Беспроводное управление LED-освещением? - Простое решение на CC1110 и CC2510

Михаил Чигарев (КОМПЭЛ)

Радиочастотные системы на кристалле CC1110 и CC2510 давно известны на российском рынке. Сочетание великолепных характеристик радиотракта, распространенного микроконтроллерного ядра 8051 и невысокой стоимости делает их весьма привлекательными для применения в дистанционном управлении светодиодным освещением посредством радиоканала. Статья – практическое руководство по реализации такого управления.

Единственным отличием CC1110 от CC2510 является то, что в CC1110 используется радиочастотный приемопередатчик диапазона до 1 ГГц (для России используются безлицензионные диапазоны 433 или 866 МГц), а в CC2510 - диапазона 2,4 ГГц (также не требующий лицензирования). Первый вопрос, который встает перед разработчиком при выборе того или иного радиочастотного решения - какой диапазон использовать. Оптимальной с точки зрения дальности и качества связи системой является CC1110, настроенная на работу в диапазоне 868 МГц. Теоретически, большую дальность связи можно получить и на 433 МГц, но этот частотный диапазон слишком активно используется для самых различных применений - от автосигнализаций до пожарно-охранных систем, и здесь встает вопрос об обеспечении более высокой помехоустойчивости. Основные преимущества использования CC2510 и диапазона 2,4 ГГц - возможность передачи более широкополосных сигналов и более компактные размеры антенны, соответственно. Для задач дистанционного управления передача широкополосных сигналов не является приоритетом, а вот компактные размеры антенны могут пригодиться в ряде применений.

Тем не менее, перенос кода с CC1110 на CC2510 или обратно не составляет каких-либо проблем, поэтому всегда можно перейти с одной системы на другую. В данной статье будем отталкиваться от максимальной дальности связи, и основной упор сделаем на CC1110; в любом случае, исходные проекты доступны как для CC1110, так и для CC2510.

Краткий обзор CC1110

CC1110 - это совмещенные на одном кристалле радиочастотный приемопередатчик и микроконтроллер с усовершенствованным ядром 8051 (однотактное выполнение инструкций), а также с необходимым для решения различного рода задач набором периферийных модулей. Версия CC1110 с поддержкой интерфейса USB2.0 Full Speed называется CC1111 (аналогично для CC2510 - CC2511). Основные составляющие системы на кристалле CC1110 представлены на рисунке 1.

Рис. 1.	Система на кристалле CC1110/1111/2510/2511

По своему функционалу CC1110 - весьма оптимизированное решение. Наличие встроенной Flash-памяти объемом до 32 кбайт позволяет использовать встроенный микроконтроллер как для обеспечения беспроводного протокола, так и для решения пользовательских задач с использованием периферийных модулей. Наличие интерфейсов I2S, UART и SPI позволяет организовать беспроводной последовательный канал передачи данных, а с помощью 8-канального АЦП можно реализовать подключение датчиков, кнопок, потенциометров и т.п. Наличие аппаратного модуля шифрования AES128 упрощает задачу кодирования передаваемых данных. Помимо перечисленных периферийных модулей также доступны: 19 линий ввода/вывода (GPIO), сторожевой таймер, генератор случайных чисел, пять таймеров общего назначения.

Следует отметить, что данная микросхема сбалансирована по энергопотреблению.

Что касается радиочасти, то она представляет собой интегрированный и также хорошо известный приемопередатчик CC1101 (CC2500 в микросхеме CC2510), который аппаратно поддерживает пакетную передачу данных, а также автоматическое CRC-кодирование/декодирование. При проектировании платы, особенно при разводке радиочасти, следует ориентироваться на так называемые «стандартные разработки» (reference designs), предлагаемые Texas Instruments. Например, для работы CC1110 на частоте 868 МГц следует воспользоваться примером CC1110EM868-915_REFDES, который доступен по ссылке http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/cc1110em868-915_refdes.html и содержит схему, разводку платы, гербер-файлы и перечень компонентов. Упрощенная схема включения CC1110 показана на рисунке 2.

Рис. 2.	Упрощенная схема включения CC1110

Для разработчиков, которых смущает количество пассивных компонентов цепочки согласования, компания Johanson Technology предлагает готовый согласующий трансформатор (balun) 0896BM15A0001, значительно упрощающий схему (рисунок 3).

