I ROBERT PISAR RAZVOJNI MODUL ZA BREZŽIČNO KOMUNIKACIJO Z BREZPILOTNIM LETALOM Diplomsko delo Maribor, marec 2009

Transkripcija

1 I ROBERT PISAR RAZVOJNI MODUL ZA BREZŽIČNO KOMUNIKACIJO Z BREZPILOTNIM LETALOM Diplomsko delo Maribor, marec 2009

2 II ROBERT PISAR RAZVOJNI MODUL ZA BREZŽIČNO KOMUNIKACIJO Z BREZPILOTNIM LETALOM Diplomsko delo Maribor, marec 2009

3 I Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa RAZVOJNI MODUL ZA BREZŽIČNO KOMUNIKACIJO Z BREZPILOTNIM LETALOM Študent: Študijski program: Smer: Mentor: Somentor: Lektorica: Robert Pisar VS ŠP Elektrotehnika Telekomunikacije doc. dr. Bojan Gergič viš. pred. mag. Ladislav Mikola Dušanka Pešec, prof. Maribor, marec 2009

4 II

5 III ZAHVALA Za pomoč pri izdelavi diplomske naloge se najlepše zahvaljujem mentorju doc. dr. Bojanu Gegiču, da je prevzel mentorstvo, in somentorju viš. pred. mag. Ladislavu Mikoli za pomoč pri idejni zasnovi naloge, za nasvete, vodenje pri snovanju, vzpodbudo, usmerjanje in realizacijo diplomske naloge. Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili študij in me ves čas vzpodbujali.

6 IV RAZVOJNI MODUL ZA BREZŽIČNO KOMUNIKACIJO Z BREZPILOTNIM LETALOM Ključne besede: radijska frekvenca, brezpilotno letalo, brezžična komunikacija, komunikacijski sistem, razvojni modul, elektronsko vezje, demonstracijska plošča. UDK: : (043.2) Povzetek V nalogi smo predstavili razvojni modul za brezžični prenos podatkov iz brezpilotnega letala, pri čemer smo morali upoštevati splošni akt o načrtu uporabe radijskih frekvenc, ki je bil objavljen v Uradnem listu Republike Slovenije, številki 10/2006 in 17/2006, ter v Uredbi o načrtu razporeditve radiofrekvenčnih pasov, ki je bila objavljena v Uradnem listu Republike Slovenije, številka 107/04. Podali smo pregled različnih frekvenčnih pasov in utemeljili izbiro na frekvenčnem območju 868 MHz. Za prenos podatkov uporabljamo brezžično komunikacijo. Merilni in komunikacijski sistem, ki se uporabljata v brezpilotnem letalu, morata imeti predvsem majhne dimenzije, težo ter porabo. Brezpilotno letalo vodi pilot z Zemlje, zato je razdalja med letalom in pilotom omejena z vidljivostjo; za komunikacijo zadostuje domet okrog 2 km. Temeljito smo proučili modul RC1280HP in protokol RC232. Glede na domet modulov smo določili potrebne elemente vezja. Kreirali smo lastno knjižnico in predstavili programsko orodje Altium Designer. Preverili smo komunikacijo in testiranje dometa razvojnega modula.

7 V DEVELOPMENT MODULE FOR WIRELESS COMMUNICATION WITH A PILOTLESS PLANE Key words: radio frequency, pilotless plane, wireless communication, communication system, development module, electronic circuit, demonstration board. UDK: : (043.2) Abstract In this paper we presented the development module for wireless data transfer from a pilotless plane. In doing so, we had to comply with the Act on radio frequency utilisation plan, published in the Official Journal of the Republic of Slovenia, number 10/2006 and 17/2006 as well as the Decree on the radio frequency bands allocation plan, published in the Official Journal of the Republic of Slovenia, number 107/04. We presented different frequency bands and justified the selection on the frequency range 868 MHz. For data transfer we used wireless communication. Measurement and communication systems used in the pilotless plane have to have small dimensions, a small weight and a small consumption. The pilotless plane is operated by a pilot from the ground, therefore the distance between the plane and the pilot is limited by visibility, and for communication a range of about 2 km is sufficient. We investigated the RC1280HP module and the RC232 protocol thoroughly. According to the module range, we determined the necessary circuit elements. We created our own library and presented the Altium Designer software tool. We examined the communication and range testing of the development module.

8 VI VSEBINA 1 UVOD.1 2 PREGLED FREKVENČNIH OBMOČIJ DRŽAVNA UPORABA DRŽAVNA SOUPORABA UPORABA RADIJSKIH FREKVENC UPORABA FREKVENČNEGA OBMOČJA.3 3 ODDAJNO-SPREJEMNI MODUL RC1280HP PREDSTAVITEV PRODUKTA OPIS VEZJA UPRAVLJANJE NAPAJANJA RC232 RF PROTOKOL OPIS ZNAČILNOSTI PROTOKOL RC VMESNIK UART KONFIGURACIJA MODULA DEMONSTRACIJSKI KIT RC 12X0HPDK PREDSTAVITEV DEMONSTRACIJSKA PLOŠČA NAVODILO ZA HITER ZAGON NAPAJANJE VMESNIK RS

9 VII 6 PROGRAMSKO ORODJE ALTIUM DESIGNER KAKO KREIRAMO PROJEKT? KAKO KREIRAMO LASTNO KNJIŽNICO? RAZVOJNI MODUL ZA BREZŽIČNI PRENOS PODATKOV ELEMENT TPS ANTENA SKLEP VIRI IN LITERATURA PRILOGE SEZNAM SLIK SEZNAM PREGLEDNIC NASLOV ŠTUDENTA KRATEK ŽIVLJENJEPIS.51

10 VIII UPORABLJENE KRATICE ASCII American Standard Code for Information Interchange, je ameriški standardni nabor za izmenjavo informacij, je 7-bitni nabor znakov; obsega 2 7 = 128 znakov. EEPMOM Electronic Eraseable Programable Read Only Memory, elektronsko zbrisljiv programsko spremenljiv samo bralni pomnilnik. ETSI European Telecommunications Standards Institute, Evropski inštitut za telekomunikacijske standarde. CRC Cyclic Redundancy Check, način preverjanja podatkov v računalništvu. FSK Frequency Shift Keying, je modulacija, ki za prenos podatkov koristi več kot dve frekvenci. MAC Media Access Cotrol, naslov je enoumno določen naslov računalnika, definiran na nivoju strojne opreme. OEM Original Equipment Manufacture, označuje velikega proizvajalca računalnikov. PCB Printed Circuit Board = tiskano vezje. PMOS okrajšava P-kanal MOS. P-kanalni tranzistor s kovinskimi oksidi. Podkategorija MOS polprevodniških elementov. UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter univerzalni asinhroni prenos (pošiljanje/sprejem) podatkov.

11 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 1 1 UVOD Danes se srečujemo s hitrim razvojem znanosti, s tem pa se hitro razvija tudi področje komunikacij (telekomunikacij). Zato smo se odločili, da predstavimo, proučimo in razvijemo razvojni modul za brezžični prenos podatkov iz brezpilotnega letala. Med vodenjem brezpilotnega letala nas zanimajo različni podatki, kot so npr. trenutna pozicija letala, njegova hitrost in višina, napetost akumulatorjev ipd. Brezpilotno letalo vodi pilot z Zemlje, zato je razdalja med letalom in pilotom omejena z vidljivostjo in za komunikacijo zadostuje domet okrog dveh kilometrov. Odločili smo se za prenos podatkov na frekvenčnem območju 868 MHz. Jedro razvojnega sistema je oddajno-sprejemni modul RC1280HP z vgrajenim protokolom RC232. Prenos podatkov med razvojnim modulom in računalnikom poteka preko vmesnika USB. S tem bo razvojni modul omogočal testiranje dometa in razvijanje programske opreme.

12 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 2 2 PREGLED FREKVENČNIH OBMOČIJ Pri izbiri oddajno-sprejemnega modula smo upoštevali 34. člen Zakona o elektronskih komunikacijah (Uradni list Republike Slovenije, št. 43/04 in 86/04 ZVOP-1). Prav tako smo pri odločitvi upoštevali splošni akt o načrtu uporabe radijskih frekvenc, ki je bil objavljen v Uradnem listu Republike Slovenije, št. 10/2006 in 17/2006. Splošni akt vsebuje načrt uporabe radijskih frekvenc, s katerim Agencija za pošto in elektronske komunikacije Republike Slovenije podrobneje opredeli namen in način uporabe radijskih frekvenc znotraj radiofrekvenčnih pasov. Uporaba radijskih frekvenc za posamezne radiokomunikacijske storitve je predvidena z Uredbo o načrtu razporeditve radiofrekvenčnih pasov. Uredba je bila objavljena v Uradnem listu Republike Slovenije, št. 107/ Državna uporaba Pojem državne uporabe pomeni, da je uporaba radijskih frekvenc v skladu z drugim odstavkom 35. člena Zakona o elektronskih komunikacijah (Uradni list Republike Slovenije, št. 43/04). Radijske frekvence se lahko uporabljajo izključno za potrebe varnosti in obrambe države ter varstva pred naravnimi in drugimi nesrečami v sistemih, ki so skupni za celotno območje Republike Slovenije in jih uporabljajo državni organi ali nosilci javnih pooblastil. 2.2 Državna souporaba Pojem državna souporaba pomeni uporabo radijskih frekvenc v skladu z drugim odstavkom 35. člena Zakona za potrebe varnosti in obrambe države ter varstva pred naravnimi in drugimi nesrečami v sistemih, ki so skupni za celotno območje Republike Slovenije in jih uporabljajo državni organi ali nosilci javnih pooblastil pod pogojem, da njihova uporaba ne vpliva na uporabo radijskih frekvenc.

