Diplomová práca Teplický - Utc.sk

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíZoznam obrázkov :Stranaobr.2.1 Loop anténa.........................................................................................8obr.2.2 Rezonančná anténa..............................................................................9obr.2.3 Vertikálna anténa.................................................................................9obr.2.4 Logické úrovne na RS232..................................................................10obr.2.5 Príklad dátového bloku pri RS232.....................................................11obr.2.6 Bloková schéma stabilizátora zo spätnou väzbou.............................12obr.2.7 Bloková schéma spínaného zdroja......................................................13obr.3.1 Rozloženie segmentov........................................................................16obr.3.2 Označenie segmentov........................................................................17obr.3.3 Zapojenie segmentov..........................................................................18obr.3.4 Katódový spínač.................................................................................18obr.3.5 Anódový spínač..................................................................................18obr.3.6 Bloková schéma posuvného registra..................................................19obr.3.7 Časový diagram plnenia posuvného registra......................................20obr.3.8 Konštrukcia antény.............................................................................21obr.5.1 Znázornenie kódovania MANCHESTER..........................................27obr.5.2 Príklad komunikácie RF vysielača.....................................................30obr.5.3 Formát rámca používaný pre RF prenos............................................31obr.5.4 Popis vývojového prostredia..............................................................32

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíZoznam tabuliek:StranaTab.1: Spotreba zariadenia...................................................................................... 22Zoznam použitých skratiekLED Svetlo emitujuca dióda Light Emiting DiodeUSARTIEEEISMUniversal Synchronous Asynchronous Receiver-Transmitter(Institute of Electrical and Electronics EngineersIdustrial, scientific, medicalRF Rádiový Radio FrequencyMCU Mikrokontroler (mikroprocesor) Microcontroller UnitSIPO Sériový vstup, sériový výstup Serial In, Praralel OutCE aktivácia výstupu Chip EnableV/V Vstupno / Výstupne Input/OutputRx Prijímanie ReceiveTx Vysielanie TransmitBNC Konektor pre pripojenie vf signálu Bayonet Nut ConnectorCRC Redundantná cyklická kontrola Cyclic Redundancy CheckDPS Doska plošného spoja Printed Circuit BoardTTLTransistor-Transistor Logic

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíGND Zem GroundSPI Periférne sériové rozhranie Serial Peripheral InterfaceSER Sériový dátový vstup Seriál Data InputSCK Vstupne hodiny posuvného registra Shift Register Clock InputRCK Vstupne hodiny úschovného registra Storage Register Clock InputG aktivácia výstupu Output Enable ,GateSCL Hlavný Reset Master ResetVFVysoko FrekvenčnéL´ DĺžkaSMD technológia povrchovej montáže Surface Mounted DeviceVÚVTVýskumný Ústav Výpočtovej TechnikyCRCH Horné 4 bity CRC rámca Cyclic Redundancy Check HighCRCL Dolné 4 bity CRC rámca Cyclic Redundancy Check Low

