KABLOSUZ VERİ İLETİMİ İÇİN ALICI-VERİCİ GELİŞTİRME KARTI TASARIMI VE ÖRNEK BİR UYGULAMA
Download "KABLOSUZ VERİ İLETİMİ İÇİN ALICI-VERİCİ GELİŞTİRME KARTI TASARIMI VE ÖRNEK BİR UYGULAMA"
1 T.C. GEBZE YÜKSEK TEKNOLOJİ ENSTİTÜSÜ MÜHENDİSLİK VE FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KABLOSUZ VERİ İLETİMİ İÇİN ALICI-VERİCİ GELİŞTİRME KARTI TASARIMI VE ÖRNEK BİR UYGULAMA Bülent Bora SUYABATMAZ YÜKSEK LİSANS TEZİ ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI GEBZE 2006
2 T.C. GEBZE YÜKSEK TEKNOLOJİ ENSTİTÜSÜ MÜHENDİSLİK VE FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KABLOSUZ VERİ İLETİMİ İÇİN ALICI-VERİCİ GELİŞTİRME KARTI TASARIMI VE ÖRNEK BİR UYGULAMA Bülent Bora SUYABATMAZ YÜKSEK LİSANS TEZİ ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI TEZ DANIŞMANI Yrd.Doç. Dr. Oğuz KUCUR GEBZE 2006
3 iv ÖZET Hızla gelişen teknolojiye paralel olarak ilerleyen ve her geçen gün yeni bir gelişmeyle karşımıza çıkan radyo haberleşme sistemlerinin kullanımı, gün geçtikçe yaygınlaşmaktadır. Üretim teknolojilerindeki gelişmelerin bir neticesi olan üretim maliyetlerin azalması ile önceleri ancak sanayi işletmelerinde kullanım alanı bulabilen bu sistemler, artık günlük hayatımızın bir parçası haline gelmeye başlamıştır. Gelişen radyo haberleşme sistemlerinin sayısal sistemler ile entegre edilmesi, geliştirilen uygulamaların kullanılabilirliğini ve esnekliğini arttırmış, dolayısıyla kullanım alanları daha da genişlemiştir. Bu şekilde gerçekleştirilen bir çok uygulama, evlerimizde, iş yerlerimizde ve hatta sokaklarda kullanılmaya başlanmıştır. Kablosuz ev güvenlik sistemleri, çeşitli uzaktan kumanda uygulamaları, kablosuz taksi çağırma sistemleri, uzaktan ölçüm sistemleri bu uygulamaların sadece birkaç örneğidir. Bu çalışmada, yukarıda bahsedilen gelişmelerin bir neticesi olan ve kablosuz veri iletimi sağlayan alıcı-verici sistemleri üzerinde durulmuştur. Bu sistemlerin kullanım alanlarına ilişkin bilgiler verilmiş, örnek bir RF Alıcı-Verici Modülü tasarımı gerçekleştirilmiş ve tasarlanan RF modül ile örnek bir uygulama geliştirilmiştir. Ayrıca, gerçekleştirilen tasarımın, benzer uygulamalar için altyapı teşkil edebilmesi ve bir uygulama-geliştirme platformu olarak kullanılabilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla bir kullanıcı ara yüzü geliştirilerek, sistemin çalışma şartlarını belirleyen değişkenlere, kullanıcının müdahale edebilmesi sağlanmıştır. Son olarak, ortaya çıkan ürün bazı testlere tabi tutulmuş ve emsalleri ile kıyaslanmıştır.
4 v SUMMARY With the technical and economical evolutions of the radio telecommunication systems, these technologies take place in our daily life. By of the digitalization of the telecommunicaiton techniques, usage area of these technologies are improved. Lots of applications using these technologies have been implemented in our daily life such as wireless security systems, remote control equipments, wireless taxi call systems and telemetry systems. This study has been focused on wireless data transceiver systems. An RF transceiver module was designed and tested in real conditions. This project was developed to be used as an Application Development Platform, with a user management interface which lets users to configure parameters. Created prototype was tested in real conditions and compared with other similar applications.
5 vi TEŞEKKÜR Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü nde yüksek lisans programına başladığım günden itibaren, gerek derslerimde gerekse tez çalışmamda, büyük bir sabır ve ilgi ile bana yardımcı olan danışman hocam Yrd. Doç. Dr. Oğuz KUCUR a, bu uzun süreçte, desteklerini benden hiçbir zaman esirgemeyen aileme, yakınlarıma, beni yalnız bırakmayan arkadaşlarım Okan AKTAŞ ve NorthPhone Europe Genel Müdürü Turan YILMAZ a, ayrıca gösterdikleri ilgi ve yardımlardan dolayı Mu. Alb. Fikret KAÇIRA, Mu. Alb. Abdullah GÜRSEL ve Tabur Komutanım Mu. Bnb. Y. Turan ÖZSÖZ e sonsuz saygı ve teşekkürlerimi sunarım.
