INSTITUTO DE ENSINO SUPERIOR FUCAPI – CESF ENGENHARIA DE COMUNICAÇÕES

Márcia Noguchi

Proposta de Implementação de uma Plataforma de Comunicação Sem Fio Baseado no Padrão TIA/EIA-485

Manaus - 2006

Proposta de Implementação de uma Plataforma de Comunicação Sem Fio Baseado no Padrão TIA/EIA-485

Márcia Noguchi

Trabalho de final de curso submetido à banca examinadora designada pelo Departamento de Engenharia de Comunicações do Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF, como parte dos requisitos necessários à obtenção do grau de Engenheiro de Comunicações.

Orientador: Prof. Vanderson de Lima Reis, B.Sc.

Manaus - 2006

Proposta de Implementação de uma Plataforma de Comunicação Sem Fio Baseado no Padrão TIA/EIA-485

Márcia Noguchi

TRABALHO DE FINAL DE CURSO SUBMETIDO À BANCA EXAMINADORA DESIGNADA PELO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE COMUNICAÇÕES DO INSTITUTO DE ENSINO SUPERIOR FUCAPI - CESF, COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS À OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO DE COMUNICAÇÕES.

Aprovada por:

Vanderson de Lima Reis, B.Sc.

Waldir Sabino da Silva Júnior, M.Sc.

Rodrigo Carlos Silva e Silva, B.Sc.

Manaus 2006

Proposta de Implementação de uma Plataforma de Comunicação Sem Fio Baseado no Padrão TIA/EIA-485

MÁRCIA NOGUCHI

Junho/2006

Orientador: B.Sc. Vanderson de Lima Reis

Engenharia de Comunicações

Dadas as necessidades de obter informações em curto espaço de tempo, com segurança e de forma íntegra, as tecnologias baseadas em comunicação sem fio vêm apresentando um intenso progresso nos últimos anos, e atualmente se faz presente em ambientes diversificados com variados tipos de soluções. O presente trabalho tem como proposta a implementação de uma plataforma de transmissão de dados através de um módulo de comunicação sem fio utilizando o protocolo TIA/EIA-485.

Palavras Chaves: comunicação serial, comunicação sem fio, controle remoto.

Proposta de Implementação de uma Plataforma de Comunicação Sem Fio Baseado no Padrão TIA/EIA-485

MÁRCIA NOGUCHI

Junho/2006

Orientador: B.Sc. Vanderson de Lima Reis

Engenharia de Comunicações

Given the needs to obtain information in short space of time, with safety and in an entire way, the technologies based on wireless communication come presenting an intense progress in the last years, and nowadays makes present in environments diversified with varied class of solutions. The present work has as proposal the implementation of a platform of transmission of data through a communication module without thread using the protocol TIA/EIA-485.

Key words: communication serial, communication wireless, remote control.

Aos

meus

pais

Ishiko

e

Kazunori

Noguchi pelo apoio, paciência e amor dedicados a mim em toda a minha vida.

Agradecimentos

Muitas pessoas colaboraram para a realização deste trabalho de maneira direta e indireta. E é com imensurável gratidão e alegria que registro aqui meu carinho e agradecimento. - Ao meu Senhor e Salvador Jesus Cristo que, com sua infinita graça e misericórdia, me chamou das trevas para sua maravilhosa luz. - Ao orientador Prof. Vanderson Reis, por sua experiência e disposição em guiarme durante todo este trabalho. - Ao corpo docente do Instituto de Ensino Superior CESF que não só ministrou com louvor as diciplinas, como também incentivou atingir este alvo, em especial aos professores Waldir Sabino e Amilton Francisco. - Aos mais queridos amigos obtidos nesta caminhada de graduação, estando sempre presentes com carinho e confiança não permitindo que eu desistisse deste trabalho:

Higor,

Elizandra,

Augusto,

Olizete,

Rebeca,

Ledayana,

Jucilene,

Leonardo e Denis. Sem vocês estes anos de estudos seriam mais penosos de prosseguir. - Aos meus pais, Ishiko e Kazunori Noguchi pela educação, paciência e amor prestados em minha vida. - Aos amados irmãos em Cristo que, estando presentes ou distantes em outras cidades, me incentivaram com carinho até o fim desta caminhada: Oliveiras, Yanais, Menezes, Souza, Suzukis, Yoshidomes, Yae, e em especial a querida e paciente Mendes. Meu eterno louvor ao Senhor Deus por cada um de vocês. - Aos estimados amigos da Proview pelas constantes alegrias proporcionadas durante o labor, encorajando-me neste trabalho: Tatiane, Susy, Janecleide, Francely, Edivaldo, Elson e Mário. Que o Senhor os guarde sempre.