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra Telekomunikácií2. Analýza možností riešenia problémuNa to, aby zariadenie plnohodnotne slúžilo účelu, na ktorý bude navrhnuté jenutné si hneď na začiatku určiť požiadavky a podmienky, ktoré by malo zariadeniespĺňať. Tieto nám poslúžia pri návrhu obvodovej časti.Keďže mojím zámerom bolo vytvoriť zariadenie z istou mobilitou avariabilnosťou, rozhodol som sa zariadenie navrhnúť tak, aby jeho užívatelia mohlizaznamenávať čas aj na rôznych, od nich vzdialených miestach, bez nutnosti inštalácierôznych signálových káblov.Zariadenie pozostáva z dvoch modulov, riadiaceho a podporného.Úlohou riadiaceho modulu je po zaznamenaní signálu „START“ navstupe mikroprocesora spustiť meranie a zobrazovanie bežiaceho času. Riadiaci modultaktiež obsahuje časť pre bezdrôtovú komunikáciu, ktorou si zaistíme istú mobilitupodporného modulu.Úlohou podporného modulu je zaznamenať signály napr. „STOP 1“ a „STOP 2“na vstupoch mikroprocesora a vyslať ich bezdrôtovou časťou riadiacemu modulu, ktorýpo zaznamenaní jednotlivých signálov zastaví počítanie času, a tým aj jeho zobrazovaniena displeji2.1. Riadiaci modulRiadiaci modul bude pozostávať z týchto dôležitých častí: riadiacej, zobrazovacej,RF časti, anténnej časti, rozhrania a napájacej časti.2.1.1. Riadiaca časťMala byť tvorená mikrokontrolérom (MCU) spĺňajúcim požiadavky nakomunikáciu s RF časťou (typ a rýchlosť komunikácie) a zobrazovanie s LED displejom.Musí mať dostatočné pamäťové kapacity na uloženie riadiaceho programu(komunikačného protokolu, firmware) a ak bude potrebné uloženie prenášanýchinformácii.- 2 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíMikrokontrolér je veľmi zložitý integrovaný obvod, ktorý má pomerneuniverzálnu štruktúru a umožňuje pracovať s aritmetickými a logickými funkciami. Vsúčasnosti sú k dispozícií klasické 8bitové ale aj 16bitové a 32bitové (64bitové).Základnou vlastnosťou mikroprocesorov je ich programovateľnosť. To umožňujerealizáciu zariadení, ktoré sa pri vhodnom obvodovom zapojení môžu používať pre rôzneúčely, podľa programu, ktorý ich činnosť riadi. Program je vždy uložený v pamäti, ktorámôže byť súčasťou čipu, ale veľmi často je umiestnená mimo čip v samostatnompamäťovom obvode. Výkon mikroradiča ovplyvňujú jeho integrované periférie. Bežné súčasovacie systémy vybavené niekoľkými čítačmi / časovačmi a môžu napr. merať dobutrvania vonkajších udalostí, počítať impulzy, spúšťať vonkajšie aj vnútorne procesy, a tovšetko bez účasti centrálnej procesorovej jednotky (CPU) mikroradiča. Veľmi dôležitýmvybavením je plne duplexný sériový prenos dát, napr. prepojenie viac systémov, kedy savyužíva Master / Slave komunikácia. Veľmi časté je taktiež pripojenie mikroradiča kbežnému PC cez sériové rozhranie RS232, RS485, USB, kde môžme zariadenie ovládať,resp. prenášať namerané dáta do PC k ďalšiemu spracovaniu. [2]Do úvahy pripadá niekoľko typov:ATmega8 od firmy Atmel – 8-bitový mikrokontrolér s architektúrou RISC.Obsahuje jeden modul USART, 8kB programovateľnú flash pamäť. Operačnárýchlosť 16MHz. Napájacie napätie 4,5 – 5,5VATmega162 od firmy Atmel 8-bitový mikrokontrolér s architektúrouRISC. Obsahuje dva USART moduly, 16kB programovateľnú flash pamäť.Operačná rýchlosť je 16MHz, napájacie napätie 4,5 – 5,5V.PIC16F874 od firmy Microchip – 8-bitový mikrokontrolér s architektúrouRISC. Obsahuje jeden modul USART. Operačná rýchlosť 20MHz. Napájacienapätie 2,0 – 5,5V.Aj vďaka predchádzajúcim skúsenostiam a dostupnosti vývojového prostredia somzvolil 8-bitový mikrokontrolér ATmega162 (ďalej MCU) od firmy Atmel. Tento je ľahkodostupný, spĺňa všetky potrebné nároky na výpočtový výkon, kapacity pamätí a premožné aplikácie aj energetickú nenáročnosť. Obsahuje dva USART moduly, z ktorýchjeden využijeme na komunikáciu s RF modulom, a druhý použijeme napr. na pripojenieprostredníctvom sériového rozhrania s PC. Presnejšia charakteristika je v prílohe č.1.- 3 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra Telekomunikácií2.1.2. Zobrazovacia časťV dnešnej dobe je už takmer každé zariadenie vybavené istou formou indikáciestavu, pomocou ktorého komunikuje z okolím. Jednoduchšie zariadenia si vystačias indikáciou pomocou LED diód, ktoré signalizujú určité stavy daného zariadenia. Prezložitejšie elektronické zariadenia, najmä v oblasti meracej techniky je nevyhnutnépoužitie číslicového displeja, ktorý informuje obsluhu o číselnej hodnote meranejveličiny. Často sa používajú sedem segmentové zobrazovače typu LED alebo LCD. Tiežje možné použitie maticových LED alebo LCD grafických displejov na zobrazenierôznych grafov alebo znakov.Tu sa nám ponúka niekoľko variant riešenia :BCD režim– V mnohých prípadoch sa dekodéry BCD kódu využívajú na pripájaniesedem segmentového displeja. V BCD kóde je možné zobraziť 16 hodnôt, ktoré súreprezentované rôznymi kombináciami štyroch bitov. Ich výhodou je jednoduchosťobsluhy takéhoto displeja, stačí iba priviesť na vstup dekodéra hexadecimálnukombináciu znakov, ktorú chceme zobraziť. Problém možno nastane v prípade že by smechceli zobraziť nejaký atypický znak, pretože väčšina dekodérov dokáže zobraziť ibačíslice. Jeho nevýhodou je veľký počet súčiastok a tiež počet prípojných bodov.Sériový (statický) režim– Jednou z možností, ako zredukovať počet vodičov je použitie statickéhorežimu, čiže v komunikácii využiť sériovú linku. Ta využíva štyri (tri) dátové vodiče prepripojenie externého displeja. Malou nevýhodou tohto riešenia je fakt, že displej je trebanapájať tvrdým napájacím zdrojom. Základom tohto riešenia je použitie posuvnéhoregistra SIPO (serial in - paralel out). Dáta sú posielané spolu s hodinovým a strobovacímsignálom v sériovej podobe. Možným štvrtým dátovým signálom je CE (chip enable)povolenie alebo zakázanie zobrazenia na danom obvode. Z výstupu posuvného registramôžeme priamo budiť LED diódy, ale limitujúcim faktorom sú jeho výstupné napäťovéa prúdové parametre. Často tieto obvody nedokážu budiť záťaž väčšiu ako 20 mA anapätie z hodnotou väčšou ako 18 – 20V. Tento problém sa dá odstrániť zapojením- 4 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra Telekomunikáciízosilňovača vo forme diskrétnych súčiastok v podobe spínacích tranzistorov alebopoužitím monolitického obvodu vo forme darlingtonovho poľa.Multiplexný (dynamický) režim– Ďalšou možnosťou je použitie časového multiplexu. Sedem segmentovézobrazovače používajú zdieľanú zbernicu. Na komunikáciu sa používajú 4 dátové vodiče.Vždy je aktívny (svieti) iba jediný segment z celého displeja. Proces zobrazovaniavšetkých segmentov by mal byt dostatočne rýchly, aby oko neznamenalo že vždy svietiiba jeden segment. Pri dynamickom režime je veľmi dôležité správne budenie segmentov.Znamená to, že budiaci prúd segmentu musí byť v tomto režime 3x väčší ako pristatickom režime, tým zabezpečíme rovnaký jas. Nie menej dôležité je taktiež vypínaniesegmentov, to musí byť pomerne rýchle, vzhľadom na vysokú opakovaciu frekvenciu.Pomalé vypínanie by zapríčinilo presvitanie LED a znížilo by rozlíšiteľnosť číslic.Samotné zobrazovanie je realizované LED diódami. Správnou voľbou diódmôžeme markantne ovplyvniť vlastnosti zobrazovacej tabule, ktorými sú najmäpozorovací uhol, kontrast a svietivosť.Porovnanie malej časti LED diód :LED 5mm ploché čelo - LL503IDFDióda s dobrým vyžarovacím uhlom, ale s veľmi malou svietivosťou.Svietivosť: 20mCd, impulzný prúd: 100mA rozptyl svetla: 150°,červenáLED 5mm oblé čelo - LL503UYC-Y22BEObrovská svietivosť, ale pomerne malý vyžarovaní uhol, vhodná skôr naväčšie vzdialenosti a statický uhol pozorovania.Svietivosť: 25000mCd, U: cca 3V, rozptyl svetla: 30°, červená, číra,- 5 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíLED 5mm oválna- HB4Q-435AOR-CDióda z dobrým vyžarovaním uhlom, čo je jej veľká devíza a pomernepostačujúcou svietivosťou.Svietivosť: 1200mCd, U: cca 2,1V , Impulzný prúd: až 80mA rozptylsvetla: 110/40°LED 1W biela 30lm- LL-HP60MW1LPoužívajú sa na osvetlenie v autách, na čítanie, v autobusoch, svetlo prebicykle, záhradné osvetlenie, svetelné tabule, signalizátory, atď.Možné vnútorné aj vonkajšie použitie.Svietivosť: 20000mCd, U: cca 3,6V / 350mA, Impulzný prúd: až 1200mArozptyl svetla: 70° jej jedinou nevýhodou je vysoká cena!Najvyhovujúcejšia LED pre naše použitie je oválna 5mm - HB4Q-435AOR-Cvďaka jej rozptylu vyžiareného svetla až 110°, keďže požadujeme čo najväčší pozorovacíuhol. Je dostupná na našom trhu. Je aj relatívne cenovo dostupná.2.1.3. RF časťKvôli náročnosti a možným problémom pri technickej realizácii vlastného návrhuRF modulu, som sa rozhodol pre použitie hotových RF modulov. Tieto moduly majúintegrovaný RF prijímač a vysielač, logické vstupy a výstupy, sú kompatibilné s MCU,definovanú frekvenciu a maximálnu rýchlosť prenosu, vysielací výkon.