Bezdrátová komunikace senzorů patří mezi nejvýhodnější princip pro přenos dat. Mezi nejpopulárnější dnes patří nízkopříkonový radiový přenos v pásmu 2.4 GHz. Ve spojení se senzorem akcelerometrem lze jednoduše přenášet data do PC přes USB rozhraní radiového přijímače. Krátký popis zajímavé konstrukce takového zařízení spolu s odkazy najdete v tomto článku.

V Rožnov Czech System Centeru, u pánů inženýrů Pavla Lajšnera and Radomíra Kozuba, vznikl zajímavý projekt na bezdrátový přenos dat od senzoru-akceletometru MMA7260Q firmy Freescale. Vlastně celá konstrukce je navržena jako demonstrační aplikace firmy Freescale a obsahuje pouze její součástky. Na stránkách a v informacích firmy Freescale lze celou konstrukci nalézt pod označením "Wireless Sensing Triple Axis (RD3152MMA7260Q Reference Design (ZSTAR))".

Cílem projektu ZSTAR bylo poskytnou malý přenosný senzor se schopností demonstrovat použití akcelerometru v kombinaci s levným nízkopříkonovým bezdrátovým přenosem dat.

Bezdrátový přenos dat z akcelerometru MMA7260Q

Bezdrátový přenos dat hýbe v posledních letech světem a zvláště při použití se senzory, jde o velmi účinnou technologii. Právě senzory potřebujeme často umisťovat na špatně dostupná místa, kam lze jen s obtížemi natáhnout kabel nebo na místa, např. v interiérech, kde přítomnost kabelu nějak ruší vizuální dojem. Navíc ne vždy je projektant a konstruktér schopen přesně odhadnout potřebu místění senzoru a v praxi je občas vhodné jeho pozici o kousek posunout. Pro ty všechny případy je bezdrátový přenos dat ideální a v případě pohybujících se objektů dokonce nenahraditelný.

Uvedená aplikace "Wireless Sensing Triple Axis" se skládá ze dvou částí (desek):

• Snímací a vysílací část se senzorem a tranceiverem pro bezdrátový přenos
• Přijímací část s tranceiverem a USB rozhraním pro připojení k PC nebo Embedded PC.

V projektu jsou využity následující součástky Freescale:

• Integrovaný senzor - akcelerometr MMA7260Q - 3osý akcelerometer pro nízká g, rozsah 1.5g až 6g.
• Mikrokontrolér MC9S08QG8 - frekv. 20 MHz při nap.> 2.1V, 8 K Flash a 512B RAM, 8kanál. 10bit A/D, SCI, SPI and IIC
• MC13191 2.4 GHz ISM Band Low Power Transceiver - nízkopříkonový vysílač/přijímač, IEEE® 802.15.4 Standard PHY, Freescale 802.15.4 MAC software
• Mikrokontrolér MC68HC908JW32 - frekv. 8 MHz při nap. 3.5 až 5 V, 32 768B FLASH memory, 1024B on-chip RAM, 29 GPI/O, SPI, USB 2.0 - plná přenosová rychlost 12 Mb/s

 

Funkce bezdrátového akcelerometru

Celý bezdrátový akcelerometr je tedy složen ze dvou částí: části se vysílačem a senzorem-akcelerometrem = sensor board a části s s přijímačem a USB rozhraním = USB stick board. Desky plošných spojů mají rozměry 56 mm x 27 mm a jejich součástí jsou i implementované antény i konektor pro lithiovou baterii.

Sensor board

Její funkcí je sběr dat z výstupu akcelerometru MMA7260Q, který měří zrychlení (dynamické nebo statické) ve třech osách (3D). Data se měří separátně ze 3 kanálů A/D převodníkem, zatímco GPIO vývody řídí nízkopříkonový sleep mód akcelerometru. Z dat se v mikrokontroléru MC9S08QG8 vytváří datový paket, který je následně odesílán prostřednictvím SMAC driveru (Simple Media Access Controller), využívající RF tranceiver (RF vysílač/přijímač) MC13191. Komunikace kontroléru s tranceiverem probíhá přes SPI. Používaný jednoduchý ZSTAR RF protokol umožňuje přenášet i kalibrační data do senzoru, kde jsou ukládána ve Flash paměti. Celá aplikace je napájena baterií CR2032 Lithium, protože spotřeba je pod 1 mA při 20 přenosech za sekundu. Baterie tak má při kontinuálním provozu životnost cca 10 let.

