Moduł ISM z CC1100

Układ CC1100 jest zintegrowanym nadajnikiem i odbiornikiem radiowym (transceiverem) produkowanym przez firmę Chipcon będącą obecnie częścią koncernu Texas Instruments. Jest to funkcjonalny następca popularnego CC1000, jednak konstruktorzy poszerzyli jego możliwości w stosunku do poprzednika, ułatwiając jednocześnie sposób jego programowania. Są to jedne z kilku powodów, dla których warto zainteresować się tym układem. Do prób, eksperymentów i zastosowania w gotowym urządzeniu najwygodniej użyć CC1100 zamontowanego na małej płytce wraz z kilkoma niezbędnymi elementami dodatkowymi, czyli w formie modułu, podobnego do modułu CC1000PP. Dalszy opis zostanie poświęcony projektowi takiego właśnie modułu.

Podstawowe parametry

Transceiver CC1100 pozwala na wysyłanie i odbieranie danych cyfrowych przesyłanych drogą radiową. Zgodnie z normami europejskimi i krajowymi pasma wokół częstotliwości 433 MHz i 868 MHz są zakresami, na których można nadawać bez specjalnej licencji z mocą sygnału do 10 mW. Układ jest przystosowany do pracy w obrębie każdego z tych pasm, jednak wartości niektórych elementów w obwodach nadawczym i odbiorczym różnią się, toteż już na początku należy się zdecydować, którą wersję modułu chce się wykonać. Poza tą jedną różnicą, działanie układu i jego programowanie dla obydwu pasm jest identyczne.

Olbrzymią zaletą CC1100 jest możliwość szybkiej zmiany częstotliwości pracy. Zmiana jednego tylko parametru powoduje zmianę kanału i automatyczne przestrojenie na nową częstotliwość.

Chociaż CC1100 nie pozwala na jednoczesne nadawanie i odbiór, to został wyposażony w dwa rozdzielone, 64–bajtowe, wewnętrzne bufory danych. Wysyłanie danych sprowadza się do ich zapisania w buforze i podania jednej komendy. Układ sam zatroszczy się o zainicjowanie swojej części radiowej, wysłanie synchronizujących bajtów preambuły i bajtów startu, a nawet obliczy i doda bajty sumy kontrolnej! Po stronie odbiorczej układ samodzielnie zdekoduje transmisję, umieści odebrane dane w buforze odbiorczym, obliczy i porówna sumy kontrolne i poinformuje użytkownika czy odebrana transmisja była bezbłędna.

Układ pozwala w szerokim zakresie ustawić szybkość transmisji torem radiowym. Przy niższych szybkościach transmisji maksymalny dystans pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem może być większy, a pobór prądu mniejszy. Podobna zależność istnieje przy ustawianej, także w szerokim zakresie, mocy części nadawczej CC1100. Im większa ustawiona moc, tym większy zasięg, ale też i większy pobór prądu. Właściwe dobranie odpowiedniej kombinacji parametrów pozwala zasilać układ zarówno z sieci, jak i z baterii, gdzie oszczędność zużywanej energii jest sprawą pierwszoplanową. Także niebagatelną zaletą układu są jego małe wymiary, choć ma to swoją cenę w postaci kłopotów przy montażu ręcznym.

Układ CC1100 jest przeznaczony do cyfrowej transmisji danych krótkiego zasięgu. Dodatkowo wpływ na zasięg mają przeszkody pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem, takie jak budynki, gęste drzewa, ukształtowanie terenu, zakłócenia zewnętrzne np. ze strony linii energetycznych. Dla uzyskania maksymalnych zasięgów niebagatelne znaczenie ma także dobrze wykonana instalacja antenowa.

Na podstawie przeprowadzonych testów przy użyciu zwykłych anten 1/4 fali, przy szybkości transmisji 1,2 kbps i mocy nadajnika +10 dBm, uzyskano zasięgi nie gorsze niż 300 m w terenie otwartym. Przy tych samych parametrach w budynku o konstrukcji żelbetowej transmisja była możliwa w obrębie 10 pięter. Z kolei zwiększenie szybkości transmisji do 250 kbps drastycznie zmniejszało zasięg w terenie otwartym do 50...60 metrów.

Opis budowy

Schemat ideowy modułu został oparty na materiałach aplikacyjnych udostępnianych przez firmę Chipcon. Modyfikacje w obrębie magistrali danych, przy pomocy której programuje się układ oraz wysyła i odbiera dane sprowadzają się do takiego ustawienia sygnałów w złączach modułu, aby były one maksymalnie kompatybilne ze złączami modułu CC1000PP.

Jeżeli chodzi o udostępnione materiały aplikacyjne dla wersji pracującej w paśmie 868 MHz, to firma Chipcon z upływem czasu wprowadziła pewne zmiany. Pierwotnie wersja ta różniła się od wersji dla pasma 433 MHz tylko wartościami niektórych elementów. Po pewnym czasie firma opublikowała nową notę aplikacyjną, w której dla wersji 868 MHz zmieniono nie tylko wartości elementów, ale także zmodyfikowano pewne szczegóły obwodów wejściowych.

Przeprowadzone próby wykazały, że od strony funkcjonalnej stare rozwiązanie działa poprawnie, więc dla ułatwienia przedstawione opracowanie modułu dla pasma 868 MHz opiera się na pierwotnej nocie aplikacyjnej Chipcona.

Jest on bardzo prosty i składa się z układu CC1100, elementów odsprzęgających linie zasilania, elementów rezonatora kwarcowego X1, C81, C101, elementów obwodów wejściowych C121...C125, C131, L121...123, L131 oraz złącza wyprowadzeń JP1. Złącze przedstawione na schemacie jako jeden element w istocie jest zamontowane po obu stronach płytki modułu jako oddzielne styki 1...6 i 7...12.

Wersje 433 MHz i 868 MHz modułu różnią się wartościami elementów obwodów wejściowych.

Częstotliwość zastosowanego kwarcu nie jest krytyczna, powinna się tylko mieścić w przedziale 26...27 MHz. Zastosowanie dowolnego kwarcu spowoduje tylko konieczność wpisania jego częstotliwości w odpowiednim okienku programu SmartRF Studio, który automatycznie wyliczy wszystkie wartości, które trzeba wpisać do rejestrów CC1100. Nie ma więc przeszkód, aby współpracowały ze sobą dwa moduły z zamontowanymi różnymi kwarcami, wystarczy tylko właściwie zaprogramować każdy z układów CC1100.

Ważniejszym od częstotliwości parametrem jest stabilność rezonatorów, zarówno temperaturowa, jak i w funkcji czasu. Dla prawidłowego działania układu tolerancja maksymalnej zmiany częstotliwości rezonatora powinna być nie większa niż ±40 ppm. Pokazany na schemacie układ filtru L1, C1 służy do usuwania z napięcia zasilającego pasożytniczych zakłóceń wysokiej częstotliwości. Układ będzie działał także bez tych elementów (zamiast L1 trzeba zamontować zworę), jednak ich obecność polepszy działanie samego modułu, jak i współpracujących z nim obwodów.