Abstrakt: Tato práce se zabývá vývojem radiomodemů pro nízkorychlostní komunikaci mezi počítačem a zařízením, připojeným po lince standardu RS-232. Pro bezdrátový spoj jsou využity OEM moduly firmy Aurel Wireless, pracující v pásmu SRD 868 MHz. Mikroprocesor Atmel AVR, řídící chování modemu, obsahuje mimo jiné algoritmy pro zpracování linkového kódu Manchester o rychlosti 1200 Bd (vysílání, příjem) a implementaci samoopravného Hammingova kódu (12,8).

Navržený systém je popisován ve třech hlavních částech: hardware (výběr součástek, návrh zapojení modemu, návrh desky s plošnými spoji), firmware (obslužný kód pro mikroprocesor AVR na modemu) a software (ovládací program pro PC, obsluhující MASTER modem). Software pro PC umožňuje ovládání signálního generátoru Elsy SG2000 a komunikačního přijímače Yaesu VR-5000. Po připojení těchto dvou přístrojů spolu s počítačem k páru modemů je možné realizovat zónové měření, tj. měření závislosti přenosových vlastností prostředí mezi generátorem a přijímačem v závislosti na kmitočtu. Výsledky experimentálních měření jsou zaneseny v příloze této práce.

Realizovaný pár modemů umožňuje v závislosti na prostředí spolehlivé spojení na vzdálenost řádově desítek metrů. Po úpravě ovládacího programu pro PC mohou být modemy použity pro přenos libovolných telemetrických údajů, není-li vyžadována vysoká rychlost a velké objemy přenášených dat.

Tato webová stránka vznikla převážně konverzí mírně upraveného textového zdroje práce v LaTeXu pomocí TtH v3.77. Tomu odpovídá i její design a kvalita HTML. Originální PDF generovaný pdfCSLaTeXem je přístupný ke stažení spolu s veškerým programovým vybavením. Schéma zapojení a podklady k výrobě a osazení DPS jsou v PDF ve vektorové formě s měřítkem 100%.

Obsah

---

Kapitola 1
Úvod

Obrázek 1.1: Koncepce systému dálkového ovládání měřicích přístrojů

• přímá komunikace SLAVE modemu s připojeným přístrojem - SLAVE jednotka ke svému spojení s přístrojem nepotřebuje další PC jako interface
• rozšíření počtu rozhraní SLAVE modemu - přibyly mimo jiné dva sériové kanály standardu RS-232
• možnost přímé komunikace se zařízením připojeným k MASTER modemu
• návrh zapojení a desek s plošnými spoji - zvolena kombinovaná montáž (částečně klasické součástky, částečně technologie povrchové montáže SMT)
• realizace s dostupnými bezdrátovými moduly firmy Aurel Wireless (viz kap. 3)
• komplexní firmware v jazyce C se zpracováním linkového kódu typu Manchester
• vytvoření nového komunikačního protokolu - podpora více rozhraní obou jednotek, silnější zabezpečení proti chybám přenosu (kontrolním součtem CRC a samoopravným Hammingovým kódem)
• vytvoření nového software pro osobní počítač připojený k MASTER modemu

---

Kapitola 2
Komunikace v ISM pásmech

2.1  Pásmo SRD

2.2  Modulační techniky

---

Kapitola 3
Hardware modemu

Obrázek 3.1: Blokové schéma modemu

Obrázek 3.2: Fotografie modemu - celkový pohled

Obrázek 3.3: Fotografie modemu - detail rozhraní

Obrázek 3.4: Fotografie modemu - pohled na DPS

---

Kapitola 4
Firmware modemu

4.1  Komunikační protokol

Obrázek 4.1: Příklad kompletního paketu (1 = analogový signál - výstup RX TEST, 2 = DATA, 3 = aktivní příjem)

Obrázek 4.2: Přepínání RXD signálu MASTER jednotky (1 = RXD, 3 = MUXA, 4 = MUXB)

4.2  Linkové kódování Manchester

4.3  Algoritmy modemu

4.3.1  Vysílání

Obrázek 4.3: Funkce kodéru Manchester (1 = vstupní data, 2 = výstupní signál)

