RF - модули повышенной мощности. Установка сигнализации собственными силами
RF – модули своими руками
Иногда возникает ситуация, когда имеются в наличии ПАВ- резонаторы на те частоты, на которые промышленность не выпускает приемные модули. Да и не секрет, что стоимость промышленных микросборок около 7 уе (RX 5000) способно отбить охоту экспериментировать у кого угодно. Современная элементная база позволяет собрать и передатчик и приемник самостоятельно с характеристиками, как минимум, не худшими, чем у промышленных модулей.
Передатчик данных.
Стандартная схема, испытанная многими радиолюбителями. Состоит из управляемого задающего генератора и усилителя мощности. Мощность около 10 мВт, потребляемый ток 15 мА. Ток задающего генератора около 2 мА. Потребляемый ток и мощность оконечного каскада можно регулировать резисторами смещения. Следует помнить при этом, что ток оконечного каскада свыше 50 мА способен вывести из строя транзистор применяемый в данной конструкции.
Приемник данных.
Приемник – сверхрегенератор с чувствительностью около 1 мкв. Сохраняет работоспособность от 3 до 6 вольт никуда при этом не «уезжая» по частоте. Связь сверхрегенератора с антенной индуктивная, что позволяет избежать пагубного влияния наводок и сильных сигналов на работу сверхрегенеративного каскада.
Настройка приемника производится сдвиганием и раздвиганием витков катушки в цепи коллектора. Применение емкостей параллельно коллекторной катушке нежелательно т к это ухудшает добротность контура. На частоту 423,2 МГц контур имеет 9 витков.
В проведенных многочисленных испытаниях выяснилось, что применение УВЧ совместно с правильно настроенным приемником подобного, типа ничего не дает в плане улучшения чувствительности, а лишь ухудшая динамику сверхрегенератора допускает некоторую небрежность его настройки. АМ сигнал, принятый приемником, имеет очень малую амплитуду, поэтому он сначала усиливается а затем подается на вход компаратора (порогового устройства). На выходе компаратора появляется лог 1, если уровень напряжения на его входе превышает определенный уровень.
В процессе настройки приемника сигнал, излучаемый передатчиком, удобно контролировать еще в аналоговой форме после первого усилителя (вывод 1 LM 358), подсоединив туда вход обычного УНЧ.
Модули предназначены для беспроводной передачи данных на большие (до 1 км) расстояния в условиях прямой видимости. Максимальная скорость потока при модуляции данными задающего генератора около 3 кбит / сек.
Если требуются большие скорости передачи, модулировать данными следует буферный каскад перед усилителем мощности. Приемную же часть после детектора следует несколько изменить, как .
(резистор в ФНЧ 10 к - закоротить, убрать емкость на входе компаратора 1000пик и уменьшить "замедляющую"емкость 1 микрофарад до 0,01 микрофарад) . Тогда "пропускная способность" пары приемник / передатчик значительно вырастет (до 100 - 150 кбит/сек).Пьезокерамический фильтр (10,7 МГц) , в случае высокоскоростного обмена, следует применять с полосой пропускания не менее 300 кГц.
Ниже схема приемной части.
Приемник - супергетеродин с однократным преобразованием частоты (ПЧ - 10,7 МГц).
Промежуточная частота - разница между частотой передатчика и частотой гетеродина приемника. Передатчик излучает на частоте 418 МГц. Частота гетеродина приемника 407,3 МГц (ПАВ резонаторы в приемнике и передатчике можно менять местами).
ВЧ часть без особенностей - все ее узлы стандартные.
Она неоднократно испытана в различных устройствах и неплохо себя зарекомендовала.
ВЧ сигнал, прошедший необходимые ступени преобразования и усиления, детектируется и его огибающая, прошедшая через ФНЧ подается на вход компаратора, включенного по схеме с "плавающим порогом " срабатывания, что обеспечивает максимальную его чувствительность.
Приемник имеет чувствительность 1 - 2 мкв, что не уступает промышленным микросборкам. Схема оптимизирована для напряжения питания 2,5 - 3 вольта.
Потребляемый приемником ток около 15 мА.
На выходе компаратора данные выводятся в инверсном виде (осциллограмма ниже).
Передатчик данных.
Передатчик - схема без особенностей. Он также оптимизирован для напряжения питания 2,5 - 3 вольта.
Мощность при напряжении питания 3 вольта, 50 - 70 милливатт. Потребляемый ток - около 60 мА. Мощность можно повысить включив передатчик от 5 вольт, она может достигнуть 120 - 150 милливатт. Ток при этом поднимется до 120 мА, что может быть опасным для оконечного каскада. Транзистор в оконечном каскаде, при повышенном напряжении питания, целесообразнее применить 2SC3357 без каких либо изменений в схеме.
