Examensarbete LE 1400 10p C-Nivå Trådlös överföring mellan enkla noder

1. Institutionen för Datateknik Västerås 2002-05-06 Examensarbete LE 1400 10p C-Nivå Trådlös överföring mellan enkla noder Magnus Abrahamsson man98107@student.mdh.se Johan Eskilsson jen98052@student.mdh.se

2. Syfte Syftet med examensarbetet är att skapa ett enkelt demonstrationssystem som klarar att skicka trådlös data mellan enkla noder.

3. Bakgrund På datainstitutionen vid Mälardalens Högskola i Västerås finns behovet att kunna sända trådlös data för olika ändamål.

4. Tillvägagångssätt • Förstudie • Hårdvarukonstruktion • Mjukvarukonstruktion • Tester

5. Resultat av förstudien • Enkel- eller dubbelriktad överföring • Frekvensband • Standarder + undantagsföreskrifter • Transceivermoduler • Kommunikationsmetoder

6. Enkel- och dubbelriktad överföring Figuren visar en blockkonstruktion över ett trådlöst kommunikationssystem.

7. Frekvensband • ISM-bandet 433,05-434,79 MHz

8. Standarder + undantagsföreskrifter • EN 300 220-1 • PTSFS 2000:9

9. Transceivermoduler

10. Kommunikationsmetoder • Non-Return-To-Zero • Edge detection • Manchester Coding • Oversampling • UART

11. Non-Return-To-Zero clk Data ”10000001” ’1’ ’0’ ’0’ ’0’ ’0’ ’0’ ’0’ ’1’ Metoden används vid både sändning och mottagning. Fördelar: Enkel Nackdelar: Osäker i snabba system, känslig mot brus

12. Edge detection clk Data ”101000” Här räknar interruptrutinen ut samplingstiden för varje bit. Här samplas bitarna in Metoden används vid mottagning. Fördelar: Bra synkroniseringsmöjlighet Nackdelar: Känslig mot brus

13. Manchester Coding Manchester kodning av det binära datat 110100. Bitlängd Logiskt ’0’: Övergång från låg till hög i mitten av biten Logiskt ’1’: Övergång från hög till låg i mitten av biten Metoden används vid sändning och mottagning. Fördelar: Säker Nackdelar: Tidskrävande signalbehandling

14. Oversampling Under denna period kontrolleras 1 bit. 1:a 2:a 3:e 16:e Antal Sampel F_baud F_16baud F_16baud_1 Metoden används vid mottagning. Fördelar: Säker Nackdelar: Tidskrävande signalbehandling, känslig mot frekvensavvikelser i kristallen.

15. UART (Universal Asynchrounous Receiver Transmitter) Enhet(er) som ansvarar för att utföra de huvudsakliga momenten vid sändning och mottagning av seriell data.

16. Hårdvarukonstruktion • Kretsschema • Layoutritning • Kretskortstillverkning • Tester

17. 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.

18. Layout Layout gjord i programmet Designer.

19. Kretskortstillverkning Konstruktionen sett från ovansidan.

20. Testning Sändare Mottagare Signalgenerator Oscilloskop Blockschema över signalöverföring vid test.

21. Mjukvarukonstruktion • Block som behövs för konstruktionen: • Transmitter: Sänder data. • Receiver: Tar emot data. • Clocks: Genererar signaler som bestämmer arbetstakten i resp block.

22. Packets Adress code word Preamble ’1’ ’0’ ’1’ ’0’ ’1’ ’0’ ’1’ ’0’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’0’ ’0’ ’0’ ’1’ ’1’ 1 2 3 Message code word End of code word (optional) Checksum ’0’ ’1’ ’1’ ’1’ ’0’ ’0’ ’1’ ’0’ ’0’ ’0’ ’1’ 5 6 4 startbit åtta databitar paritytbit stopbit Vid sändning av data bör ett packet användas. Exemplet ovan är ett bra exempel på hur ett packet vid trådlös överföring kan se ut.

23. Vald packet preamble ’0’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’1’ ’0’ ’1’ ’0’ ’1’ ’0’ ’1’ ’0’ ’0’ ’1’ ’1’ ’1’ ’0’ ’0’ ’1’ ’0’ ’0’ ’0’ ’1’ De åtta databitarna paritetsbit startbit stoppbit

24. S1 S2 S3 Interna vektorn får switcharnas värde. Nollställer alla signaler Paustillstånd Endast vid reset. S4 S10 1:a biten i första delen av preamblesekvensen sänds S9 Stoppbiten sänds Paritetsbiten sänds Transmitter S8 De åtta databitarna sänds. . S5 De resterande 11 bitarna i del 1 av preamblesekvensen sänds. S7 S6 Startbiten sänds. 2:a delen av preamble- sekvensen sänds.

25. S2 S1 S3 De resterande 11 bitarna i del 1av preamblesekvensen kontrolleras. Starttillstånd 1:a biten i första delen av preamblesekvensen kontrolleras Endast vid reset. S4 S10 De åtta bitarna i andra preamblesekvensen kontrolleras. Stoppbiten kontrolleras S9 Kontrollerar paritetsbiten Receiver S5 Första delen av startbiten kontrolleras. S8 Kontrollerar de åtta databitarna. S6 S7 Andra delen av startbiten kontrolleras. Sista delen i startbiten kontrolleras.

26. Kontroll av databit (UART med NRZ och Oversampling) Under denna period kontrolleras 1 bit. 1:a 2:a 3:e 16:e Antal Sampel F_baud F_16baud F_16baud_1 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.

27. 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.

28. Testning Test med labplattor

29. 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. Summering Arbetet 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.