Applicazioni Wireless con MRF24J40

Molti dei principali settori di mercato, fra cui l’industriale ed il consumer, stanno puntando sempre più a tecnologie senza fili, che consentono di ottimizzare affidabilità, costi ed adattabilità a sistemi esistenti nella maggior parte delle applicazioni. Uno dei primi dispositivi proposto dalla Microchip fu MRF 24J40, un Transceiver Wireless (quindi un dispositivo  in grado di trasmettere e ricevere) operante alla frequenza di 2.4GHz. Ripercorriamo la "storia tecnica" di questo dispositivo con le possibili applicazioni.

ANALISI DETTAGLIATA DEL  DISPOSITIVO

Caratteristiche tecniche del componente

Il transceiver MRF24J40 realizza la sezione di radiofrequenza tramite tre blocchi: la parte wireless RF, il Phisical Layer in banda base ed il MAC Layer, che si interfaccia con microcontrollori anche molto semplici (con un 8 bit è possibile realizzare molte applicazioni). La parte di radiofrequenza risponde alle odierne esigenze di integrazione, dal momento che sia il VCO (Voltage Controlled Oscillator, per il tuning della frequenza) che il PLL moltiplicatore sono integrati sul chip, rendendo molto meno oneroso il resto dello schema circuitale, sia dal punto di vista dello spazio, che del costo, che del consumo di corrente.

La sezione di PHY e MAC Layer, invece, comprende delle FIFO in ricezione e trasmissione, un controllore di priorità dei conflitti CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access, Collision Avoidance), un frame per il riconoscimento ed il filtraggio dei messaggi in arrivo ed un security engine. Uno dei parametri più importanti, nell’analisi, nella comparazione e nella scelta di un dispositivo a Radiofrequenza è la Sensitività. Questo parametro, infatti, identifica quale è la massima cifra di rumore in dBm al di sopra della quale il componente non è più in grado di ricevere correttamente dati. Nel caso del MRF24J40 questo valore è pari a –95dBm: in tal modo MRF24J40 si colloca al top fra i dispositivi operanti a queste frequenze. Un’altra caratteristica sicuramente interessante è la presenza a bordo componente di un RSSI, ossia di un Received Strenght Signal Interface. Questa periferica hardware, infatti, è in grado di fornire una informazione digitale dell’intensità di segnale ricevuto. Tenuto conto che il componente può modulare la potenza in uscita, è facile intuire come si possa ottimizzare il canale RF, inviando in etere la sola potenza necessari a far si che il ricevente comprenda esattamente i messaggi inviati dal destinatario ed evitando quindi la generazione di rumore inutile. Un altro vantaggio davvero importante derivante dall’utilizzo del RSSI consiste nell’ottimizzazione della potenza in trasmissione, che può rimanere al di sotto di 0dBm se Tx e Rx sono vicini nello spazio. Per quanto concerne i consumi, anche con questo device Microchip riconferma la propria propensione al Low Consumption, infatti la massima corrente assorbita in trasmissione è pari a 18mA, mentre nel caso della ricezione la massima potenza assorbita è di 22mA. Non ci si stupisca del fatto che la corrente in Tx è inferiore a quella di Rx, poiché le elevate prestazioni del dispositivo in termini di sensitività sono ottenibili con l’utilizzo di Amplificatori Operazionali ad elevato rendimento e ad “elevato” consumo. Dal punto di vista puramente tecnologico, infine, il dispositivo MRF24J40 viene realizzato su un die di silicio dello spessore di 0,18 micrometri su tecnologia di tipo CMOS ed esternamente si presenta su 40 piedini, come da figura 1.

Figura 2. Pinout del MRF24J40

Figura 1: pinout del MRF24J40

In tabella 1 si propone un riassuntivo delle caratteristiche fin qui esposte.

Tabella 1. Caratteristiche generali del MRF24J40

Tabella 1: caratteristiche generali del MRF24J40

I blocchi funzionali del dispositivo sono 4. Il primo blocco consiste in una interfaccia di tipo seriale sincrono SPI per la comunicazione fra il dispositivo MRF24J40 ed il suo Host controller che, come detto, può essere un semplice microcontrollore Microchip ad 8 bit. Il secondo blocco consiste invece nella sezione dei registri di controllo, che servono al microcontrollore per settare i parametri del MRF24J40 che possono essere modificati dall’utente. Il terzo blocco è costituito dal MAC Module, che implementa la logica compatibile allo standard IEEE 802.15.4. Per finire, si identifica  il  blocco  Physical  Driver, che si fa carico della codifica e della decodifica dei dati analogici provenienti dall’antenna. In figura 2 una schematizzazione della struttura del dispositivo e del suo host controller.

Figura 3. Struttura a blocchi di un MRF24J40 e del suo Host Controller

Figura 2: truttura a blocchi di un MRF24J40 e del suo Host Controller

Componenti esterni ed organizzazione della memoria

MRF24J40 lavora con  oscillatore esterno, operante alla frequenza di 20MHz. Dal momento che il sincronismo dei dati ricevuti  deve  essere ben  preciso, MRF24J40  integra  anche  un PLL, che deve esser agganciato all’oscillatore,  prima   che   la sezione  RF  sia  abilitata  alla ricezione e all’invio di dati. Tipicamente, questo  tempo  di Start-Up è nell’ordine di 2 millisecondi  dopo un Reset.  Ci sono poi due pin dedicati  alla ricetrasmissione dei dati in modalità differenziale, denominati  RFP e  RFN. Questi  due pin, come si evince in figura 3, dovranno esser connessi all’antenna  attraverso  alcune sezioni circuitali. La  sezione  più  importante  in termini di componenti esterni è il BALUN (BALanced Unbalanced), il quale converte il segnale differenziale in un segnale Single Ended utilizzabile dall’antenna e vice versa. Vi è poi un RF choke, per selezionare i soli dati analogici alla frequenza di 2.4GHz (in figura 3 questo induttore è L5).

