توضیحاتی در مورد ماژول های بیسیم ساخت Hope RF

ماژول‌های بیسیم Hope RF

از سری ماژول‌های بیسیم موجود در بازار، ماژول‌های Hope RF هستند. این ماژول‌ها اگر چه ساخت چین هستند ولی طراحی IC آن‌ها از Si lab (آمریکایی) هست. این ماژول‌ها ارزان قیمت بوده و کارایی مناسبی دارند (قیمت چینی و کارایی آمریکایی!). ماژول‌های این شرکت را می‌شود به دو دسته تقسیم کرد. ماژول‌هایی که نام آن‌ها با RFM شروع می‌شوند و ماژول‌هایی که با HM شروع می‌شوند. لازم به ذکر است که تمامی این ماژول‌ها می‌توانند به صورت FSK به تبادل داده بپردازند. در ادامه به توضیح هر کدام می‌پردازیم.

ماژول‌های سری RFM

این ماژول‌ها که کارایی بسیار بهتری از سری HM دارند، دارای یک واسط SPI هستند که تمام پارامترهای آن‌ها را می‌توان توسط آن تنظیم کرد. این ماژول‌ها به صورت‌های گیرنده، فرستنده و فرستنده-گیرنده موجود هستند. پارامترهای قابل تنظیم، شامل پارامترهای ارتباط بیسیم و سایر پارامترهای جانبی است.

پارامترهای بیسیم شامل فرکانس حامل، deviation، پهنای باند گیرنده (Baseband BW)، نرخ انتقال، قدرت خروجی و چگونگی ارسال و دریافت (استفاده از بافرها یا بدون استفاده از بافر) می‌باشد. در خصوص برخی از این پارامترها در انتهای این نوشته مطالبی بیان شده است.

سایر پارامترها، پارامترهایی هستند که به قسمت ارتباط بیسیم ربطی نداشته و صرفاً مربوط به یک سری از امکانات اضافی موجود در ماژول هستند. این پارامترها بسیار متنوع هستند و می‌توانند شامل کلاک برای میکروکنترلر، سنجش ولتاژ تغذیه، مدهای کارکرد چرخه‌ای (Low duty cycle)، تایمر Wake up، مبدل A/D، دماسنج و ... شوند. در خصوص برخی از این پارامترها در انتهای این نوشته مطالبی بیان شده است.

مدل‌های فرستنده-گیرنده موجود در بازار از این سری شامل موارد زیر است:

- RFM12: قدرت خروجی در 433مگاهرتز 8bBm و در 915 مگاهرتز 0dBm، ولتاژ کاری بین 2.2 تا 5.4 ولت، حداکثر نرخ انتقال در مود استفاده از FIFO برابر 115.2Kbps. چیپ این ماژول مطابق با SI4420 می‌باشد.

- RFM12B: قدرت خروجی در 433 مگاهرتز 5dBm و در 915 مگاهرتز 4dBm، ولتاژ کاری بین 1.8 تا 3.8 ولت، حداکثر نرخ انتقال در مود استفاده از FIFO برابر 115.2Kbps. چیپ این ماژول مطابق با SI4421 است. این مدل بهینه شده مدل RFM12 می‌باشد. حساسیت گیرنده در این مدل بالاتر بوده و لذا برد بالاتری نسبت به مدل RFM12 دارد. همچین ولتاژ کاری آن نیز کمتر است که استفاده از آن را برای سیستم‌هایی که با باتری کار می‌کنند مقرون به صرفه‌تر می‌کند.

- RFM12BP: قدرت خروجی در 433 و 915 مگاهرتز 27dBm، ولتاژ کاری چیپ 2.2 تا 3.8 ولت، ولتاژ کاری تقویت کننده قدرت بین 11 تا 13 ولت، حداکثر نرخ انتقال در مود استفاده از FIFO برابر 115.2Kbps. چیپ این ماژول مطابق با SI4421 است. این ماژول دارای یک تقویت کننده قدرت می‌باشد که قدرت خروجی چیپ را تا 500 میلی وات افزایش می‌دهد.