6 vii İÇİNDEKİLER DİZİNİ Sayfa ÖZET iv SUMMARY v TEŞEKKÜR vi İÇİNDEKİLER DİZİNİ vii SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ x ŞEKİLLER DİZİNİ xi TABLOLAR DİZİNİ xii 1. GİRİŞ Kablosuz Ev Güvenlik Sistemleri Uzaktan Ölçüm (Telemetry) Sistemleri Amaç 4 2. TASARIM Tasarımda Kullanılan Elemanlar CC Özellikleri Bacak Bağlantıları Devre Tanımlaması Temel Uygulama Devresi Biçimlendirmeye (Konfigürasyon) Genel Bakış Telli Biçimlendirme Ara Yüzü Mikro Denetleyici Ara Yüzü Sinyal Ara Yüzü Senkron NRZ Kodlama Senkron Manchester Kodlama Asenkron UART Kodlama Alıcı Hassasiyeti Frekans Programlama VCO ve PLL Kalibrasyonu RSSI Analog Çıkışı Çıkış Gücünün Programlanması Anten Uygulamaları 23
7 viii Biçimlendirme Yazmaçları PIC16F Çekirdek Mimari Özellikleri Çevre Birim Özellikleri CD/HC 4094 B Özellikleri Bacak Bağlantıları Elektronik Devre Tasarımı Besleme Katı RF Modül Kontrol Katı RF Sinyal Seviye Göstergesi Baskı Devre Yazılım Genel Bilgi Ana Menü UYGULAMA Menüsü GELİŞTİRME Menüsü PROJE HAKKINDA Menüsü GELİŞTİRME Alt Menüleri CC1000 İ OKU Komutu CC1000 E YAZ Komutu EEPROM U OKU Komutu EEPROM A YAZ Komutu YAZMAÇLARI GÖSTER Komutu YAZMAÇLARI YAZ Komutu İLKLE Komutu KAPAT Komutu KALİBRASYON Komutu RX Komutu TX Komutu TEMEL AYARLAR Komutu RSSI Komutu 49
8 ix UYGULAMA Alt Menüleri GÖREV Seçeneği SUNUCU Seçeneği İSTEMCİ Seçeneği BAŞLAT Komutu Uygulamanın Çalışması PERFORMANS TESTİ ve KARŞILAŞTIRMA Mesafe Testleri Karşılaştırma SONUÇLAR VE ÖNERİLER 58 KAYNAKLAR 59 ÖZGEÇMİŞ 60 EKLER EK-1 CC1000 e Ait Yazmaç Tabloları EK-2 HC/CD 4094 B ye Ait Doğruluk Tablosu
9 x SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ İNGİLİZCE TÜRKÇE ADC Analog Digital Converter Analog Sayısal Dönüştürücü CPU Central Processing Unit Merkezi İşlem Birimi DCLK Data Clock Veri Saati DIO Data Input Output Veri Giriş Çıkışı FSK Frequency Shift Keying Frekans Kaydırmalı Anahtarlama I2C Inter Ingrated Circuit Bir Seri Yol Standardı IEEE Institute of Electrical and Electronics EngineersElektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü IF Intermediate Frequency Ara Frekans ISM Industrial Scientific and Medical Endüstriyel Bilimsel ve Tıbbi KHZ Kilo Hertz LNA Low Noise Amplifier Düşük Gürültülü Yükselteç LO Local Oscillator Yerel Osilatör LSB Least Significant Byte / Bit Düşük Ağırlıklı Byte/Bit MHZ Mega Hertz MSB Most Significant Byte / Bit Yüksek Ağırlıklı Byte/Bit NRZ Non Return to Zero Sıfıra Dönüşsüz PA Power Amplifier Güç Yükselteci PCLK Programming Clock PDATA Programming Data Programlama Saati Programlama Verisi PLL Phase Locked Loop Faz Kilitlemeli Çevrim PWM Pulse Width Modulation Darbe Genişlik Modülasyonu R/W Read / Write Okuma / Yazma RF Radio Frequency Radyo Frekansı RISC Reduced Instruction Set Computer Az Sayıda Komut Takımı İçeren CPU RKE Remote Keyless Entry Uzaktan Anahtarsız Giriş RSSI Received Signal Strength Indicator Alma Sinyal Seviyesi Göstergesi SCL Serial Clock Line I2C Seri Saat Hattı
10 xi SDA Serial Data Line I2C Seri Veri Hattı SPI Serial Peripheral Interface Seri Çevre Birimi Ara Yüzü SRD Short Range Device Kısa Menzilli Cihaz SSP Synchronous Serial Port Senkron Seri Port UART Universal Asynchronous Receive Transmit Uluslar Arası Asenkron Alma Gönderme UHF Ultra High Frequency Ultra Yüksek Frekans USART Universal Syncronous Asyncronous Receiver Tranmitter Senkron ve Asenkron Alıcı Verici VCO Voltage Controlled Oscillator Gerilim Kontrollü Osilatör VPN Virtual Private Network Sanal Özel Ağ WDT Watch Dog Timer Mikro Denetleyicilerde Bulunan Ve Yonganın Sağlıklı Çalışıp Çalışmadığını Denetleyen Yapı µs Micro Second Saniyenin Milyonda Biri
