protože s dobrou anténou lze snadno zajistit o několik dB lepší zisk než v případě průměrných řešení a kompenzovat tak případná slabá místa připojených RF struktur. V opačném případě, zvolíme – li špatnou anténu nebo bude – li mít vf přizpůsobení určité nedostatky, nastane situace, ve které dojde ke znatelnému zhoršení vf parametrů a systém vykáže menší rozsah spolu s rostoucí proudovou spotřebou, takže na údaje z datasheetu již nedosáhneme.

TI svým zákazníkům vychází vstříc celou řadou referenčních návrhů pro PCB antény, pracující v pásmu do 1 GHz s ohledem na různé velikosti plošného spoje. V případě omezených rozměrů plošného spoje, tj. prakticky ve většině případů, může rozumný kompromis spočívat v nasazení antény – čipu s krátkou propojovací trasou (viz např. referenční návrh [14] USB Dongle s CC1111). Volba antény je tedy posledním výběrovým krokem před spuštěním skutečného návrhu HW. Máme – li tedy zvolen MCU, RF obvod, filtr – balun a také anténu, nadešel rovněž vhodný čas pro vývoj FW.

Protokol WMBus a optimalizace FW

Abychom mohli plně využívat dostupné hardwarové prostředky vybraných součástek, bude nutné vyvinout FW, kterým zmíněné výhody podtrhneme. Pro obvod CC1101 tak bude např. klíčová softwarová podpora režimu Packet Engine, stejně jako zapracování režimů s extrémně nízkou spotřebou pro MCU MSP430.

Skutečná implementace SW je opravdu jednoduchá: MSP430 zůstává většinu času v režimu LPM3 (nastavení pro velmi malou spotřebu s RTC a State Retention) a probouzí se jen v případě aktivity TX, resp. RX, zatímco obvod CC1101 pracuje v režimu Packet Engine. V případě TX bude SW aplikace měřidla probouzet MCU, generovat paket TX a vysílat jej do modulu WMBus nebo sub – systému. Stejně tak v případě RX, kdy SW aplikace probouzí MCU, aktivujeme RF obvod, dochází k inicializaci pro příjem v rámci WMBus a následnému návratu zpět do režimu LPM3, ve kterém snižujeme vlastní spotřebu, přičemž čekáme na přerušení (paket RX, CC1101).

V mnoha případech, WMBus z toho nevyjímaje, může být užitečné kompletní odpojení napájecího napětí pro RF transceiver, není – li právě aktivní (např. vnějším FETem pro RF struktury a jejich napájení; řízení přitom probíhá z I/O pinu MCU). V takových případech je ale velmi důležité, aby mohl RF obvod rychle nabíhat ze stavu Power-off / Power-down do stavu RX nebo TX. V souvislosti s CC1101 zaručujeme mimořádně rychlé náběhy, zhruba 1,5 ms, takže vykážeme několikrát rychlejší přístup než kterékoli jiné, konkurenční RF obvody, dostupné na trhu. Zároveň tím vnášíme možnost dalších výkonových úspor.

Stručně řečeno, díky Packet Engine a způsobu zpracování paketů pro WMBus ušetříme spoustu energie, výrazně omezíme požadavky na MCU a jejich paměť typu Flash nebo RAM a ještě tímto způsobem snížíme celkové náklady na řešení, využívající WMBus.

Proudová spotřeba a odhad doby provozuschopnosti bateriového zdroje

Porovnáváme – li různá hardwarová řešení, musíme přitom uvažovat celý systém, tj. začít u napájecího zdroje a pokračovat dále až k RF strukturám a jejich anténě. Hlavními přispěvateli zde očividně budou napájecí zdroj (DC/DC měnič či lineární stabilizátor), MCU s extrémně nízkou spotřebou a také vf obvody.

V pramenu [8] máme na stranách 11 až 15 k dispozici příklad, který ukazuje, jak určit výkonový rozpočet systému, ve kterém uvažujeme SW stack, běžící na MCU spolu s RF transceiverem. Data se opírají o měření na MSP430, CC2500 a jejich hardwaru. Jestliže použijeme jako výchozí bod tyto výsledky, pak ve skutečném sub – systému WMBus musíme obvod CC2500 nahradit strukturou CC1101, přičemž MCU MSP430F2274 může být znovu použit. Existuje několik RF modulů třetích stran, využívajících pro dosažení nízké ceny a vysokého výkonu standardních modulů WMBus spojení MSP430F225x/7x + CC1101.