Engenharia de Comunicações – FUCAPI/CESF

Sumário Sumário

.................................................................................................................viii

Lista de Figuras ............................................................................................................. ix Lista de Tabelas.............................................................................................................. x Capítulo 1: Introdução ................................................................................................11 1.1

Objetivo Geral ..........................................................................................11

1.2

Organização do Trabalho.........................................................................11

Capítulo 2: Fundamentos Teóricos.............................................................................12 2.1

Transmissão de Dados ............................................................................12

2.2

Método de Sincronismo............................................................................15

2.3

Estrutura e Pinagem.................................................................................16

2.4

Padrões de Comunicação ........................................................................22

2.4.1

Padrão RS-232.........................................................................................24

2.4.2

Padrão RS-423.........................................................................................26

2.4.3

Padrão RS-422.........................................................................................29

2.4.4

Padrão RS-485.........................................................................................31

Capítulo 3: Plataforma de Comunicação Sem Fio......................................................33 3.1

Módulo de Comunicação Wi. 232DTS .....................................................34

3.1.1

Especificações Técnicas ..........................................................................36

3.2

Protocolo de Comunicação ......................................................................40

3.3

Conversores .............................................................................................41

Capítulo 4: Conclusão ................................................................................................44 Referências Bibliográficas ............................................................................................45 Anexos

.................................................................................................................46

viii

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Lista de Figuras Figura 2.1 – Modo de transmissão simplex, half-duplex e full-duplex. .........................13 Figura 2.2 – Ilustração de transmissão paralela. ..........................................................14 Figura 2.3 – Estrutura de um bloco assíncrono. ...........................................................16 Figura 2.4 – Conexão de um DTE com um DCE. .........................................................17 Figura 2.5 – Conectores DB9 e DB25, macho e fêmea................................................17 Figura 2.6 – Tensão de entrada da porta TTL. .............................................................24 Figura 2.7 – Nível de tensão do padrão RS-232...........................................................25 Figura 2.8 – Nível de tensão do padrão RS-423...........................................................26 Figura 2.9 – Nível de tensão do padrão RS-422...........................................................29 Figura 2.10 – Topologia de uma rede RS-485..............................................................31 Figura 2.11 – Nível de tensão do padrão RS-485.........................................................32 Figura 3.1 – Diagrama em blocos da plataforma de comunicação...............................33 Figura 3.2 – Circuito da plataforma de comunicação sem fio .......................................34 Figura 3.3 – Pinagem do módulo Wi.232DTS...............................................................36 Figura 3.4 –CI MAX232 ................................................................................................42 Figura 3.5 – Circuito esquemático dos CI reguladores de tensão ................................43

ix

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Lista de Tabelas Tabela 2.1 – Sinais de terra do padrão RS-232 ...........................................................18 Tabela 2.2 – Sinais do canal de comunicação primário do padrão RS-232 .................18 Tabela 2.3 – Sinais do canal de comunicação secundário do padrão RS-232.............19 Tabela 2.4 – Sinais de controle e de status de modem do padrão RS-232..................20 Tabela 2.5 – Sinais de transmissão e recepção de tempos do padrão RS-232. ..........21 Tabela 2.6 – Sinais de Teste do Canal de Comunicação do padrão RS-232...............22 Tabela 2.7 – Especificações técnicas do padrão RS-232. ...........................................25 Tabela 2.8 – Sinal e pinagem do padrão RS-423. ........................................................27 Tabela 2.9 – Especificações técnicas do padrão RS-423. ...........................................28 Tabela 2.10 – Especificações do padrão RS-422.........................................................30 Tabela 2.11 – Comparativo dos padrões RS-232, RS-423, RS-422 e RS-485. ...........32 Tabela 3.1 – Descrição de pinagem do módulo Wi.232DTS. .......................................37 Tabela 3.2 – Sinais utilizados pela UART.....................................................................38 Tabela 3.3 – Configuração do registrador regPWRMODE. ..........................................39 Tabela 3.4 – Configuração do registrador regDATARATE. ..........................................40 Tabela 3.5 – Descrição de pinagem do protocolo RS-485 para conector DB9. ...........41

x

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Capítulo 1: Introdução

A crescente exigência de informações, resultados on-line e a necessidade de um dado estar disponível em locais distintos e das formas mais rápidas possíveis, fazem com que as redes de comunicação estejam cada vez mais presentes no nosso dia-a-dia, levando-nos a recorrer a novos meios de estabelecer a comunicação, especialmente através do uso das novas tecnologias. Neste trabalho, abordar-se-á um dos segmentos que tem se destacado e avançado durante os últimos anos, que é a transmissão de dados sem a utilização de fios ou cabos.