11 xii ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil Sayfa 2.1. CC1000 in Üstten Görünüşü CC1000 in Blok Devre Şeması CC1000 in Temel Uygulama Devresi SmartRF Studio Yazılımının Kullanıcı Ara Yüzü Yazma İşlemi İçin Zamanlama Diyagramı Okuma İşlemi İçin Zamanlama Diyagramı CC1000 Mikro Denetleyici Ara Yüzü Senkron NRZ Kodlama Manchester Kodlamada Veri Yapısı Senkron Manchester Kodlama CC1000 in Asenkron UART Çalışması CC1000 in FSK Çalışma Şekli Kalibrasyon İşlemine Ait Akış Diyagramı RSSI Çıkışı ve Grafiği (V-dBm) Tek Kutuplu (Whip) ve Kısa Tek Kutuplu (Short Whip ) Anten Sarmal (Helical) Anten ve Halka (Loop) Anten PIC16F876 nın Üstten Görünüşü ve Bacak Bağlantıları CD/HCF4094 ün Üstten Görünüşü ve Bacak Bağlantıları Uygulamaya Ait Blok Devre Şeması Uygulamaya Geliştirme Kartı Besleme Katının Elektronik Devre Şeması RF Modüle Ait Baskı Devre RF Modülün Baskı Devre Kartı ve Bazı Devre Elemanları RF Modül RF Modülün Elektronik Devre Şeması Kontrol Katının Elektronik Devre Şeması RF Sinyal Seviye Göstergesinin Elektronik Devre Şeması Uygulama Geliştirme Kartının Baskı Devre Çizimleri 38
12 xiii Tasarımın Son Halinin Fotoğrafı Hyper Terminal Ayarları Ana Menüye Ait Akış Diyagramı Ana Menü ve Uygulama Alt Menüsü GELİŞTİRME Alt Menüsü GELİŞTİRME Alt Menüsüne Ait Akış Diyagramı YAZMALARI GÖSTER Komutunun Sonuç Ekranı YAZMAÇLARI YAZ ve ÖZEL Alt Menüleri CURRENT ve PLL Yazmaçlarının Güncellenmesi UYGULAMA Alt Menüsü UYGULAMA Alt Menüsüne Ait Akış Diyagramı UYGULAMA Alt Menüsü Seçenekleri Uygulama Başlangıcı Akış Diyagramı Uygulama Başlangıç Ekranı Sunucu-İstemci Mimarisi Veri Paketinin Çerçeve Yapısı Uygulama Ekranı 55
13 xiv TABLOLAR DİZİNİ TABLO AÇIKLAMA SAYFA 2.1. CC1000 in Bacak Tanımlamaları Temel Uygulama Devresine Ait Malzeme Listesi Seri Ara Yüzün Zamanlama Çizelgesi f SEP = 64KHZ için Alıcı Hassasiyeti Tablosu f SEP = 20KHZ için Alıcı Hassasiyeti Tablosu Çıkış Gücü Tablosu Anten Özellikleri CC1000 e Ait Yazmaçlar CD/HCF4094 ün Üstten Bacak Bağlantıları RF Modülün Elektronik Malzeme Listesi Mesafe Testleri Sonuç Tablosu 57
14 1 1. GİRİŞ Marconi tarafından 12 Aralık 1901 tarihinde Avrupa ile Amerika kıtası arasında yapılan ilk okyanus aşırı radyo haberleşme denemesinde gönderilen bilgi Mors kodunda sadece 3 noktadan oluşan s harfi idi. İyonosferden yansıyarak km yol alan elektromanyetik dalgalar İngiltere-Cornwall da bulunan vericiden Kanada-Newfoundland de bulunan alıcıya ulaşmış ve Marconi, 1895 yılında İtalya da yaptığı ilk denemeye göre çok büyük bir başarı elde etmişti. Bu başarılı deneme Marconi ye 1909 yılında Nobel Fizik Ödülünü de kazandırmıştı. Özellikle kıtalararası haberleşmede ve mobil haberleşmede büyük imkanlar sağlayan bu teknoloji ülkemize yaklaşık 13 yıl gecikmeyle gelmiş ve 1. Dünya Savaşının başladığı günlerde kullanılmaya başlanmıştır. Yaklaşık 88 yıl sonra, gazete sayfalarında, İstanbul Atatürk Havalimanı Dış Hatlar Terminalinde kamunun kullanımına açık, kablosuz yüksek hızlı internet ve VPN (Virtual Private Network) erişim sisteminin kurulduğu ve deneme amacıyla hizmete verildiği haberi yer almaktadır. Aradan geçen 100 yılda, bazen birkaç yıl, bazen de yıllar süren gecikmelerle ülkemize gelen yeni radyo teknolojileri, bu defa fazla gecikmeden gelmiş, koltuklarına oturduklarında ilk işi internete bağlanmak olan Internet kullanıcılarına havalimanında beklerken yüksek hızda internete erişme imkanını sağlamıştır. Başlangıçta, sadece s harfinin kodlanarak iletebilmesi için büyük vericilere ve anten alanlarına ihtiyaç duyan radyo teknolojisi bugün, taşınabilir ve avuç içi bilgisayarlarına takılan özel kartlarla 54 Mbit/s hızında İnternet erişimine imkan sağlayan bir duruma gelmiştir. 