El módulo transceptor RF24-G de Laipac Tech está formado (ver la imagen del módulo sin la cubierta) por el transceptor nRF2401 de Nordic Semiconductor1 y por todos los componentes externos necesarios para funcionar; una antena ruteada en la PCB y un cristal de 16MHz.
Para este diseño se ha optado por el módulo de Laipac Tech, no obstante, cualquier módulo formado por el transceptor nRF2401 o nRF2401A/G (por ejemplo los fabricados por RFDigitalWireless) puede ser utilizado sin necesidad de modificar el circuito. La elección del módulo de Laipac Tech es debido a que su proximidad (Barcelona) disminuye los gastos de envío y por tanto el coste final del prototipo.
Características externas
En cuanto a las dimensiones, el módulo es relativamente pequeño: 36,5mm de ancho; 20,5mm de largo y 9mm de alto con el conector (sin él 3.5mm).
Por lo que respecta a la conexión, utiliza un conector macho de 10 pines en 2 filas con 1,27mm de espaciado entre pines. Se utilizará un conector hembra para permitir la conexión/desconexión, en concreto el modelo M50-3000545 de HARWIN (precio).
Descripción del funcionamiento: nRF2401
- Características principales
Se trata de un transceptor GFSK para la banda ISM de 2.4GHz con soporte multicanal (125 disponibles)2 y con una transmisión de hasta 1Mbps. Dispone también de la capacidad de computar la dirección y el CRC, así como de trabajar en un modo llamado ShockBurst™ el cual disminuye el consumo y libera de carga de procesado al microcontrolador.
- Especificaciones eléctricas
- Tensión de alimentación entre 1.9 y 3.6 V.
- Frecuencia de trabajo de 2400MHz hasta 2524MHz2 con 1MHz de espaciado entre canales (125 Canales).
- Consumo durante la trasmisión de 13mA@0dBm y 8.8mA@-20dBm de potencia de salida.
- Consumo en modo reposo (stand-by) de 12μA y de 400nA en modo bajo consumo (power down).
- Consumo en la recepción de un solo canal a 1000kbps de 19mA y de dos canales a 1000kbps de 25mA.
- Sensitividad del receptor de -90dBm@250kbps y de -80dBm@1000kbps.
- Diagrama de bloques
Por lo que respecta al receptor, se trata de un receptor superheterodino, formado por un amplificador de bajo ruido (LNA), un mezclador y un filtro pasa-banda a la frecuencia intermedia (IF BPF), tal y como se puede observar en la figura. Un receptor superheterodino funciona trasladando la señal recibida, mediante una mezcla con el tono puro y constante de un oscilador, a una frecuencia diferente llamada frecuencia intermedia. En la frecuencia intermedia se realza el filtrado y la selección de la banda deseada antes de su demodulación. Como un mezclador es un dispositivo no lineal, produce armónicos que son filtrados por el filtro pasa-banda.
También podemos observar el modulador en GFSK. La modulación en GFSK consiste en hacer pasar la señal por un filtro Gaussiano (GFSK Filter) y modular la resultante en FSK. Un filtro Gaussiano, aplicado a señales digitales, suaviza las transiciones entre estados (alto y bajo) disminuyendo así el ancho espectral de la señal. En la modulación FSK la frecuencia de la señal transmitida cambia, respecto a la frecuencia de portadora, al ritmo de la información contenida en la señal.
Finalmente, se aprecia también el amplificador de potencia (PA) tras la modulación y el sintetizador de fecuencia (Frequency Synthesiser) que genera la frecuencia de portadora a razón del canal seleccionado.
- Modos de operación
El transceptor dispone de diversos modos de operación. Los modos activables mediante el registro de configuración son ShockBurst™, Directo y DuoCeiver™. El resto de modos seleccionables se activan mediante el estado de las líneas de comunicación. Los modos de operación seleccionables son:
- ShockBurst™
La tecnología ShockBurst™ utiliza un búfer FIFO implementado en el chip donde se cargan, a una velocidad fijada por el microcontrolador (como máximo de 1Mbps), los datos que se desean enviar para, una vez lleno el búfer, trasmitir los datos a la máxima velocidad. Este modo de operación presenta las siguientes ventajas:
- Se reduce el consumo de corriente.
- El costo sistema se reduce dado que no se necesita un microcontrolador rápido para controlar el dispositivo.
- Se reduce el riesgo de colisiones "en el aire" debido al corto tiempo de transmisión.
La comunicación en el modo ShockBurst™ es la siguiente:
- Transmisión
- Cuando el microcontrolador quiere enviar un dato, pone CE en estado alto. Esto activa el procesador de datos del transceptor.
- El microcontrolador carga en el transceptor la dirección y el dato. El microcontrolador fija la velocidad de la comunicación entre ambos, siendo siempre menor de 1Mbps.
- El microcontrolador pone a cero la línea CE, esto activa la transmisión.
- Una vez activada la transmisión, el transceptor completa el paquete (le añade el preámbulo y el CRC calculado previamente) y trasmite el dato a alta velocidad (250kbps o 1Mbps según la configuración). Una vez transmitido el dato, el dispositivo entra en reposo.