- RFM22: قدرت خروجی در 433 و 915 مگاهرتز 17dBm، ولتاژ کاری بین 1.8 تا 3.6 ولت، حداکثر نرخ انتقال در مود استفاده از FIFO برابر 128Kbps. چیپ این ماژول مطابق با SI4432-rev V2 & A0 است. چیپ‌های سری SI443x از سری‌های EZ Radio PRO ساخت شرکت Si Lab می‌باشند (چیپ‌های SI442x از سری EZ Radio هستند). این چیب‌ها واقعاً حرفه‌ای هستند. قابلیت مدولاسیون به صورت GFSK، قدرت خروجی بالا، مصرف کم، بافرهای بزرگ (64 بایت) برای ارسال دریافت، پردازشگر پاکت، داشتن مبدل A/D هشت بیتی داخلی، دماسنج داخلی، داشتن سه ورودی خروجی همه منظوره برخی از ویژگی‌هایی است که این چیپ‌ها نسبت به مدل‌های قبلی دارند. این چیپ‌ها در 3 ورژن V2، A0 و B1 ارایه شده‌اند که ماژول‌های RFM22 و RFM23 مطابق با ورژن‌های V2 و A0 و ماژول‌های RFM22B و RFM23B مطابق با ورژن B1 هستند. بهترین و کامل‌ترین وژن در حال حاضر، ورژن B1 هست. قابل توجه اینکه این ورژن‌ها در تنظیمات پارامترها اندکی با هم متفاوتند.

- RFM23: قدرت خروجی در 433 و 915 مگاهرتز 13dBm، ولتاژ کاری بین 1.8 تا 3.6 ولت، حداکثر نرخ انتقال در مود استفاده از FIFO برابر 128Kbps. چیپ این ماژول مطابق با SI4431-rev V2 & A0 است.

- RFM22B: قدرت خروجی در 433 و 915 مگاهرتز 20dBm، ولتاژ کاری بین 1.8 تا 3.6 ولت، حداکثر نرخ انتقال در مود استفاده از FIFO برابر 256Kbps. چیپ این ماژول مطابق با SI4432-rev B1 است.

- RFM23B: قدرت خروجی در 433 و 915 مگاهرتز 13dBm، ولتاژ کاری بین 1.8 تا 3.6 ولت، حداکثر نرخ انتقال در مود استفاده از FIFO برابر 256Kbps. چیپ این ماژول مطابق با SI4431-rev B1 است.

- RFM50: قدرت خروجی در 433 و 915 مگاهرتز 20dBm، ولتاژ کاری بین 1.8 تا 3.6 ولت، حداکثر نرخ انتقال در مود استفاده از FIFO برابر 256Kbps. چیپ این ماژول مطابق با SI1000 است. چیپ SI1000 یک میکروکنترلر بر مبنای میکروکنترلر C8051F930 و چیپ SI4432-rev B1 می‌باشد. به عبارت دیگر این ماژول یک میکروکنترلر است که داخل میکروکنترلر یک چیپ بیسیم از نوع SI4432-rev B1 موجود است (یعنی یک Wireless MCU). میکروکنترلر این ماژول نسبت به قیمت آن بسیار عالی است. این میکروکنترلر دارای ساختار بهبود یافته 8051 است (به عبارتی تمام دستورالعمل‌های آن مطابق با 8051 است). 64 کیلو بایت Flash و 4352 بایت RAM از خصوصیات حافظه این میکروکنترلر است. کارکرد تا 25MIPS نیز حداکثر سرعت CPU این میکروکنترلر است.

تنها ایرادی که بر این ماژول وارد است کمبود (شاید هم نبود) سخت افزار پروگرامر و دیباگر است.

- RFM70: قدرت خروجی در 2400 مگاهرتز 5dBm، ولتاژ کاری بین 1.9 تا 3.6 ولت، حداکثر نرخ انتقال برابر 2Mbps. این ماژول در باند 2.4 گیگاهرتز کار می‌کند. این ماژول برای کاربردهایی که نیاز به نرخ انتقال بالا در برد کم دارند مناسب است.

ماژول‌های سری HM

ماژول‌های سری HM تنها خصوصیتی که دارند این است که واسط آن‌ها UART است. به عبارت دیگر برای برقراری ارتباط با این ماژول‌ها کافی است که آن‌ها را به UART میکروکنترلر وصل کنید و بدون هیچگونه نیاز به تنظیم پارامترهای داخلی از آن‌ها استفاده کنید. اما این ماژول‌ها حداکثر می‌توانند با سرعت 19.2 کیلو بیت بر ثانیه کار کنند و اصولاً برای کاربردهای Low power مناسب نیستند (چون فاقد مودهای Power saving) هستند. کسانی که از این ماژول‌ها استفاده کرده‌اند از نویز گیری آن‌ها گله‌مند هستند.

به طور کلی این ماژول‌ها از یک میکروکنترلر داخلی و یکی از ماژول‌های بیسیم قبلی (سری RFM) تشکیل شده‌اند. وظیفه میکروکنترلر داخلی تنظیم پارامترهای بیسیم است.