2.4 GHZ bandında ve IEEE g protokolünde çalışan bu sistemler, üniversite yerleşkelerinde, havalimanlarında, alış-veriş merkezlerinde ve hatta simit saraylarında kullanılmaya başlanmıştır. Kablosuz veri iletişiminde yaşanan bu gelişmeler, doğal olarak sadece internet erişimini kolaylaştırmakla sınırlı kalmamış, bazen farkında bile olmadan kullandığımız bir çok uygulamalarla, günlük hayatımızın bir parçası haline gelmiştir. Bu gelişmelerin bir ürünü de SRD (Short Range Device/ Kısa Menzilli Cihaz) veya ISM (Industrial, Scientific and Medical/ Endüstriyel, Bilimsel ve Tıbbi) olarak tanımlanan frekans bantlarında çalışan cihazlardır (RF Modüller). Bu cihazlar
15 2 kullanılarak geliştirilen bir çok uygulama vardır. Bunlardan birkaç tanesini şöyle sıralayabiliriz: Ev Otomasyonu Sistemleri RKE (Remote Keyless Entry/ Uzaktan Anahtarsız Giriş) Kablosuz Alarm ve Güvenlik Sistemleri Uzaktan Ölçüm Okuma Sistemleri (Telemetry Systems) Kablosuz Kumanda Sistemleri ISM/SRD uygulamalarında kullanılan RF Modüllerin veri aktarım kapasiteleri, yukarıda bahsedilen IEEE a/b/g standartlarında çalışan cihazlar kadar yüksek değildir. Ancak, kullanım amaçları açısından bakıldığında buna gerek olmadığı görülecektir. ISM ve SRD uygulamalarında amaç Komuta ve Kontrol dür. Amaç bir yerdeki bilgi kütlesini bir başka yere aktarmak değildir. Bilginin iletilmesi Komuta ve Kontrol yaklaşımı içerisinde sadece araçtır, amaç değildir. Bu açıdan bakıldığında, değil megabit/saniye seviyelerinde veri aktarımı, kilobit/saniye seviyesindeki hızlar bile fazlasıyla yeterli olmakta, ihtiyaçları fazlasıyla karşılamaktadır. Zaten önemli olan, üretilen çözümlerin, maliyet etkin olarak ihtiyacı karşılamasıdır. Buradaki maliyet ifadesini sadece para açısından anlamamak gerekir, kullanılan frekans, harcanan bant genişliği, tüketilen enerji, üretilen istenmeyen frekanslar da maliyetin bir parçasıdır. Yukarıda bahsedilen ISM/SRD uygulamalarından, günlük hayatımızda kullanılan birkaç örneği üzerinde durularak mevzunun daha iyi anlaşılması sağlanmaya çalışılacaktır Kablosuz Ev Güvenlik Sistemleri Genel olarak güvenlik sistemlerinin mimarisi aynıdır ve iki ana unsurdan oluşurlar; Merkezi Kontrol Birimi (Santral) Çevresel Donanımlar (Algılayıcılar, Sirenler, Telefon Arayıcıları vb.) Merkezi kontrol birimi, çevresel donanımlar ile haberleşerek durumlarını öğrenir ve aldığı bilgiler doğrultusunda sistemi işletir, bilgileri kullanıcı ara yüzünde görüntüler, gerekirse alarm durumuna geçerek çeşitli ikazlar üretir, özet olarak komuta-kontrol
16 3 faaliyetlerini icra eder. Bu noktada kablolu ve kablosuz sistemleri birbirinden ayıran en temel fark, merkezi ünite ile çevresel donanımlar arasındaki haberleşmenin sağlandığı iletim ortamıdır. Bu fark doğrultusunda sistemler, kablolu ve kablosuz olarak sınıflandırılırlar. Komuta-Kontrol faaliyetleri çerçevesinde, merkezi kontrol biriminin çevresel donanımlardan öncelikle durum bilgilerini alması gerekmektedir. Bu bilgiler, donanımın cinsine göre farklılıklar arz edecektir, ancak temel olarak Var veya Yok şeklinde, yani 1 veya 0 anlamında olacaklardır. Kullanılan donanım hareket algılayıcısı ise ürettiği bilgi Hareket Var = (1) veya Hareket Yok = (0) olacaktır. Eğer donanım kapı kontağı ise ürettiği bilgi Kapı Açık= (1) veya Kapı Kapalı = (0) olacaktır. Diğer algılayıcılar içinde durum bundan çok farklı değildir. Merkezi kontrol birimi bu bilgileri değerlendirecek, gerekirse ikaz sistemlerini devreye sokacaktır, Alarm Var = (1) veya Alarm Yok = (0). Bu bilgiler, merkezi kontrol biriminin ihtiyaç duyduğu durum bilgileridir ve kablosuz olarak aktarılacak veri içerisinde yer almaları gerekmektedir. Bunun yanında böyle bir sistemin çalışabilmesi