Рис. 3.	Схема согласования CC1110 с помощью 0896BM15A0001

Поскольку мы обсуждаем применение CC1110 в светодиодном приложении, необходимо заметить, что следует внимательно отнестись к выбору высокочастотного кварцевого резонатора с точки зрения температурной стабильности. При установке одной части радиосистемы внутри светильника кварцевый резонатор будет нагреваться от светодиодов и источника питания. Если это уличный светильник, то в выключенном состоянии зимой кварцевый резонатор будет охлаждаться до минусовых температур. Все это приводит к тому, что резонаторы, установленные в управляющей части и светильнике, находятся в разных температурных условиях. В свою очередь это приводит к разному уходу частоты гетеродина, а следовательно к ухудшению чувствительности приемника и уменьшению дальности связи. Поэтому не стоит экономить на кварцевом резонаторе.

Бесплатный беспроводной протокол SimpliciTI

Для решения задачи построения беспроводной сети Texas Instruments предлагает бесплатный протокол SimpliciTI. Он поддерживает абсолютно все беспроводные решения компании и позволяет реализовать структуру сети, подобную показанной на рисунке 4. Скачать SimpliciTI можно на сайте TI по ссылке www.ti.com/simpliciti. Протокол доступен для сред разработки: IAR EW для ядер 8051 и MSP430, Code Composer Studio для MSP430.

Рис. 4.	Структура сети SimpliciTI

Для быстрого старта в состав пакета включены готовые приложения (проекты), в которых реализованы примеры связи базовых узлов сети (точек доступа, ретрансляторов и конечных устройств). Для понимания работы этих приложений и сети в целом следует ознакомиться с документом под названием «SimpliciTI Sample Application User's Guide», который можно найти в папке установки SimpliciTI, например, C:Texas InstrumentsSimpliciTI-IAR-1.1.1Documents. Разумеется, на базе этих приложений можно создать собственную сеть, именно так и построено приложение для управления светодиодным светильником, описанное ниже.

Следует отметить, что в Texas Instruments постарались максимально упросить для разработчиков работу непосредственно с радиочастотным приемопередатчиком. Для простого конфигурирования радиочасти (или изменения конфигурации в готовом проекте) TI предлагает программное обеспечение SmartRF Studio (рисунок 5) - www.ti.com/smartrf.

Рис. 5.	SmartRF Studio 7

Эта программа позволяет с помощью простого и понятного графического интерфейса сконфигурировать регистры приемопередатчика и экспортировать, например, ассемблерный код, который можно использовать в своем проекте. Для протокола SimpliciTI есть более удобный вариант - экспорт заголовочного (*.h) файла, который достаточно вставить в готовую программу. Подробно процесс экспортирования конфигурации для SimpliciTI описан в Application Note AN093 «Modifying Radio Register Parameters for SimpliciTI Applications» http://focus.ti.com/lit/an/swra352/swra352.pdf.

Реализация беспроводного управления LED-светильником

Для реализации беспроводного управления светодиодным светильником потребуются:

• Среда разработки IAR Embedded Workbench for 8051- 30-дневная пробная версия, которая доступна по ссылке http://iar.com/website1/1.0.1.0/244/1;
• Готовые проекты для беспроводного управления LED-светильником на базе CC1110/2510 http://focus.ti.com/lit/an/swra305/swra305.zip;
• Руководство пользователя (Application Note AN080) для проектов управления LED-светильником http://focus.ti.com/lit/an/swra305/swra305.pdf;
• Описание отладочной платы TPS40211EVM-352 http://focus.ti.com/lit/ug/sluu351/sluu351.pdf;
• Описание отладочного набора CC1110-CC1111DK
• Описание отладочного набора CC1110DK-MINI-868

Исходные проекты предназначены для использования совместно с отладочным набором CC1110-CC1111DK (рисунок 6).

Рис. 6.	Отладочный набор CC1110-CC1111DK

В качестве источника питания светодиодов, которым предстоит управлять, предлагается использовать отладочную плату TPS40211EVM-352 (рисунок 7).

Рис. 7.	Отладочная плата TPS40211EVM-352

TPS40211EVM-352 представляет собой повышающий DC/DC-драйвер светодиодов с диапазоном входного напряжения 8...18 В и выходным током 700 мА при выходном напряжении 20...35 В. На этой отладочной плате реализован вход для ШИМ-димминга, который и предполагается использовать в качестве управляющего.

Выбор отладочной платы источника питания является вполне оптимальным для нашего проекта. А вот отладочный набор для беспроводных модулей получается излишне функциональным и дорогим. При желании можно использовать для реализации этого проекта другой набор. В большинстве случаев оптимальным выбором для старта проекта на базе CC1110 является отладочный набор CC1110DK-MINI-868 (рисунок 8). В состав этого набора входят две отладочные платы, на которых установлены две кнопки, два светодиода, контактные площадки, на которые выедены порты ввода/вывода CC1110, и отсек для батареек. Также в состав этого набора входит программатор-эмулятор CC-DEBUGGER для всех беспроводных систем на кристалле от TI с ядром 8051.

