Examensarbete LE 1400 10p C-Nivå

Trådlös överföring mellan enkla noder

Magnus Abrahamssonman98107@student.mdh.se

Johan Eskilssonjen98052@student.mdh.se

Institutionen för DatateknikVästerås 2002-05-06

Syfte

Syftet med examensarbetet är att skapa ett enkelt demonstrationssystem som klarar att skicka trådlös

data mellan enkla noder.

Bakgrund

På datainstitutionen vid Mälardalens Högskola i Västerås finns behovet att kunna sända trådlös

data för olika ändamål.

Tillvägagångssätt

• Förstudie

• Hårdvarukonstruktion

• Mjukvarukonstruktion

• Tester

Resultat av förstudien

• Enkel- eller dubbelriktad överföring

• Frekvensband

• Standarder + undantagsföreskrifter

• Transceivermoduler

• Kommunikationsmetoder

Enkelvägs-datakommunikation.

Dubbelvägs-datakommunikation.

Signalbehandling, ex: FPGA, ASIC,DSP

Signalbehandling, ex:

FPGA, ASIC,DSP

Sändare/mottagare

DutDut

DinDin

Sändare

DutDin

Sändare/mottagare

Signalbehandling, ex: FPGA, ASIC,DSP

DutDut

DinDin

Mottagare

Signalbehandling, ex: FPGA, ASIC,DSP

Din

Mobila enheter

Basstationer

Dut

RF-Signaler

AntennerAntenner

Figuren visar en blockkonstruktion över ett trådlöst kommunikationssystem.

Enkel- och dubbelriktad överföring

Frekvensband

• ISM- bandet 433,05-434,79 MHz

Standarder + undantagsföreskrifter

• EN 300 220-1

• PTSFS 2000:9

Transceivermoduler

Kommunikationsmetoder

• Non-Return-To-Zero

• Edge detection

• Manchester Coding

• Oversampling

• UART

clk

Data ”10000001” ’1’ ’0’’0’ ’0’ ’0’ ’0’’0’ ’1’

Metoden används vid både sändning och mottagning.

Fördelar: EnkelNackdelar: Osäker i snabba system, känslig mot brus

Non-Return-To-Zero

Edge detection

clk

Data ”101000”

Här samplas bitarna in

Metoden används vid mottagning.

Fördelar: Bra synkroniseringsmöjlighetNackdelar: Känslig mot brus

Här räknar interruptrutinen ut samplingstiden för varje bit.

Bitlängd

Manchester Coding

Metoden används vid sändning och mottagning.

Fördelar: Säker

Nackdelar: Tidskrävande signalbehandling

Manchester kodning av det binära datat 110100.

Logiskt ’0’: Övergång från låg till hög i mitten av biten Logiskt ’1’: Övergång från hög till låg i mitten av biten

F_16baud

F_16baud_1

F_baud

1:a 2:a 3:e 16:e

Antal Sampel

Under denna period kontrolleras 1 bit.

Oversampling

Metoden används vid mottagning.

Fördelar: Säker

Nackdelar: Tidskrävande signalbehandling, känslig mot frekvensavvikelser i kristallen.

UART (Universal Asynchrounous Receiver Transmitter)

Enhet(er) som ansvarar för att utföra de huvudsakliga momenten vid sändning och mottagning av seriell data.

Hårdvarukonstruktion

• Kretsschema

• Layoutritning

• Kretskortstillverkning

• Tester

Kretsschema

• Antenn: En integrerad antenn i kretskortet med 400 Ω impedans.• Spänningsregulator: För att hålla en stabillikspänningsnivå användes en spänningsregulator.• PLL – Filter: Producerar en likspänningsnivå hos VCO:n.• VCO-Induktor: En induktans som sätter frekvensen för den interna VCO:n. • Kristalloscillator: Krävs för att kretsen skall komma i svängning.

Layout

Layout gjord i programmet Designer.

Kretskortstillverkning

Konstruktionen sett från ovansidan.

Signalgenerator Sändare Mottagare Oscilloskop

Testning

Blockschema över signalöverföring vid test.

Mjukvarukonstruktion

Block som behövs för konstruktionen:

• Transmitter: Sänder data.

• Receiver: Tar emot data.

• Clocks: Genererar signaler som bestämmer arbetstakten i resp block.