için, sistemi oluşturan cihazların mantıksal olarak adreslenmesi gerekmektedir. Merkezi kontrol birimi ile çevresel donanımları arasında bir Komuta- Kontrol Çevrimi oluşturulmalı, haberleşme için bir protokol geliştirilmelidir. İşte bu protokol çerçevesinde oluşturulacak veri paketlerinin içerisinde, sistemi meydana getiren unsurların adreslerinin, ürettikleri bilgilerin veya komutların ve hata/güvenlik tedbirleri için ilave bilgilerin yer alması gerekmektedir. Yukarıda anlatıldığı üzere, sistem içerisinde oluşturulan bilgiler genellikle 1 veya 0 dan yani birkaç bit ten ibaret olduğundan, oluşturulacak veri paketlerinin boyutları birkaç on byte ı geçmeyeceği aşikardır. Dolayısıyla kilobit/saniye mertebelerindeki veri iletim hızları, bu tip sistemler için fazlasıyla yeterli olacaktır Uzaktan Ölçüm (Telemetry) Sistemleri Uzaktan ölçüm sistemlerindeki genel amaç aynıdır. Bu sistemler, çeşitli ölçüm noktalarındaki değerlerin yerinde ölçülüp, elde edilen bilgilerin başka bir noktaya iletilmesi amacıyla geliştirilmişlerdir ve çok geniş bir kulanım yelpazesine sahiptirler. Sanayi, meteoroloji, uzay araştırmaları, araba yarışları, su altı araştırmaları, tıp vb. sayılamayacak kadar çok miktarda kullanım alanları vardır. Burada asıl olan, yapılan ölçümümün neticesinde elde edilen verinin, bir yerden
17 4 başka bir yere aktarılmasıdır. Ölçme işleminin kendisi farklı bir mevzudur. Konuyu örnekler üzerinde açıklamaya çalışmakta fayda vardır. Örnek olarak, bir sanayi işletmesindeki sahaya ait bazı ölçümlerin bir merkezde toplanması düşünülebilir. Yapılacak ölçümler, sıcaklık, nem, basınç, gerilim, sayaç bilgileri vb. birçok şey olabilir. Sıcaklık ölçümü yapıldığını farz edelim. Doğal olarak ölçüm belirli bir aralıkta yapılacaktır ve ölçüm neticesi sayısal olarak ifade edilecektir. Yapılan ölçümün C aralığında yapıldığını kabul edelim. Eğer ölçüm 1 birim hassasiyetiyle ifade edilecek ise 1000 durum oluşacak demektedir. Bu kadar durum, ikilik sayı düzeninde 2 10 (1024) ile ifade edilebilir, yani oluşacak bilgi 10 bit olacaktır. Ölçüm hassasiyetinin 0,5 birim olduğu kabul edilirse 2000 durum oluşacaktır. İkilik sayı sisteminde bu bilgi, 2 11 (2048) ile yani 11 bit ile ifade edilmektedir. Bir önceki kablosuz ev güvenlik sistemleri örneğinde de bahsedildiği gibi, burada da bir protokol oluşturulmalıdır. Netice itibariyle oluşacak veri paketlerinin boyutu nispeten küçük olacağından, kullanılacak kablosuz veri aktarım cihazlarının, yüksek hızlarda veri aktarımı yapmalarına gerek olmadığı görülmektedir. Bir başka örnek uygulama ise gittikçe yaygınlaşan Kablosuz Taksi Çağrı Sistemidir ki bu uygulamada da durum, diğer örneklerden farklı değildir Amaç Bu çalışmada, yukarıda bahsedilen uygulamaların gerçekleştirilmesinde kullanılan, kablosuz veri aktarımı yapmak üzere, alıcı-verici tasarımı üzerinde durulacaktır. Çalışmanın başlangıçındaki amaç, kablosuz veri aktarımı yapabilen bir alıcı-verici tasarımı ve örnek bir uygulamanın gerçekleştirilmesi olmasına rağmen, ilerleyen aşamalarda bunun yeterli olmayacağı kanaatine varılmıştır. Çünkü gerçekleştirilen mikro denetleyici kontrollü alıcı-vericinin, (RF Modül) çalışma şartlarının (frekans, veri iletim hızı, vb..) değiştirilmesi için, mikro denetleyicinin yazılımına müdahale edilmesi ve tekrar yüklenmesi gerekmekteydi. Bu sorunu aşmak için, bir ara yüz geliştirilerek, yazılıma müdahaleye gerek kalmaksızın, çalışma şartlarının kullanıcı tarafından değiştirilebilir olması sağlanmaya çalışılmıştır. Netice itibariyle, alıcı-verici tasarımı ve uygulaması olarak başlanan çalışma, Kablosuz Veri İletimi İçin Alıcı-Verici Geliştirme Kartı Tasarımı ve Örnek Bir Uygulama ya dönüşmüştür.