4.3.2  Příjem

Obrázek 4.4: Vývojový diagram algoritmu příjmu kódu Manchester

Obrázek 4.5: Synchronizace pomocí digitálního fázového závěsu

Obrázek 4.6: Funkce dekodéru Manchester

4.3.3  Hammingův kód (12,8)

4.4  Funkce jednotky MASTER

• CMD_SEND na SLAVE, CMD_WPING - Paket se beze změn zapouzdřených dat odešle na jednotku SLAVE. Po dobu předanou v hlavičce paketu se vyčkává na odpověď (je aktivován RX). Pokud odpověď přijde a je platná, odešle se zpět řídícímu počítači přes rozhraní, ze kterého přišel požadavek.
• CMD_SEND na MASTER - Jednotka přepne multiplexer na požadované rozhraní a nastaví jeho komunikační parametry. Odešle datovou část přijatého paketu a očekává odpověď. Tu po uplynutí zadaného timeoutu přečte, přepne zpět na rozhraní, ze kterého přišel původní požadavek, nastaví výchozí komunikační parametry a zapouzdřenou odpověď odešle řídícímu počítači.
• CMD_LPING - Na paket se odpoví řídícímu počítači přes rozhraní, ze kterého přišel požadavek. Odpovídá se paketem CMD_ACK, zapouzdřená data jsou předána beze změn.

4.5  Funkce jednotky SLAVE

• CMD_SEND - Po přijetí paketu se multiplexerem zvolí požadované rozhraní, nastaví jeho komunikační parametry a odešlou se přijatá zapouzdřená data. V případě, že odesílatel očekává odpověď (timeout  > 0), se spustí příjem USARTu po zadanou dobu. Poté se data přijatá po sériovém kanálu zapouzdří do paketu CMD_SEND a odešlou přes bezdrátové rozhraní jednotce MASTER, která je předá dál.
• CMD_WPING - Na paket se odpoví odesílateli přes bezdrátové rozhraní. Odpovídá se paketem CMD_ACK, zapouzdřená data jsou předána beze změn.

---

Kapitola 5
Ovládací program pro PC

5.1  Testování spojení

Obrázek 5.1: Testování spojení

5.1.1  Výsledky měření dosahu a spolehlivosti

5.2  Dálkové ovládání přístrojů

5.2.1  Signální generátor Elsy SG2000

Obrázek 5.2: Ovládání signálního generátoru Elsy SG2000

5.2.2  Komunikační přijímač Yaesu VR-5000

Obrázek 5.3: Ovládání komunikačního přijímače Yaesu VR-5000

5.3  Zónová měření

Obrázek 5.4: Koncepce pracoviště zónového měření

Obrázek 5.5: Zónové měření

---

Kapitola 6
Závěr

Literatura

[1]

ŠEBESTA, Jiří; JAKUBOVÁ, Ivana; URBANEC, Tomáš. Implementace nového způsobu komunikace ke stávajícímu systému pro zónové měření. Závěrečná zpráva projektu NBÚ, 2006.

[2]

POVALAČ, Aleš. Dálkové ovládání měřicích přístrojů v SRD pásmu: Semestrální projekt 1 (BB1E). FEKT VUT v Brně, 2006. 8 s.

[3]

POVALAČ, Aleš. Dálkové ovládání měřicích přístrojů v SRD pásmu: Semestrální projekt 2 (BB2E). FEKT VUT v Brně, 2006. 30 s.

[4]

WOOD, Alan. A Summary of Modem Techniques [Online]. Application Note 7000 0019. Wood & Douglas Ltd., Tadley, 2004.
Dostupné na:  < http://www.woodanddouglas.co.uk/products/download/70000019.pdf > .

[5]

Všeobecné oprávnění č. VO-R/10/08.2005-24 k využívání rádiových kmitočtů a k provozování zařízení krátkého dosahu [Online]. Český telekomunikační úřad, 2005.
Dostupné na:  < http://www.ctu.cz/1/download/Opatreni%20obecne%20povahy/VO_R_10_08_2005_24.pdf > .

[6]

ATmega8. 8-bit AVR Microcontroller with 8K In-System Programmable Flash. Data Sheet [Online]. Atmel Corp., 2005.
Dostupné na:  < http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2486.pdf > .

[7]

Polovodičové spínače pro střídavé signály. Radioamatér, 2006, roč. 7, č. 1, s. 6-8. ISSN 1212-9100.

[8]

L78M00 series. Positive voltage regulators [Online]. STMicroelectronics, 2006.
Dostupné na:  < http://us.st.com/stonline/books/pdf/docs/2146.pdf > .

[9]

RX-8L50SA70SF Receiver. Instruction Manual [Online]. AUR·EL S.p.A., 2002.
Dostupné na:  < http://www.aurelwireless.com/wireless/uk/manuals/650200535_um.pdf > .

[10]

TX-8LAVSA05 Transmitter. Instruction Manual [Online]. AUR·EL S.p.A., 2002.
Dostupné na:  < http://www.aurelwireless.com/wireless/uk/manuals/650200546_um.pdf > .

[11]

UMS2. Sériový modul USB. Uživatelská příručka [Online]. ASIX s.r.o., Praha, 2005.
Dostupné na:  < http://www.asix.cz/download/usb/ums2/ums2_cz.pdf > .