13 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom Uporaba radijskih frekvenc V kolikor uporaba radijskih frekvenc ni določena z uredbo, se lahko uporabijo odločbe in priporočila Konference evropskih uprav pošt in telekomunikacij, priporočila Mednarodne telekomunikacijske zveze in standardi Evropskega inštituta za telekomunikacijske standarde (ETSI). 2.4 Uporaba frekvenčnega območja Za naš razvojni modul smo uporabili radiofrekvenčno območje 868 MHz, ker ima dovolj veliko zmogljivost in dovolj razpoložljivih kanalov. Za to radiofrekvenčno območje ne potrebujemo licence. 3 ODDAJNO-SPREJEMNI MODUL RC1280HP RC1280HP bazira na podlagi oddajno-sprejemnega modula RC1280RF (slika 3.1) za operacije FSK z že vgrajenim protokolom. Modul z oznako HP ima vgrajen ojačevalnik in dosega do 500 mw izhodne moči. Moduli so pridobili certifikat za delovanje pod evropskimi radijskimi predpisi za uporabo brez licence. Z uporabo kakovostne antene lahko dosežejo domet od 5 do 6 km. Modul HP ima enak protokol RC232 in kanale kot RC 1280, zato je med RC1280 in RC1280HP možno medsebojno delovanje. Slika 3.1: Modul RC1280HP (RC1280HP High Performance 500mW Multi-Channel RF Transceiver Module (rev. 1.41) Radiocrafts AS, 2007)

14 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 4 Uporaba: - avtomatsko odčitavanje števcev porabe, - alarmni in varnostni sistem, - oprema OEM (Original Equipment Manufacturer), - optični čitalniki za črtno kodo, - telemetrijska postaja, - vodenje flot. Značilnosti: - majhne dimenzije (9,5 x 60,5 x 6,0 mm); - 25 khz ozkopasovno delovanje; - zelo nizka vrednost toka v stanju izklopa 3 na; - vgrajen protokol RC232TM; - preverjanje napak in naslova; bitni podatkovni predpomnilnik; - UART za preprosto menjavo ožičenja med RS232/422/485; - ne potrebuje zunanjih elementov; - ne zahteva konfiguriranja, kadar se uporablja en kanal; - preprosta uporaba podatkovnega vmesnika; - ustreza direktivam EU R&TTE (EN , EN , EN 60950). Tabela 1: Kratek pregled lastnosti Parametri RC1280HP Enota Frekvenčni pas 869, ,650 (500 mw); (10 mw) MHz Število kanalov 5 (visokih načinov moči), 80 (nizkih načinov moči) Pasovna širina kanala 25 khz

15 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 5 Hitrost prenosa 4,8 Kbit/s Maksimalna izhodna moč 500 mw Občutljivost -108 dbm Napajalna napetost 3,3 V Tok med sprejemanjem, RX 20,7 ma Tok pri oddaji, TX 28/600* ma Tok mirovanja, SLEEP 0,9 ma Tok med izklopom, OFF 0,003 μ A 3.1 Predstavitev modula Kako pošljemo podatke? Podatke prenesemo tako, da jih pošljemo na priključek modula RXD. Uporabimo format UART z naslednjimi nastavitvami (19200, 8, 1, N, brez krmiljenja pretoka) in dva»stop-bita«, če je uporabljen CTS. Do 128 bajtov se shrani v predpomnilnik modula. Modul prenese podatke, ko: - je dosežena maksimalna dolžina paketa; - je poslan edinstven znak za konec sporočila; - je dosežen iztečni čas premora, nastavljen v modemu. Dolžina paketa, znak za konec sporočila in iztečni čas se nastavijo v vezju. Kako sprejmemo podatke? Vsak sprejet paket s pravilnim naslovom in pravilno preskusno vsoto bo poslan na priključek TXD v enakem formatu UART, kot je bil poslan. Kaj pa antena? V večini primerov bosta zadostovali že četrt valovne dolžine dolga žica ali PCB sled. Košček žice z dolžino, ki ustreza četrtini valovne dolžine, povežemo na priključek RF. Za produkte, ki so prostorsko omejeni, se obrnemo na proizvajalca. Kako spremenimo kanal RF ali kak drug parameter? Da bi spremenili konfiguracijske parametre, aktiviramo priključek CONFIG in pošljemo ukazni niz tako, da uporabimo isti

16 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 6 serijski vmesnik (glej tekst pod sliko 3.2, str. 9) kot za pošiljanje podatkov. Parametri se lahko trajno spremenijo tako, da se shranijo v trajni pomnilnik. Tabela 2: Opis priključkov Številka pola Ime pola Opis 1 GND Masa 2 CTS/RXT/RXEN UART pripravljen na pošiljanje, UART RXTX, omogočanje sprejemanja ali aktiviranje načina SLEEP. Priključimo na VDD, kadar ni v uporabi. Notranji serijski upor 100 kω. 3 RTS/TXEN UART zahteva za pošiljanje, omogočanje oddajanja ali aktiviranje načina SLEEP. Priključimo na VDD, kadar ni v uporabi. Notranji serijski upor 100 kω. 4 CONFIG Omogočanje konfiguracije. Aktiven pri nizko. Normalna nastavitev je visoko. Priključimo na VDD, kadar ni v uporabi. Notranji serijski upor 100 kω. 5 TXD/SCL Podatki UART TX ali ura serijskih podatkov. Notranji serijski upor 100 kω. 6 RXD/SDA Podatki UART RX ali serijski podatki I/O. Notranji serijski

17 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 7 upor 100 kω. 7 GND Masa 8 RESET Glavna ponastavitev (aktiven pri nizko). Normalno naj ostane nepriključen. Notranji dvižni (pull-up) upor 100 kω, serijski upor 10 kω N/C Ne priključimo (pustimo v zraku). 11 VDD Izhod napajalne napetosti. Normalno naj ostane nepriključen. 12 GND Masa VCC Vhod napajalne napetosti. Notranje regulirano, razen za napajalno napetost PA. Zadostuje povezava z enim priključkom, notranje povezano na modulu. 15 ON/OFF Vklop/izklop modula. ON (vklopljen) pri visoko, OFF (izklopljen) pri nizko. Ali povežimo z VCC.

18 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 8 16 GND Masa RF Povezava RF I/O z anteno (zadostuje povezava z enim priključkom, notranje povezano na modulu). 19 PA_OFF Prisili, da se PA izklopi ( OFF ) in fiksira notranja RF stikala. Pustimo, da lebdi za vklop PA ( ON ). PA_OFF prevlada notranji kontrolni signal PA. 20 GND Masa Slika 3.2: Spodnji pogled s strani konektorjev (RC1280HP High Performance 500 mw Multi-Channel RF Transceiver Module (rev. 1.41) Radiocrafts AS, 2007)

19 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom Opis vezja Modul vsebuje: - komunikacijski krmilnik z vgrajenim protokolom RC232, - oddajnik RF, - močnostni ojačevalnik RF in - notranji napetostni regulator. Komunikacijski krmilnik upravlja z radijskim protokolom, vmesnikom UART ter kontrolira oddajnik RF. Podatki, ki jih pošlje gostiteljski računalnik, se sprejmejo na priključku RXD in se shranijo v predpomnilnik komunikacijskega krmilnika. Preden se podatkovni paket pošlje po RF, so mu dodani preambula, ločilo za začetek okvirja SOF, naslov in kontrolna vsota krožnega čezmernega preverjanja CRC (Cyclic Redundancy Check). Oddajnik RF modulira podatke, ki bodo poslani na frekvenco RF, in demodulira podatke, ki jih je sprejel. Ozkopasovna tehnologija je uporabljena zato, da se povečata občutljivost in selektivnost. Ojačevalec RF poveča izhodno moč do 500 mw. Signal OFF se lahko uporabi, ko želimo izključiti ojačevalec. Komunikacijski krmilnik pregleda prejete podatke (če vsebujejo pravilne naslove in CRC). Če se naslov ujema z naslovom modula in ni ugotovljenih nobenih napak CRC-ja, se paket podatkov, po odstranitvi glave, pošlje naprej na TXD. Asinhroni vmesnik UART je sestavljen iz RXD in TXD. Mogoča je tudi uporaba CTS, RTS/RXTX za krmiljenje pretoka. RTS/RXTX se lahko uporabi za kontrolo smeri RS485 gonilnega vezja. Modul lahko uporabljamo v transparentnem načinu delovanja brez vmesnega predpomnilnika. V tem primeru je podatkovni vmesnik sinhron in uporablja SCL in SDA za prenos podatkov do/od gostitelja. RXEN in TXEN se uporabljata za izbiro sprejemanja oziroma pošiljanja.