Nejdůležitější však bude ověřit teoretický rozpočet výkonu na hmatatelném, hardwarovém prototypu, kde budeme měřit velikost protékajícího proudu v rámci uceleného cyklu, který zahrnuje Power-down, dobu „probouzení“, nízkopříkonový režim (Sleep), vysílání a také příjem.

Druhou možností, obvykle využívanou zákazníky, kteří nemají čas nebo prostředky pro návrh svého vlastního hardwaru, je porovnání dokumentace pro MCU a RF obvody a získání dalších, podrobných informací, týkajících se časování stavového automatu či detailů o výkonové spotřebě přímo od výrobce daného čipu. Nyní si ukážeme, jak jednoduše postupovat v případě porovnávání nejdůležitějších vlastností:

1) Vysílání (výstupní výkon TX a odběr proudu):

Výkon TX měříme na čipu a jeho pinu nebo na anténě a jejím portu?
Uvažujeme zeslabení z titulu balunu, resp. filtru?
Uskutečňuje se měření za použití jedné nebo dvou antén (samostatné trasy pro TX a RX)?
Bude vyžadován a tudíž i uvažován switch pro vnitřní / vnější anténu?
Máme v případě anténního portu k dispozici odběr TX pro stejný výkon TX (v dBm)?
Závisí výkon TX na napájecím napětí (např. 2 V až 3,6 V)?

2) Příjem (citlivost RX, selektivita, blokování a jeho parametry, proudová spotřeba):

Jakou rychlost přenosu dat a jaké PER uvažujeme v případě citlivosti RX (jak dlouhé budou použité pakety)?
Měříme citlivost RX na anténním portu? Pokud ne, uvažujeme ztráty na balunu, filtru a anténním switchi (v případě dvou oddělených antén)?
Bude možné učinit kompromis mezi citlivostí RX a proudovou spotřebou (např. u obvodu CC1101 lze vymezit nižší odběr v řádu několika málo mA, získáme však poté menší citlivost RX – přibližně o 3 dB)?

3) Nízkopříkonové režimy:

Který nízkopříkonový režim je pro MCU a RF obvod nejlepší, zůstávají v registrech příslušná nastavení?
Jak rychlá bude změna mezi zvoleným, nízkopříkonovým režimem a jeho aktivním protějškem (resp. také Idle)?
Za jak dlouho naběhne XTAL (vypnuto – aktivní)?
Kolik času vyžaduje PLL k zafixování žádané, cílové frekvence (např. 868,95 MHz)?

Na základě odpovědí na výše zmíněné otázky a shromáždění konkrétních hodnot (např. v PC - XLS) můžeme sestavit výkonový rozpočet uceleného řešení s WMBus.

Mezi dvě nejdůležitější úrovně proudového odběru obecně řadíme:

Odběr v režimu „Low-power“ / „Sleep“ nebo „Shutdown“ – 99,9 % času trávíme právě zde!
Špičkový odběr (během přenosu) – zahrnuje pouze 0,1 % času (režim T) nebo méně (0,02 % v režimu S).

Dosažení nejnižší možné spotřeby

Díky „pracovnímu cyklu“ 0,1 % pro vf systémy, pracující v režimu T na pásmu 868 – 869 MHz, dle definice evropské normy ETSI 300220, bude více než zřejmé, že odběr systému ve „spánkovém“ režimu (zpravidla několik μA) bude hlavním zdrojem výkonové spotřeby celého modulu WMBus a to dokonce i v případě, že proud během vysílání bude v řádu 30 až 40 mA.

Každé snížení proudu v režimu spánku o 0,1 μA se počítá. V závislosti na konkrétní aplikaci tak můžeme dosáhnout až o několik týdnů delší provozní doby. V souvislosti s takto krátkými pracovními cykly rovněž dochází k žádanému, celkovému vypnutí (nebo snížení odběru) RF obvodů a to i v případě, že bude nutné znovu inicializovat vf část, protože mohlo dojít ke ztrátě údajů v nastavení registru.