[12]

XPort Data Sheet 910-815E [Online]. Lantronix Inc., 2005.
Dostupné na:  < http://www.lantronix.com/pdf/XPort_DS.pdf > .

[13]

KLEIN, Jack. C Unleashed: Chapter 18 - Digital Signal Processing. Sams Publishing, 2000. ISBN 0672318962.

[14]

Hamming code [Online]. Wikipedia, 2007.
Dostupné na:  < http://en.wikipedia.org/wiki/Hamming_code > .

[15]

Signální Generátor SG2000. ELSY spol. s.r.o., 2002.

[16]

Yaesu VR-5000 All Mode 100kHz - 2600MHz Communications Receiver. Operating Manual. Vertex Standard Co., Ltd., Japan, 2000.

Seznam zkratek

---

Příloha A
Schéma zapojení

---

Příloha B
Výkresová dokumentace

B.1  Strana spojů

Motiv plošného spoje (měřítko 1:1)

 
Osazovací plán

B.2  Strana součástek

Motiv plošného spoje (měřítko 1:1)

 
Osazovací plán

---

Příloha C
Seznam součástek

---

Příloha D
Algoritmy mikroprocesoru

D.1  Vysílač (TX v4)

#define wtx(x)                 { if (x) PORTC |= _BV(PC2); else PORTC &= ~_BV(PC2); }
void wstep(void)               { loop_until_bit_is_set(TIFR, OCF1A); TIFR = _BV(OCF1A); }
void wireless_tx_rising(void)  { wstep(); wtx(0); wstep(); wtx(1); }
void wireless_tx_falling(void) { wstep(); wtx(1); wstep(); wtx(0); }

void wireless_hw_tx(unsigned int *tx_buffer, unsigned char tx_length)
{
    int i, j;
    
    tx_enable();
    
    OCR1A = TIMER1_LOAD - 1;                // 2400Hz
    TCCR1B = _BV(WGM12) | TIMER1_PRESCAL;   // Mode 4 - CTC
    TCNT1 = 0;
    TIFR = _BV(OCF1A);
    
    // nosna 250ms (cca 200 jednicek)
    for (i = 0; i < 200; i++) {
        wireless_tx_falling();
    }
    
    // mark pocatku (11)
    wstep();
    wtx(1);
    wstep();
    
    // data
    for (i = 0; i < tx_length; i++, tx_buffer++) {
        for (j = (is_hamming() ? 11 : 7); j >= 0; j--) {
            if (*tx_buffer & (1 << j))
                wireless_tx_falling();
            else
                wireless_tx_rising();
            
        }
    }
    wstep();
    
    // mark konce (00)
    wtx(0);
    wstep();
    wstep();
}

D.2  Přijímač (RX v6)

#define wrx()                  (bit_is_set(PIND, PD2))
void wstep(void)               { loop_until_bit_is_set(TIFR, OCF1A); TIFR = _BV(OCF1A); }

signed char wireless_hw_rx(unsigned int *rx_buffer, unsigned char timeout)
{
    int i, j;
    unsigned int rx_bits;
    
    rx_enable();
    delay(15);                              // nahozeni RX - 15ms dle datasheetu TDA5200
    
    TCCR1B = _BV(WGM12) | TIMER1_PRESCAL;   // Mode 4 - CTC
    TCNT1 = 0;
    TIFR = _BV(OCF1A);
    
    // nastaveni hlavniho timeoutu
    TIMER2_set_timeout(timeout);
    
    do {
        // vyhledavat jednicku, po nalezeni zarovnat a prepnout casovani
        OCR1A = (TIMER1_LOAD / 4) - 1;      // 9600Hz
        
        rx_bits = 0;
        j = 0;
        do {
            wstep();
            rx_bits <<= 1;
            if (wrx()) rx_bits |= 1;
            
            if ((timeout) && (!TIMER2_get_timeout()))
                return ERR_TIMEOUT;
        } while ((rx_bits & 0b0111011101110111) 
                         != 0b0111000001110000);
        
        // po 40ms se ustali nosna, vyhledavani opakovat
        delay(40);
        
        rx_bits = 0;
        j = 0;
        do {
            wstep();
            rx_bits <<= 1;
            if (wrx()) rx_bits |= 1;
            
            if ((timeout) && (!TIMER2_get_timeout()))
                return ERR_TIMEOUT;
        } while ((rx_bits & 0b0111011101110111) 
                         != 0b0111000001110000);
        
        wstep();
        wstep();
        wstep();
        OCR1A = TIMER1_LOAD - 1;            // 2400Hz
        wstep();
        