18 5 2. TASARIM 2.1. Tasarımda Kullanılan Elemanlar CC1000 CC1000, çok düşük çalışma gerilimi ve gücü gerektiren kablosuz veri iletimi uygulamaları için tasarlanmış, gerçek manada tek parça olan, bir UHF alıcı-verici (transceiver) yongasıdır (chip). Söz konusu yonga, aslen ISM (Industrial, Scientific and Medical/ Endüstriyel, Bilimsel ve Tıbbi) ve SRD (Short Range Device/ Kısa Menzilli Cihaz ) uygulamaları için ayrılmış olan 315, 433, 868 ve 915 MHZ frekans bantları için tasarlanmış olmakla beraber, MHZ aralığında kullanılmak üzere herhangi bir frekansta çalışmak için kolaylıkla programlanabilmektedir. CC1000 in işletme parametreleri, seri veri yolu (serial bus) üzerinden programlanabilmekte bu da söz konusu yongayı son derece esnek ve kullanımı kolay kılmaktadır. Temel bir uygulama için, CC1000, birkaç pasif harici devre elemanı ve bir mikro denetleyici yeterli olmaktadır  Özellikleri Tek parça halinde UHF RF (Radio Frequency) alıcı-verici Çok düşük akım sarfiyatı MHZ frekans aralığı Dahili bit eş zamanlayıcısı (bit synchronizer) Yüksek alma hassasiyeti (2,4 KBaud için -110 dbm) Programlanabilir çıkış gücü (-20 dbm 10 dbm) Küçük boyut (TSSOP 28 Kılıf) RSSI (Radio Signal Strength Indicator) çıkışı Tek noktadan anten bağlantısı (Alıcı ve Verici için ortak) 76,8 KBaud a kadar FSK (Frequency Shift Keying/ Frekans Kaydırmalı Anahtarlama) modülasyonlu çalışabilme Frekans atlamalı çalışabilme Az sayıda çevresel eleman
19 Bacak Bağlantıları verilmiştir . CC1000 in üstten görünüşü Şekil 2.1 de, bacak bağlantıları ise Tablo 2.1 de Şekil 2.1 CC1000 in Üstten Görünüşü Devre Tanımlaması CC1000 e ait basitleştirilmiş blok devre yapısı Şekil 2.2 deki gibidir . Blok gösterimde sadece sinyal bacakları gösterilmiş, besleme bacaklarına yer verilmemiştir (Tablo 2.1). Şekil 2.2 CC1000 in Blok Devre Şeması
20 7 Tablo 2.1 CC1000 in Bacak Tanımlamaları (A=Analog, D=Dijital) CC1000, alıcı olarak koşullandığında klasik bir süper heterodin (super heterodyne) alıcı gibi davranmaktadır. Antenden gelen RF sinyalleri (RF_IN) düşük gürültülü yükselteç (LNA, Low Noise Amplifier/ Düşük Gürültülü Yükselteç) tarafından yükseltilerek mikser katına (MIXER) gönderilmekte, mikserde lokal (yerel) osilatör tarafından üretilen sinyal ile çarpılarak ara frekans sinyali (IF, Intermediate Frequency/ Ara Frekans) elde edilmektedir. Mikser katının çıkışındaki ara frekans sinyali, ara frekans katına (IF Stage) aktarılmakta, burada yükseltilmekte ve filtre edilmektedir. Elde edilen filtrelenmiş ve yükseltilmiş ara frekans sinyali bir sonraki kat olan demodülatör (DEMOD) gönderilmekte, burada sayısal olarak demodülasyona tabi tutulmaktadır. Alınan sinyalin demodülasyonu işlemi ile beraber eş zamanlama bilgisi de elde edilmekte ve netice itibariyle elde edilen veri ile eş zamanlama verisi, CC1000 in DIO (Data Input-Output/ Veri Giriş-Çıkış) ve DCLK (Data Clock/ Veri Saat) bacaklarına aktarılmaktadır (Tablo 2.1, Şekil 2.1).
21 8 CC1000, verici olarak koşullandığında zaman ise VCO (Voltage Controlled Oscillator/ Gerilim Kontrollü Osilatör) tarafından üretilen sinyal doğrudan güç yükseltecine (PA, Power Amplifier) aktarılmaktadır. Bu arada, VCO tarafından üretilen sinyalin frekansını belirleyen PLL e (Phase Locked Loop/ Faz Kilitlemeli Çevrim) ait /N bölücüsünün değeri, DIO bacağından gelen ve kablosuz olarak iletilmek istenen veriye (1/0) göre değiştirilmektedir. Bu da VCO tarafından üretilen sinyalin frekansının, DIO dan gelen veriye göre değişmesini sağlamakta, netice itibariyle güç yükseltecine, DIO bacağındaki veriye göre FSK modülasyonuna tabi tutulmuş olan bir RF sinyali (RF_OUT) iletilmektedir. CC1000 yongası, programlanabilir yazmaçları sayesinde biçimlendirilmektedir. Belirlenen değerlerin yazmaçlara aktarılması veya yazmaçların değerlerinin okunması işlemleri 3 telli seri ara yüz üzerinden, PDATA, PCLK ve PALE bacakları kullanılarak gerçekleştirilmektedir Temel Uygulama Devresi CC1000 yongasının çalıştırılabilmesi için, az miktarda pasif devre elemanı yeterli olmaktadır. Temel uygulama devresi, besleme elemanları hariç olarak Şekil 2.3 de görülmektedir. Gerekli devre elemanlarının listesi Tablo 2.2 de verilmiştir . Şekil 2.3 CC1000 in Temel Uygulama Devresi
22 9 Yukarıdaki devre şemasında görülen C31 ve L32 elemanları alıcı olarak çalışma şartlarındaki giriş empedans uygunlaştırmasını sağlamaktadır. C41, C42 ve L41 elemanları ise verici olarak çalışma durumunda 50Ω luk çıkış empedansını sağlamaktadır. Tablo 2.2 Temel Uygulama Devresine Ait Malzeme Listesi L101 bobini CC1000 de dahili olarak bulunan VCO nun tek ayrık elemanıdır. Bu elemanın, gerçekleştirilecek uygulama devresi üzerindeki yeri, istenmeyen frekansların oluşumunun önlenmesi açısından önem arz etmektedir. L101 bobini, söz konusu yonganın L1 ve L2 bacaklarına olabildiğince yakın ve simetrik olarak yerleştirilmelidir. Ayrıca yukarıdaki tipik uygulama devresi üzerinde gösterilmeyen ancak uygulamada bulunacak olan beslemeye ait dekuplaj kondansatörlerinin ve filtrelerinin kullanılması, istenen verimin elde edilmesi açısından çok önemlidir. Geliştirilecek uygulamalarda CC1000 yongasının üreticisi olan Chipcon firmasının bu konudaki tavsiyelerinin ve örneklerinin göz önünde bulundurulması uygun olacaktır Biçimlendirmeye (Konfigürasyona) Genel Bakış CC1000 yongası, programlanabilir yazmaçları sayesinde çok farklı uygulamalar için biçimlendirilebilir. Burada önemli olan, amaçlanan çalışma şekli ve istenilen verim doğrultusunda, yazmaçların alması gereken değerlerinin doğru bir şekilde belirlenebilmesidir. Bu konuda kullanıcılara kolaylık sağlayacak ve yol gösterecek olan bir yazılım (SmartRF Studio) , üretici firma olan Chipcon tarafından sağlanmaktadır. Söz konusu yazılıma ait ara yüz Şekil 2.4 de görüldüğü gibidir.