این سری شامل مدل‌های زیر است:

- HM-T: فقط فرستنده، قدرت خروجی در 433 مگاهرتز 6dBm و در 915 مگاهرتز برابر 4dBm، حداکثر نرخ انتقال برابر 9.6Kbps، ولتاژ کاری بین 2.5 تا 5 ولت.

- HM-R: فقط گیرنده، حداکثر نرخ انتقال برابر 9.6Kbps، ولتاژ کاری بین 2.5 تا 5 ولت.

- HM-TR: فرستنده گیرنده، قدرت خروجی در 433 مگاهرتز 5dBm و در 915 مگاهرتز برابر 0dBm، حداکثر نرخ انتقال برابر 19.2Kbps، ولتاژ کاری بین 4.5 تا 5 ولت. این ماژول‌ها دارای یک کانکتور SMA نیز هستند.

- HM-TRP: فرستنده گیرنده. (بعداً تکمیل خواهد شد).

 

توضیح در مورد برخی از پارامترها و امکانات

فرکانس حامل: فرکانس حامل همان فرکانسی است که ماژول بیسیم در آن فرکانس ارسال و دریافت می‌کند. در ایران می‌توان در دو باند فرکانس 434 و 915 مگاهرتز به تبادل اطلاعات پرداخت. به عنوان مثال باند 434 مگاهرتز  در محدوده 433.05 تا 434.79 مگاهرتز می‌باشد که می‌توان در ماژول‌های سری RFM فرکانس حامل را در این محدوده تنظیم کرد. توجه کنید که در حالت ارسال دیتا (یعنی در حالتی که حامل به مقدار deviation تغییر می‌کند) نباید فرکانس خروجی از این باندها تجاوز کند. لذا توصیه می‌شود که فرکانس حامل در نزدیک به حداقل و حداکثر باند تنظیم نشود (چراکه در عمل فرکانس حامل می‌تواند به ازای خطای کریستال و همچنین تغییرات دما اندکی خطا داشته باشد و در صورتی که فرکانس حامل نزدیک به مرزهای حداکثر و حداقل انتخاب شود، می‌تواند Out of band emission داشته باشد که اصلاً خوب نیست!!).

Deviation: در مدولاسیون FSK، هیچگاه فرکانس حامل در خروجی دیده نمی‌شود. در مدولاسیون FSK به ازای هر وضعیت (0 یا 1) از بیت اطلاعاتی که قرار است ارسال شود فرکانس حامل اندکی زیاد یا کم می‌شود. این مقدار زیاد یا کم شدن را deviation می‌گویند. مثلاً فرض کنید که فرکانس حامل در 434.00 مگاهرتز تنظیم شده است، مقدار deviation برابر با 45 کیلوهرتز و پلاریته مدولاسیون مثبت است. حال در صورتی که بخواهیم 1 را ارسال کنیم؛ فرکانس حامل به 434.045 مگاهرتز افزایش یافته و در صورتی که بخواهیم 0 را ارسال کنیم فرکانس حامل به 433.955 مگاهرتز کاهش می‌یابد.

پلاریته مدولاسیون مشخص می‌کند که وقتی که 1 یا 0 به مدولاتور وارد می‌شود، فرکانس خروجی به چه صورت تغییر کند. در مثال قبلی اگر پلاریته مدولاسیون منفی باشد در صورت ارسال 1، فرکانس حامل به 433.955 مگاهرتز کاهش یافته و در صورت ارسال 0، فرکانس حامل به 434.045 مگاهرتز افزایش خواهد یافت.

در ماژول‌های سری RFM هم deviation و هم modulation polarity قابل تنظیم است. در صورت استفاده از این ماژول‌ها توجه کنید که هم در سمت فرستنده هم در سمت گیرنده تنظیمات یکی باشد.

پارامتر deviation به نرخ انتقال اطلاعات بستگی دارد. به عبارتی هرچه نرخ انتقال بالاتر باشد بایستی deviation را بیشتر انتخاب کرد.

Baseband Band Wide: که مخفف آن BBW است، پارامتری است که مربوط به گیرنده است. این پارامتر مشخصه‌های دمودولاسیون را تعیین می‌کند. همیشه BBW بایستی بیشتر از deviation انتخاب شود. اما نباید خیلی زیادتر از آن باشد. چراکه هرچه BBW بیشتر شود، حساسیت گیرنده کاهش می‌یابد و لذا برد بیسیم کاهش می‌یابد.