1.1 Objetivo Geral Este trabalho tem como principal objetivo a implementação de uma plataforma de comunicação sem fio através do uso de um módulo de comunicação sem fio baseado no protocolo TIA/EIA-485. Para tal, fez-se necessário a compilação de informações pertinentes ao sistema de comunicação serial utilizando o mesmo protocolo.

1.2 Organização do Trabalho O presente trabalho é dividido em quatro capítulos, os quais são previamente descritos a seguir: Capítulo 1: capítulo de introdução, descrevendo os principais pontos a serem abordados no conteúdo deste trabalho, bem como o seu objetivo. Capítulo

2:

capítulo

referente

à

revisão

bibliográfica

do

trabalho,

descrevendo conceitos e principais características da comunicação serial, servindo como alicerce para o próximo capítulo. Capítulo 3: capítulo referente ao desenvolvimento prático, descrevendo as etapas do progresso do trabalho. Capítulo 4: capítulo referente às conclusões sobre a proposta de implementação da plataforma de comunicação sem fio.

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Capítulo 2: Fundamentos Teóricos

Neste capítulo, serão expostos alguns conceitos básicos sobre transmissão de dados e comunicação serial que nos auxiliarão para melhor adentrarmos no projeto propriamente dito.

2.1 Transmissão de Dados Basicamente, o meio de transmissão é composto por um conjunto de recursos e princípios que tornam possível a transmissão da informação entre dois pontos em uma rede de comunicação [1]. Em si tratando do modo em que a informação flui pelo meio, pode-se destacar os seguintes canais de comunicação, ilustrados na Figura 2.1. Simplex: ocorre quando a comunicação é realizada em um único sentido, tendo em uma extremidade um dispositivo apenas transmissor, e noutra, um dispositivo apenas receptor. Half-Duplex: uma comunicação é dita half-duplex quando há, em ambas as extremidades, dispositivos capazes de transmitir e receber informação, todavia, não simultaneamente. Neste modo, diferentemente do modo simplex, há a possibilidade em que o transmissor poderá assumir a função de receptor, e o receptor exercer a função de transmissor. Full-Duplex: uma transmissão full-duplex dar-se quando a informação pode ser transmitida e recebida simultaneamente e em ambos os sentidos.

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Figura 2.1 – Modo de transmissão simplex, half-duplex e full-duplex.

Existem dois modos como os bits de informação transmitidos podem ser delimitados e encaminhados ao longo da linha de comunicação, são eles: transmissão paralela e transmissão serial abordados a seguir. Na transmissão paralela [2], um grupo de bits (bytes) é transmitido de uma só vez, simultaneamente, através de várias linhas condutoras dos sinais em paralelo. Como a cada ciclo, diversos bits são enviados, a taxa de transferência de dados é alta. Ao utilizar o processo de transferência em paralelo, implica-se uma atenção especial quanto ao meio físico, isto é, o cabo de conexão entre o dispositivo e a interface. A passagem dos bits até a extremidade oposta deve ocorrer de forma simultânea, onde serão re-agrupados em bytes. Devido a pequenas diferenças físicas do cabo, a velocidade de propagação dos sinais em cada fio poderá variar ocasionando a perda da informação se, por exemplo, o comprimento do cabo for grande demais. Por esse motivo, o comprimento dos cabos paralelos é limitado em até um máximo de 1,5 metros. Na Figura 2.2, tem-se um exemplo de envio de 8 bits (1 byte) de uma só vez, onde, no total, serão necessárias 10 linhas para realizar a transmissão. Dentre as dez, oito serão utilizadas para o envio de um bit através de cada linha. As outras duas, são o ground (GND) ou referência, e o strobe (STB) que verifica se todas as linhas estão na tensão correta e informa ao receptor que pode ler a informação.

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Figura 2.2 – Ilustração de transmissão paralela.