20 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 10 Ko aktiviramo priključek CONFIG, bo komunikacijski krmilnik interpretiral podatke, ki jih je prejel na priključek RXD kot ukaze. Obstajajo ukazi, ki spremenijo radijski kanal, izhodno moč in ciljni naslov. Možne so tudi trajne spremembe nastavitev, ki se shranijo v notranji trajni spomin (EEPROM). Napajalno električno napetost povežemo na priključek VCC. Modul vsebuje notranji regulator električne napetosti in lahko tako deluje v širšem napetostnem obsegu. Regulirana napetost je na voljo na priključku VDD, vendar ne sme biti uporabljena za napajanje zunanjega vezja. Priključek ON/OFF lahko uporabimo z namenom, da popolnoma izključimo modul in s tem znižamo porabo na minimum. Za normalno delovanje mora biti priključek ON/OFF priključen na VCC, če pa želimo modul izključiti, ga povežemo na maso. 3.3 Upravljanje napajanja Modul se lahko nastavi v stanje SLEEP (spati) ali v OFF (izključen) z namenom, da se zmanjša poraba energije. Stanje nizke porabe SLEEP se aktivira, ko uporabimo ukaz SLEEP ali s pomočjo priključkov RXEN in TXEN. V spečem stanju modul ne bo zaznal ali sprejel prihajajočih podatkov ne od gostitelja (UART) ne od sprejemnika RF. Če je bilo speče stanje nastavljeno z ukazom»z«, se modul predrami s pozitivnim prehodom signala na priključku CONFIG, RXEN ali TXEN. Pozor: Če se uporablja krmiljenje pretoka UART, se priključka RXEN in TXEN ne moreta uporabiti za speče stanje. V tem primeru moramo uporabiti ukaz SLEEP. Posebno nizka poraba energije, način OFF, se vključi takrat, ko postavimo priključek ON/OFF na nizek nivo. Modul se v tem primeru popolnoma izključi, ponovno pa se aktivira tako, da postavimo priključek ON/OFF na visok nivo (na VCC). Po izključitvi načina OFF se vsi delovni parametri prenesejo iz konfiguracijskega pomnilnika. Priključka VDD ne smemo uporabljati za oskrbo zunanjih vezij (razen za dvižne upore na priključkih RXEN, TXEN in CONFIG).

21 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 11 Reset ob vklopu napajanja Da bi zagotovili brezhibno delovanje internega reset vezja (POR), mora biti zagotovljen maksimalen čas vzpona za VCC, ki je podan v specifikacijah napajalne napetosti. Daljši čas vzpona ali kratka prekinitev napajalne napetosti, ki ju POR ne zazna, lahko povzročita nepravilno delovanje modula. Zato je za pravilno delovanje pomembno, da se uporablja zunanji nadzor napajanja s pomočjo priključka RESET. Če modul nastavimo na način OFF ali če izključimo napajanje VCC, mora biti POR zagotovljen. Zato potrebujemo v stanju OFF (da se notranji POR ne sproži) zunanji signal RESET, ki zagotovi pravilen zagon. Slika 3.3: Električno vezje za kontrolo Reset (RC1280HP High Performance 500 mw Multi-Channel RF Transceiver Module (rev. 1.41) Radiocrafts AS, 2007) Slika 3.3 prikazuje predlagano električno vezje za kontrolo RESET-a. MCU lahko deluje preko celotnega območja VCC. Vendar ne smemo pozabiti, da izhod modula TXD deluje pri 2,7 V, zato mora MCU sprejeti ta nižji napetostni nivo, sicer moramo uporabiti napetostni pretvornik. Predlagane rešitve Priključek RESET nadzorujemo z ločenim I/O priključkom MCU-ja. RESET nastavimo na nizek nivo, še preden znižamo ON/OFF, in ga ohranjamo v tem stanju, dokler ON/OFF ni spet na visokem nivoju (VCC 10 %). To bo zagotovilo pravilen POR. - Nadzorujemo priključek RESET z enakim priključkom I/O, ki se uporablja za ON/OFF.

22 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 12 - Uporabljamo zunanji POR in nadzorno vezje padca napajalne napetosti pod varni nivo (brown-out). Vezje mora biti povezano med VDD in GND ter mora upravljati RESET. Ta rešitev bo prisilila RESET v nizek nivo, vse dokler bo VDD pod pragovno napetostjo. RESET ima notranji dvižni upor povezan na VDD, zato se lahko uporabi zunanje nadzorno vezje z odprtim ponorjem. Priporočena pragovna napetost je med 2,3 V in 2,6 V. - Če ima sistem gostitelja že zunanji POR in nadzorno vezje napajalne napetosti, se lahko uporabi za RESET modula. Nadzorno vezje mora biti priključeno med VCC in GND in mora direktno upravljati RESET modula. Ta rešitev bo držala RESET na nizkem nivoju, dokler bo VCC pod pragovno napetostjo. Priporočena pragovna napetost je 2,8 V ali več. 4 PROTOKOL RC232 RF 4.1 Opis Protokol RC232 RF se uporablja v številnih Radiocraftovih proizvodih. Protokol obravnava komunikacijo z gostujočim računalnikom, preverjanje napak, naslavljanje in razpršeno oddajanje. Podpira omrežne topologije točke s točko, točke z več točkami in topologijo enakovrednih. Protokol RC232 RF se uporablja pri modulih serije RC10x0 in RC12x Značilnosti: celoten MAC-ov paketni protokol, transparentni in predpomnilniški način, naslavljanje, razpršeno oddajanje, preverjanje napak, 128 byte podatkovni predpomnilnik, sheme za varčevanje z energijo, preprost vmesnik UART,

23 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 13 kompatibilnost z RS232/422/485, opcijsko UART strojno usklajevanje, točka s točko, točka z več točkami, sporazumevanje enakovrednih. 4.3 Protokol RC232 Protokol ponuja naslednje: transparentni način brez vmesnega pomnilnika, paketni način z vmesnim pomnilnikom, različno dolžino paketov, znak za konec sporočila ali iztečni čas, opcijsko naslavljanje paketov, opcijsko odkrivanje napak z uporabljanjem CRC 16, konfiguracijo radijskega modema med delovanjem. Protokol RC232 (slika 4.1) je kompatibilen s serijskimi vmesniki RS232, RS422 in RS485. Podatki se prenašajo od/do modulov po vmesniku UART; enak se uporablja za RS232, RS422 in RS485, s to razliko, da uporablja logični nivo signala (3 V 5 V Logic). Protokol vsebuje plast Medium Acces Control (MAC), kot opcijo pa ponuja naslavljanje. Komplet enostavnih, a močnih ukazov omogoča možnost spreminjanja konfiguracije modula. Slika 4.1: Moduli, ki podpirajo protokol RC232 (RC232 Embedded RF Protocol User Manual (rev 1.41) Radiocrafts AS, 2005)

24 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom Vmesnik UART UART uporabljamo kot vmesnik med modulom in gostujočim sistemom za pošiljanje podatkov v načinu z vmesnim pomnilnikom in za konfiguracijo modula. UART deluje na 19,2 kbaud, z 8 podatkovnimi biti, 1 stop bitom in brez paritetnega bita (UART-ovo hitrost prenosa podatkov se lahko konfigurira za RC12x0). Ponavadi ne uporabljamo usklajevanja (handshake). Vsak mikrokrmilnik s strojnim ali s programskim usklajevanjem lahko komunicira z modulom, če ima takšne nastavitve. Po izbiri pa lahko uporabljamo CTS in/ali RTS/RXTX za strojno krmiljenje pretoka podatkov. Priključek CTS Clear to send (prost za pošiljanje) CTS omogoča modulu nadzor prenosa. Ko je CTS postavljen na nizek nivo, se lahko podatki za emitiranje po RF pošljejo modulu. Ko je modul zaseden (na primer med prenosom ali sprejemom po RF), se CTS postavi na visok nivo, da se zaustavi prenos podatkov do modula. Priključek RTS Ready to send (pripravljen za pošiljanje) Ko je RTS postavljen na nizek nivo, gostitelj dovoljuje podatkovni prenos od modula h gostitelju. Gostitelj lahko zaustavi prenos podatkov od modula s spremembo signala RTS na visok nivo. Pomembno je vedeti: Če v predpomnilniku modula čakajo sprejeti podatki, modul ne more sprejemati ali oddajati nadaljnjih podatkov, dokler se ne postavi RTS in gostitelj ne prebere podatkov iz predpomnilnika. Priključek RXTX nadzor gonilnika za RS485 RXTX je na nizkem nivoju, ko lahko modul sprejema podatke na RXD. Na visokem nivoju pa je takrat, ko prenaša podatke na TXD, in potem še dodatnih 5 ms, da se modul preklopi iz stanja TXD v stanje IDLE. Priključek RXTX je ponavadi priklopljen na RE in DE gonilnika RS485. Konfiguriranje krmiljenja pretoka podatkov na vmesniku UART se vrši z nastavitvijo UART_FLOW_CTRL v trajnem pomnilniku modula. Pomembno je vedeti: CTS se postavi med prvim»stop bitom«, poslanim od modula, ko je buffer poln. Gostitelj mora nato takoj prenehati s pošiljanjem podatkov, da ne bi prišlo do

