Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2014
Robert Kong
Embedded Developer
В статье рассказано, как, используя выпускаемые компанией NXP конфигурируемые логические мини-элементы 74AXP1G57 (см. Приложение), можно оцифровывать сигналы аналоговых датчиков и передавать полученную информацию по радиоканалу. Возможность сконфигурировать эти микросхемы как инверторы с триггерами Шмитта на входах использована здесь для построения релаксационных RC-генераторов, необходимых как для дискретизации сигналов аналоговых датчиков, так и для формирования радиочастотного сигнала, являющегося основой беспроводной передачи результатов измерений. Описан базовый проект беспроводного датчика температуры с амплитудной модуляцией. Затронут также вопрос использования беспроводных датчиков в качестве RFID меток безбатарейных датчиков.
Введение
Как видно из Рисунка 1, схема RC-генератора, основанная на логическом инверторе с входным триггером Шмитта, очень проста.
 |
|
| Рисунок 1. | Релаксационный RC-генератор. |
Частота генерации, определяемая резистором R и конденсатором C, уменьшается с увеличением номиналов любого из компонентов. В Таблице 1 показаны частоты генерации схемы на вентиле 74AXP1G57 при различных значениях сопротивлений резистора R и фиксированной величине емкости конденсатора C, равной 22 пФ. Аналоговые датчики представляют собой устройства, свойства которых зависят от одного или нескольких (в идеале, от одного) физических параметров.
К примеру, сопротивление термистора зависит от температуры, на емкость электретного микрофона влияет давление воздуха, а емкость датчика относительной влажности изменяется при изменении содержания влаги в атмосфере. Зависимость частоты генерации релаксационного генератора от значений R и C используется для формирования сигнала, частота которого зависит от сопротивления и емкости аналогового датчика, т.е., фактически, для преобразования аналогового сигнала в цифровую форму, а также для формирования опорной частоты передатчика.
Дискретизация выходных сигналов аналоговых датчиков
Упомянутыми выше аналоговыми датчиками, ведущими себя как переменные резисторы или конденсаторы, можно легко заменять, соответственно, резисторы или конденсаторы RC-генератора, как это показано на Рисунках 2а и 2б, частота которого будет представлять оцифрованное значение измеряемого параметра.
 |
 |
|||
| Рисунок 2а. | Резистивный датчик. | Рисунок 2б. | Емкостной датчик. | |
Замечания:
Неиспользуемые входы должны быть подключены к шинам питания или земли в соответствии с рекомендациями, приведенными в справочных данных. Для резистивных датчиков подбирайте емкость конденсатора C такой, чтобы получить приемлемую частоту генерации. Для емкостных датчиков подбирайте сопротивление резистора R такой, чтобы получить приемлемую частоту генерации.
Если потребуется оцифровать сигнал датчика, представленный переменным коэффициентом заполнения, можно воспользоваться схемой, представленной на Рисунке 2в. Как видно из схемы, резистивным датчиком определяется верхний уровень сигнала, в то время как от сопротивления R зависит его нижний уровень.
 |
|
| Рисунок 2в. | Декодирование коэффициента заполнения. |
Простой беспроводной датчик
Тщательно подобрав значения R и C, можно сделать генератор, работающий на требуемой частоте. Если выбрать частоту достаточно высокой, такой сигнал можно без проводов передать к радиоприемнику. Кроме того, если напряжение аналогового датчика использовать для модуляции, радиоприемник затем сможет извлечь полезную информацию датчика из принятого сигнала. На Рисунке 3 приведена очень простая схема, оцифровывающая сигнал аналогового датчика (термистора) и передающая его с использованием частотно-модулированного (ЧМ) радиосигнала.
 |
|
| Рисунок 3. | Датчик температуры с ЧМ передатчиком. |
Замечания:
1) Все неиспользованные входы должны быть подключены к шинам питания или земли в соответствии с рекомендациями, приведенными в справочных данных.
2) Если используется демонстрационная плата NXP для микросхемы 74AXP1G57, убедитесь, что резистор, подтягивающий вывод 3 к земле, удален.