A transmissão paralela é muito rápida, pois o caractere é enviado instantaneamente e por completo, porém devido à quantidade de fios necessários para se realizar essa transmissão, seu custo é elevado. Na transmissão serial [2], têm-se somente duas linhas para enviar a informação, na qual uma linha é a referência, e a outra é a linha de sinal. Dessa maneira, os bits são enviados um de cada vez, requerendo um protocolo entre o emissor e receptor para marcar o início dos dados, a velocidades dos bits e outras características da transmissão que dependerão do tipo de protocolo empregado. Após o envio dos bits, no receptor serão contados e, ao formar oito bits, serão recompostos os bytes originais. Em caso de erro, neste modo de transmissão a informação é afetada uniformemente, pois todos os bits são enviados por um mesmo par de fios. A necessidade de sincronização durante a transmissão e recepção de bits entre os dispositivos atribui-se ao fato de, caso esta sincronização não exista, o transmissor pode enviar dados no instante em que o receptor não esteja preparado para recebê-los e reciprocamente. A seguir, dois diferentes métodos de sincronismo: transmissão síncrona e assíncrona.

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2.2 Método de Sincronismo No modo chamado de transmissão síncrona [3], a informação é enviada de tal forma que o destinatário possa recebê-la adequadamente. Para que isso ocorra, os dados devem ser interpretados corretamente pelo receptor. Durante a transmissão, um sinal de sincronismo é mantido entre o emissor e o receptor, onde há um fluxo contínuo de bits eliminando a necessidade de ressincronização dos dispositivos quando um novo bloco é transmitido. Eventualmente, haverá circunstâncias em que um bloco de informação deverá ser enviado novamente, como por exemplo, quando o dado for demasiadamente longo. Neste caso, caracteres de sincronização diferenciados dos demais serão enviados no interior do bloco. O bloco é composto dos seguintes caracteres: SYN: A função desde caractere no bloco é tornar estável e manter a sincronização ocupando o tempo quando não houver dado ou caractere de controle; Informação: É este caractere que conterá os dados a serem enviados para o receptor; BCC (Block Check Character): Caractere empregado para verificação de erros de transmissão. Na hipótese de ocorrer o erro, será solicitada a retransmissão do bloco. Algumas vantagens da transmissão síncrona sobre a transmissão assíncrona que será descrito logo a seguir são o seu melhor desempenho na velocidade de transmissão, pois não possui os delimitadores de caractere start bits e stop bits, além de utilizar os buffers para armazenar as informações antes da transmissão ou na recepção. Proporciona melhor proteção contra erros devido à existência do caractere BBC no final de cada bloco enviado. Também conhecida como “star-stop”, o modo de transmissão assíncrono, a informação é enviada caractere por caractere em intervalos de tempos variáveis. Cada bloco é iniciado com um bit de início (start bit) e finalizado com um bit de fim (stop bit) que permitem ao dispositivo receptor igualar-se ao tempo e velocidade do sinal transmitido. Além do start bit e stop bit, no bloco também é adicionado o bit de paridade.

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Para que não haja perca do sincronismo entre os dispositivos de transmissão e recepção, a informação deve ser de pouca extensão.

Bit de início (1)

Bit de Dados (7-8)

Bit de Paridade (0-1)

Bit de Fim

Figura 2.3 – Estrutura de um bloco assíncrono.

Bit de início (start bit): indica que um bloco está começando, informando ao receptor para sincronizar-se com a mensagem; Bit de dados: é constituído de 7 ou 8 bits contendo a informação a ser transmitida; Um ou mais bits de fim (stop bit): indica o fim do bloco de informação; Bit de paridade: utilizado como meio de detecção de erros. O bit será configurado em 0 ou 1 assegurando que o número total de bits 1 no campo de dados seja par ou ímpar. Por exemplo, se adicionarmos um bit de paridade extra a cada byte transmitido, um erro pode ser detectado quando a paridade do byte não igualado com o bit de paridade.

Devido ao volume de acréscimo de dados de controle no bloco de informação a cada caractere, a transmissão assíncrona, apesar de ser uma tecnologia simples e de baixo custo, não é eficiente para transmissão de grande quantidade de dados.

2.3 Estrutura e Pinagem

Os dispositivos que realizam a comunicação serial são classificados como: DTE (Data Terminal Equipament ou Equipamento terminal de dados) e DCE (Data Communication Equipament ou Equipamento de comunicação de dados). O DTE é qualquer equipamento terminal de dados composto por uma fonte de dados (gerador de dados) ou um receptor de dados, ou por um gerador e um receptor em conjunto. O equipamento pode ser origem ou destino de informação.