25 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 15 njihove izgube. Če gostitelj ne more pravočasno zaznati CTS, mora biti prenos nastavljen na dva»stop bita«. Dolžina paketa pri uporabi predpomnilnika Modul lahko obravnava dinamično dolžino paketa, ki pa je omejena z velikostjo predpomnilnika. Prenos enega paketa podatkov do modula je lahko zaključen na tri načine: predpomnilnik napolnimo do konca, kot je nastavljeno s parametrom PACKET- LENGTH; pošljemo znak za konec sporočila; naredimo premor po zadnjem poslanem zlogu. Velikosti predpomnilnika, znak za konec sporočila in iztečni čas premora se lahko določijo s konfiguracijo pomnilnika in s komandami, kot so : PACKET_LENGTH, PACKET_END_CHARACTER ali PACKET_TIMEOUT. Naslavljanje Modul dovoljuje naslovljene paketne prenose in razpršeno oddajanje. Vsak modul ima SYSTEM_ID (en zlog) in svoj UNIQUE_ID (en zlog). SYSTEM_ID in UNIQUE_ID se lahko programirata za vsak modul posebej z uporabo konfiguracijskega vmesnika. Uporaba naslavljanja se lahko omogoči z nastavitvijo ADDRESS_MODE v konfiguracijskem pomnilniku. Vsak modul ima tudi svoj privzet ciljni naslov DESTINATION_ID. Ta naslov se doda pri pošiljanju podatkovnih paketov, če je omogočeno naslavljanje. Vsa vozlišča v enem sistemu morajo imeti enak SYSTEM_ID. Vsako vozlišče pa mora biti nastavljeno na različen UNIQUE_ID. Za pošiljanje podatkovnega paketa na točno določeno vozlišče nastavimo ciljni naslov na UNIQUE_ID tega vozlišča. V primeru razpršene oddaje se mora nastaviti ciljni naslov na BROADCAST_ID. Privzeta vrednost za BROADCAST_ID je 0xFF (decimalno 255), a to se lahko v konfiguraciji tudi spremeni. Zapomnimo si, da BROADCAST_ID ne more biti enak kateremu koli UNIQUE_ID. Za pravilno delovanje naslavljanja je pomembno: vsa vozlišča morajo imeti omogočeno naslavljanje (ADDRESS_MODE); vsa vozlišča znotraj sistema imajo enak SYSTEM_ID;

26 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 16 vsa vozlišča znotraj sistema imajo enak BROADCAST_ID; posamezno vozlišče znotraj sistema ima unikatno UNIQUE_ID. Pred prenosom podatkov je potrebno: DESTINATION_ID nastaviti na sprejemnikov želen UNIQUE_ID; DESTINATION_ID nastaviti na BROADCAST_ID, če naj bo podatkovni paket sprejet na vseh vozliščih. Ugotavljanje napak CRC Protokol RC232 ima vgrajeno odkrivanje napak na osnovi 16-bitnega CRC. Odkrivanje napak lahko omogočimo s CRC_MODE v konfiguracijskem pomnilniku. Podatkovni paket z napačno kontrolno kodo bo zavržen in ne bo poslan h gostitelju. Sinhroni vmesnik za transparentno pošiljanje podatkov brez predpomnilnika Sinhroni vmesnik se uporablja za transparentni način. SCL je podatkovna ura, ki jo generira modul, SDA pa je dvosmerni podatkovni signal brez pomnilnika. Za omogočanje transparentnega načina moramo izvesti naslednje nastavitve v konfiguracijskem pomnilniku: MAC_MODE (naslov 0x13) = 0, DATA_INTERFACE (naslov 0x36) = 1, CRC_MODE (naslov 0x15) = 0, ADDRESS_MODE (naslov 0x14) = 0. V transparentnem načinu se za nadzor uporabljata RXEN in TXEN. Za pričetek prenosa podatkov se mora TXEN spremeniti na nizek nivo. Modul nato omogoči oddajnik RF in pošlje preambulo ter SOF (start-of-frame). Ko je modul pripravljen za pošiljanje podatkov, začne teči podatkovna ura SCL. Podatki na priključku SDA se nato modulirajo in pošljejo preko oddajnika RF. Za zaključek prenosa mora biti priključek TXEN nastavljen na visok nivo. Ura SCL se zaustavi, modul izključi oddajnik RF in se vrne v stanje pripravljenosti. Podatki se prenašajo v modul ob pozitivnem prehodu urinega takta, zato jih moramo postaviti pri negativnem prehodu. Če želimo sprejemati podatke, mora biti pin RXEN nastavljen na nizek nivo. Modul bo nato poiskal preambulo in SOF ter začel pošiljati sprejete podatke na priključek SDA z uporabo podatkovne ure SCL. Sprejemanje podatkov se bo nadaljevalo, vse dokler ne bo

27 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 17 priključek RXEN nastavljen na visok nivo. Aplikacija mora ugotoviti dejanski konec prenosa in takoj zaustaviti sprejem s priključkom RXEN. Gostitelj mora prebrati podatke ob pozitivnem prehodu urinega takta, saj jih modul postavi ob negativnem prehodu. Zmeraj obstaja verjetnost, da bo sprejemnik napačno zaznal preambulo in pričel s pošiljanjem podatkov na priključek SDA in SCL, kar bi se v tem primeru izražalo le kot šum. Aplikacija mora zaznati takšno situacijo in prekiniti sprejem s takojšnjim onemogočanjem RXEN. Ko bo RXEN ponovno aktiviran, se začne ponovno iskanje preambule. Če sta RXEN in TXEN postavljena na nizek nivo, se modul postavi v stanje SLEEP (spanje), kar zmanjšuje porabo energije. Tabela 3 prikazuje vsa stanja kontrolnih priključkov, ki se uporabljajo pri transparentnem načinu brez predpomnilnika. Pri uporabi transparentnega načina morata biti CRC in naslavljanje izklopljena. Tabela 3: Stanja kontrolnih priključkov NAČIN RXEN TXEN OPIS IDLE Visoko Visoko RX Nizko Visoko Takoj po najdbi preambule in SOF-a modul pošlje podatke na SDA in generira SCL. TX Visoko Nizko Takoj po prenosu preambule in SOF-a starta modul podatkovno uro na SCL in bere podatke na SDA. SLEEP Nizko Nizko

28 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom Konfiguracija modula Konfiguracija modula se lahko spremeni med delovanjem, ko je modul povezan z gostiteljem ali v času od instaliranja opreme. Spreminjanje konfiguracije poteka s pošiljanjem ukazov po vmesniku UART, potem ko je že bil aktiviran priključek CONFIG. Potem ko je bil aktiviran priključek CONFIG, preklopi modul v komandni način. Modul bo takoj odgovoril s pošiljanjem znaka»>«na priključek TXD. To pomeni, da je modul pripravljen na sprejem ukazov. Po vnosu ukaza bo modul ponovno takoj odgovoril z»>«, kar pomeni, da je znova pripravljen za vnos novih navodil. Čas izvrševanja posameznega ukaza je lahko različen, odvisno od zahtevnosti vsakega posameznega ukaza. Z vnosom ukaza X (izhod) program ne bo več nudil možnosti nadaljnjega konfiguriranja. Parametri, ki so bili določeni z direktnimi ukazi, bodo takoj stopili v veljavo, ko bo program vrnjen na normalno stanje (IDLE). Ti parametri ne bodo shranjeni v primeru izgube elektrike (energije) ali resetiranja modula. Podatki bodo trajno shranjeni le v primeru, če bodo shranjeni v trajni konfiguracijski pomnilnik z uporabo ukaza»m«. Tabela 4: Ukazi, ki morajo biti poslani kot ASCII podatki PARAMETER NAVODILO ARGUMENT V HEX OPIS (DECIMAL) Kanal 'C' 0x43 RC1040: 0x01 0x05 (1-5) RC1080: 0x01 0x08 (1-8) Podatki se shranijo le v začasni pomnilnik. RC1080: 0x09 0x09 (1-9) RC1240: 0x01 0x045 (1-69) RC1250: 0x01 0x50 (1-80) RC1280: 0x01 0x50 (1-80) RC1290: 0x01 0x33 (1-51) Izhodna moč 'P' 0x50 0x01 0x05 (1-5) Le v začasni pomnilnik.