- 6 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíDo úvahy pripadalo viacero typov:RTF-DATA-SAW od firmy Aurel jeden z lacnejších a menej výkonných. Pracujena 433Mhz, rýchlosť do 4800 baud, výkon pri vysielaní má 9dB(+-2dB), prepínaniemedzi Rx(príjmom) a Tx(vysielaním) má maximálne 100ms, je pomerne energetickynenáročný 4.2mA pri Tx. Modul bez potrebných externých komponentovXTR-434 od firmy Aurel patrí k „vysokorýchlostným“ RF modulom. Pracuje nafrekvencii 433Mhz, rýchlosť do 100Kbps, vysielací výkon 10dB, Rx/Tx prepnutie 2ms,pri Tx odber 28mA Modul bez potrebných externých komponentovCC400 od firmy Chipcon. Schopný pracovať v rozsahu 300-500Mhz, rýchlosť do9600bps, vysielací výkon programovo nastaviteľný až do 14dB, Rx/Tx v ms a odber priTx (14dB) až 77mA. Ako integrovaný obvod, ktorý potrebuje ďalšie externé komponenty.AT86RF211 od firmy Atmel. Schopný pracovať v rozsahu 400-950Mhz, rýchlosťdo 64Kbps, vysielací výkon programovo nastaviteľný až do 14dB(pri 433Mhz), Rx/Tx0.2 ms, pri Tx odber 35mA. Ako integrovaný obvod, ktorý potrebuje ďalšie externékomponenty.Vzhľadom na funkčné požiadavky a dostupnosť som sa rozhodol pre RFTransceiver XTR 434 od talianskej firmy Aurel. Hlavným dôvodom bola rýchlosťprepínania pracovných režimov(príjem/vysielanie) a rýchlosť prenosu. Nesporne ďalšouvýhodou bola prítomnosť obvodu na slovenskom trhu.Jeho podrobnejšia charakteristika je uvedená v prílohe 2- 7 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíDobré parametre vykazoval aj produkt firmy Atmel AT86RF211 no bol podstatnenáročnejší na technickú realizáciu a problém by asi nastal pri objednávaní tohto obvodu,pretože nie je prítomný na trhuPri používaní RF modulu je nutné dodržať pravidlá pre fungovanie a používaniezariadení patriacich do ISM (Industrial, Scientific and Medical) vyplývajúcichzo všeobecného povolenia č. VPR- 05/2001, ktoré je uvedené v prílohe 3.2.1.4. Anténna časť:Jednou z najdôležitejších je konštrukcia anténnej časti, ktorá sa pripája na RF časťza účelom čo najefektívnejšieho šírenia a prijímania modulovaného signálu. Buď akointegrovaná na plošnom spoji, alebo externá anténa pripojiteľná cez konektor k RF časti.Mal som na výber z týchto možností konštrukcie:Slučka (loop antena)Anténa s najnižšou účinnosťou. Jej výhodou je, že nevyžaduje žiadne finálneúpravy. Tvorí ju otvorená slučka s priemerom 2 cm, na jednej strane pripojená zem a nadruhej na anténny konektor. Môžme ju umiestniť priamo na plošnom spoji. Znižuje výkonvyžiareného signálu asi o 20dB, čo teoreticky znižuje možnú dosiahnuteľnú vzdialenosť10x (desaťkrát). [4]obr. 2.1 Loop anténa- 8 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíRezonančná anténaJe taktiež vhodná na priame umiestnenie (vyleptanie) na plošnom spoji, alepotrebuje frekvenčne doladiť kondenzátorom. Ten je pomerne dôležitý na splnenie 50ohmcharakteristiky antény, ktorá je požadovaná RF modulom. Je na nej úbytok 10dB, čozmenší možnú dosiahnuteľnú vzdialenosť asi 3x (trikrát).obr.2.2 Rezonančná anténaVertikálna anténa (Vertical stilus)Je najúčinnejšia vzhľadom aj na jednoduché mechanické zostrojenie. V prípade jejumiestnenia plošnom spoji potrebuje viac miesta. Jej účinnosť je 0dB, čo znamená, žegenerovaná energia je celá vyžiarená do okolia, sú na nej minimálne straty.obr.2.3 Vertikálna anténa- 9 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra Telekomunikácií2.1.5. Rozhranie– je ďalšou pomerne dôležitou súčasťou, ktorá nám slúži na pripojeniezariadenia k inému zariadeniu, a za pomoci ktorej môže dochádzať k výmene informácii.V dnešnej dobe sa stalo už neodmysliteľnou súčasťou väčšiny zariadení.Pri riešení priemyselnej komunikácie sa používa zásadne sériový prenos údajovNašim potrebám vyhovujú nasledujúce rozhrania:RS 232 je sériové rozhranie pre prenos informácií vytvorené prekomunikáciu zariadení. Z hľadiska ISO/OSI modelu prepojovania otvorených systémovmožno povedať, že sériový port využíva fyzickú, linkovú a z časti transportnú vrstvu.Napäťové úrovne (+15 až -15V) sú na to, aby nedochádzalo, k rušeniu signálu okolitýmivplyvmi k čomu mohlo dochádzať pri úrovniach s 5V. Prenos informácii prebiehaasynchrónne, pomocou pevne nastavenej prenosovej rýchlosti a synchronizáciou sovzostupnou hranou štartovacieho impulzu. Podporované prenosové rýchlosti sú od 1200po 11500 bps. Sériový port má 9-pinové a 25-pinové vyhotovenie. Tento štandardpodporoval prenos do vzdialenosti asi 16 metrov.Rozhranie RS232 je relatívne málo odolné proti rušeniu, pretože prenos dát jerealizovaný napäťovou úrovňou na vodičoch (voči GND) a používa dve napäťovéúrovne. Logickú 1 a 0. Log. 1 je niekedy označovaná ako „marking state“, alebo tiežkľudový stav, Log. 0 sa nazýva „space state“.obr.2.4 Logické úrovne na RS232- 10 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra Telekomunikáciíobr.2.5 Príklad dátového bloku pri RS232Pre prepojenie dvoch zariadení s rozhraním RS232 v minimálnej konfiguráciístačia tri vodiče (RxD, TxD, GND), tak sa ale nevyužívajú riadiace signály (RTS, CTS,DSR, DTR). Pri pripojení riadiacich signálov počet vodičov rastie podľa požiadaviek naspôsob riadenia toku dát. Pre prenos dát na väčšiu vzdialenosť sa používa rozhranieRS422 alebo RS485 prípadne prúdová slučkaRS 485 je v súčasnej dobe najrozšírenejšia forma prepojenia procesnýchautomatizačných prostriedkov. Jedná sa o diferenciálnu prúdovú slučku, kde dátové stavyvyjadruje smer pretekajúceho prúdu v samostatnom páre vodičov pre každý komunikačnýsmer. Počet prijímačov je ohraničený na 32 na jednej zbernici. Prenosovým médiom jeskrútená dvojlinka a prenosová rýchlosť dosahuje až 10 Mb/s. Maximálna vzdialenosťprenosu je 1200 m pri 200kb/s alebo 50 m pri 10Mb/s. Toto sa dá dosiahnuť na vedenítienenou skrúcanou dvojlinkou a ukončením vedenia zakončovacím odporom 120Ω naoboch koncoch vedenia.Univesal Serial Bus – USB je v podstate sériový port, ale s vyššou prenosovourýchlosťou a hlavne s možnosťou pripojenia viacerých zariadení naraz. Ide o moderný typportu, ktorý sa zaviedol v posledných rokoch. Rozhranie USB pracuje podľa dvochzákladných noriem: USB standart - USB 1.1 a USB fast speed - USB 2.0. U oboch noriemje rozdiel iba v rýchlosti prenosu - pre USB 1.1 je maximálna rýchlosť 12Mbps a pre USB2.0 to činí 480Mbps [6]- 11 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra Telekomunikácií2.1.6. Napájanie zariadeniaPretože snáď každé elektrické zariadenie potrebuje nejaký druh napájania, súintegrované obvody pre napájacie zdroje v elektronike často používanými súčiastkami. Čiide o napájanie zo siete alebo batérie, je takmer vždy potrebné napätie z týchto zdrojovnejakým spôsobom upraviť (zmenšiť, stabilizovať, upraviť symetriu a pod ... ) Pri výbereobvodu pre úpravu nestabilizovaného napätia je potrebné zvoliť si metódu, akou budemenapätie upravovať. Ponúkajú sa nám tieto varianty:Monolitické stabilizátory – sú v dnešnej dobe asi najpoužívanejším typomstabilizátorov. Je to vďaka ich ľahkej a nenáročnej aplikovateľnosti najmäu trojvývodových obvodov, pri ktorých si vystačíme z minimom súčiastok. Ich výhodouje veľká stabilita výstupného napätia v závislosti od zmien vstupného napätia, výstupnéhoprúdu a vplyvu teploty. Nevýhodou je však zasa veľká výkonová strata na regulačnejsúčiastke, z čoho vyplýva malá účinnosť. Niektoré stabilizátory majú vnútornú ochranuproti prúdovému, prepäťovému a teplotnému preťaženiu.Monolitické lineárne stabilizátory pracujú v spojitom režime takmer vždy akosériové regulátory zo spätnou väzbou. Princíp činnosti takého regulátora je na obr. 2.6obr.2.6 Bloková schéma stabilizátora so spätnou väzbou- 12 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíAko vidíme obsahuje (RZ) – Rozdielový zosilňovač, regulačný člen(RČ), zdrojreferenčného napätia (Uref) a odporový delič tvorený R1 a R2. Odporový delič fungujeako snímač odchýlky výstupného napätia a časť tejto hodnoty je privádzaná na vstup RZ,pričom na druhý vstup privádzame referenčné napätie Uref. Tieto dve napätia súporovnané v rozdielovom zosilňovači a na jeho výstupe je v závislosti od odchýlkynásledne ovplyvnený RČ, čím sa za zabezpečí stabilizované výstupné napätie.Spínané zdroje - sa vyrábajú pre svoju vysokú účinnosť, a to najmä v prípadochobmedzenej kapacity primárneho zdroja (olovený akumulátor), ďalej pre svoju malú váhua rozmery. Výhodou vyplývajúcou z vysokého pracovného kmitočtu je ľahkáfiltrovateľnosť striedavej zložky. Malou nevýhodou je možno trocha vyššia cenasúčiastok, ktoré musia pracovať z vyššími kmitočtami.Účinnosť takýchto zdrojov sa pohybuje v rozmedzí 60-80%. Obdobné lineárnestabilizátory podobných parametrov by iba ťažko dosiahli účinnosť 50%. Ich účinnosť sazvyčajne pohybuje okolo 30%Spínaný zdroj sa skladá z niekoľkých častí ktoré sú znázornené na obr.2.7obr.2.7 Bloková schéma spínaného zdroja- 13 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíHlavnou podmienkou funkcie spínaného zdroja je jednosmerne vstupné napätie.Ak je spínaní zdroj napájaný zo siete, musí mať na vstupe zaradený usmerňovač a filter navyhladenie napätia. Usmernené sieťové napätie musí byť v čo najväčšej miere zbavenéstriedavej zložky, pretože tá by nám vzhľadom k nízkej frekvencii potom prechádzalacelým zdrojom. Po transformácii musíme jednosmerne výstupné napätie previesť nanapätie striedavé. K tomu sa vo spínanom zdroji používajú vysokofrekvenčné spínacietranzistory, ktoré vytvoria striedavý obdĺžnikový priebeh s frekvenciou 20 kHz až do1MHz. K vlastnej transformácii sa používa buď cievka alebo transformátor. Výstupnéstriedavé napätie je potrebné znova usmerniť a odfiltrovať striedavú zložku. Nasekundárnej strane sú na usmerňovač kladené väčšie požiadavky, pretože musí pracovať svysokými frekvenciami. U výstupného filtra je situácia opačná, jeho filtračné účinky súvynikajúce.2.2. Podporný modulJeho hlavnou úlohou je snímať stav na vstupných portoch mikrokontroléra a pojeho zmene o tom okamžité vyslať informáciu rádiovým spojením riadiacemu modulu naďalšie spracovanie, ktorý je od neho vzdialený. Pre ozrejmenie napr. Pri hasičskom sporteje štart pretekárov na jednom mieste, napríklad pred tribúnou kde bude umiestnenýriadiaci modul a koniec drahý je vzdialený 70-90 m od štartu a tu sa nachádza podpornýmodul. Ďalšou výhodou je, že zariadenie môžeme použiť aj v miestach, kde by boloobtiažne inštalovať signálny kábel (napríklad vo výškach a podobne).Podporný modul pozostáva z riadiacej časti, RF časti a napájania.2.2.1. Riadiaca časťTvorí ju MCU ATmega8 ktorý obsahuje jeden USART na obsluhu RF modulua V/V porty, ktorými budeme snímať stav spínačov. Tento mikroprocesor som a rozhodolpoužiť z dôvodu, že nám budú plne postačovať jeho vlastnosti, ako sú napríklad pamäť,počet portov alebo počet USATR ov.