Использование RF-модулей
- Электроника для начинающих
Иногда, между устройствами требуется установить беспроводное соединение. В последнее время для этой цели все чаще стали применять Bluetooth и Wi-Fi модули. Но одно дело передавать видео и здоровенные файлы, а другое - управлять машинкой или роботом на 10 команд. С другой стороны радиолюбители часто строят, налаживают и переделывают заново приемники и передатчики для работы с готовыми шифраторами/дешифраторами команд. В обеих случаях можно использовать достаточно дешевые RF-модули. Особенности их работы и использования под катом.
Типы модулей
RF-модули для передачи данных работают в диапазоне УКВ и используют стандартные частоты 433МГц, 868МГц либо 2,4ГГц (реже 315МГц, 450МГц, 490МГц, 915МГц и др.) Чем выше несущая частота, тем с большей скоростью можно передавать информацию.Как правило, выпускаемые RF-модули предназначены для работы с каким-либо протоколом передачи данных. Чаще всего это UART (RS-232) или SPI. Обычно UART модули стоят дешевле, а так же позволяют использовать нестандартные (пользовательские) протоколы передачи. Вначале я думал склепать что-то типа такого , но вспомнив свой горький опыт изготовления аппаратуры радиоуправления выбрал достаточно дешевые HM-T868 и HM-R868 (60грн. = менее $8 комплект). Существуют также модели HM-*315 и HM-*433 отличающиеся от нижеописанных лишь несущей частотой (315МГц и 433МГц соответственно). Кроме того есть множество других модулей аналогичных по способу работы, поэтому информация может быть полезной обладателям и других модулей.
Передатчик
Почти все RF-модули представляют собой небольшую печатную плату с контактами для подключения питания, передчи данных и управляющих сигналов. Рассмотрим передатчик(трансмиттер) HM-T868На нем имеется трехконтактный разъем: GND(общий), DATA(данные), VCC(+питания), а также пятачок для припайки антенны(я использовал огрызок провода МГТФ на 8,5см - 1/4 длинны волны).
Приемник
Ресивер HM-R868, внешне, очень похож на соответствующий ему трансмиттерно на его разъеме есть четвертый контакт - ENABLE, при подаче на него питания приемник начинает работать.
Работа
Судя по документации, рабочим напряжением является 2,5-5В, чем выше напряжение, тем большая дальность работы. По сути дела - это радиоудлинитель: при подаче напряжения на вход DATA передатчика, на выходе DATA приемника так же появится напряжение (при условии что на ENABLE также будет подано напряжение). НО, есть несколько нюансов. Во-первых: частота передачи данных (в нашем случае - это 600-4800 бит/с). Во-вторых: если на входе DATA нету сигнала более чем 70мс, то передатчик переходит в спящий режим(по-сути отключается). В-третьих: если в зоне приема ресивера нету работающего передатчика - на его выходе появляется всякий шум.Проведем небольшой эксперимент: к контактам GND и VCC трансмиттера подключим питание. Вывод DATA соединим с VCC через кнопку или джампер. К контактам GND и VCC ресивера также подключаем питание, ENABLE и VCC замыкаем между собой. К выходу DATA подключаем светодиод (крайне желательно через резистор). В качестве антенн используем любой подходящий провод длинной в 1/4 длинны волны. Должна получиться такая схемка:
Сразу после включения приемника и/или подачи напряжения на ENABLE должен загореться светодиод и гореть непрерывно (ну или почти непрерывно). После нажатии кнопки на передатчике, со светодиодом также ничего не происходит - он продолжает гореть и дальше. При отпускании кнопки светодиод мигнет(погаснет и снова загорится) и продолжает гореть дальше. При повторном нажатии и отпускании кнопки все должно повторится. Что же там происходило? Во время включения приемника, передатчик находился в спящем состоянии, приемник не нашел нормального сигнала и стал принимать всякий шум, соответственно и на выходе появилась всякая бяка. На глаз отличить непрерывный сигнал от шума нереально, и кажется, что светодиод светит непрерывно. После нажатия кнопки трансмиттер выходит из спячки и начинает передачу, на выходе ресивера появляется логическая «1» и светодиод светит уже действительно непрерывно. После отпускания кнопки передатчик передает логический «0», который принимается приемником и на его выходе также возникает «0» - светодиод, наконец, гаснет. Но спустя 70мс передатчик видит что на его входе все тот же «0» и уходит в сон, генератор несущей частоты отключается и приемник начинает принимать всякие шумы, на выходе шум - светодиод опять загорается.
Из вышесказанного следует, что если на входе трансмиттера сигнал будет отсутствовать менее 70мс и находится в правильном диапазоне частот, то модули будут вести себя как обычный провод (на помехи и другие сигналы мы пока не обращаем внимания).