29 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 19 Moč signala (RSSI) 'S' 0x53 RC 12x01: return one byte indicating the signal strength RC 10x01: no function Naslov 'T' 0x54 0x00 0xFF (0 255) Le v začasni pomnilnik. Konfiguracija trajnega 'M' 0x4D (Naslov, Podatki) poglej tabelo Uporabljena za vnos v pomnilnika parametrov v [8] trajni pomnilnik. Izhod 'X' 0x58 Ukaz za izhod. Spanje (SLEEP) 'Z' 0x5A CONFIG priključek mora biti dodan v SLEEP načinu. Test način 0 'O' 0x30 Lista vseh parametrov konfiguracijskega pomnilnika. Test način 1 '1' 0x31 TX nosilec (nižja FSK frekvenca). Test način 2 '2' 0x32 TX moduliran signal RC 10x0: FSK val RX 12X0: sekvenca PN9 Test način 1 mora bit izveden pred test načinom 2. Navodilo: znaki ASCII so vpisani kot 'X', heksadecimalne številke so vpisane kot 0x00, decimalne številke so vpisane kot 10 čez tekst. Vsak nepravilen ukaz bo prezrt in modul bo odgovoril z»>«. Da bi uporabili test način 1 in 2, moramo vedno najprej izvesti test način 1. Modulacija je lahko potem vključena z uporabo test načina 2. Izklop modulacije poteka z vnovično uporabo test načina 1.

30 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 20 PRIMER Da bi izbrali kanal 3, vnesemo naslednjo sekvenco ukazov po določitvi CONFIG in pridobljenega znaka»>«. UKAZ HEX ODZIV KOMENTAR 'C' 0x43»>«3 0x03»>«Čakaj na»>«. (Tukaj lahko sledi nov ukaz.) 'X' 0x58 (brez) Modul se vrne na IDLE. Upravljanje z energijo Modul lahko nastavimo v stanje SLEEP ali OFF (izklopljen), če želimo varčevati z energijo. Stanje SLEEP vključimo z vnosom ukaza SLEEP ali s spremembo RXEN in TXEN na nizek nivo. V stanju SLEEP modul ne bo sprejel in zaznal vhodnih podatkov ne od gostitelja (UART) ne od oddajnika RF. Iz spečega stanja SLEEP modul prebudimo s pozitivnim prehodom na priključnih CONFIG, RXEN ali TXEN. V stanju zelo nizke porabe preidemo s prehodom priključka ON/OFF na nizek nivo. Po ponovnem vklopu modula s spremembo stanja na priključku ON/OFF na visok nivo se vsi delovni parametri postavijo na svoje privzete vrednosti.

31 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 21 5 DEMONSTRACIJSKI KIT RC12X0HPDK Slika 5.1: Demonstracijski kit RC12X0HPDK (RC12X0HPDK Demonstration Kit User Manual (rev 1.0), Radiocrafts AS, 2007) 5.1 Predstavitev Moduli RC12X0HP RF z vgrajenim protokolom nam omogočajo zelo kompaktno rešitev za širok nabor aplikacij. Demonstracijski kit RC12X0HPDK je zasnovan tako, da uporabniku omogoča enostavno oceno modula in hiter ter enostaven razvoj aplikacij. Demonstracijski kit vsebuje dve demonstracijski plošči RC12X0HPDB, ki obsegata modul RC12X0HP in pripadajoče podporno vezje. Ploščo lahko enostavno upravljamo s pomočjo terminalskega programa na osebnem računalniku. V nadaljevanju je opisano, kako uporabljati demonstracijski kit.

32 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 22 Demonstracijski kit RC12X0HPDK vsebuje vse, kar potrebujemo, da lahko ocenimo zmogljivost modulov RF in razvijemo svoje aplikacije z uporabo modulov, lahko pa ga uporabimo tudi pri gradnji prototipa naše aplikacije. Demonstracijski kit vsebuje: demonstracijsko ploščo (RC12X0HPDB) modul RF (RC12X0HP) anteno, 50 Ω četrtvalni monopol, moški konektor SMA adapter SMA na BNC serijski kabel RS232 (1:1) priključni kabel AC/DC napajalnik 6 VDC/1000 ma 2 kosa, 2 kosa, 2 kosa, 2 kosa, 2 kosa, 2 kosa. 5.2 Demonstracijska plošča Demonstracijska plošča vsebuje gonilnik za RS232 in 9-nožni D-Sub konektor, tipke (CONFIG, TXEN, RXEN, RESET), napetostni regulator, konfiguracijske mostiče in priključke, ki omogočajo povezavo RC12X0HP-ja (slika 5.2) z različno testno opremo ali z gostiteljem, uporabljenim v aplikaciji. V dejanski aplikaciji ne potrebujemo vseh komponent. Modul na demonstracijski plošči se ob vklopu nastavi na kanal v frekvenčnem pasu, ki dovoljuje visoko izhodno moč. Za RC1280HP to pomeni 869, ,650 MHz, kjer je največja dovoljena izhodna moč 500 mw (+27 dbm). Če je modul nastavljen na kanal zunaj tega frekvenčnega pasu, ne smemo prekoračiti največje dovoljene izhodne moči +10 dbm.

33 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 23 Slika 5.2: Demonstracijska plošča RC12X0HP (RC12X0HPDK Demonstration Kit User Manual (rev 1.0), Radiocrafts AS, 2007) OPOZORILO: Modula RC12X0HP in RC1280HPDB sta zasnovana tako, da izpolnita regulative, ki so podane v podatkih modula. Največje TX/RX-razmerje (10 %) velja za delovanje 500 mw. Ko uporabljamo privzet asinhron način, ni potrebno posebej ukrepati, razen za 10-odstotno TX/RX-razmerje. Ko uporabljamo testni način»1«ali sinhroni način, zagotovimo najdaljši čas prenosa (»TX-čas«) 3 sekunde. 5.3 Navodila za hiter zagon Kako enostavno vzpostavimo povezavo med ploščama? Da bi izvedli osnovni komunikacijski test, pri vsaki demonstracijski plošči ravnamo tako, da:

34 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 24 pritrdimo anteno na konektor SMA; povežemo vrata RS232 z osebnim računalnikom; na osebnem računalniku zaženemo terminalski program (kot je npr. Microsoft HyperTerminal); prepričamo se, da smo izbrali pravilna serijska vrata, nastavimo prenos podatkov na 19200,1 start bit, brez paritete, 1 stop bit, brez krmiljenja pretoka (data rate 19200, 1 start bit, no parity, 1 stop bit, no flow control); povežemo priključek napajalnika z vtičnico DC in ga vtaknemo v vtičnico na zidu. Modul bo sedaj v stanju mirovanja čakal na prihod veljavnega paketa podatkov. Podatke lahko vnesemo v terminalsko okno in približno po dveh sekundah premora se niz znakov ASCII prenese na drug modul in se prikaže v njegovem terminalskem oknu, če je bil prenos uspešen. Kako nadaljujemo in kako spremenimo kanal RF ali katero koli drugo nastavitev? Da bi spremenili konfiguracijske nastavitve, aktiviramo CONFIG (spremenimo na nizek nivo tako, da pritisnemo tipko CONFIG) in pošljemo niz ukazov, pri čemer uporabimo isti serijski vmesnik kot za prenos podatkov. Nastavitve se lahko spremenijo trajno, če jih shranimo v trajni pomnilnik modula. Nastavitve modula lahko najenostavneje spreminjamo z uporabo terminalnega programa, ki omogoča pošiljanje in sprejemanje binarnih/heksadecimalnih števil in ne samo znakov ASCII. 5.4 Napajanje Plošča vsebuje nespremenljiv 3,3 V (3,3-voltni) napetostni regulator. Izbiramo lahko med priključitvijo 4,6 V 12 V neregulirane napetosti na vtičnico DC (npr. priložen napajalnik) ali med vijačnimi sponkami, kamor lahko priključimo paket baterij ali drug napajalni vir. Vgrajen regulator zniža priključeno napetost na 3,3 V. Obseg vhodne napetosti je od 4,6 V do 12 V. Zaporedno vezana dioda varuje vezje pred napačno polariteto. Da bi izmerili enosmerni tok, ki teče v modul, uporabimo ampermeter. Odstranimo mostiček na priključku P14 in ampermeter povežemo med dvema nožicama (slika 5.3).