- 14 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra Telekomunikácií2.2.2. RF časťAby sme eliminovali rôzne problémy ktoré by mohli nastať z odlišnou voľbou RFmodulov som sa rozhodol použiť rovnaký RF modul ako v riadiacej časti.Podrobnejšia charakteristika je v prílohe 2.2.2.3. Konštrukcia antényVolil som rovnakú konštrukciu antény, ako pri riadiacom module. Je najúčinnejšiavzhľadom aj na jednoduché mechanické zostrojenie. V prípade jej umiestnenia plošnomspoji potrebuje viac miesta. Jej účinnosť je 0dB, čo znamená, že generovaná energia jecelá vyžiarená do okolia, sú na nej minimálne straty.2.2.4. Napájanie moduluZariadenie bude napájané z batérie, alebo zdroja a stabilizovane monolitickýmstabilizátorom.- 15 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra Telekomunikácií3. Návrh obvodového riešeniaCelý návrh zariadenia podliehal viacerým aspektom. Najpodstatnejšie bolivyrobiteľnosť, ekonomická a energetická nenáročnosť zariadenia.3.1. Riadiaci modulObvodová schéma riadiaceho modulu je v obrazovej prílohe č. 13.1.1. Riadiaca časťRiadiacu časť nám tvorí MCU ATmega 162 v puzdre DIP, s dvomi USART.USART0 pripojený na max232 a USART1 pripojený na RF modul. Šesť pinový konektor,ktorý slúži na programovanie MCU cez SPI rozhranie a externý kryštál pripojený na vstupexterných hodín MCU. Základné vlastnosti ATmega 162 sú viac popísané v prílohe č.13.1.2. Zobrazovacia časťJe tvorená z jedenástich sedem segmentových LED zobrazovačov s rôznymiveľkosťami a ďalej, ako je vidieť na obrázku č.3.1 ju tvoria aj segmenty slúžiace narozlíšenie zobrazovaného údaja, oddeľovacie čiarky a dvojbodky.obr.3.1 Rozloženie segmentov- 16 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíModuly sú vytvorené z eliptických LED diód. Pre dosiahnutie čo najlepšejrozlíšiteľnosti segmentov, ktorá je jednou z najhlavnejších podmienok som zvolil použitieoválnych LED diód, pomocou ktorých dokážeme markantne zväčšiť pozorovací uhola tým zlepšiť rozlíšiteľnosť zobrazovaného údaja aj zo strán. Pozorovací uhol u bežnepoužívaných LED diód sa pohybuje niekde vo okolí 30°-50°, zatiaľ čo u eliptických LEDje to niekde v okolí 90°-110°. Číslice z výškou 16,3cm majú segmenty „a“ až „g“skladajúce sa z troch paralelne zapojených vetví, každá z nich pozostáva zo 4 LEDzapojených do série. Obdobná situácia je aj u číslic z výškou 9,5cm, tu si ale vystačímez dvomi paralelne zapojenými vetvami. Hlavným dôvodom pridania ďalšej vetvy bolahlavne výška segmentu. Ak by sme zmenili výšku segmentu a počet LED by ostalnezmenený, nedokázali by sme dodržať rozstup LED čo by malo za následok zlúrozlíšiteľnosť daného segmentu. Výšky segmentov boli volené tak, aby sa jednotlivésegmenty dali rozoznať zo vzdialenosti 40m.Označenie poradia segmentov v číslici je znázornené na obr.3.2obr.3.2 Označenie segmentovKaždá číslica ma vlastný katódový spínač, ktorý je spoločný pre všetkých 7segmentov „a“ až „g“ danej číslice obr.3.4. Anódový spínač je spoločný pre všetkých 11segmentov „a“, obdobne je to pre ostatné segmenty (b - h), čiže celkom 8 spínačov.Zjednodušene zapojenie segmentov môžeme vidieť na obr. 3.3- 17 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra Telekomunikáciíobr.3.3 Zapojenie segmentovPre vytvorenie anódových spínačov som zvolil zapojenie emitorového sledovača,v ktorom som použil výkonový tranzistor BDX 54. Zapojenie na obr.3.5.Bázy tranzistorov sú pripojené na darlingtonove pole typ ULN 2003 a to je ďalejpripojené na trojstavový posuvný register 74HC595. Použitie ULN bolo potrebnéz dôvodu vytvorenia úrovne vhodnej na zopnutie anódových PNP tranzistorov. Bázykatódových spínačov sú priamo pripojené na posuvný register.obr.3.4 Katódový spínačobr.3.5 Anódový spínač- 18 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíV MCU sme si vytvorili multiplex s plnením 1:8. Tento pomer bol zvolený zdôvodu multiplexovania po segmentoch 7+1 „a“-„g“, čiže zahrnieme aj desatinnú čiarku.Posuvné registre sú zapojené kaskádne a sú plnené 21 bytovým signálom s frekvenciou800 Hz, čiže na každý segment pripadá po predelení frekvencia 100Hz, tým eliminujemepreblikávanie LED diód. Pri multiplexovaní použijeme prvých 8 Bitov na ovládaniejednotlivých segmentov, a to „a“ až „g“ a zvyšných 13 použijeme na ovládanie katódjednotlivých segmentov. Využívame pri tom 4 vodiče, SER, SCK, RCK, G, SCL je trvalopripojené na + 5V nevyužívame.[5]Popis využívaných vodičov :SERSCK– sériový dátový vstup slúži nám na plnenie posuvného registra dátami– hodinový vstup posuvného registraRCK (STROBE) – hodinový vstup pamäťového registraG (GATE) – (od)blokovanie výstupuSCL– hlavný resetQ7´ – sériový datový vystupQ0-Q7 - Paralelne výstupyobr. 3.6 Bloková schéma posuvného registra- 19 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíČasový diagram plnenia posuvného registraobr. 3.7 Časový diagram plnenia posuvného registraBližší popis posuvného registra uvádzam v prílohe č. 43.1.3. RF ČasťJe tvorená modulom XTR 434 a konektorom BNC slúžiacim na pripojenieexternej antény. Pri návrhu zapojenia RF modulu som postupoval podľa pokynov výrobcufirmy AUREL . Presnejší popis bezdrôtového modulu je v prílohe č.2.- 20 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra Telekomunikácií3.1.4. Konštrukcia antényPri požiadavke vytvorenia kvalitnej komunikácie na väčšie vzdialenosti je najmäpri VF zariadeniach veľmi dôležitým faktorom vytvorenie dobrej antény, bez ktorejprenos nie je možný . Bohužiaľ pri VF zariadeniach je práve anténa najzložitejšímprvkom pre návrh a výrobu. Taktiež meranie antény nie je najjednoduhšou záležitosťoua vyžaduje si sofistikované a drahé meracie prístroje, ktoré väčšinou nie sú bežnédostupné.Najjednoduchšou variantnou je prútová anténa. Tieto antény sa bežne používajúv systémoch, kde je potrebný veľký dosah a je tiež jednoduchá na výrobu a ladenie.Jedná sa o vodič s dĺžkou ¼ vlnovej dĺžky λ, tiež je potrebné zobrať do úvahy koeficientskrátenia (s),ktorý záleží od použitého koaxiálneho kábla. Čiže výpočet vyzeránasledovneL[ cm] = 7500 / f [ MHz ]L´= L × s = 17,32 * 0,9 = 15,5cmobr.3.8 Konštrukcia antényAnténu som vytvoril použitím uhlového BNC konektora a oceľového drôtupatričnej dĺžky. Na izolovanie BNC konektora bola použitá silikónová a na zaisteniezmršťovacia bužírka. Vhodné by bolo anténu ešte naladiť na merači PSV. Žiaľ, nemalsom prístup k takémuto meraču.Výsledná konštrukcia antény sa nachádza v obrazovej prílohe č.6- 21 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra Telekomunikácií3.1.5. RozhraniePre potreby komunikácie zariadenia z okolím, napríklad PC, bude doska osadenáobvodom MAX232 na konverziu logických úrovní. Pri návrhu obvodového riešeniaa výberu súčiastok tejto časti som vychádzal z odporúčaní výrobcu ktoré sú pre tentoobvod podrobnejšie popísané v prílohe č.53.1.6. Napájanie zariadenia :Základnou podmienkou pri návrhu napájacieho zdroja je nutné poznať energetickúbilanciu zariadenia, ktoré budeme napájať, z čoho si následne určíme výkonové parametrenapájacieho zdroja a formu akou to budeme realizovať.Odhadovaná výkonová bilancia zdroja:NázovMax. odberanýPríkonCelkovýprúdCelkový príkon(W)prúd(mA)(W)(mA)CPU ATmega 162 16 0,08XTR 434 28 0,1476 0,38W74HC595 20 0,1Max232 8 0,04Spínaný zdroj 4 0,02Tab.1 Spotreba zariadenia- 22 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíVzhľadom na energetickú bilanciu a možnosť napájať zariadenie v širšom rozsahusom sa rozhodol použiť regulovateľný spínaný stabilizátor MC34063A od firmyMOTOROLA, ktorý svojimi vlastnosťami a aj cenou vyhovuje naším požiadavkám.Základne parametre stabilizátora MC 34063A:Široký rozsah vstupných napätí: od 3 V do 40 VNízka vlastná spotreba: typ. 2,5mAPracovná frekvencia max. 100kHzAktívna prúdová ochranaReferenčná presnosť 2%Pri návrhu obvodovej schémy zdroja som podmienil výber súčiastokodporúčaniam výrobcu. Bližšie informácie v prílohe č.6Výstupné napätie regulujeme na odporovom deliči R59 a R60. Podľa vzťahu č.3.1na výpočet výstupného napätia pre obvod MC34063 som si zvolil kombináciu rezistorovo hodnote R59 = 3kΩ a R60 = 1kΩ.⎛ R59⎞ ⎛ 3,9 ⎞V out = 1 ,25 × ⎜1+ ⎟ = 1,25 × ⎜1+ ⎟ = 5V⎝ R60⎠ ⎝ 1,3 ⎠3.1 vzťah na výpočet výstupného napätiaPretože LED diódy zobrazovacej časti sú napájané nestabilizovaním napätím, niesú zahrnuté do výkonovej bilancie napájacieho zdroja logických obvodov. Odbersamotných LED diód sa bude pohybovať v okolí 1A, odber bude záležať od počturozsvietených segmentov. Do budúcna plánujem rozšíriť zariadenie o možnosť zaistenianapájania, pri výpadku sieťového napätia. To bude realizované pridaním záložnéhoakumulátora a patričného nabíjacieho obvodu .- 23 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra Telekomunikácií3.2. Podporný modul(moduly)Obvodová schéma podporného modulu je v obrazovej prílohe č. 23.2.1. Riadiaca časťRiadiacu časť podporného modulu nám tvorí MCU ATmega8 v puzdreDIP28, s jedným USART. Na USART pripojený na RF modul. Šesť pinový konektor,ktorý slúži na programovanie MCU cez SPI rozhranie a externý kryštál pripojený na vstupexterných hodín MCU. Základné vlastnosti ATmega 8 sú viac popísané v prílohe č.13.2.2. RF časťJe tvorená modulom XTR 434 a konektorom BNC slúžiacim na pripojenieexternej antény. Pri návrhu zapojenia RF modulu som postupoval podľa pokynov výrobcufirmy AUREL . Presnejší popis je v prílohe 23.2.3. Konštrukcia antényZvolil som si prútovú konštrukciu podobne ako v riadiacom module.3.2.4. Napájanie zariadeniaModul bude napájaný z oloveného akumulátora alebo siete. V zdroji som použilmonolitický stabilizátor MA 7805 z ktorého som napájal logické obvody. Ten výkonovopostačoval, a bol pri návrhu dimenzovaný z dôvodu možnosti o rozšírenia zariadenia.