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O DCE é qualquer equipamento que possibilite a comunicação de dados, como por exemplo, modem. Por esse dispositivo é que os dados trafegam. Na Figura 2.4, tem-se a ilustração de uma conexão de um DTE com um DCE.

Figura 2.4 – Conexão de um DTE com um DCE. (pinagem para conector de 25 pinos)

Dentre os conectores frequentemente utilizados para comunicação serial, temse o DB9, DB25, ambos na versão macho e fêmea como ilustrados na Figura 2.5.

Macho

Fêmea

Figura 2.5 – Conectores DB9 e DB25, macho e fêmea.

Os sinais do padrão RS-232 podem ser classificados em 6 categorias: 1. Sinais de Terra (Tabela 2.1) Shield: é a malha de aterramento do cabo e carcaça do conector. Ground: é utilizado como referência para outros sinais

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Tabela 2.1 – Sinais de terra do padrão RS-232 Sinais de Terra Pino

Sinal

1

Shield

7

Ground (GND)

2. Canal de Comunicação Primário (Tabela 2.2) Transmitted Data (TxD): Este sinal está ativo quando dados estiverem sendo transmitidos do DTE para o DCE. Quando nenhum dado estiver sendo transmitido, o sinal é mantido na condição de marca (nível lógico “1”, tensão negativa). Received Data (RxD): Este sinal está ativo quando o DTE receber dados do DCE. Quando o DCE estiver em repouso, o sinal é mantido na condição de marca (nível lógico “1”, tensão negativa). Request To Send (RTS): Este sinal é habilitado (nível lógico “0”) para preparar o DCE para aceitar dados transmitidos pelo DTE. Esta preparação inclui a habilitação dos circuitos de recepção, ou a seleção a direção do canal em aplicações half-duplex. Quando o DCE estiver pronto, ele responde habilitando o sinal CTS. Clear To Send (CTS): Este sinal é habilitado (nível lógico “0”) pelo DCE para informar ao DTE que a transmissão pode começar. Os sinais RTS e CTS são comumente utilizados no controle do fluxo de dados em dispositivos DCE.

Tabela 2.2 – Sinais do canal de comunicação primário do padrão RS-232 Canal de Comunicação Primário Pino

Sinal

2

Transmitted Data (TxD)

3

Received Data (RxD)

4

Request To Send (RTS)

5

Clear To Send (CTS)

3. Canal de Comunicação Secundário (Tabela 2.3) Secondary Transmitted Data (STxD): Equivalente ao sinal TxD, porém válido para o canal secundário.

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Secondary Received Data (SRxD): Equivalente ao sinal RxD, porém válido para o canal secundário. Secondary Request To Send (SRTS): Equivalente ao sinal RTS, porém válido para o canal secundário. Secondary Clear To Send (SCTS): Equivalente ao sinal CTS, porém válido para o canal secundário.

Tabela 2.3 – Sinais do canal de comunicação secundário do padrão RS-232 Canal de Comunicação Secundário Pino

Sinal

14

Secondary Transmitted Data (STxD)

16

Secondary Received Data (SRxD)

19

Secondary Request To Send (SRTS)

13

Secondary Clear To Send (SCTS)

4. Sinais de Controle e de Status de Modem (Tabela 2.4) DCE Ready (DSR): Também chamado de Data Set Ready. Quando originado de um modem, este sinal é habilitado (nível lógico “0”) caso os seguintes pontos forem satisfeitos: 1 - O modem estiver conectado a uma linha telefônica ativa e “fora do gancho”; 2 - O modem estiver no modo dados; 3 – O modem tiver completado a discagem e está gerando um tom de resposta. Se a linha for tirada do gancho, uma condição de falha for detectada, ou uma conexão de voz for estabelecida, o sinal DSR é desabilitado (nível lógico “1”). DTE Ready (DTR): Também chamado de Data Terminal Ready. Este sinal é habilitado (nível lógico “0”) pelo DTE quando for necessário abri o canal de comunicação. Se o DCE for um modem, a habilitação do sinal DTR prepara o modem para ser conectado ao circuito do telefone, e uma vez conectado, mantém a conexão. Quando o sinal DTR for desabilitado (nível lógico “1”), o modem muda para a condição “no gancho” e termina a conexão.