23 10 Şekil 2.4 SmartRF Studio Yazılımının Kullanıcı Ara Yüzü Telli Biçimlendirme Ara Yüzü CC1000 yongası, 3 telli seri ara yüz (PDATA, PCLK, PALE) kullanılarak biçimlendirilmektedir. Bu ara yüz kullanılarak, her birisi 8 bit olan 28 adet yazmaca ulaşılabilmekte, söz konusu yazmaçlar üzerinde okuma veya yazma işlemleri yapılabilmektedir. Her bir yazmaç 7 bitlik bir adrese sahiptir. Ayrıca yapılacak işlemin okuma mı yoksa yazma mı olduğunu belirleyen bir adet R/W (Read/Write, Okuma/Yazma) biti tanımlanmıştır. Yazmaçların yazılması işleminde kullanılacak olan veri çerçevesi 16 bitten [15;0] oluşmaktadır . Bu çerçevenin en yüksek değerli 7 biti [15;9] adres bilgisini, sonraki 1 adet bit [8;8] işlemin cinsini (Yazma için 1 ) ve son 8 bit [7;0] ise ilgili yazmaca gönderilecek olan değeri içermektedir. Çerçevenin başında yer alan 7 bitlik adresin [15;9] en ağırlıklı biti, [15;15] seri yol üzerinden ilk olarak gönderilecek olan bittir. CC1000 in tam olarak biçimlendirilmesi için 22 adet yazmacının yazılması gerekmektedir. Her bir yazma işleminin 16 bitlik veri çerçeveleri ile yapıldığı dikkate alınarak, CC1000 in tam olarak biçimlendirilmesi için gereken süre, PCLK a bağlı olarak hesaplanabilir.
24 11 PCLK hızı 10 MHZ olarak kabul edildiğinde bu sürenin 46 µs den az olduğu görülecektir. Ayrıca CC1000 bir defa tam olarak biçimlendirildikten sonra (22 adet yazmaç yazılarak), 2 veya 3 yazmacının üzerinde yapılan işlemler ile kontrol edilebilmektedir. Bu da, tam biçimlendirmeden sonraki işlemlerin 2µS den kısa bir sürede yapılabileceği anlamına gelmektedir. Yazma işlemine ait zamanlama çizimi Şekil 2.5 de, okuma işlemine ait zamanlama çizimi ise Şekil 2.6 da görülmektedir . Seri ara yüze ait zamanlama özellikleri ise Tablo 2.3 de verilmiştir . Şekil 2.5 Yazma İşlemi İçin Zamanlama Diyagramı Şekil 2.6 Okuma İşlemi İçin Zamanlama Diyagramı
25 12 Tablo 2.3 Seri Ara Yüzün Zamanlama Çizelgesi Mikro Denetleyici Ara Yüzü CC1000 in programlanabilmesi için mikro denetleyiciye ihtiyaç duyulmaktadır. Bu amaçla kullanılacak olan mikro denetleyicinin, CC1000 in PDATA, PCLK, PALE bacaklarına bağlanmak üzere asgari olarak 3 adet sayısal çıkışı bulunmalıdır. Ayrıca CC1000 in farklı amaçlar için programlanabilen bir adet sayısal çıkışı (CHP_OUT) ile, alınan RF sinyal seviyesini gösteren bir adet analog çıkışı daha vardır. CC1000 e ait bu bacakların kullanımı isteğe bağlı olmakla birlikte uygulama geliştirme açısından son derece faydalı bilgiler sağladıklarından kullanılmaları uygun olacaktır. Bu şartlar altında kullanılacak olan mikro denetleyicinin, yukarıda bahsedilen 3 adet çıkışına ilaveten 1 adet sayısal çıkışa ayrıca 1 adette ADC (Analog-Digital Converter/ Analog-Sayısal Dönüştürücü ) girişine sahip olması gerekmektedir. Bunlara ilave olarak, kablosuz olarak iletilecek veya alınacak olan verinin değerlendirilmesi için de bir mikro denetleyicinin kullanılması gerekmektedir. Kullanılacak bu mikro denetleyicinin, CC1000 in DIO ve DCLK bacaklarına bağlanmak üzere 2 adet çıkışa sahip olması gerekmektedir. Bu şekilde iki adet mikro denetleyici kullanmak yerine, yukarıda bahsedilen ihtiyaçları karşılayacak kadar sayısal ve analog bağlantı imkânı sağlayan bir adet mikro