- 24 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra Telekomunikácií4. Technická realizácia zariadenia4.1. Návrh dosiek plošného spojaBol realizovaný vývojovom prostredí Eagle 4.11 a rozdelený do dvoch častí, návrhdosky plošného spoja pre riadiaci a podporný modul.4.1.1. Riadiaci modulJe realizovaný na dvojvrstvovej doske plošného spoja o rozmeroch 580mm x375mm. Pri povrchovej montáži boli použité dve varianty, montáž vývodovýmisúčiastkami a montáž SMD súčiastkami. Mojou snahou bolo, v čo najväčšej miere využiťvariantu montáže SMD súčiastkami, ktoré mi v značnej miere ušetrili miesto na doske.Limitujúcim faktorom pre ich použitie bola ich maximálna výkonová zaťažiteľnosť a to0,25W pri variante puzdra 1206. V častiach, kde nám výkonová zaťažiteľnosťnepostačovala bolo nutné použiť vývodové súčiastky. ktoré ju majú aj vďaka svojimrozmerom podstatne väčšiu. Pri návrhu RF časti som musel dodržať isté odporúčaniavýrobcu dané v datasheete (príloha 2 ) pre správnu funkciu modulu. Keďže sa jednáo pomerne veľkú dosku a je na oboch vrstvách rozliata zem, bolo nutné na viacerýchmiestach poprepájať navzájom vrstvy, aby sa zem nesprávala ako zdroj rušenia. Náhľaddosky riadiaceho modulu je v obrazovej prílohe 3.4.1.2. Podporný modulJe realizovaný na doske plošného spoja o rozmeroch 126mm x 86mm. Taktiež akopri riadiacom module aj tu som sa snažil v čo najväčšej miere využiť SMD súčiastky. .Limitujúcim faktorom pre ich použitie bola ich maximálna výkonová zaťažiteľnosť a to0,25W pri variante puzdra 1206. Pri návrhu RF časti som podobne ako v riadiacej častimusel dodržať odporúčania výrobcu dané v datasheete (príloha 2 ), ktoré zabezpečiasprávnu funkciu modulu. Náhľad dosky podporného modulu je v obrazovej prílohe 4.- 25 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra Telekomunikácií4.1.3. Výroba dosiek plošného spojaSamotná technická realizácia bola uskutočnená vo firme VÚVT plošné spoje a.s ..Pretože firma VÚVT je schopná zrealizovať dosku plošného spoja o maximálnychrozmeroch 600*600 mm, nastalo pri návrhu dosky toto obmedzenie a bol som nútenýprispôsobiť sa týmto maximálnym rozmerom .4.2. Osadenie dosiek plošných spojov súčiastkami4.2.1. Riadiaci modulV tejto fáze nasledovalo osadenie súčiastok na dosku plošného spoja. Ako prvúčasť som osadil napájací zdroj a overil jeho funkciu a taktiež skontroloval napätie navšetkých bodoch, ktoré napája. Ďalej nasledovalo osadenie SMD súčiastok a následne ajostatných vývodových súčiastok na strane TOP. Podobne som postupoval na stranebottom s výnimkou RF modulu. RF modul sa nepripájal z dôvodu overenia funkciezariadenia a aj z dôvodu, že je to jedna z najdrahších a najzraniteľnejších častí zariadeniaNasledovalo overenie funkčnosti zariadenia, ktoré spočívalo v naprogramovanízákladného testovacieho programu na overenie zobrazovania a tiež sériovej komunikácie.Pri overovaní funkčnosti zobrazovacej časti, nastal po spustení v jednom segmentemenší problém. Pri vysvietení daného segmentu svietilo namiesto 12 LED diód iba 5. Poodstránení LED diód z DPS a následnom premeraní vodivých ciest, bol zistený skratktorý bol zrejme spôsobený pri výrobe dosky. Tato porucha bola úspešne odstránená.Neskôr nasledovalo osadenie RF modulu a testovanie jeho funkčnosti.4.2.2. Podporný modulPodobne ako v riadiacom module som aj tu začal najskôr napájacou časťou a pojej osadení nasledovalo overenie jej funkcie. Ďalej nasledovalo osadenie SMD súčiastok.Nasledovalo osadenie mikroprocesora do pätice a ako posledný bezdrôtový modulXTR434 spolu z BNC konektorom.- 26 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra Telekomunikácií5. Návrh a implementácia Programu:Pri tvorbe programu sme museli dbať na určité podmienky, ktoré boli danévýberom jednotlivých častí zariadenia. Jednalo sa najmä o RF modul pri ktorom sme prejeho správne fungovanie museli dodržať isté podmienky stanovené výrobcom.5.1. MANCHESTER KódPri komunikácii modulom XTR 434 musíme dodržať počet prenesených 1 a 0(bitov) v pomere 50:50. AK by sme túto podmienku približne nedodržali, dochádzalo bynám pri prenose k chybám.Toto pravidlo najjednoduchšie zabezpečíme MANCHESTER kódovanímdátových bitov. Ako je vidieť na obrázku, ku každej logickej úrovni je pridanýdoplnkový bit opačnej úrovne (0->1 a 1->0).obr.5.1 Znázornenie kódovania MANCHESTERoUSARTy ATmega162 sú schopné pri použití 16Mhz oscilátora fungovaťrýchlosťou až 1Mbps. Ich podrobnejší popis je uvedený v prílohe [8]0- 27 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra Telekomunikácií5.2. Obsluha riadiacej jednotkyFunkčnosť riadiacej jednotky v programe zabezpečuje viacero funkcií.Medzi najdôležitejšie a základné funkcie, patrí funkcia na zobrazovaniesegmentov a s ňou spojené plnenie posuvného registra, obsluha prerušenia od časovača,prerušenia pre multiplex displeja.Ďalšou dôležitou funkciou je funkcia, ktorá meria (počíta) čas. V podstate ide oobsluhu prerušenia vyvolanou pretečením časovača, ktoré bude dochádzať vždy za 0,01s.Súčasťou tejto obsluhy prerušenia bude zvýšenie obsahu premennej obsahujúcej údaj opočte stotín sekundy o jedna. Bude však obsah rovný 10, musím zvýšiť premennúobsahujúcu údaj o počte desatín o jedna a stotiny vynulovať. Podobne budem pokračovaťpri dosiahnutí sekundy, minúty.Poslednou dôležitou funkciou je funkcia zabezpečujúca bezdrôtový prenos dát.Funguje to tak, že pri príjme musím mať svoj RFmodul nastavený ako prijímač a privysielaní ako vysielač. Na to využívam na mikroprocesore UART (Univerzálnysynchrónny a asynchrónny sériový vysielač).Ďalšou dôležitou funkciou je funkcia, ktorá má merať čas s presnosťou na stotinysekundy. Časový úsek 0,01s budeme generovať pomocou čítača 1 s využitím zdrojahodinového signálu (ClkIO) s preddeličkou. Frekvencia hodinového signálu je11,0592Mhz. Výstup z preddeličky bude ClkIO/64 = 172 800 Hz. Pretože tento čítač je 16bitový, bude po načítaní 65 385 impulzov (216) dochádzať k jeho pretečeniu, čo vyvoláprerušenie.K získaniu kmitočtu 1Hz teda potrebujeme, aby k pretečeniu čítača 1 došlo vždypo 172 800 impulzoch. Keďže časomiera má mať rozlíšenie až 0,01s je ešte predeliťhodnotu a to nasledujúco 172 800 / 100 = 1728 čiže po 1728 impulzov dôjde k pretečeniučítača. Čítač 1 je 16 bitový, a potrebuje k pretečeniu 65 536 impulzov musíme hoprednastaviť na a hodnotu 65 536 - 1728 = 63808.Pretože 249*256 + 64 = 63 808 musí byť register TCNT1H rovný 249 a registerTCNT1L rovný 64 na začiatku čítania. K volaniu obsluhy prerušenia vyvolanejpretečením čítača/časovača 1 potom bude dochádzať vždy za jednu 0,01 sekundy.- 28 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíSúčasťou tejto obsluhy prerušenia bude zvýšenie obsahu premennej obsahujúcejúdaj o počte stotín sekundy o jedna. Bude však obsah rovný 10 musím zvýšiť premennúobsahujúcu údaj o počte desatín o jedna a stotiny vynulovať. Podobne budem pokračovaťpri dosiahnutí sekundy, minúty.5.3. Obsluha RF časti programomProgramovanie tu spočíva v správnom nastavení a obsluhy hardwarových častí RFkomunikácie a splnení predpokladov pre jej správnu funkčnosť.Pri RF komunikácii som musel zabezpečiť nasledovné:5.3.1. Dodržanie minimálnych časov pre zotavenie a vyslaniepreambleRF transciever musíme vždy nastaviť úrovňou na riadiacich pinoch dopožadovaného stavu. Pri tom dodržať minimálne časy pre zotavenie, po tomto čase bymal fungovať bez chýb prenosu. V stave pre vysielanie musíme ešte pred samotnýmvysielaním užitočnej informácie zabezpečiť vysielanie tzv. preamble, ktoré stabilizujevysielač. V nasledujúcom Obr. 5.2 vidíme príklad korektnej komunikácie RF transceiveruna „príjme“.- 29 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra Telekomunikáciíobr.5.2 Príklad komunikácie RF vysielača5.3.2. SynchronizáciaJe pomerne dôležitou a nevyhnutnou súčasťou komunikácie. Bez použitiasynchronizácie by sa nám nepodarilo určiť časový bod, v ktorom bola zahájenákomunikácia a prišli by sme o prenášané užitočné dáta. RF modul síce obsahuje aj signál,ktorý detekuje úroveň(silu) ale nedokáže detekovat začiatok vysielania. Tento problém sadá pomerne elegantne vyriešiť zaradením synchronizačného bitu, ktorý nám zabezpečízosynchronizovanie vysielača a prijímača presne ohraničí začiatok vysielania (prijímania)dát.5.3.3. Bezchybný príjem dátKeďže frekvencia, na ktorej realizujeme RF prenos patrí do pásma ISM(industrial, science, medical) je voľne prístupná a taktiež aj pomerne dosť zarušená.Vplyv rušenia zapríčiňuje to, že prijímač sa prakticky skoro nikdy nedostane dokľudového stavu a neustále prijíma šum z okolia. Preto je potrebné zistiť čo je šum a čoinformácia. Preto pri vysielaní pred užitočnú informáciu vkladám dvojitý štart byt (pozakódovaní 4 byty). Čiže prijímač musí prijať sekvenciu štyroch štart bytov a až potomzačne ukladať informáciu. Obdobne posielam a prijímam 1 stop byte (po kódovaní 2), abyprijímač mohol detekovať koniec rámca.