35 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 25 Slika 5.3: Napajanje (RC12X0HPDK Demonstration Kit User Manual (rev 1.0), Radiocrafts AS, 2007) Kot kaže skica zgoraj, so na voljo tudi povezovalne točke, ki omogočajo postavitev modula v način OFF (izklopljen) in za nadziranje VDD, pri čemer jih uporabimo samo v testne namene. Opozorilo: Skozi 100 kώ dvižni upor R2 teče v načinu OFF tok približno 27 μa, če ga ne odstranimo. Dvižni upor se uporablja zato, da modul ostane v načinu ON (vklopljen) za normalno rabo. V končni aplikaciji bi to nožico lahko nadzirali z digitalnim izhodom, R2 pa bi lahko opustili ter tako dosegli zelo majhen tok v načinu OFF. 5.5 Vmesnik RS-232 Demonstracijska plošča vsebuje gonilnik RS232. Serijska vrata so konfigurirana kot podatkovni modem, za povezavo z osebnim računalnikom pa moramo uporabiti kabel 1:1. Omogočena je tudi uporaba signalov RTS/CTS, tako da se lahko na teh vratih uporablja strojno krmiljenje pretoka, vendar to ni tovarniško privzeta konfiguracija. Krmiljenje pretoka lahko omogočimo s spremembo konfiguracije v trajnem pomnilniku in z naslednjimi spremembami strojne opreme:

36 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 26 odstraniti moramo R7, da omogočimo CTS, v nasprotnem primeru bo skupaj z notranjim serijskim uporom v modulu deloval kot napetostni delilec, ki zmanjšuje nivo signala; vstavimo mostiče pri P13, da povežemo CTS in RTS z gonilnikom RS232. P13 se uporablja za vgradnjo mostičev, ki povezujejo vmesnik UART modula z gonilnikom RS232 PHY. Običajno so mostiči, ki povezujejo RXD in TXD, nameščeni in omogočajo komunikacijo UART z osebnim računalnikom brez krmiljenja pretoka. Če mostiče odstranimo, lahko zlahka direktno povežemo modul RXD in TXT z gostiteljem, na primer z mikrokrmilnikom ali zunanjo razvojno ploščo. Tabela spodaj kaže izhode nožic in signale pri P13. Tabela 5: Izhodi nožic in signalov pri P13 Nožica Številka Signal Opomba 1 2 GND 3 4 CTS Namesti mostič, ko uporabljamo strojno krmiljenje pretoka. 5 6 RTS Namesti mostič, ko uporabljamo strojno krmiljenje pretoka. 7 8 CONFIG 9 10 TXD Mostič je nameščen tovarniško RXD Mostič je nameščen tovarniško GND Opomba: Modul postavi CTS med pošiljanjem prvega stop bita, ko se mu zapolni predpomnilnik. Takrat naj gostitelj ustavi nadaljnje prenose znakov, da prepreči njihovo izgubo. Če gostitelj CTS med strojnim krmiljenjem pretoka ne zazna dovolj hitro, nastavimo prenos na dva stop bita. Konektorji Demonstracijska plošča je opremljena z mnogimi konektorji za lahek dostop do vseh signalov modula.

37 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 27 Na P5 in P13 so pripeljane vse digitalne podatkovne in nadzorne linije, ki služijo kot vmesnik modula. P14 vsebuje napetost VCC, P12 pa signal ON/OFF in GND. Letvica z 2,54-milimetrskim rasterjem se lahko prispajka na P12, če nam to ustreza. Na P6 so pripeljani digitalni I/0 za nadaljnjo rabo in po meri prirejene aplikacije. Letvica z 2,54-milimetrskim rasterjem se lahko prispajka na P6, če nam to ustreza. P8, P10 in P11 so namenjeni zgolj tovarniškemu testu in na PCB niso dodani. Tipke Demonstracijska plošča je opremljena s štirimi tipkami, ki so povezane z nadzornimi signali. S1: RXEN S pritiskom na to tipko aktiviramo RX, ko uporabljamo transparenten način. S2: TXEN S pritiskom na to tipko aktiviramo TX, ko uporabljamo transparenten način. S3: CONFIG S pritiskom na to tipko aktiviramo konfiguriranje modula. S4: RESET S pritiskom na to tipko sprožimo ponastavitev modula. Uporaba demonstracijske opreme Demonstracijska oprema je uporabna za zagotavljanje praktičnih izkušenj z RC12X0HP, tako za razvijalce strojne kot programske opreme. Po navodilih za hiter zagon spojimo kit. Uporabniški priročnik RC232 skupaj s seznamom podatkov za vsak modul posebej nudita informacije o tem, kako spremenimo konfiguracije modulov. Pomembno: Raba radijskih oddajnikov je urejena z mednarodnimi in državnimi zakonskimi predpisi. Radiocrafts moduli ustrezajo predpisom v EU in v ZDA/Kanadi za različne frekvenčne različice. Prepričati se moramo, da so lokalni predpisi skladni z njimi. Odgovorni za telekomunikacije nam lahko nudijo dodatna pojasnila o rabi nelicenčnih radijskih oddajnikov v naši državi.

38 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 28 Izbira antene Izbira antene je zelo pomembna pri doseganju dometa pri katerem koli radijskem sistemu. RC 12X0HPDB ima vgrajene tri možne rešitve za antene. 1. Konektor SMA za povezavo s preklopno anteno To je privzeta konfiguracija in 0-ohmski serijski upor R1 povezuje SMA z RF priključkom modula. Preklopne antene v kitu imajo četrtvalno dolžino. Ko jih povežemo z RC 12X0HPDB, lahko pričakujemo več kot 5-kilometrski domet v vidnem območju. Za povečanje dometa in bolj vsesmerno sevanje uporabimo anteno, ki ima optimalnejšo izvedbo mase. 2. Fractus čipovna antena S to anteno lahko pričakujemo več kot 3,5-kilometrski domet v vidnem območju. 3. 1,0-milimetrska luknja za povezavo in vrednotenje raznovrstnih anten po izboru kupcev, kot so na primer antene helical. Če želimo uporabiti opcijo 2 ali 3, moramo prestaviti 0-ohmski serijski upor R1 na položaj R4 oziroma R5 (glej montažno sliko 5.4). Slika 5.4: Montažna slika (RC12X0HPDK Demonstration Kit User Manual (rev 1.0), Radiocrafts AS, 2007) Odpravljanje težav Če demonstracijski kit ne deluje: preverimo, ali je napajalnik priključen;

39 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 29 preverimo, ali imamo ustrezno napajanje, ali napajalnik lahko da minimalno 800 ma; če uporabljamo pretvornik AC/DC, preverimo še, ali ima ustrezno napetost AC, ki ustreza našemu omrežju (220 V); izmerimo napetost na P14, ki mora biti 3,3 V, obe nožici pa mora povezovati mostič ali ampermeter; preverimo, ali je napetost ustrezno polarizirana; v kolikor ni, zaščitna dioda ne bo prevajala in tok ne bo tekel. + in sta označena na PCB, pri vtičnici za DC, vrh je + in krogec je. Kadar z RC12X0HP ne moremo komunicirati skozi serijska vrata UART, se prepričamo, ali sta vstavljena mostiča RXD in TXT; nastavimo terminalni program v skladu z navodili vodiča za hitri zagon in ne pozabimo izbrati ustreznih vrat COM ter se z njimi povezati; se prepričamo, da uporabljamo ustrezno ožičen kabel 1:1 (kot je ta, ki se nahaja v kitu); se mora ob vstopu v konfiguracijski način (s pritiskom na tipko CONFIG) v pogovornem oknu pokazati znak (»>«); zagotovimo, da bomo zapustili konfiguracijski način z ukazom za izhod (veliki»x«). Kadar ne moremo komunicirati med moduloma v načinu z vmesnim pomnilnikom, se prepričamo, da sta način naslavljanja in način odkrivanja napake CRC enaka na obeh modulih (nastavimo z uporabo ukaza»m«ukaz za shranjevanje konfiguracije v pomnilnik, glej uporabniški priročnik RC232); se prepričamo, da je ciljni naslov enak kot unikaten ID v nastavljenem modulu, v kolikor je uporabljeno naslavljanje (nastavimo z uporabo ukaza»t«ukaz za ciljni naslov, glej uporabniški priročnik RC232); se ne pozabimo iz konfiguracijskega načina odjaviti z ukazom»x«;

40 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 30 lahko dobimo izpis trenutne konfiguracije na terminalu z uporabo testnega ukaza»0«(nič). Modul v režimu OFF porabi več toka, kot je podano Bodimo pozorni na to, da ON/OFF dvižni upor R2 (100 kω) odvaja približno 27 µa. Ko merimo tok modula v režimu OFF, odstranimo ta upor. 6 PROGRAMSKO ORODJE ALTIUM DESIGNER Programsko orodje Altium Designer omogoča načrtovanje tiskanine. Z njim lahko načrtujemo različna vezja in ustvarjamo lastne knjižnice. Programsko orodje vsebuje veliko knjižnic, s katerimi lahko razpolagamo pri risanju vezja, saj ima na razpolago mnogo različnih elementov. V kolikor knjižnice ne vsebujejo elementov, ki jih potrebujemo, jih lahko sami kreiramo. To storimo tako, da si ustvarimo novo knjižnico in narišemo želen simbol ali element. Za vsak simbol ali element moramo narediti še nožni tisk (footprint). Altium Designer nam omogoča lažjo pot od načrtovanja do končnega izdelka. Pozorni moramo biti, da potekajo povezave točno iz elementa na element, ker če elementov ne povežemo natančno, vezje ne bo delovalo. Če se v vezju pojavi napaka, nas program usmeri na tisti del, kjer povezava ni pravilno izvedena. Ko imamo vezje pravilno narisano, ga pretvorimo za izdelavo tiskanine. Elementi se zdaj definirajo v svoji naravni velikosti in obliki. Na tiskanini imamo že vse elemente navidezno povezane. Izbrati si moramo velikost ploščice, ki je primerna za naše vezje. Elemente sedaj postavimo na ploščico in jih razporedimo tako, da se nam povezave ne bodo križale. Elemente med seboj povežemo z ustrezno debelino povezave. Ko smo to opravili in preverili, da ni nobenih napak, lahko tiskanino pošljemo v izdelavo.