Na druhé straně, extrémně malá spotřeba MCU s RTC a rychlý náběh patří k základním možnostem aplikačních procesorů. Zároveň to je i zásadní výhoda struktur MSP430 od TI, které zaručují dobu náběhu (z Low-Power Mode 3) v nejhorším případě mezi 1 μs a 6 μs – v závislosti na použité rodině obvodů.

Rodinu obvodů MSP430 již mnoho let nacházíme v bateriově napájených zařízeních typu alokátorů, spojovaných s odběrem tepla a jeho cenou, vodoměrů, měřičů spotřeby tepla, plynoměrů, snímačů, hodinek a spousty dalších. Strhujícím příkladem možností, které může struktura MSP430 díky své extrémně nízké spotřebě nabídnout, je video TI [11], zachycující jak jeden obvod MSP430F437 s integrovaným budičem pro LCD řídí 7segmentový LCD, přičemž je „napájen“ z ovoce (např. jablek či hroznů).

Je rovněž nezbytné se ujistit, že data, dosazovaná při výpočtu celkové spotřeby, platí pro nejhorší případy (tzn. že máme co do činění s tzv. max. hodnotami v datasheetu). Spousta dostupných obvodů nabízí pouze typické údaje, které pro takové odhady svou povahou určitě vyhovovat nebudou. Mějme příklad: V případě obvodu CC1101 od TI činí typický odběr v nízkopříkonovém režimu 0,2 μA (schopnost uchovávat stavové údaje ve všech registrech), přičemž maximální úroveň dosahuje 1 μA – obě jsou definovány v datasheetu. Na základě těchto údajů, platných pro CMOSový proces 0,18 μm, vidíme, že mohou vznikat výrazné rozdíly mezi typickými a maximálními úrovněmi, které by měl vývojář při svých výpočtech uvažovat a také dosazovat.

Definice maximálních hodnot jsou jediné, použitelné pro kalkulace s nejhoršími podmínkami. Zveřejnění takových údajů v datasheetu pak bylo dalším, odlišujícím faktorem pro obvody MSP430 a CC1101 od TI.

Závěr:

Texas Instruments připravil ucelenou nabídku MCU spolu s RF strukturami, stejně jako řešení pro WMBus, založených na SoC a je tak lídrem na trhu s RF moduly pro WMBus. Různé společnosti typu Amber Wireless, Radiocrafts, Vitelec, Panasonic a dalších využily v případě modulů pro WMBus právě technologie TI.

Zákazník může volit mezi 2čipovým řešením (MCU + RF transceiver) nebo 1čipovou architekturou WMBus. V případě 1čipových hovoříme buď o SoC strukturách, založených na jádru 8051 (CC111x) nebo těch, vycházejících z MSP430 (CC430F5xx/6xx).

TI nabízí všem vývojářům kompletní, hardwarové referenční návrhy (včetně schémat a dat pro layout), eval. kity, stejně jako obrovské množství aplikačních poznámek, pokrývajících všechny stránky návrhu a také vývoje RF řešení. Navzdory velmi početné, již existující nabídce TI v otázce WMBus plánujeme další řešení s vylepšenou HW podporou protokolu WMBus a také vyšší RF výkonností, umocněnou nižší výkonovou spotřebou.

V tomto dokumentu jsme si ukázali, jak lze vytvořit rozhraní pro WMBus a to v typických, inteligentních měřicích aplikacích typu plynoměrů, vodoměrů či měřičů spotřeby tepla ve kterých vyžadujeme rozšířenou životnost bateriového napájení až na 10 – 12 let nebo ještě déle.

Obrovská rodina obvodů MSP430 spolu s transceiverem CC1101, skupinou SoC CC111x stejně jako novou produktovou řadou CC430 společně poskytují ověřené, výkonné a přece levné řešení pro bateriově napájené systémy s WMBus.

Odkazy:

TI: „AN067 - Wireless MBUS Implementation with cc1101 and MSP430 (Rev. A)”
Datasheety TI: CC1101, CC1110, CC1111, MSP430FG4618, MSP430F6317
TI AN050 “Using the CC1101 in the European 868 MHz SRD band”
"Communication systems for and remote reading of meters - Part 3: Dedicated application layer”, English version EN 137573:2004
"Communication system for meters and remote reading of meters - Part 4: Wireless meter readout”, English version EN 13757-4:2005
EN 13757-5:2005 "Communication systems for meters and remote reading of meters –
Part 5: Wireless relaying”; English version EN 13757-5:2008