- 30 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíAni takto upravený signál ešte nie je úplne odolný voči chybám, tento stav nám pomohlozlepšiť najmä zavedenie kontrolnej sumy CRC. Čiže dvoma bytmi CRCL a CRCH. Takžeprijímač po prijatí správy začne odznova počítať CRCL a CRCH rámca a porovná hos prijatými, ak sú totožné je rámec ďalej spracovávaný a ak nie modul sa nastaví napríjem.5.4. Komunikačný protokolPo splnení predchádzajúcich podmienok a predpokladov bolo možné nadviazaťspojenie medzi modulmi. Komunikácia je realizovaná polovičným duplexom, čiže jemožná komunikácia iba jedným smerom. Vo všeobecnosti v oboch po prepnutí RFmodulu z prijímača na vysielač a opačne. Pre prenos som si zvolil nasledovný formátpaketu.Obr.5.3 formát rámca používaný pre RF prenosPopis:P – (Preamble) minimálna časová rezerva nevyhnutná pre vysielanie a zotavenieS – (Synchronizácia) tento bit nám zabezpečuje synchronizáciu prenosuST- (Štart bit) identifikuje začiatok prenosuD – (Data) užitočné dátaCRC - kontrolný polynomSTP – (Stop bit) ukončuje prenos- 31 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíPrenosová rýchlosť medzi riadiacim a podporným modulom jenastavená naúroveň 7800bps, ale efektívna prenosová rýchlosť je nižšia čo je zapríčinenékódovaním MANCHESTER a taktiež tým že z prenášaných 10 bitov je iba 8 dátovýchz čoho vyplýva že výsledná efektívna prenosová rýchlosť bude:76800 8× = 30720bps2 105.5. Vývojove prostredieZariadenie som programoval v jazyku C v prostredí CodeVision AVR C Compilerod firmy HP InfoTech S.R.L. CodeVisonAVR obsahuje už spomínaný prekladač jazykaC, integrované vývojové prostredie IDE a Wizard umožňujúci automatické generovaniezdrojového kódu pre mikrokontroléry ATMEL AVR.Obr.5.4 popis vývojového prostredia- 32 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra Telekomunikácií5.5.1. Programátor AVR 910Na aplikovanie kódu do pamäti MCU som použil programátor AVR 910.Programátor AVR 910 spolupracuje s nasledujúcimi vývojovými prostrediami[10]• AVRStudio (Windows)• AVR PROG (Windows)• OSP II (Windows)• AVR Codevison (Windows)• WinAVR GCC (Windows)• AVRDUDE (Linux, Windows)• UISP (Linux)• AVR-Prog (Linux)• Palm AVR (Palm PDA)• AVRP (Linux, Windows, Amiga)• BascomAVR (Windows)• KontrollerLab (Linux)Umožňuje programovať nasledovné obvody ATMEL AVR:AT90:AT90S1200, AT90S2313, AT90S2323, AT90S2333, AT90S2343, AT90S4414 AT90S4433, AT90S4434,AT90S8515A, AT90S8534, AT90S8535, AT90S8544 AT90PWM2, AT90PWM3, AT90CAN128ATTiny:ATTiny10, ATTiny12, ATTiny13, ATTiny15,ATTiny24, ATTiny25, ATTiny26ATTiny44, ATTiny45, ATTiny84, ATTiny85, ATTiny2313,- 33 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíATMega:ATMega8, ATMega16, ATMega32,ATMega48, ATMega64, ATMega88, ATMega103, ATMega128,ATMega161, ATMega162, ATMega163, ATMega164, ATMega168, ATMega169, ATMega324,ATMega329, ATMega640, ATMega649, ATMega1280, ATMega1281, ATMega3290, ATMega6490,ATMega8515, ATMega8535, AT89, AT89S53, AT89S8252- 34 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra Telekomunikácií6. TestovanieSpočívalo v preverení funkcie jednotlivých častí zariadenia a ich následnémuladeniu. Jednalo sa najme o preverenie zobrazovacej časti a správnosti dátovejkomunikácie medzi riadiacim a podporným modulom .Pri testovaní spoľahlivosti komunikácie bol použitý program na testovaniechybovosti prenosu. Program vysielal dáta podpornému modulu ktorý ich spracovala následne vyslal naspať. Prijate dáta sa porovnali z vyslanými. Počas testu bolzaznamenaný šum ktorý nám spočiatku spôsoboval problémy v komunikácii, tie všakustúpili po aplikovaní filtra do programu. Po tejto zmene už nedošlo k žiadnymproblémom. Test bol vykonaný pri vzdialenosti 100 m na otvorenom priestranstvea priamej viditeľnosti . Ďalší test bol pri vzdialenosti cca 320m podotýkam tato niejekonečná, zámerom bolo aspoň približné odmerať maximálnu možnú vzdialenosť.Ako ďalšia bola testu podrobená zobrazovacia časť. Jednalo sa najme o ladenieprogramu v ktorom bolo nutne upraviť rýchlosť vypínania jednotlivých segmentov tak,aby nedochádzalo k presvitaniu LED. Neskôr nasledovalo preverenie rozlíšiteľnostisegmentov. Test prebiehal počas slnečného dňa a jeho úlohou bolo určenie maximálnejvzdialenosti pri ktorej dokážeme rozoznať znaky. Test sa najskôr vykonal pri vzdialenostidanej zadaním diplomovej práce čiže 20m a následne sa vzdialenosť zväčšovala. Kritickybod nastal vo vzdialenosti cca 40m. Táto vzdialenosť je premenlivá a závisí od svetelnýchpomerov.- 35 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra Telekomunikácií7. Technicko-ekonomické zhodnotenie prácePráca bola z ekonomického hľadiska pomerne náročná. Takmer celá ekonomickánáročnosť sa sústredila na praktickú realizáciu zobrazovacej jednotky, a to na nákupsúčiastok a výrobu dosky plošného spoja. Pri vyhotovovaní je potrebne zobrať do úvahyproblémy súvisiace so súčiastkami, napríklad LED diódami a RF modulom, ktoré častonebývajú bežnou súčasťou v sieti obchodov s elektrotechnickým materiálom a je nutnétieto časti objednávať z veľkoskladov, čo zvýši cenu minimálne o poštové náklady,nehovoriac o tom že odber častí nie je možný kusovo. To sa potvrdilo pri konštrukčnomvyhotovený zariadenia. Ďalšou, pomerne veľkou investíciou bola výroba dosky plošnéhospoja.Obrovskou výhodou bolo využitie bezdrôtového modulu, použitím ktorého somušetril nemalé prostriedky spojené s nákupom signálového kábla a taktiež zvýšil mobilitu.Výrobné náklady zariadenia boli približné 10 000 Sk. Táto suma je však danátým, že ide o prototyp zariadenia. Pri výrobe viacerých kusov by cena zariadenia klesla.Ceny obdobných zobrazovacích jednotiek s porovnateľnou veľkosťou segmentov bezmožnosti využitia bezdrôtovej komunikácie sa pohybuje približne v cenovej relácii30 000 Sk.práce.Do hore spomínanej sumy neboli zahrnuté náklady na tlač a väzbu diplomovej- 36 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra Telekomunikácií8. ZáverMojou úlohou bolo navrhnúť a zrealizovať systém zobrazovacej jednotkyzobrazujúcej čas s možnosťou využitia bezdrôtového prenosu. Celej realizácii systémupredchádzala podrobná analýza možnosti riešenia systému, tá spočívala vo výberevhodnej formy spôsobu zobrazovania, na ktorý boli kladené pomerne veľké požiadavky.Pomerne dôležitou bola pri návrhu pochopiteľne cena systému, ktorej hranica muselabyt zvolená tak aby sme zabezpečili čo najlepší pomer cena/výkon. Po zvážení som sarozhodol realizovať zobrazovaciu časť formou modulárnych číslic, ktoré boli prezlepšenie pozorovacieho uhla vytvorene pomocou oválnych LED diód. Výkon LED dióda výška číslic bola navrhnutá tak aby sa hranica rozlíšiteľnosti segmentov displejapohybovala v exteriéri na úrovni 20m. Tato podmienka bola pomerne dobre splnená a jejhranica sa pohybovala v okolí 40m v závislosti na intenzite osvetlenia.Pri návrhu zobrazovacieho systému som sa snažil v čo najväčšej miere využiťpotenciál získaných skúsenosti a na teoretické základy som nadviazal obvodovýmnávrhom jednotlivých časti, ktoré boli postupne zrealizované. Pri ich návrhu som sa snažilzachovať istú otvorenosť systému pre možnosť budúcej inovácie, bez toho aby bolpotrebný radikálnejší zásah do obvodového zapojenia. Srdcom celého systému jemikroprocesor, ten je ovládaný programom. Preto som vytvoril program pomocouktorého zabezpečujem funkciu jednotlivých blokov. Keďže zariadenie využívalo presvoju komunikáciu s podporným modulom bezdrôtovú komunikáciu, bolo taktiežpotrebne vytvoriť pre jej zabezpečenie komunikačný protokol ktorý by nám ju zaistil.Až po splnení týchto pomerne časovo náročných úkonov mohlo dôjsť na radutestovanie.Zariadenie by si malo nájsť uplatnenie a byt prínosom všade tam, kde bude potrebamerania času, a jeho obrovskou devízou je použitie bezdrôtového spojenia ktoré námrapídne zvýši jeho mobilitu.Chcel by som ešte raz zdôrazniť výhodu použitia bezdrôtového prenosu ktorá bolaa bude obrovským prínosom pri využiteľnosti zariadenia a dáva mu do budúcna veľkúmožnosť rozšírenia. Pre príklad uvediem napr. možnosť spojenia z PC pomocou ďalšiehoRF modulu, alebo možnosťou vytvorenia Repeatera na zvýšenie dosahu zariadenia.- 37 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra Telekomunikácií9. Použitá literatúra[1] BRADÁČ Zdeněk: Bezdrátový komunikační standard ZigBee, Automatizace,ročník 48, číslo 4, duben 2005, http://www.automatizace.cz/article.php?a=638[2] MIČEK Juraj, MIKROKONTROLÉRY ATMEL AVR, ATmega8, popis,programovanie, aplikácie, Žilina, 2004[3] Dokumentácia AUREL XTR 434http://www.aurelwireless.com/wireless/uk/manuals/650200588_um.pdf[4] Anténne časti AURELhttp://www.aurelwireless.com/wireless/Notes/antennas.pdf[5] Popis zobrazovaniahttp://archivnews.hw.cz/2002-October/040708.htmlhttp://hw.cz/Teorie-a-praxe/Dokumentace/ART430-SPI-rozhrani-pouzite-na-SIPO-obvod.htmlhttp://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/15644/PHILIPS/74HC595.html[6]Popis rozhrania RS 232http://www.kar.elf.stuba.sk/predmety/ap/texty/serialcomm.htmlhttp://www.camiresearch.com/Data_Com_Basics/RS232_standard.htmlhttp://rs232.hw.cz/[7] Napájací zdrojhttp://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/12065/ONSEMI/MC34063A.html[8] Manchester kódhttp://noel.feld.cvut.cz/vyu/scs/prezentace2003/CC1010/main_window.htm[9] VÁŇA Vladimír, Mikrokontroléry ATMEL AVR programovaní v jazyce C, BEN– technická literatúra, Praha 2003, 1.vydanie[10] Programator ATmegahttp://www.klaus-leidinger.de/mp/Mikrocontroller/AVR-Prog/AVRprogrammer.html#Supportliste[11] ČECHOVIČ Lukáš, Komunikačné RF sieťové moduly pre potreby dopravnejinfraštruktúry[12]ATmega 162 Popis funkciehttp://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2513.pdf[13] Podmienky prevádzky zariadení pracujúcich na f- 4340 MHz(stručný výber)http://www.teleoff.gov.sk/sk/Vpovolenia/lpd.html- 38 -