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Received Line Signal Detector (CD): Também chamado de Data Carrier Detect (DCD). Este sinal é relevante quando o DCE for um modem. Ele é habilitado (nível lógico “0”) quando a linha telefônica está “fora do gancho”, uma conexão for estabelecida, e um tom de resposta começar a ser recebido do modem remoto. Este sinal é desabilitado (nível lógico “1”) quando não houver tom de resposta sendo recebido, ou quando o tom de resposta for de qualidade inadequada para o modem local. Secondary Received Line Signal Detector (SCD): Este sinal é equivalente ao CD, porém refere-se ao canal de comunicação secundário. Ring Indicator (RI): Este sinal é relevante quando o DCE for um modem, e é habilitado (nível lógico “0”) quando um sinal de chamada estiver sendo recebido na linha telefônica. A habilitação desse sinal terá aproximadamente a duração do tom de chamada, e será desabilitado entre os tons ou quando não houver tom de chamada presente. Data Signal Rate Selector: Este sinal pode ser originado tanto no DTE quanto no DCE (mas não em ambos), e é usado para selecionar um de dois “baud rates” pré-configurados. Na condição de habilitação (nível lógico “0”) o “baud rate” mais alto é selecionado.

Tabela 2.4 – Sinais de controle e de status de modem do padrão RS-232. Sinais de Controle e de Status de Modem Pino

Sinal

6

DCE Ready (DSR)

20

DTE Ready (DTR)

8

Received Line Signal Detector (CD)

12

Secondary Received Line Signal Detector (SCD)

22

Ring Indicator (RI)

23

Data Signal Rate Selector

5. Sinais de Transmissão e Recepção de Tempos (Tabela 2.5) Transmitter Signal Element Timing (TC): Também chamado de Transmitter Clock (TxC). Este sinal é relevante apenas quando o DCE for um modem e operar com um protocolo síncrono. O modem gera este sinal de clock para controlar exatamente a taxa na qual os dados

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estão sendo enviado pelo pino TxD, do DTE para o DCE. A transição de um nível lógico “1” para nível lógico “0” nessa linha causa uma transição correspondente para o próximo bit de dado na linha TxD. Receiver Signal Element Timing (RC): Também chamado de Receiver Clock (RxC). Este sinal é similar ao sinal TC descrito acima, exceto que ele fornece informações de temporização para o receptor do DTE. Transmitter Signal Element Timing (ETC): Também chamado de External Transmitter Clock. Os sinais de temporização são fornecidos externamente pelo DTE para o uso por um modem. Este sinal é utilizado apenas quando os sinais TC e RC não estão sendo utilizados.

Tabela 2.5 – Sinais de transmissão e recepção de tempos do padrão RS-232. Sinais de Transmissão e Recepção de Tempos Pino

Sinal

15

Transmitter Signal Element Timing (TC)

17

Receiver Signal Element Timing (RC)

24

Transmitter Signal Element Timing (ETC)

6. Sinais de Teste do Canal de Comunicação (Tabela 2.6) Local Loopback (LL): Este sinal é gerado pelo DTE e é usado para colocar o modem no estado de teste. Quando o sinal LL for habilitado (nível lógico “0”), o modem redireciona o sinal de saída modulado, que normalmente vai para a linha telefônica, de volta para o circuito de recepção. Isto habilita a geração de dados pelo DTE serem ecoados através do próprio modem. O modem habita o sinal TM reconhecendo que ele está na condição de “loopback”. Remote Loopbalk (RL): Este sinal é gerado pelo DTE e é utilizado para colocar o modem remoto no estado de teste. Quando o sinal RL é habilitado (nível lógico “0”), o modem remoto redireciona seus dados recebidos para a entrada, voltando para o modem local. Quando o DTE inicia esse teste, o dado transmitido passa através do modem local, da linha telefônica, do modem remoto, e volta, para exercitar o canal e confirmar sua integridade.

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Test Mode (TM): Este sinal é relevante apenas quando o DCE é um modem. Quando habilitado (nível lógico “0”), indica que o modem está em condição de teste local (LL) ou remoto (RL).

Tabela 2.6 – Sinais de Teste do Canal de Comunicação do padrão RS-232. Sinais de Teste do Canal de Comunicação Pino

Sinal

18

Local Loopback (LL)

21

Remote Loopbalk (RL)

25

Test Mode (TM)

Os tipos de ligações podem variar da seguinte forma: DTE: Equipamento terminal de dado no quais os dados chega e fica, não continuam como no caso do modem. Exemplo: impressora. DTE – DTE: Interface entre equipamento terminal de dados para equipamento terminal de dados. DCE: Equipamento de comunicação de dados no quais os dados chega e continua. Exemplo: modem DTE-DCE: Interface entre equipamento terminal de dados e equipamento de comunicação de dados.