26 13 denetleyici kullanılabilir. Bu durumda tercih edilecek mikro denetleyici ile CC1000 in bağlantısı ve bu bağlantıdaki veri akış yönleri Şekil 2.7 de verilmiştir . Şekil 2.7 CC1000 Mikro Denetleyici Ara Yüzü Sinyal Ara Yüzü CC1000 in sinyal ara yüzü, RF sinyalleri kullanılarak kablosuz olarak iletilecek/alınacak olan veri için kullanılan DIO ve DCLK bacaklarından oluşmaktadır. DIO bacağı iki yönlü veri iletimine imkan sağlamakta, CC1000 alıcı olarak şartlandığında, CC1000 e göre çıkış olarak (mikro denetleyiciye veri gönderen), CC1000 verici olarak şartlandığında ise giriş olarak (mikro denetleyiciden veri alan) vazife yapmaktadır. DCLK bacağı her zaman CC1000 e göre çıkış yönünde çalışmakta ve mikro denetleyiciye, alınan/iletilen veri için eş zamanlama bilgisini sağlamaktadır . CC1000 yongası 3 farklı şekilde kodlama yaparak kablosuz veri iletimi yapabilmektedir : Senkron NRZ (Non-Return to Zero/ Sıfıra Dönüşsüz ) Kodlama Senkron Manchester Kodlama Asenkron UART
27 Senkron NRZ Kodlama CC1000 verici olarak şartlandığında DIO bacağı, CC1000 e göre giriş olarak koşullanmaktadır. Bu bacaktaki veri (1/0), DCLK bacağındaki eş zamanlama bilgisini oluşturan kare dalganın yükselen kenarında, CC1000 tarafından RF sinyalleri ile kablosuz olarak iletilmek üzere alınır ve herhangi bir kodlama işlemine tabi tutulmadan RF sinyalinin modülasyonunda kullanılır. Bu şekilde çalışmak üzere şartlanmış olan CC1000 ile 0.6, 1.2, 2.4, 4.8, 9.6, 19.2, 38.4 ve 76.8 KBits/s hızlarında veri iletimi yapılabilmektedir . CC1000 alıcı olarak koşullandığında ise aldığı RF sinyalinden, NRZ olarak kodlanmış veri ile eş zamanlama bilgisini elde ederek, her ikisi de CC1000 e göre çıkış olarak şartlandığında DIO ve DCLK bacaklarına aktarır (Şekil 2.8) . Şekil 2.8 Senkron NRZ Kodlama
RF Tabanlı Sayısal Veri Haberleşmesi
T.C. İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ RF Tabanlı Sayısal Veri Haberleşmesi Hazırlayan Hüseyin Küçük 1316010041 Proje Yöneticisi Doç. Dr. Aydın Akan GENEL YAPISI
UTR-C10 U UHF DATA TRANSCEIVER
UTR-C10 U UHF DATA TRANSCEIVER ÜRÜN KILAVUZU Version 1.6 (MAYIS 2008) İVEDİK ORGANİZE SAN. BÖL. 21. CADDE 609. SOKAK NO:15 06370 OSTİM / ANKARA TEL NO :(312) 395 68 75 76 FAKS NO:(312) 395 68 77 http://
UTR-C12 UHF DATA TRANSCEIVER
UHF DATA TRANSCEIVER ÜRÜN KILAVUZU Version 1.8 (TEMMUZ 2010) İVEDİK ORGANİZE SAN. BÖL. 21. CADDE 609. SOKAK NO:2 06370 OSTİM / ANKARA TEL NO :(312) 395 68 75 76 FAKS NO:(312) 395 68 77 http:// www.udea.com.tr
ATX-34S UHF ASK DATA TRANSMİTTER
S UHF ASK DATA TRANSMİTTER ÜRÜN KILAVUZU Version 2.1 (TEMMUZ 2010) IVEDIK ORGANIZE SAN. BOL. 21. CADDE 609. SOKAK NO:15 06370 OSTIM / ANKARA / TURKEY TEL NO :+90 (312) 395 68 75 76 FAKS NO:+90 (312) 395
UTX-C17M UHF DATA TRANSMITTER
UHF DATA TRANSMITTER ÜRÜN KILAVUZU Version 1.2 (TEMMUZ 2010) IVEDIK ORGANIZE SAN. BOL. 21. CADDE 609. SOKAK NO:15 06370 OSTIM / ANKARA / TURKEY TEL NO :+90 (312) 395 68 75 76 FAKS NO:+90 (312) 395 68 77
UFR-C12 UHF FSK RECEIVER
UHF FSK RECEIVER ÜRÜN KILAVUZU Version 1.3 (EYLÜL 2008) İVEDİK ORGANİZE SAN. BÖL. 21. CADDE 609. SOKAK NO:2 06370 OSTİM / ANKARA TEL NO :(312) 395 68 75 76 FAKS NO:(312) 395 68 77 http:// www.udea.com.tr