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíČESTNÉ VYHLÁSENIEVyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod odborným vedenímvedúceho diplomovej práce, doc. Ing. Milan Trunkvalter, PhD. a používal som literatúruuvedenú v práci.V Žiline dňa 16.5.2008 podpis diplomanta .............................I

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíPOĎAKOVANIETouto cestou by som chcel poďakovať mojim rodičom, že mi umožnili študovať navysokej škole, za ich dôveru a podporu, ktorá mi pomáhala pri štúdiu, ďalej všetkýmpriateľom, ktorí mi akýmkoľvek spôsobom vyjadrili pomoc a podporu. Taktiež chcempoďakovať doc. Ing. Milanovi Trunkvalterovi, PhD za jeho odbornú pomoc, cenné radya pripomienky, ktoré mi poskytol pri vypracovávaní mojej diplomovej práce.Všetkým týmto ľuďom patrí moje ĎAKUJEM.II

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíŽilinská univerzita v ŽilineElektrotechnická fakultaKatedra telekomunikáciíDIPLOMOVÁ PRÁCAPrílohová časťFrantišek Teplický2008III

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíZoznam Príloh1. Obrazová prílohaObrazová príloha 1: Obvodová schéma riadiaceho modulu................................ VObrazová príloha 2: Obvodová schéma podporného modulu..............................VIObrazová príloha 3: Náhľad dosky riadiaceho modulu....................................... VII-VIIObrazová príloha 4: Náhľad dosky podporného modulu.................................... IXObrazová príloha 5: Výsledne fotografie zariadenia.......................................... X-XIObrazová príloha 6: Výsledná fotografia antény ............................................... XII2. Zoznam PrílohPríloha 1: Vybrané parametre mikrokontroléra ATmega162Príloha 2: Podrobnejšia charakteristika modulu XTR 434Príloha 3: Podmienky pre prevádzku zariadení pracujúcich na frekvencii433,050 - 434,790 MHz(stručný výber)Príloha 4: Popis parametrov posuvného registraPríloha 5: Charakteristika obvodu Max 232Príloha 6: Charakteristika obvodu MC340633. CD prílohaIV