2.4

Padrões de Comunicação Com o inevitável crescimento tecnológico do meio de comunicação, houve-se a

necessidade de padronizar as interfaces utilizadas nos equipamentos. Mas antes de penetrar neste assunto, um breve histórico sobre o surgimento do padrão de comunicação será abordado. A Aliança das Indústrias Eletrônicas, designada até 1997 pelo nome Electronic Industries Association, é uma organização privada para as indústrias de produtos eletrônicos nos Estados Unidos. Sendo credenciada pela ANSI (American National Standards Institute) e também parceira de inúmeras empresas de eletrônica de alta tecnologia, a EIA tem como compromisso favorecer o progresso do mercado através de serviços e produtos

22

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desde componentes eletrônicos até sistemas complexos utilizados pela defesa, espaço e indústria incluindo uma diversidade de produtos eletrônicos de consumo. Dentre os mais diversificados serviços oferecidos pela EIA, a seguir será aprofundado o desenvolvimento de padrões. Para que haja comunicação entre os dispositivos, faz-se necessário que estejam utilizando protocolos e especificações elétricas compatíveis. A partir dessa necessidade, com o intuito de possibilitar a transmissão de uma informação elétrica, a EIA desenvolveu vários padrões que tratam das transmissões de dados. Tais padrões foram desenvolvidos para garantir a compatibilidade entre dispositivos de fabricantes diferentes, permitindo que se obtenha um resultado aceitável dentro das especificações relacionadas com a distância e taxa de transferência dos dados. Basicamente, há dois métodos em que o sinal lógico é transmitido em um fio ou cabo: Single-ended (SE): É o método mais simples de transmitir um sinal elétrico. Representando o sinal elétrico, um fio carrega uma tensão, enquanto que o outro fio está conectado ao terra. A vantagem de se empregar este processo é que poucos fios são utilizados para transmitir múltiplos sinais. Se houver n sinais a transmitir, então serão necessário n+1 fios, sendo um para cada sinal e mais um para o terra. Sua desvantagem é fazer uso de um mesmo fio para a corrente de retorno de todos os sinais, podendo, dessa forma, ocasionar alguma interferência entre os sinais e limitando a largura de banda. Diferencial: Também chamada de balanceada, neste método o sinal elétrico é transmitido em pares de fios. Um fio transporta o sinal, e noutro fio o mesmo sinal, mas invertido, de forma que a soma das tensões em ambos os fios seja constante e com a finalidade de reduzir o ruído através do modo comum de interferência (commonmode interference). Os fios são distribuídos paralelamente de maneira que recebam a mesma interferência. Ao invés de ler um único sinal, o dispositivo receptor lê a diferença entre os dois sinais. O sistema diferencial será imune à maioria das interferências elétricas caso baixe o nível de tensão em ambos os fios. No princípio, os padrões eram identificados com o prefixo RS indicando Recommended Standard (padrão recomendado). No entanto, atualmente para identificar a organização de padrões é adicionado o prefixo EIA. Neste trabalho, será utilizado o prefixo RS para indicar o padrão de comunicação. A seguir, têm-se alguns dos padrões utilizados especificamente para transmissão de dados serial.

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2.4.1 Padrão RS-232 No início dos anos 60, o padrão RS-232 foi muito utilizado em conexões entre um teletipo1 e um modem, ou entre mainframes e terminais de computador. Após algumas revisões, o padrão foi utilizado em grande escala em diversos tipos de comunicação remota, principalmente por modems [4]. Em aplicações se faz necessário a utilização de circuitos que convertam os níveis TTL (lógica transistor-transistor) para os estabelecidos pela interface e igualmente para o caminho inverso. Dentre a maioria dos circuitos digitais de alta velocidade, a família TTL é a que possui maior destaque pelo seu tempo reduzido de transição de um nível lógico para outro. Sua tensão de alimentação é de +5 volts, podendo variar entre 4,5 volts e 5,5 volts [5]. Considera-se em nível baixo, quando a porta TTL tiver na entrada de 0 volt e 0,8 volts, e em nível alto quando a tensão está entre 2 volts e 5 volts, como ilustrado na Figura 2.6.

5V

Tensão de entrada reconhecida como nível alto ou 1

2V 0,8 V

Tensão de entrada reconhecida como nível baixo ou 0

0V

Figura 2.6 – Tensão de entrada da porta TTL.