البته خطای کریستال هم در این پارامتر نقش دارد. به عبارت دیگر برای دریافت مناسب، BBW نباید کمتر از 2 برابر میزان خطای ایجاد شده توسط کریستال باشد. مثلاً فرض کنید فرکانس حامل 434 مگاهرتز است و کریستال استفاده شده در ماژول دارای خطای 20ppm است. لذا خطای کل در 434 مگاهرتز برابر 8.6 کیلوهرتز است. پس BBW را نبایستی کمتر از 17.2 کیلوهرتز انتخاب کرد.

- نرخ انتقال: در سری‌های RFM منظور از نرخ انتقال، سرعت انتقال اطلاعات بیسیم است (و منظور از آن نرخ انتقال اطلاعات SPI بین میکروکنترلر و ماژول نیست). اما در سری‌های HM منظور از نرخ انتقال، سرعت انتقال اطلاعات بین میکروکنترلر و ماژول است.

در سری‌های RFM نرخ انتقال به صورت نرم افزاری و از طریق دستورات SPI که از میکروکنترلر به ماژول فرستاده می‌شود قابل تنظیم است. و در سری‌های HM نرخ انتقال توسط ماژول UART میکروکنترلر تعیین می‌شود.

در سری‌های RFM، در صورتی که از بافر ارسال استفاده شود، بایستی نرخ انتقال کمتر از نصف سرعت انتقال داده SPI بین میکروکنترلر و ماژول باشد (چرا که بافر ارسال 8 بیتی است و هر دستور SPI شانزده بیتی است).

قدرت خروجی: معمولاً منظور از قدرت خروجی، میزان توانی است که ماژول می‌تواند به یک آنتن 50 اهمی ارسال کند. مدار متچینگ که بین خروجی چیبِ ماژول و آنتن قرار دارد، یک مدار تطبیق امپدانس است که امپدانس آن از دید آنتن 50 اهم است؛ لذا در صورتی که از یک آنتن 50 اهمی استفاده شود حداکثر توان به آنتن انتقال می‌یابد.

اما قدرت خروجی برحسب میلی وات یا dBm (دسی بل میلی) بیان می‌شود. برای ماژول‌هایی که توان خروجی آن‌ها کم است، توان برحسب dBm بیان می‌شود. برای تبدیل dBm به میلی وات می‌توان به صورت زیر عمل کرد:

P[mW]=10^(P[dBm]/10)

 پس با توجه به رابطه فوق می‌توان دریافت که توان خروجی RFM22B که 20dBm است برابر با 100 میلی وات است.

نکته مهم: هرچه قدرت خروجی بیشتر شود برد بیسیم نیز بیشتر می‌شود. اما یک رابطه بین قدرت خروجی و برد بیسیم است. به ازای هر 6dBm افزایش در خروجی، برد بیسیم 2 برابر می‌شود. یعنی در یک شرایط یکسان (فرکانس یکسان و آنتن یکسان) اگر دو ماژول داشته باشیم که قدرت یکی به اندازه 6dBm بیشتر از دیگری باشد، می‌توان آن را تا 2 برابر از گیرنده دورتر قرار داد.

حساسیت گیرنده: اما یک پارامتر مهم در گیرنده حساسیت است. حساسیت یعنی حداقل مقدار توانی که گیرنده می‌تواند از آن اطلاعات را استخراج کند. حساسیت نیز با واحد dBm بیان می‌شود و همیشه مقدار آن منفی است (مثلاً به صورت -110dBm). هرچه حساسیت بیشتر باشد (یعنی مقدار آن عدد منفی بزرگتری باشد؛ مثلاً گیرنده با حساسیت -121dBm از گیرنده با حساسیت -118dBm، حساس‌تر است) گیرنده می‌تواند سیگنال‌های ضعیف‌تری را دریافت کند.

رابطه‌ای که در مورد توان خروجی و برد بیسیم بیان شد، در مورد حساسیت نیز صادق است. یعنی اگر یک گیرنده نسبت به گیرنده دیگر (در شرایط یکسان) به اندازه 6dBm حساسیت بیشتری داشته باشد، می‌توان آن را تا 2 برابر از فرستنده دورتر قرار داد.

توان خروجی پارامتری است که قابل اندازه‌گیری است و توسط شرکت تولید کننده ماژول به صورت یک عدد معین بیان می‌شود. اما حساسیت گیرنده یک پارامتر تخمینی است. این پارامتر بستگی به BBW و نرخ انتقال دارد. با افزایش BBW و یا افزایش نرخ انتقال میزان حساسیت کاهش می‌یابد. پس اگر برد بیشتری نیاز دارید سعی کنید نرخ انتقال و BBW را کاهش دهید.