41 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom Kako kreiramo projekt? Slika 6.1: Skica vezalnega načrta (PCB Design (v 2.0), Altium, 2008) Na začetku vsakega projekta odpremo okno za nov projekt. To storimo tako, da pritisnemo ukaz»file«in nato izberemo»new Project PCB Project«, mu damo svoje ime in ga shranimo. V naslednjem koraku kreiramo znotraj projekta novo (električno) shemo. Izberemo ukaz»file«in»new schematic«, kjer bomo narisali določeno vezje (slika 6.1). Dodamo ime ter velikost pod ukazom desigen»document options«in shranimo. Ko imamo to narejeno in shranjeno, lahko začnemo z risanjem vezalnega načrta (slika 6.2). Slika 6.2: Vezalni načrt (PCB Design (v 2.0), Altium, 2008) Iz knjižnic poiščemo elemente, ki jih potrebujemo. Kliknemo na knjižnice (Libraries) na desnem robu sheme in poiščemo želen element. Vsakemu elementu dodamo oznako (npr. R1 100 kώ), in sicer s klikom na njega. Vse elemente, ki jih potrebujemo, razporedimo na shemo (kakor prikazuje slika 6.3) in jih povežemo. Ukaz za povezave je Place Wire.

42 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 32 Slika 6.3: Električna shema (PCB Design (v 2.0), Altium, 2008) Ko smo povezali vse elemente, preverimo, ali je stikalni načrt dobro povezan. Izberemo ukaz Project»Comple PCB project«. Program nam sporoči morebitne napake. Če se te pojavijo, kliknemo na sporočilo in program nas avtomatsko usmeri na napako, ki se je pojavila v shemi. Vezje je pripravljeno za kreiranje novega dokumenta PCB. Preden pa prenesemo naš dizajn na tiskanino, moramo kreirati prazno ploščico PCB tako, da izberemo standard, ki ustreza našemu vezju. Določimo velikost in debelino ploščice, ki bo primerna za kasnejšo industrijsko izdelavo. Kreiramo jo tako, da izberemo ukaz»pcb Board Wizard«, ki se nahaja pod ukazom»files«, ter jo dodamo k obstoječemu projektu in shranimo. Nato naše vezje iz SchDoc pretvorimo v dokument PCBDoc, kjer se nam pojavijo elementi v obliki in velikosti realnih elementov za izdelavo. Vsak element mora imeti nožni tisk za praktično izdelavo. Na spodnji sliki 6.4 lahko vidimo, kako se elementi pretvorijo za izdelavo tiskanine. Slika 6.4: Pretvorba elementov za izdelavo tiskanine (PCB Design (v 2.0), Altium, 2008) Elemente si razporedimo po mreži, tako da se bodo povezave navidezno med seboj čim manj prekrivale (slika 6.5).

43 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 33 Slika 6.5: Razporeditev elementov (PCB Design (v 2.0), Altium, 2008) Povezave med elementi naredimo z ukazom Place, Interactive Routing, krajše P, T. Vsak projekt ima za elemente svoje zahteve in glede na te izbiramo debelino povezav. Tukaj se moramo poglobiti v dani projekt in pregledati standarde za določene elemente. Ko imamo standarde izpolnjene in elemente povezane, lahko damo tiskanino v izdelavo (slika 6.6). Slika 6.6: Povezani elementi (PCB Design (v 2.0), Altium, 2008) 6. 2 Kako kreiramo lastno knjižnico? Lastno knjižnico kreiramo v primeru, ko elementov za naše vezje, npr. čipov ali modulov, ne najdemo v knjižnicah. Takrat moramo ustvariti lastno knjižnico. To naredimo z ukazi File, New Project in Integrated Library ter shranimo projekt pod želenim imenom. V naslednjem koraku odpremo novo datoteko, kjer bomo narisali naš element z ukazi File, New Library in Shematic Library. Odpre se nam novo shematično okno pod imenom Schlib1. Schlib, ki ga shranimo pod želenim imenom (slika 6.7).

44 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 34 Slika 6.7: Shematično okno (Creating Library Components (v 2.1), Altium, 2008) V shemi izberemo Component 1 in ga preimenujemo v ime elementa, ki ga želimo kreirati. Vedno se postavimo v središče sheme z ukazom Edit» Jump» Origin ali krajše J, O in začnemo z risanjem želenega elementa. Izberemo ukaz Place» Line, krajše P, L. Pod ukazom Place najdemo še druge funkcije, ki omogočajo risanje različnih likov (npr. krogov, trikotnikov, določitev priključkov na elementu...). Ko imamo simbol narisan, kakor smo želeli, dvakrat kliknemo na komponento in določimo njen opis. S tem smo končali z risanjem simbola. V naslednjem koraku narišemo za dani simbol še nožni tisk (footprint). Odpremo novo knjižnico z ukazom File» New» Library» PCB Library ter shranimo z želenim imenom pod naš projekt (slika 6.8). Slika 6.8: Odpiranje nove knjižnice za risanje nožnega tiska (Creating Library Components (v 2.1), Altium, 2008)

45 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 35 Odpre se nam novo okno za risanje nožnega tiska. Poženemo čarovnika za komponente (Tools» Componnet Wizard), kjer določimo vrsto in mere elementa. Preden začnemo z risanjem, opravimo nastavitve ploščice pod ukazom (Tools» Library Options). Začnemo z risanjem nožnega tiska. Ta mora biti narisan po merah proizvajalca: elementa, modula ali čipa. Z narisanim nožnim tiskom dobimo celotno komponento. S klikom na shemo pod ukazom»add«dodamo temu simbolu naš nožni tisk (slika 6.9). Element lahko ima več nožnih tiskov. Slika 6.9: Dodajanje nožnega tiska (Creating Library Components (v 2.1), Altium, 2008) Za podrobnejše informacije o Altium Designerju vsebuje program veliko natančnih navodil v dokumentih pdf, ki nas vodijo korak po koraku. Program je zelo obsežen in potrebujemo kar nekaj prakse, da ga v celoti osvojimo. 7 RAZVOJNI MODUL ZA BREZŽIČNI PRENOS PODATKOV Naloga razvojnega modula je, da lahko sprejema in oddaja podatke v dometu dveh kilometrov. Za razvojni modul smo na začetku ustvarili vezalni načrt (slika 7.1) s pomočjo programa Altium Designer, kjer smo vključili vse potrebne elemente, in nato oblikovali tiskanino (slika 7.2).

46 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 36 seznam elementov, ki smo jih potrebovali za naš razvojni modul: - modul RC1280HP, - čip TPS75333QPWP, - konektor TSW G-D-RA, - kondenzatorja C1, C2 velikosti C pf, - elektrolitska kondenzatorja C3, C4 velikosti T495D 330 nf, - kondenzator C5 vrste C nf, - upora R1 0 k Ohmov in R2 100 kώhmov, - antena FR05-S1 R Slika 7.1: Vezalni načrt razvojnega modula

47 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 37 Slika 7.2: Tiskanina razvojnega modula Tiskanino smo nato dali v proizvodnjo in zaspajkali elemente na tiskanino (slika 7.3). Slika 7.3: Končni izdelek razvojnega modula Končni izdelek smo testirali z dvema takšnima moduloma, ki smo ju priključili na osebna računalnika preko vmesnika USB. Modula sprejemata in oddajata podatke na razdalji do 2 km. Komunikacijo med moduloma lahko sprogramiramo z različnimi programi. Mi smo uporabili program za komunikacijo LabVIEW (slika 7.4)

48 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 38 Slika 7.4: Testni program za komunikacijo S tem programom (slika 7.5) lahko sprejemamo in oddajamo podatke. Lahko mu določimo tudi hitrost komunikacije in spreminjamo lokacijo. Nastavitvene parametre imamo shranjene v trajnem pomnilniku modula, ki jih lahko spreminjamo z uporabo ukaza»m«(tabela v prilogi protokol RC232). Slika 7.5: Čelna plošča programa za sprejemanje in oddajanje podatkov

49 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom Element TPS75333 Element TPS75333 je linearni regulator z majhnim znižanjem napetosti (low-dropout regulators), z izhodom za ponastavitev ob vklopu in s funkcijo»power Good«(PG). Regulator daje 1,5 A izhodnega toka, pri čemer je na njem padec napetosti samo 160 mv. Mirovni tok je 75 µa pri polni obremenitvi in pade na 1 µa, ko je regulator v stanju mirovanja. Ta element je oblikovan za hiter prehodni odziv na večje spremembe tokovne obremenitve. Ker se element PMOS obnaša kot nizkoohmski upor, je padec napetosti zelo nizek (običajno 160 mv pri izhodnem toku 1,5 A za TPS75333) in je sorazmeren z izhodnim tokom. Nadalje je mirovni tok zelo nizek in neodvisen od izhodne obremenitve (običajno 75 µa po celotnem razponu izhodnega toka od 1 ma do 1,5 A), ker je prehod elementa PMOS napetostno krmiljen. Ti dve ključni lastnosti bistveno podaljšata delovanje baterijsko napajanih sistemov. Element je aktiven, ko je EN na nizkem nivoju in v stanju mirovanja, če je signal TTL na priključku EN na visokem nivoju. Takrat se regulator izklopi, kar zniža mirovni tok na vrednost pod 1 µa pri Tj = + 25 C. Lastnosti 1,5-amperski regulator z majhnim znižanjem napetosti (Low-Dropout Voltage), na voljo za fiksne (1,5 V, 1,8 V, 2,5 V in 3,3 V) in nastavljive izhode, izhod z odprtim ponorjem za ponastavitev z zakasnitvijo100 ms (TPS75333), ultranizki običajni mirovni tok (75 µa), hiter prehodni odziv 2-odstotne tolerance pri podanih pogojih delovanja za izvedbe s fiksnimi izhodi (slika 7.6), 20-pinsko ohišje TSSOP PowerPAD (PWP), zaščita z izklopom pri pregrevanju.