’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’’1’’1’’1’’1’’1’ ’0’ ’1’ ’0’ ’1’ ’0’ ’1’ ’0’

Preamble

’0’ ’1’

startbit åtta databitar paritytbit stopbit

’1’ ’1’ ’1’ ’0’ ’0’ ’1’ ’0’ ’0’ ’0’

’1’ ’1’ ’1’ ’0’ ’0’ ’0’ ’1’ ’1’

Adress code word

Message code wordEnd of code word (optional) Checksum

4 5 6

1 32

Packets

Vid sändning av data bör ett packet användas. Exemplet ovan är ett bra exempel på hur ett packet vid trådlös överföring kan se ut.

’0’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’’1’’1’’1’’1’ ’1’ ’0’ ’1’ ’0’ ’1’ ’0’ ’1’ ’0’

preamble

’0’ ’1’

startbit De åtta databitarna paritetsbitstoppbit

’1’ ’1’ ’1’ ’0’ ’0’ ’1’ ’0’ ’0’ ’0’

Vald packet

Nollställer alla signalerS1 S2

Interna vektorn får switcharnas värde.

S3Paustillstånd

1:a biten i första delen av preamblesekvensen sänds

De resterande 11 bitarna i del 1 av

preamblesekvensen sänds.

2:a delen av preamble-sekvensen sänds.

Startbiten sänds.

De åttadatabitarna sänds. .

Paritetsbiten sändsStoppbiten sänds

S4

S5

S6S7

S8

S9S10

Endast vid reset.

Transmitter

S1 S2 S3

Starttillstånd 1:a biten i första delen av preamblesekvensen kontrolleras

Första delen av startbiten kontrolleras.

Kontrollerar de åttadatabitarna.

Kontrollerar paritetsbiten

Stoppbiten kontrolleras

S4

S5

S6S7

S8

S9

S10

De resterande 11 bitarna i del 1av

preamblesekvensen kontrolleras.

De åtta bitarna i andra preamblesekvensen

kontrolleras.

Andra delen av startbiten kontrolleras.

Sista delen i startbiten kontrolleras.

Endast vid reset.

Receiver

Kontroll av databit (UART med NRZ och Oversampling)

F_16baud

F_16baud_1

F_baud

1:a 2:a 3:e 16:e

Antal Sampel

Under denna period kontrolleras 1 bit.

För att avgöra om den mottagna biten är ’1’ måste minst 8 av de 16 sampels vara logiskt höga men biten läses inte ut förrän samtliga 16 sampel har kontrollerats.

För att acceptera ’0’ får maximalt 7 av 16 sampels vara logiskt höga.

Så här undersöks en startbit

1 startbit delas upp i 3 halvor som består av totalt 16 sampel

Del 1 Del 2 Del 3

Del 1: För att passera den här delen av kontrollen måste första sampeln vara logiskt låg, annars börjar sökandet av ny starbit.

Del 2: Då Del 1 är godkänd fortsätter kontrollen av de sju kommande samplena. Från och med sampel två till och med sampel sju får maximalt ett sampel vara lågiskt hög för att komma vidare till Del 3.

Del 3: I denna del får endast sex av de åtta återstående samplena vara lågiskt höga.

Testning

Test med labplattor

Resultat/Lösning

• Räckvidd: ca 20 m (Längre tester ej utförts med labplattor)

• Överföringshastighet: ca 20 kbit/s

• Kommunikationsriktning: Envägs

• Funktionalitet: Åttonde databiten utebliven, både vid trådbunden och trådlös kommunikation.

• Modifieringsmöjligheter i mjukvara: Dubbelvägskommunikation, energisparfunktion, utöka packetet med ” end

of message code word” och ”adress code word”, testbänk av klass 2 eller 3.

• Modifieringsmöjligheter i hårdvara: Antennförbättring, noggrannare kristall, ingående EMC-åtgärder.

SummeringArbetet resulterade i en trådlös digital förbindelse som skickar och tar emot data på ett avstånd upp till ca 20 m. Det som konstaterades under arbetets gång var bland annat att valet av implementeringsmetod är klart viktigare vid trådlös kommunikation än vid trådbunden pga att det finns större risk för omgivande störningar att upptas i systemet och tolkas som data. En annan viktig sak som förstudien bidrog till var vikten av att välja rätt frekvensområde och att undersöka vilka restriktioner som gäller vid respektive område.