Рис. 8.	Отладочный набор CC1110DK-MINI-868

Следует учесть, что при использовании готового проекта на наборе CC1110DK-MINI-868 необходимо произвести некоторые доработки. В частности, подключить одну плату к TPS40211EVM-352 согласно схеме на странице 9 описания AN080. Ко второй плате подключить кнопку и джойстик согласно схеме на странице 29 описания отладочного набора CC1110-CC1111DK. Сигнал от джойстика поступает на вход АЦП CC1110, вывод порта P0.6; кнопка подключена к P0.1. В любом случае, выбрать ли готовый, но излишне функциональный набор или самому собрать схему из кнопок, пары операционных усилителей, пассивных компонентов и подключить ее к CC1110DK-MINI-868 - решать вам.

Для открытия рабочего пространства (workspace) IAR со всеми исходными проектами следует распаковать архив swra305.zip, например, на диск С. Запускаем IAR Embedded Workbench и открываем готовый «workspace» следующим образом: File/Open/Workspace... Путь к необходимому файлу «led_lighting.eww» в случае распаковки архива на диск C - «C:LED_lightingide». При открытии файла в рабочую область IAR загружается четыре проекта (рисунок 9). «Led - led_cc1110» и «Led - led_2510» - проекты для платы, управляющей источником питания для CC1110 и CC2510, соответственно. «Remote - srf04_cc1110» и «Remote - srf04_cc2510» - проекты для «дистанционного пульта».

Рис. 9.	Проекты в IAR Embedded Workbench

Для прошивки готового проекта в целевое устройство следует выбрать в выпадающем меню активный проект, скомпилировать его (Project/Rebuild All) и запустить на отладку (Project/Download & Debug). Соответственно, для целевого устройства выбираем в качестве активного проект «Led» и компилируем/прошиваем, для дистанционного пульта с джойстиком и кнопкой - «Remote».

Проект для «пульта дистанционного управления» сделан на базе примера «Peer-to-Peer» LinkTo протокола SimpliciTI (основной файл: «peer applications ® application ® main_LinkTo_Remote.c»). Вначале инициализируется BSP (Board Support Package), то есть работа с периферией, необходимой для конкретной отладочной платы (джойстик, кнопки). Реализация с джойстиком находится в файле «bsp_extended.c». Затем инициализируется стек SimpliciTI.

Проект для платы управления источником питания сделан на базе «Peer-to-Peer» LinkListen примера SimpliciTI (основной файл: «peer applications ® application ® main_LinkListen_LED.c»). В BSP включена инициализация ШИМ на таймере 1 для реализации димминга, таймер 4 используется для реализации функции мигания светодиодами. Более подробно с использованием таймера 1 в качестве ШИМ для управления диммингом можно ознакомиться в документе «Using PWM for Dimmer Function in LED Lighting» http://focus.ti.com/lit/an/swru227/swru227.pdf. Полный список всех «Design Notes» (рекомендаций по применению беспроводных компонентов TI) можно найти в DN000: http://focus.ti.com/lit/an/swra120r/swra120r.pdf.

Для установки соединения между пультом и целевым устройством (также как и в «Peer-to-Peer» приложении SimpliciTI) необходимо: нажать кнопку S1 на целевом устройстве для перевода его в режим ожидания команды от пульта управления (LinkListen); зажать на 3 секунды кнопку S1 на пульте дистанционного управления (отправка команды LinkTo).

Далее можно с помощью джойстика управлять диммингом (влево/вправо 16 шагов). С помощью кнопки S1 осуществляется включение и выключение. Нажатием джойстика вверх/вниз выбирается несколько режимов мигания светодиодов.

Поскольку данный пример сделан на базе стандартного приложения SimpliciTI, дальнейшими шагами в освоении беспроводного управления освещением может быть переложение этого варианта на другие способы построения сети SimpliciTI (передача данных через ретранслятор, обмен данными с точкой доступа). В этом случае необходимо обратить внимание на то, что в сети SimpliciTI любое устройство, вне зависимости от выполняемой функции, должно иметь свой уникальный адрес. Этот адрес находится в файле «smpl_config.dat», необходимая строка в этом файле имеет вид: -DTHIS_DEVICE_ADDRESS=»{0x79, 0x56, 0x34, 0x12}» (рисунок 10).

Рис. 10.	Файл с адресом устройства сети SimpliciTI

Для изменения адреса устройства в сети достаточно поменять первое значение: например, 0x79 на 0x80.

Заключение

Безусловно, данная статья не претендует на полное руководство по организации управления светодиодным освещением. Основная цель - дать стартовые знания и собрать в одном месте набор ссылок на документацию, программное обеспечение и отладочные средства, которые понадобятся для освоения применения радиоканала в дистанционном управлении LED-освещением.