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, v interiérech, kde přítomnost kabelu nějak ruší vizuální dojem nebo chceme možnost jejich volného pohybu v prostoru. Příkladem realizace bezdrátového senzoru je ZSTAR kit firmy Freescale pracující jako bezdrátový digitální 3D akcelerometr s USB rozhraním k připojení k PC.

Vlastnosti kitu ZSTAR

• Měřící rozsah: 1.5 až 6 g
• Napěťový výstup: 800 až 200 mV/g
• Radiový přenos na frekvenci 2.4 GHz
• Přenosový dosah: více než 15 m (prakticky odzkoušeno)
• Na snímacím modulu: dvě volící tlačítka, přepínač napájení
• Na přijímacím modulu: resetovací tlačítko, USB rozhraní pro připojení k PC
• Uložení vzorků snímacího modulu do EEPROM - 10 až 200 vzorků za sekundu

Použití kitu ZSTAR

• Měření sklonu či naklonění ploch a předmětů
• Monitorování pohybu předmětů při přepravě
• Zabezpečovací zařízení
• Detekce a monitorování nárazů a vibrací
• Měření zrychlení - akcelerace
• Měření brždění
• Detekce a měření pádu
• Měření otřesů
• HMI rozhraní - náhrada myši
• apod.

Provedení kitu bezdrátového 3D akcelerometru

Uvedený kit Freescale ZSTAR se skládá ze dvou modulů:

• Snímací a vysílací modul se senzorem a tranceiverem pro bezdrátový přenos (sensor board).
• Přijímací modul s tranceiverem a USB rozhraním pro připojení k PC nebo Embedded PC (USB stick board).

Oba moduly jsou v provedení začerněných dvouvrstvých desek plošných spojů rozměrů 56 mm x 27 mm, přičemž spodní 2/3 desky jsou osazené SMD součástkami a horní 1/3 desky je obsazena dvěma závity vysílací a přijímací antény. Ty jsou vytvořeny na obou stranách desky jednoduchým jedním závitem z Cu cesty šířky 2 mm. Oba moduly jsou precizně osazené, prostě pro každého technika krása pohledět - viz pořízené fotografie níže. Protože "volný" snímací modul potřebuje být z něčeho napájen, je na spodní straně DPS umístěn

V kitu ZSTAR jsou využity následující součástky (samozřejmě vše kvalitní produkce Freescale):

• Na modulu snímače/vysílače:
  • 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

  

  Provedení a popis desky vysílače - tj. se senzorem

• Na modulu přijímače:
  • 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
  
  
  • MC13191 2.4 GHz ISM Band Low Power Transceiver - nízkopříkonový vysílač/přijímač, IEEE® 802.15.4 Standard PHY, Freescale 802.15.4 MAC software

Popis konstrukce kitu

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. Data přijatá tranceiverem se přes SPI sběrnici přenášejí do MCU MC68HC908JW32, který má přímo integrované USB rozhraní verze 2.0. MCU tedy rozkóduje data a připraví je pro přesnos do PC či jiného zařízení s USB portem (PAC, PLC, Pocket PC apod.), kde je již zpracovává program.

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. Na oficiálních stránkách kitu lze stáhnout i zdrojové kódy pro MCU a tak lze s pomocí vývojového programu CodeWarrior lze případně upravit a přes vyvedené sériové rozhraní nahrát do MCU.

Software pro PC

Závěr

V tomto článku uvedený ZSTAR kit bezdrátového akcelerometru je možné bez jakékoliv úpravy použít na snímaní a detekci pohybu libovolných předmětů, ke kterým je snímací část připevněna nebo v nichž je umístěna. Zároveň jej lze využít k nevšednímu ovládání počítače, kdy může být posouvání myši nahrazeno nakláněním snímacího modulu. To je zajímavé zvláště u počítačových her. Vývojáři si navíc mohou volně stáhnout drivery a knihovny pro Windows a tak kit využít ve své aplikaci. Více informací o konstrukci, schémata zapojení i provedení DSP kitu ZSTAR najdete na stránkách firmy Freescale (www.freescale.com nebo www.freescale.cz). Zde také najdete zde uvedený sofware, drivery pro Windows.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka firmy Freescale - divize firmy Motorola - www.freescale.com
• Přímý odkaz na stránky zabývající se kitem ZSTAR a umožňující stažení softwaru - www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=RD3152MMA7260Q&fsrch=1
• Článek "Senzory zrychlení Freescale pro systém jízdní stability ESC" na stránkách serveru automatizace.hw.cz
• Více článků o senzorech zrychlení / akcelerometrech najdete na stránkách serveru automatizace.hw.cz