50 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 40 Slika 7.6: Shema s fiksnimi izhodi (TPS751xxQ Texas Instrument, 2000) Proces montaže Ohišje PowerPAD (slika 7.7) je toplotno izboljšano ohišje IC standardne velikosti, oblikovano za odpravo uporabe ogromnih hladilnih teles, ki se običajno uporabljajo za hlajenje. To ohišje je mogoče z lahkoto montirati s pomočjo standardnih tehnik montaže tiskanin (PCB) ter ga odstraniti in zamenjati s pomočjo standardnih postopkov popravila. Ohišje PowerPAD je oblikovano tako, da je blazinica za hlajenje vgrajena na dno IC-ja. To omogoča zelo nizko toplotno upornost (6 JC) med ohišjem in okolico. Toplotna blazinica na dnu IC-ja se lahko nato neposredno spajka na tiskanino (PCB) in koristi tiskanino za hlajenje. Dodatno hlajenje toplotne blazinice dosežemo s pomočjo toplotnih skoznikov (vias), neposredno povezanih na plast za maso ali na posebno strukturo hladilnega telesa v tiskanini.

51 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 41 Slika 7.7: Prerez ohišja PowerPAD (Application Brief, SLMA004B, Texas Instrument, 2004) Blazina za povezavo (zlitina bakra) Leadframe (Copper Alloy) IC (silicij) IC (Silicon) Vezivo (epoksi) Die Attach (Epoxy) Blazinica za hlajenje, vgrajena na dno ohišja Leadframe Die Pad Zmes ohišja (epoksi) Mold Compound (Epoxy) 1. Pripravimo nožni tisk PCB za zgornjo stran, kot je prikazano na sliki 7.8. Nožni tisk mora vsebovati blazinice za povezave in toplotno blazinico. 2. Na območje toplotne blazinice postavimo priporočljivo število lukenj (toplotni skozniki) s premerom 13 milsov. Luknje so majhne, tako da kapilarnost spajke med spajkanjem ne predstavlja težav. Priporočljivo število lukenj je podano v kratkem tehničnem pregledu SLMA002, toplotno izboljšano ohišje PowerPAD. 3. Priporočljivo (vendar ne zahtevano) je, da je majhno število lukenj pod ohišjem tudi zunaj toplotne blazinice. Te luknje, ki omogočajo dodatno odvajanje toplote z bakrene površine na plast za maso, naj imajo premer 25 milsov. Večje so lahko zato, ker niso na območju spajkanja, in tako kapilarnost ne predstavlja težave.

52 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 42 Slika 7.8: Nožni tisk (Application Brief, SLMA004B, Texas Instrument, 2004) Zahtevana izvedba: PowerPAD velikosti (0,085 x 0,120 ) 15 lukenj (vias) s premerom 0,013 Priporočljiva izvedba: povečana površina mase (0,238 x 0,476 ), dodatno 6 lukenj (vias) zunaj območja blazinice, a pod ohišjem (premer luknje = 25 milsov). Spajkalna kritina naj se uporabi na površini zunaj PowerPAD. 4. Povežemo vse luknje, vključno s tistimi znotraj in zunaj območja toplotne blazinice, na plast za maso ali drugo notranjo bakreno plast. 5. Ko povezujemo luknje na plast za maso, ne uporabimo običajnih termalnih povezav. Termalne povezave imajo visoko toplotno upornost, ki se uporablja za upočasnitev prenosa toplote med spajkanjem. Tako je spajkanje lukenj (vias), ki so priključene na maso, lažje. V nasprotju s tem pa je sedaj zaželena nizka toplotna upornost za najučinkovitejše odvajanje toplote. Zato morajo biti luknje pod ohišjem PowerPAD povezane s plastjo za maso okoli celotne pobakrene luknje. 6. Kot je prikazano na sliki 7.9, naj na zgornji strani ne bo spajkalne kritine na območju priključkov ohišja in toplotne blazinice. Večje 25-milsne luknje zunaj območja toplotne blazinice naj bodo prekrite s spajkalno kritino, 13-milsne luknje na območju toplotne blazinice pa ne.

53 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 43 Slika 7.9: Povezava luknje (via) (Application Brief, SLMA004B, Texas Instrument, 2004) 7. Nanesemo spajkalno kritino, da se prekrije celotna spodnja stran lukenj (vias) PowerPAD in prepreči kapilarnost spajke. Mnogi programi PCB so nastavljeni tako, da se luknje ne pokrijejo, kar je možno, a lahko se pojavi odvajanje spajke zaradi kapilarnosti. Rešitev je v tem, da zagotovimo, da spajkalna kritina pokrije vse toplotne luknje. 8. Pasto za spajkanje nanesemo na izpostavljeno območje toplotne blazinice in vse priključke ohišja. 9. S temi pripravljalnimi koraki PowerPAD IC enostavno namestimo na ustrezen položaj in spajkamo enako kot druge standardne komponente površinske montaže. 7.2 Antena Antena Fractus EZConnect je bila oblikovana posebej za brezžične naprave, ki uporabljajo Zigbee, RFID in druge brezžične standarde, delujoče v frekvenčnih območjih ISM 868/900 MHz. Antena EZConnect (slika 7.10) izkorišča značilnosti zapolnjevanja prostora z uporabo fraktalne tehnologije in je tako ena izmed najmanjših anten za naprave ISM868/900. Dodatno ima antena visok izkoristek sevanja, kar podaljšuje čas trajanja baterij v naših napravah. Antena seva enakomerno v vse smeri, kar je optimalno za okolja, ki izredno razpršijo signal (npr. prostori in gosto naseljena območja).

54 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 44 Slika 7.10: Antena EZConnect (Fractus EZConnect, Fractus, 2006, S.A.) APLIKACIJE Aplikacije za domačo in industrijsko rabo, ki uporabljajo brezžični standard Zigbee RFID (900 MHz) Možnost montaže na različne oblike tiskanin: ključi USB, PDA, mobilni telefoni, PCMCIA PREDNOSTI: majhna velikost, visok izkoristek, nizki stroški. Električno delovanje Tiskanina, s katero so bile testirane lastnosti antene, je prikazana na sliki ohmski napajalni vod Slika 7.11: Testna tiskanina (Fractus EZConnect, Fractus 2006, S.A.) Masa (siva barva) Konektor SMA Razmik antene

55 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 45 Montaža antene Slika 7.12 prikazuje anteno EZConnect s sprednje in zadnje strani ter mesto dovodne točke in montažne blazinice. Montažne blazinice antene spajkamo na spajkalne blazinice na PCB-ju. Teh blazinic ne smemo ozemljiti. Glavna dovodna točka: poravnamo dovodno točko z dovodnim vodom na PCB-ju. Slika 7.12: Čipna antena EZConnect (Fractus EZConnect, Fractus 2006, S.A.) Kot element za površinsko montažo (SMD) je antena združljiva s standardnimi postopki spajkanja v industriji. Osnovni postopek montaže za to anteno je naslednji: - nanesemo spajkalno pasto na blazinice PCB-ja in postavimo anteno na ploščo; - izvedemo postopek spajkanja (reflow) v skladu s temperaturnim profilom; po spajkanju antene tiskanino očistimo, da odstranimo preostanek talila; priporočljivo je, da po čiščenju izvedemo vizualni pregled in se prepričamo, da je bilo celotno talilo odstranjeno. Podrobnosti spajkanja po pravilni montaži (slika 7.13). Slika 7.13: Podrobnosti spajkanja (Fractus EZConnect, Fractus 2006, S.A.)

56 Razvojni modul za brezžično komunikacijo z brezpilotnim letalom 46 Nožni tisk antene Ta nožni tisk antene je podan za testno tiskanino. Mere dovodnega voda in razmiki veljajo za 0,8 mm debel material FR4 (slika 7.14). Slika 7.14: Mere napajalnega voda (Fractus EZConnect, Fractus 2006, S.A.) Drugačne oblike tiskanine in druge konfiguracije lahko zahtevajo drugačno konfiguracijo dovoda ter drugačne mere dovoda in razmika.