Если емкость конденсатора C равна 22 пФ, а выбранный термистор TR1 имеет номинальное сопротивление 18 кОм, генератор будет работать на частоте 1.9 МГц (см. Таблицу 1). Поскольку сопротивление термистора меняется с изменением температуры, частота генерации также будет меняться, в результате чего сформируется ЧМ радиосигнал с центральной частотой 1.9 МГц. Включив последовательно с термистором TR1 дополнительный резистор, можно управлять зависимостью отклонения частоты от температуры. Для более точной установки частоты генерации, возможно, потребуются подбор или подстройка емкости C. Для частоты 1.9 МГц емкость конденсатора C2 должна равняться 100 пФ, а индуктивность L1 можно изготовить, намотав 55 витков эмалированного медного провода диаметром 0.315 мм на ферритовый стержень длиной 10 см. При необходимости оптимизации дальности распространения сигнала можно в определенных пределах варьировать значения C2 и L1. К сожалению, хотя этот датчик с ЧМ модуляцией очень прост и дешев, приемник для восстановления его сигнала будет намного сложнее. Ниже мы увидим, каким образом можно сделать беспроводной датчик с амплитудной модуляцией (АМ), для которого схема приемника будет достаточно простой.
Беспроводной датчик с амплитудной модуляцией
Как обобщение всего вышесказанного, в этом разделе описывается базовый проект беспроводного датчика температуры с амплитудной модуляцией (Рисунок 4). В качестве чувствительного элемента использован термистор сопротивлением 100 кОм. Частота несущей радиосигнала выбрана равной примерно 1.9 МГц потому что, во-первых, она соответствует быстродействию микросхемы 74AXP1G57, а во-вторых, достаточно близка к диапазону дешевых средневолновых радиовещательных приемников, о чем будет сказано чуть ниже. Термистор и конденсатор 0.02 мкФ задают частоту 11 кГц первого генератора, собранного на микросхеме 74AXP1G57, сконфигурированной инвертором с триггером Шмидта на входе. Несущая частота 1.9 МГц, значение которой определяется конденсатором 22 пФ и резистором 18 кОм, генерируется второй микросхемой 74AXP1G57, включенной в конфигурации элемента «2И-НЕ» с триггерами Шмитта на входах. Неинвертирующий вход элемента «2И-НЕ» используется для подключения цепи обратной связи генератора 1.9 МГц, а на инвертирующий вход подается сигнал генератора датчика, модулирующий амплитуду несущей.
 |
|
| Рисунок 4. | Датчик температуры с АМ передатчиком. |
Замечания:
1) Все неиспользованные выводы должны быть подключены к шинам питания или земли в соответствии с рекомендациями, приведенными в справочных данных.
2) Если используется демонстрационная плата NXP для микросхемы 74AXP1G57, убедитесь, что резисторы, подтягивающие выводы 3 и 6 к земле, удалены.
На следующей осциллограмме показан сигнал датчика, сформированный на выходе первой микросхемы AXP (U1, вывод 4):
Если вывод 1 микросхемы U2 подключить к земле вместо вывода 4 микросхемы U1, мы увидим такую осциллограмму:
Если вывод 4 микросхемы U1 соединен с выводом 1 микросхемы U2 в соответствии со схемой на Рисунке 4, но L1 отключена, форма сигнала будет такой:
Соединив L1 с конденсатором C2, получаем следующее: (Осциллограмма сигнала датчика изображена синим цветом)
Обратите внимание на то, что амплитуда АМ сигнала теперь выросла примерно в шесть раз. Подобрав величины L1 и C2, амплитуду, возможно, удастся увеличить еще больше, и, соответственно, еще больше расширить радиус действия передатчика.
Простой и дешевый АМ радиоприемник
Если частота несущей выбрана между 525 кГц и 1.6 МГц, для приема сигнала датчика можно использовать стандартный средневолновый радиовещательный приемник и прослушивать восстановленный сигнал через его динамик. Поскольку в предлагаемом базовом проекте несущая частота выходит за верхнюю границу 1.6 МГц, установленную для средневолнового диапазона, для приема и декодирования предлагается схема, показанная на Рисунке 5.
 |
|
| Рисунок 5. | АМ радиоприемник и схема восстановления сигнала. |
Несмотря на то, что в схеме использовано намного больше компонентов, чем в радиопередатчике датчика, все же, она очень проста. Основным ее компонентом является микросхема U1, выполняющая все необходимые функции радиоприемника. L1 и подстроечный конденсатор образуют резонансный контур, который должен быть настроен на несущую частоту передатчика (1.9 МГц). С выхода U1 снимается сигнал, которым была промодулирована несущая частота в передатчике.
Напряжение 1.3 В, установленное на выходе линейного стабилизатора LM317 (IC1), используется для питания микросхемы радиоприемника MK484 (U1). Поскольку выходной сигнал U1 может оказаться очень слабым, он усиливается микросхемой IC2B, усиление которой регулируется подстроечным резистором VR1.