Figura 4. interfacciamento fra MRF24J40 ed antenna

Figura 3: interfacciamento fra MRF24J40 ed antenna

Per finire, si può inserire un filtro a pi-greco, costituito dai due condensatori C23 e C38 e dall’induttore  L1, per realizzare un adattamento di impedenza fine fra balun e antenna, come rappresentato in figura 4.

Figura 5. Adattamento di impedenza

Figura 4: adattamento di impedenza

Questa adattamento di impedenza consente di utilizzare appieno la potenza generata in uscita dal MRF24J40 o ricevuta all’ingresso dall’antenna, secondo la teoria del Rapporto d’Onda Stazionario definito come:

Lo strumento analitico che si utilizza per calcolare correttamente l’impedenza da associare in ingresso e in uscita (realizzabile appunto con il filtro a pi greco) è la Carta di Smith, che opera in matematica complessa e che consente di implementare dal punto di vista pratico l’equazione precedentemente citata. Si propone in figura 5 lo schema generale della Carta di Smith.

Figura 6. Carta di Smith

Figura 5: carta di Smith

La memoria del MRF24J40 può esser suddivisa in cinque tipologie: i registri di controllo a indirizzo breve, utilizzati per i vari settagli del componente; i registri di controllo ad indirizzo esteso, utilizzati fondamentalmente per il settaggio della parte RF e del clock, i buffer di trasmissione e di ricezione ed infine il Security Buffer, che funge da buffer per il MAC ed è compatibile con lo standard 802.15.4 Zig Bee. In figura 6 lo stack di memoria.

Figura 7. Sezioni di memoria del MRF24J40

Figura 6: sezioni di memoria del MRF24J40

IL PROTOCOLLO IEEE  802.15.4

Così come la maggior parte dei dispositivi adatti alla comunicazione di informazioni, anche MRF24J40 è strutturato  per essere attinente ad uno standard internazionale. Nel caso di questo oggetto lo standard è IEEE 802.15.4. Da questo standard sono poi nati numerosi protocolli, fra i quali il più conosciuto è ZigBee, che si è costituito in Associazione e che ingloba ormai centinaia di aziende a livello Worldwide. Un altro  protocollo che risponde  allo standard IEEE 802.15.4 e che è supportato dal MRF24J40 è il MiWi, protocollo questo realizzato interamente da Microchip, molto più snello e flessibile dello ZigBee e, soprattutto, gratuito per chi fa uso dei microcontrollori  Microchip.

Caratteristiche di un pacchetto di dati IEEE 802.15.4

Un  pacchetto   di  dati  IEEE 802.15.4 ha lunghezza variabile da 5 a 127byte. Similmente a quanto avviene nei pacchetti IEEE 802.3, anche in questo caso ci sono molti campi oltre a quello del puro payload di dato, che servono a testare la comunicazione e la correttezza dei dati ricevuti, a fornire informazioni sugli indirizzi di chi invia e di chi deve ricevere un messaggio: nel dettaglio, un messaggio è tipicamente formato di 7 sezioni. La prima sezione è il Preambolo:  questa  parte  non contiene informazioni utili ma serve al ricevente per effettuare il sincronismo fra i dati in arrivo ed il clock. Una volta effettuata questa operazione, il ricevente elimina tutti i bit conenuti nel preambolo. Questa operazione viene  effettuata  in  automatico dal MRF24J40. Dopo il preambolo si incontra il Lenght Field, della lunghezza di 1 byte, che fornisce informazioni al ricevente sulla lunghezza della rimanente parte di pacchetto, escluso il preambolo e il Lenght Field stesso. In tal modo il ricevente può effettuare un check sulla correttezza della lunghezza del pacchetto. Segue il Frame Control, ossia una informazione sul tipo di informazione contenuta nel pacchetto   (ad  esempio  dati, oppure un ACK di sistema, etc). Vi sono poi i due campi di indirizzo, ossia l’indirizzo del destinatario e del mittente. L’indirizzo del destinatario può esser costituito da 0 byte (messaggi broadcasting  o di sistema), da 2 byte (è questo il caso dello  short  address,  che  ogni dispositivo ottiene  nel momento in cui entra in una rete) o da 8 ybte (caso del MAC address, indirizzo che ogni oggetto IEEE 802.15.4 possiede unicamente). Segue il vero e proprio contenuto informativo del pacchetto, o payload. Questo campo può avere lunghezza variabile da  0  a  122  bytes.  Infine,  si trova il consueto CRC Cyclic Redundant Code, della lunghezza di 16 bit, che consente al ricevente di effettuare un check  di  integrità  su  ogni  bit del pacchetto.

APPLICAZIONI

Le applicazioni più facilmente “papabili” per questo device sono quelle legate al mondo “Home and Building Automation”. Si pensi ad esempio ad un   sistema di allarme con sensori wireless, oppure ad un controllo degli automatismi di un edificio, come tapparelle, finestre, lucernai, irrigazione. Per quanto riguarda il settore HVAC (Heating, Ventilating and Air Conditioning) le applicazioni sono molteplici. È ad esempio ipotizzabile un sistema di riscaldamento domestico in cui ogni termosifone è dotato di valvola di zona intelligente wireless. In tal modo, è possibile ottimizzare la termoregolazione di una abitazione stanza per stanza! Chiaramente, molte applicazioni sono possibili anche nei settori dell’industrial e dell’automotive, dove è consigliabile utilizzare uno dei vari protocolli citati in precedenza, quali ZigBee e MiWi.

 

 

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Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 27 luglio 2017

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