        // zachycena synchronizace, nacteni 16 bitu,
        // pokud nebylo aspon 14 jednicek, tak znova
        j = 0;
        for (i = 0; i < 16; i++) {
            wstep();
            if (wrx()) j++;
            wstep();
            
            if ((timeout) && (!TIMER2_get_timeout()))
                return ERR_TIMEOUT;
        }
    } while (j < 14);
    
    // od zachyceni nosne po prvni bajt maximalne 250ms, spis min
    TIMER2_set_timeout(25);
    
    // vyhledavat mark pocatku (11)
    rx_bits = 0;
    do {
        wstep();
        rx_bits <<= 1;
        if (wrx()) rx_bits |= 1;
        
        if (!TIMER2_get_timeout())
            return ERR_TIMEOUT;
        
    } while ((rx_bits & 0b11) != 0b11);
    
    // prijem po mark konce (00) nebo konec bufferu
    for (i = 0; i < BUFFER_SIZE; i++) {
        rx_bits = 0;
        for (j = 0; j < (is_hamming() ? 12 : 8); j++) {
            wstep();
            rx_bits <<= 1;
            if (wrx()) rx_bits |= 1;
            wstep();
            
            if ((j == 0) && (!(rx_bits & 0x0001)) && (!wrx()))
                return i;
        }
        *rx_buffer++ = rx_bits;
    }
    
    return i;
}

D.3  Hammingův kód (12,8)

const unsigned char PROGMEM hamming[256] = {
    0x00,  0x03,  0x05,  0x06,  0x06,  0x05,  0x03,  0x00,
    0x07,  0x04,  0x02,  0x01,  0x01,  0x02,  0x04,  0x07,
    0x09,  0x0A,  0x0C,  0x0F,  0x0F,  0x0C,  0x0A,  0x09,
    0x0E,  0x0D,  0x0B,  0x08,  0x08,  0x0B,  0x0D,  0x0E,
    0x0A,  0x09,  0x0F,  0x0C,  0x0C,  0x0F,  0x09,  0x0A,
    0x0D,  0x0E,  0x08,  0x0B,  0x0B,  0x08,  0x0E,  0x0D,
    0x03,  0x00,  0x06,  0x05,  0x05,  0x06,  0x00,  0x03,
    0x04,  0x07,  0x01,  0x02,  0x02,  0x01,  0x07,  0x04,
    0x0B,  0x08,  0x0E,  0x0D,  0x0D,  0x0E,  0x08,  0x0B,
    0x0C,  0x0F,  0x09,  0x0A,  0x0A,  0x09,  0x0F,  0x0C,
    0x02,  0x01,  0x07,  0x04,  0x04,  0x07,  0x01,  0x02,
    0x05,  0x06,  0x00,  0x03,  0x03,  0x00,  0x06,  0x05,
    0x01,  0x02,  0x04,  0x07,  0x07,  0x04,  0x02,  0x01,
    0x06,  0x05,  0x03,  0x00,  0x00,  0x03,  0x05,  0x06,
    0x08,  0x0B,  0x0D,  0x0E,  0x0E,  0x0D,  0x0B,  0x08,
    
    ...
    
    0x0A,  0x09,  0x0F,  0x0C,  0x0C,  0x0F,  0x09,  0x0A,
    0x04,  0x07,  0x01,  0x02,  0x02,  0x01,  0x07,  0x04,
    0x03,  0x00,  0x06,  0x05,  0x05,  0x06,  0x00,  0x03,
};

const unsigned char PROGMEM corrections[16] = {
    0x00,   /* nulovy vysledek -> prenos bez chyby  */
    0x00,   /*  C1 je Hamminguv bit, ne datovy bit  */
    0x00,   /*  C2 je Hamminguv bit, ne datovy bit  */
    0x01,   /*  C3 je datovy bit D0                 */
    0x00,   /*  C4 je Hamminguv bit, ne datovy bit  */
    0x02,   /*  C5 je datovy bit D1                 */
    0x04,   /*  C6 je datovy bit D2                 */
    0x08,   /*  C7 je datovy bit D3                 */
    0x00,   /*  C8 je Hamminguv bit, ne datovy bit  */
    0x10,   /*  C9 je datovy bit D4                 */
    0x20,   /* C10 je datovy bit D5                 */
    0x40,   /* C11 je datovy bit D6                 */
    0x80,   /* C12 je datovy bit D7                 */
};

unsigned char hamming_get(unsigned char c)
{
    return pgm_read_byte(&hamming[c]);
}

void hamming_correct(unsigned char *c, unsigned char ham)
{
    unsigned char cor;
    
    ham &= 0x0f;
    cor = pgm_read_byte(&hamming[*c]) ^ ham;
    *c ^= pgm_read_byte(&corrections[cor]);
}

---

Příloha E
Grafy zónových měření