Для восстановления информации датчика используется технология, получившая название «нарезка данных». Резисторы R5, R6 и микросхема IC2C формируют опорное напряжение, равное половине приходящего на разъем JP1 напряжения, питания, определяющее пороговую амплитуду, начиная с которой сигнал датчика будет усиливаться.
Усиленный сигнал поступает на один из входов компаратора, основой которого служит микросхема IC2A. Этот же сигнал, но усредненный цепочкой R9, C6, и буферизованный микросхемой IC2D, подается на другой вход компаратора, на выходе которого формируется полностью восстановленный сигнал датчика, что видно на осциллограммах, представленных на Рисунке 6.
 |
|
| Рисунок 6. | Восстановленный сигнал датчика. |
Синей осциллограммой на Рисунке 6 представлен исходный сигнал датчика, а желтой – восстановленный сигнал.
Вопросы питания беспроводных датчиков
До сих пор ничего не было сказано об источнике питания для микросхем 74AXP1G57. Однако надо помнить, что радиопередатчик является устройством, преобразующим электрическую энергию в энергию радиоизлучения, и для обеспечения приемлемого радиуса действия источник питания должен быть в состоянии отдавать достаточный ток. Например, при использовании старой щелочной батарейки с напряжением на контактах 1.3 В уверенный прием сигнала датчика был возможен на расстоянии порядка 30 см.
Хотя для питания прототипа описанной выше схемы использовалась полуразряженная щелочная батарейка с номинальным напряжением 1.5 В, способность микросхемы NXP работать при очень низком напряжении и сверхмалое потребление мощности вполне позволяют создавать жизнеспособные безбатарейные решения.
Существует множество схем сбора окружающей энергии, среди которых есть такие, которые могут использовать радиочастотную энергию от вышек телерадиовещания или сотовой связи. Используя низкое энергопотребление микросхемы 74AXP1G57, можно реализовать работоспособный беспроводной датчик, основанный на модели метки радиочастотной идентификации (RIFD). Датчик делается по схемам, аналогичным изображенным на Рисунках 2а и 2б, а цепь его питания дополняется схемой заряда конденсатора от радиосигнала, такой же, как в радиочастотных метках. При необходимости узнать показания датчика считыватель генерирует радиосигнал, который используется для активации датчика, а затем модулируется после того, как датчик включается. Демодуляция радиосигнала происходит в считывателе.
В заключение
Описанные выше схемы были испытаны с помощью демонстрационной платы для логических элементов 74AXP1G57, выпускаемой компанией NXP. Без демонстрационной платы экспериментировать с этими крошечными устройствами, не изготавливая собственной печатной платы, было бы крайне сложно.
 |
| Демонстрационная плата для многофункционального логического элемента 74AXP1G57. |
Приложение. Микросхема 74AXP1G57
Общее описание
Микросхема 74AXP1G57 представляет собой многофункциональный логический элемент с триггерами Шмитта на входах. Устройство может быть сконфигурировано для выполнения функций «И», «ИЛИ», «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ», исключающее «ИЛИ», инвертора и буфера. Все входы можно подключать непосредственно к шинам питания или «земли». Микросхемы отличаются исключительно низким потреблением статической и динамической мощности во всем диапазоне напряжений питания от 0.7 В до 2.75 В. Конструкция приборов позволяет использовать их в приложениях с частичным снижением энергопотребления. Это возможно благодаря тому, что при отключенном питании микросхемы специальная цепь блокирует выход, исключая возможность его повреждения обратным током от включенных соседних элементов.
Особенности и преимущества
- Широкий диапазон напряжений питания от 0.7 В до 2.75 В
- Низкая входная емкость: типовое значение 0.5 пФ
- Низкая выходная емкость: типовое значение 1.0 пФ
- Низкое потребление динамической мощности: типовое значение эквивалентной емкости – 2.7 пФ
- Низкое потребление статической мощности: не более 0.6 мкА при температуре 85 °C
- Высокая помехоустойчивость
- Устойчивость к защелкиванию превышает 100 мА, регламентированные стандартом JESD 78 Class II
- Входы, устойчивые к напряжению до 2.75 В
- Шумовые выбросы и провалы, не превышающие 10% от напряжения питания
- Схема блокировки выхода для защиты от повреждения обратным током
- Большой выбор корпусов
- Диапазон рабочих температур от –40 °C до +85 °C
| Таблица 1. | Зависимость частоты RC-генератора от сопротивления. |
||||||
|
|||||||