USB stick board

Druhou část tedy tvoří přijímač s USB řadičem a rozhraním. Modul tak vlastně tvoří most (bridge) mezi RF komunikací a USB propojením s PC. Data obdržená ze senzorové desky s vysílačem jsou uložena v RAM paměti. Jiný proces pak zajišťuje zpracování USB komunikace. USB specifikace definuje několik cest přenosu dat mezi periferním USB a PC:

• Sériová komunikace (VSP - Virtuální Sériový Port) - data z akcelerometru jsou dostupná prostřednictvím jednoduchého sériového protokolu
• HID (Human Interface Device) - bezdrátový senzor se chová jako myš - nakláněním senzorové desky dochází v PC k pohybu kurzoru.

Oba přenosy dat jsou defaultně podporovány ovladači v OS Microsoft Windows 2000/XP.

Bezdrátová komunikace na frekvenci 2.4 GHz je umožněna RFCMOS technologií prostřednictvím tranceiveru MC13191. Volit však lze i jiné možnosti. Přímou jeho záměnou za MC13192 (stejné rozmístění vývodů) lze získat podporu protokolu IEEE 802.15.4 nebo použitím MC13193 lze bezdrátově přenášet data stále populárnějším ZigBee komunikací.

 

Podrobnější popis schémat, popis použitých součástek, jejich umístění na desce plošných spojů včetně provedení plošných spojů lze nalézt přímo v datasheetu firmy Freescale - AN3152.pdf

MMA7260Q - XYZ AXIS ACCELEROMETER ± 1.5g/2g/4g/6g

MMA7260Q je levný senzor zrychlení s možností externího nastavení a změny rozsahu v pevných krocích ± 1.5g/2g/4g/6g přivedením logických úrovní napětí 0 nebo 1 na dva vstupy g-Select. Tak lze, při použití libovolného mikrokontroléru, softwarově nastavit vnitřní zisk senzoru a tím měnit rozsah i citlivost. To je vhodné pro aplikace vyžadující rozdílnou citlivost pro optimální výkon a přesnost měření. Dále je součástí senzoru vyhodnocovací logika, provádějící převod působícího zrychlení na výstupní napěťový signál.

Hlavní parametry MMA7260Q:

• Napájení: 3.3 V, cca 500 µA, sleep mód = 3 µA
• Rozsah měření zrychlení: ± 1.5g / 2g / 4g / 6g v osách X, Y, Z
• Výstup:
  • napěťový signál 1.65 V při 0 g (teplotní drift ±2 mg/°C)
  • citlivost 200 až 800 mV/g (viz. tab. 2.) (teplotní drift ±2 %/°C
• Max. zrychlení bez poškození senzoru: ± 2000 g
• Frekvenční šířka pásma měření zrychlení: v osách X a Y = 350Hz, v ose Z = 150 Hz
• Teplotní rozsah: -20°C až +85°C
• Nelinearita: max. ± 1 % plného rozsahu
• Pouzdro: 16pin QFN, rozměry 6 x 6x 1.45 mm

Vnitřní zapojení senzoru

Na následujícím obrázku je blokové schéma senzoru MMA7260Q obsahující hlavní části. Základem je samotný senzor zrychlení G-Cell, který pracuje jako převodník zrychlení g -> kapacita C. Jeho výstup je přiveden na vstup převodníku kapacita C -> napětí V (C to V Converter) a poté na obvody zesílení a filtrace (Gain + Filter). Protože bloky převodníku i 1-pólového filtru pracují na principu spínaných kapacitorů (nejjednodušší varianta pro plnou integraci), je na jejich vstup přiveden hodinový spínací signál z oscilátoru upravený v bloku generátoru hodin (Clock Generator). Spínací / vzorkovací frekvence je 11 kHz. Proto by vzorkovací frekvence a hodinové signály dále připojených MCU, A/D převodníků nebo spínaných zdrojů měli být jiné, aby nenastávalo k interferencím.

Příklad obvodového zapojení

Závěr

Na stránkách firmy Freescale (www.freescale.com nebo www.freescale.cz) lze nalézt velmi zajímavé konstrukce. Náhodou jsem narazil na zde uvedený projekt bezdrátového sběru a přenosu dat ze senzorů, a proto jsem se rozhodla na něj upozornit. I když se konstrukce navržena pro akcelerometr, není problém ji přizpůsobit téměř libovolnému senzoru s analogovým či digitálním výstupem. Podobně by tak šel vytvořit i bezdrátový komunikátor pro senzor teploty nebo senzor tlaku. Pro bližší informace odkazuji na uvedené stránky firmy Freescale.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka české pobočky firmy Freescale - www.freescale.cz
• Domovská stránka firmy Freescale - www.freescale.com
  
• datasheet akcelerometru MMA7260Q (12 stran)
• aplikační list pro zhotovení desky bezdrátové komunikace Wireless Sensing Triple Axis - ZSTAR (11 stran)
  
• článek o akcelerometrech Analog Devices
• Další články týkající se senzorů na serveru automatizace.HW.cz