Формат пакета
RF-модули данного типа можно подключить напрямую к аппаратному UART или компьютеру через MAX232, но учитывая особенности их работы я бы посоветовал использовать особые протоколы, описанные программно. Для своих целей я использую пакеты следующего вида: старт-биты, байты с информацией, контрольный байт(или несколько) и стоп-бит. Первый старт-бит желательно сделать более длинным, это даст время чтобы передатчик проснулся, приемник настроился на него, а принимающий микроконтроллер(или что там у Вас) начал прием. Затем что-то типа «01010», если на выходе приемника такое, то это скорее всего не шум. Затем можно поставить байт идентификации - поможет понять какому из устройств адресован пакет и с еще большей вероятностью отбросит шумы. До этого момента информацию желательно считывать и проверять отдельными битами, если хоть один из них неправильный - завершаем прием и начинаем слушать эфир заново. Дальше передаваемую информацию можно считывать сразу по байтам, записывая в соответствующие регистры/переменные. По окончании приема выполняем контрольное выражение, если его результат равен контрольному байту - выполняем требуемые действия с полученной информацией, иначе - снова слушаем эфир. В качестве контрольного выражения можно считать какую-нибудь контрольную сумму, если передаваемой информации немного, либо Вы не сильны в программировании - можно просто посчитать какое-то арифметическое выражение, в котором переменными будут передаваемые байты. Но необходимо учитывать то, что в результате должно получится целое число и оно должно поместится в количество контрольных байт. Поэтому лучше вместо арифметических операций использовать побитовые логические: AND, OR, NOT и, особенно, XOR. Если есть возможность, делать контрольный байт нужно обязательно так как радиоэфир - вещь очень загаженная, особенно сейчас, в мире электронных девайсов. Порой, само устройство может создавать помехи. У меня, например, дорожка на плате с 46кГц ШИМ в 10см от приемника очень сильно мешала приему. И это не говоря о том, что RF-модули используют стандартные частоты, на которых в этот момент могут работать и другие устройства: рации, сигнализации, радиоуправление, телеметрия и пр.433/315 МГц, вы узнаете из этого небольшого обзора. Эти радиомодули обычно продают в паре - с одним передатчиком и одним приемником. Пару можно купить на eBay по $4, и даже $2 за пару, если вы покупаете 10 штук сразу.
Большая часть информации в интернете обрывочна и не очень понятна. Поэтому мы решили проверить эти модули и показать, как получить с их помощью надежную связь USART -> USART.
Распиновка радиомодулей
В общем, все эти радиомодули имеют подключение 3 основных контакта (плюс антенна);
Передатчик
- Напряжение vcc (питание +) 3В до 12В (работает на 5В)
- GND (заземление -)
- Приём цифровых данных.
Приемник
- Напряжение vcc (питание +) 5В (некоторые могут работать и на 3.3 В)
- GND (заземление -)
- Выход полученых цифровых данных.
Передача данных
Когда передатчик не получает на входе данных, генератор передатчика отключается, и потребляет в режиме ожидания около нескольких микроампер. На испытаниях вышло 0,2 мкА от 5 В питания в выключенном состоянии. Когда передатчик получает вход каких-то данных, он излучает на 433 или 315 МГц несущей, и с 5 В питания потребляет около 12 мА.
Передатчик можно питать и от более высокого напряжения (например 12 В), которое увеличивает мощность передатчика и соответственно дальность. Тесты показали с 5 В питанием до 20 м через несколько стен внутри дома.
Приемник при включении питания, даже если передатчик не работает, получит некоторые статические сигналы и шумы. Если будет получен сигнал на рабочей несущей частоте, то приемник автоматически уменьшит усиление, чтобы удалить более слабые сигналы, и в идеале будет выделять модулированные цифровые данные.
Важно знать, что приемник тратит некоторое количество времени, чтобы отрегулировать усиление, так что никаких "пакетов" данных! Передачу следует начинать с "вступления" до основных данных и затем приемник будет иметь время, чтобы автоматически настроить усиление перед приёмом важных данных.
Тестирование RF модулей
При испытаниях обоих модулей от +5В источника постоянного тока, а также с 173 мм вертикальной штыревой антенной. (для частоты 433,92 МГц это "1/4 волны"), было получено реальных 20 метров через стены, и тип модулей не сильно влияет на эти тесты. Поэтому можно предположить, что эти результаты типичны для большинства блоков. Был использован цифровой источник сигнала с точной частотой и 50/50 скважностью, это было использовано для модуляции данных передатчика.
Обратите внимание, что все эти модули, как правило, стабильно работают только до скорости 1200 бод или максимум 2400 бод серийной передачи, если конечно условия связи идеальные (высокий уровень сигнала).
Выше показан простой вариант блока для последовательной передачи информации микроконтроллеру, которая будет получена с компьютера. Единственное изменение - добавлен танталовый конденсатор 25 В 10 мкф на выводы питания (Vcc и GND) на оба модуля.
Вывод
Множество людей используют эти радиомодули совместно с контроллерами Arduino и другими подобными, так как это самый простой способ получить беспроводную связь от микроконтроллера на другой микроконтроллер, или от микроконтроллера к ПК.
Обсудить статью RF РАДИОМОДУЛИ НА 433 МГЦ