مودهای Power saving: بسیار پیش می‌آید که نیاز است یک ماژول بیسیم را توسط باتری تغذیه کرد. در این موارد اگر ماژول همیشه روشن باشد (چه در مود دریافت و چه در مود ارسال) توان زیادی را مصرف کرده و عمر باتری را به شدت کاهش می‌دهد. لذا در اکثر ماژول‌های بیسیم (به عنوان مثال تمامی ماژول‌های سری RFM) مودهای کاری وجود دارند که توسط آن‌ها می‌توان از مصرف ماژول کاست. اصولاً مودهای ذخیره توان به دو صورت هستند؛ مود idle و مود sleep.

در مود idle تمامی قسمت‌های ماژول به غیر از کریستال غیر فعال می‌شوند. ماژول‌های سری RFM در مود idle کمتر از 1.5 میلی آمپر جریان مصرف می‌کنند.

در مود sleep تمامی قسمت‌های ماژول (حتی اسیلاتور) غیر فعال است که سبب می‌شود تا ماژول در حداقل مصرف توان قرار گیرد. در ماژول‌های سری RFM، جریان حالت sleep به حدود 1 میکرو آمپر محدود می‌شود.

قابل توجه اینکه در این مودها ماژول نمی‌تواند چیزی دریافت یا ارسال کند.

ٌWake Up Timer: نیز یکی از امکانات جانبی است که برای کاهش مصرف توان در کل سیستم کاربرد دارد. توسط WUT می‌توان میکروکنترلر را در پریودهای زمانی مشخص بیدار کرد تا عملیاتی را انجام دهد و سپس به خواب برود. لذا از بار نرم افزاری و سخت افزاری میکروکنترلر کاسته شده و مصرف توان و هزینه کاهش چشم گیر می‌یابد.

کارکرد چرخه‌ای کم (Low Duty Cycle): در بسیاری از موارد نیاز است تا میکروکنترلر توسط ماژول بیسیم منتظر یک دستور بماند و پس از دریافت دستور، عملیاتی را انجام دهد. در این موارد می‌توان ماژول بیسیم را در مود دریافت قرار داد و منتظر ماند تا دستوری دریافت شود. ولی این روش سبب مصرف توان زیادی می‌شود (چرا که در حالت دریافت، ماژول جریان زیادی در حدود 11 تا 18 میلی آمپر مصرف می‌کند).

یک حالت دیگر استفاده از مود LDC می‌باشد. در این مود ماژول در حالت sleep بوده و به صورت دوره‌ای بیدار می‌شود و به حالت دریافت می‌رود و سپس مدتی منتظر می‌ماند. اگر در این مدت سیگنالی RF مناسبی دریافت کرد، مدت بیشتری در حالت دریافت می‌ماند تا بتواند اطلاعات را دریافت کند و پس از دریافت، میکروکنترلر را با خبر می‌سازد.  و در صورتی که پس از بیدار شدن، سیگنال RF مناسبی دریافت نکرد دوباره به حالت خواب می‌رود. در مود LDC این عملیات به صورت دوره‌ای انجام می‌شود و هیچگونه نیازی به مداخله میکروکنترلر ندارد. لذا به علت آنکه ماژول زمان بسیار کمتری را در حالت دریافت به سر می‌برد (و در سایر اوقات خواب است) توان مصرفی آن به شدت کاهش می‌یابد.

البته مود LDC محدودیت‌هایی نیز دارد. به عنوان مثال نیاز است تا فرستنده اطلاعات را چندین بار بفرستد تا گیرنده بتواند آن را دریافت کند که باعث کاهش سرعت انتقال کلی می‌شود.

جهت توضیح بیشر در مورد مود LDC بهتر است به دیتا شیت SI4421 مراجعه کنید.

/ 4 نظر / 248 بازدید
جواد

سلام و تشکر از اطلاعات جالب ومفید می خوام ببینم برد این ماژولها به 10 کیلومتر هم میتونه برسه ؟

سعید

با سلام و خسته نباشید اطلاعاتی که دادید خیلی مفید ممنون.

صادق

سلام ممنون از مطلب مفیدتون. مرسی

امیر حسین مغربی

سلام... مهندس جان ممنون از بابت این مقاله ی بسیار عالی... من 2 عدد rfm23b دارم که می خاهم پروگرم کنم... اما نمی دونم چه کنم... لطفا راهنمایی کنید... ممنون