- Recepción
- Para actviar la recepción el microcontrolador debe poner la línea CE a nivel alto.
- Tras 200μs de establecimiento, el transceptor monitoriza el aire en busca de comunicaciones entrantes.
- Cuando recibe un paquete válido (con la dirección y el CRC correctos), el transceptor deshecha del paquete recibido el preámbulo, la dirección y el CRC.
- El transceptor notifica al microcontrolador poniendo la línea DR1 a nivel alto. El microcontrolador puede poner la línea CE a nivel bajo para desactivar el receptor y así disminuir el consumo de corriente.
- El microcontrolador leerá del transceptor sólo los datos ya que el resto del paquete recibido ha sido deshechado por el transceptor. Cuando todo el dato ha sido leido por el microcontrolador, el transceptor vuelve a poner la línea DR1 a estado bajo y se prepara para una nueva recepción si CE se mantuvo en estado alto.
- Modo directo
En el modo directo el transceptor funciona como un dispositivo de radiofrecuencia tradicional. Los datos deben ser transmitidos al transceptor a 1Mbps ±200ppm, o a 250kbps ±200ppm.
- Transmisión
- Cuando el microcontrolador quiere enviar un dato, debe poner la línea CE a nivel alto.
- El transceptor activa la transmisión y tras 200μs de establecimiento, los datos modularán a la portadora directamente.
- Todas las partes del protocolo deben ser implementadas en por el microcontrolador (preámbulo, dirección y CRC).
- Recepción
- Una vez el transceptor está configuradao y con la línea CE en estado alto, las líneas DATA y CLK1 empezará a conmutar debido al ruido presente en el aire.
- Una vez llega un preámbulo válido, las líneas CLK1 y DATA se engancharán a la señal entrante y DATA mostrará el paquete con la misma velocidad con la que fué transmitido.
- Para que el receptor pueda regenerar el reloj, el preámbulo debe ser de 8bits conmutando de estado entre alto-bajo, empezando por 0 si el primer bit del dato es 0.
- En este modo las señales DR (dato listo) no están disponibles. La validación de la dirección y del CRC debe hacerla el microcontrolador.
- Transmisión
- Recepción simultánea por dos canales (DuoCeiver™)
Tanto trabajando en modo ShockBurst™ como en modo Directo, el transceptor puede operar con dos receptores simultáneos con dos canales paralelos a la máxima tasa binaria. Esto significa que el transceptor puede recibir datos desde dos transmisores a través de una única antena. Además cada receptor puede dirigirse a un microcontrolador independiente mediante sus correspondientes líneas de comunicación.
- Modo de configuración
En el modo de configuración una palabra de hasta 15bytes se descarga al transceptor. Esto se realiza a través de la interface de 3 líneas (CS,CLK1 y DATA).
- Modo de reposo
En este modo, parte del oscilador del cristal está activa. El consumo de corriente es dependiente de la frecuencia del cristal. La palabra de configuración se mantiene durante este modo.
- Modo bajo consumo
En este modo el transceptor se deshabilita para un consumo mínimo de corriente, típicamente menos de 1μA. La palabra de configuración se mantiene durante este modo.
- ShockBurst™
- Estructura del paquete
El paquete de datos para los dos modos de operación se divide en cuatro secciones:
- El preámbulo (Preamble).
Tiene un tamaño de 8bits y, en modo de operación directo, es dependiente del primer bit de los datos y es transparente a los datos de salida. En modo de operación ShockBurst™ se añade automáticamente por lo que se tienen 8 bits extras y en la recepción se deshecha automáticamente.
- La dirección (Address).
El campo de dirección es necesario en el modo ShockBurst™. Su longitud debe ser entre 8 y 40 bits.
- Dato útil (Payload).
Es el dato que es transmitido. En el modo ShockBurst™ la longitud máxima de este campo es 256-(tamaño de la dirección+tamaño del CRC). En modo directo la longitud máxima es de 4000bits para 1Mbps (4ms).
- CRC
El CRC es opcional en el modo ShockBurst™ y no se utiliza en el modo directo. Su longitud puede ser de 8 o de 16 bits. El CRC se deshecha automáticamente tras la recepción.
- El preámbulo (Preamble).
- Configuración
Para configurar el transceptor se carga una palabra de hasta 15bytes que contiene lo necesario para la comunicación. He realizado una hoja de cálculo con Gnumeric la cual describe cada parte de la palabra de configuración y permite generarla fácilmente. El enlace para su descarga se muestra a continuación.
Transceiver.gnumeric
Nordic Semiconductor nRF2401 datasheet. SIERRA PÉREZ, M.;GALOCHA IRAGÜEN, B.;FERNÁNDEZ JAMBRINA, J.L.;SIERRA CASTAÑER,M. Electrónica de comunicaciones.
Madrid: PEARSON EDUCACIÓN. S.A., 2003. 416 p.
ISBN:978-84-205-3674-3
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