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíObrazová príloha 1: Obvodová schéma riadiaceho moduluV

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíObrazová príloha 2: Obvodová schéma podporného moduluVI

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíObrazová príloha č.3: Náhľad dosky riadiaceho modulu strana BottomVII

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíObrazová príloha 3: Náhľad dosky riadiaceho modulu strana TopVIII

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíObrazová príloha 4: Náhľad dosky podporného modulu strana BottomObrazová príloha 4: Náhľad dosky podporného modulu strana BottomIX

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíObrazová príloha 5: Výsledne fotografie zariadeniaX

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíObrazová príloha 5: Výsledne fotografie zariadeniaXI

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíObrazová príloha 6: Výsledná fotografia antényXII

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíPríloha 1: Vybrané parametre mikrokontroléra ATmega162 [12]High-performance, Low-power AVR® 8-bit Microcontroller• Advanced RISC Architecture– 131 Powerful Instructions – Most Single-clock Cycle Execution– 32 x 8 General Purpose Working Registers– Fully Static Operation– Up to 16 MIPS Throughput at 16 MHz– On-chip 2-cycle Multiplier• High Endurance Non-volatile Memory segments– 16K Bytes of In-System Self-programmable Flash program memory– 512 Bytes EEPROM– 1K Bytes Internal SRAM– Write/Erase cycles: 10,000 Flash/100,000 EEPROM– Up to 64K Bytes Optional External Memory Space• JTAG (IEEE std. 1149.1 Compliant) Interface– Boundary-scan Capabilities According to the JTAG Standard– Extensive On-chip Debug Support– Programming of Flash, EEPROM, Fuses, and Lock Bits through the JTAG Interface• Peripheral Features– Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers and Compare Modes– Two 16-bit Timer/Counters with Separate Prescalers, Compare Modes, and• Special Microcontroller Features– Five Sleep Modes: Idle, Power-save, Power-down, Standby, and Extended Standby• Operating Voltages– 1.8 - 5.5V for ATmega162V– 2.7 - 5.5V for ATmega162XIII

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíPríloha 2: Podrobnejšia charakteristika modulu XTR 434XIV

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíPríloha 3: Podmienky pre prevádzku zariadení pracujúcich na frekvencii433,050 - 434,790 MHz(stručný výber) [13].Telekomunikačný úrad Slovenskej republiky vydáva všeobecné povolenie č.VPR - 05/2001 na prevádzku vysielacích rádiových zariadení malého výkonu sozabudovanou anténou, ktoré sú určené k prenosu dátových, hovorových a inýchsignálov a ktoré používajú rôzne druhy modulácie. Toto povolenie oprávňujefyzické, ako aj právnické osoby prevádzkovať LPD zariadenia, ktoré majúparametre v súlade s týmto povolením, bez individuálneho povolenia za určitýchpodmienok.1. Povolené prevádzkové frekvencie, maximálny výkon a použitie zariadení LPD:Frekvenčný úsek Max vyžiarený výkon / intenzita poľa Poznámka433,050 - 434,790 MHz 10 mW ERP MZ 25 mW ERPMZ - "Mlčiace zariadenie" - musí spĺňať podmienky:- Jeden súvislý časový interval vysielania neprekročí 5 s.- V priebehu 10 min. môžu byť vysielané max.3 intervaly po 5 s.- Celková doba vysielania v priebehu 24 hod. neprekročí 15 min.Táto požiadavka sa nevzťahuje na poplachové hlásenia u zabezpečovacích zariadení.DP - zariadenia pre detekciu pohybu a ochranu2. Zariadenia spĺňajú podmienky ETSI (European Telecommunications StandardsInstitute) vzťahujúce sa na zariadenia v príslušnom frekvenčnom pásme uvedené v EN300 220-1, EN 300 330, I-ETS 300-440.3. Zhoda technických parametrov zariadení s podmienkami podľa predchádzajúceho boduje osvedčená podľa zákona o telekomunikáciáchXV

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra Telekomunikácií4. Na zariadeniach je zakázané robiť konštrukčné zmeny, pripojovať k zariadeniam prídavnévf zosilňovače alebo ziskové antény.5. Je zakázané zariadenie pripojovať k iným telekomunikačným zariadeniam.6. Prevádzka zariadení nemá zaručenú ochranu pred rušením inými telekomunikačnýmizariadeniami.7. Zariadenia nesmú spôsobovať rušenie prevádzky telekomunikačných zariadení, ktoré majúochranu pred rušením zabezpečenú zákonom.8. Zariadenia podliehajú štátnemu dohľadu v telekomunikáciách. Pre tento účel jeprevádzkovateľ zariadenia povinný umožniť oprávneným orgánom prístup k zariadeniam.Nedodržanie podmienok tohto povolenia je postihnuteľné podľa zákona o telekomunikáciách.9. Ak nedodržanie stanovených parametrov nastalo v dôsledku závady na zariadení,prevádzkovateľ je povinný zariadenie vyradiť z prevádzky až do odstránenia závady.10. Prevádzkovanie vysielacích rádiových zariadení podľa tohto povolenia pri ich servise jemožné iba na základe osobitného povolenia podľa § 36 a § 37 ods. 2 písm. c) zákona otelekomunikáciách.11.Úrad môže podmienky a ustanovenia tohto povolenia meniť, doplniť, alebo povoleniezrušiť. V tom prípade stanoví podmienky pre ďalšie používanie zariadení, ktoré boliprevádzkované na základe tohto povolenia.Toto všeobecné povolenie nadobúda účinnosť 15. deň od jeho zverejnenia vo vestníkuMinisterstva dopravy pôšt a telekomunikáciíXVI

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíPríloha 4: Popis parametrov posuvného registra [5].XVII

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíPríloha 5: Charakteristika obvodu Max 232XVIII

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra TelekomunikáciíPríloha 6: Charakteristika obvodu MC34063XIX