A porta TTL irá admitir nível indeterminado (alto ou baixo) quando a tensão de entrada estiver entre 0,8 volts e 2 volts, porém a transmissão não está isenta de ruídos e, estando nesse período, o receptor poderá também interpretar como nível alto de tensão dado que o ruído aumente a tensão de saída do transmissor [6]. O padrão RS-232 foi criado com o intuito de evitar esse erro na transmissão. O nível baixo (lógica 0) é interpretado quando as tensões estão entre +3 volts e +15 volts

1

Equipamento eletromecânico com teclado e sistema de impressão próprio, de comunicação assíncrona.

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e, em nível alto (lógica 1), quando estão entre -3 volts e -15 volts, como representado na Figura 2.7.

Figura 2.7 – Nível de tensão do padrão RS-232.

O padrão RS-232 é recomendado para distâncias curtas (até 15,24 metros) com transmissão de dados em taxas relativamente baixas de até 20 Kbps. Na Tabela 2.7, têm-se algumas especificações técnicas como o comprimento máximo dos cabos de 15,24 metros, a taxa de dados máxima de 20 kbps, o modo de operação single-ended.. Tabela 2.7 – Especificações técnicas do padrão RS-232. Especificação

RS-232

Modo de operação

Single-ended

Número total de drivers e receivers por linha Comprimento máximo de cabo (metros)

1 driver e 1 receiver 15,24

Taxa de dados máxima

20 kbps

Modo de Operação

Half duplex Full duplex

Topologia de Rede

Ponto-a-ponto

Tensão máxima na saída do driver

+/- 25 V

Nível do sinal de saída do driver – Loaded

+/- 5 V a +/- 15 V

Nível do sinal de saída do driver - Unloaded

+/- 25 V

Impedância do driver (Ohms)

3ka7k

Corrente máxima do driver - alta impedância | Power On

N/A

Corrente máxima do driver - alta impedância | Power Off

+/- 6µA

Taxa de variação (máxima)

30 V/µS

Faixa de voltagem de entrada do receiver

+/-15 V

25

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Sensibilidade de entrada do receiver

+/-3 V

Resistência de entrada do receiver (Ohms)

2.4.2

3ka7k

Padrão RS-423

O padrão RS-423 foi inicialmente projetado para ser o sucessor do padrão RS232. É um padrão de comunicação sigle-ended que define uma interface unidirecional entre transmissor e receptor. A velocidade da taxa de transmissão é de no máximo 100 kbps e o comprimento máximo do cabo depende da velocidade e da capacidade do cabo. Para taxa de dados de 1 kbps, o cabo deverá ser de até 1,219 kilometros, e para 100 kbps, de até 15 metros de comprimento. O nível baixo (lógica 0) está entre as tensões de +200 milivolts a +6 volts, e o nível alto (lógica 1), entre -200 milivolts e -6 volts, ilustrados na Figura 2.8.

Figura 2.8 – Nível de tensão do padrão RS-423.

A maioria dos sinais RS-423 são síncronos, mas podem-se encontrar sinais assíncronos em conectores RJ, DB9, DB15 e terminais de parafuso (4 wire screwposts 2). O padrão RS-423 geralmente é utilizado em conectores DB25 ou DB37. Na Tabela 2.8 têm-se os sinais e a pinagem de ambos os conectores. Os tipos de sinais específicos utilizados no RS-423 são:

2

Tipo de conector que possui orifícios com parafuso para fixar os fios de comunicação.

26

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Data Circuits: informação binária em série do DTE ao DCE ou do DCE ao DTE. Control Signals: Sinais que controlam a operação do DCE ou do DTE Timing Circuits: São os sinais do pulso de disparo que são enviados de um DCE a um DTE ou de um DTE a um DCE com a finalidade de sincronizar os dados a transmitir ou os dados a receber. Tabela 2.8 – Sinal e pinagem do padrão RS-423. DB25

Sinal

DB37

1

Shield (A)

1

2

Transmit Data (A)

4

14

Transmit Data (B)

22

3

Receive Data (A)

6

16

Receive Data (B)

24

4

Request to Send (A)

7

19

Request to Send (B)

25

5

Clear to Send (A)

9

13

Clear to Send (B)

27

6

Dataset Ready (A)

11

22

Dataset Ready (B)

29

7

Ground

19

8

Receive Line Signal Detect (A)

13

10

Receive Line Signal Detect (B)

31

17

Receive Timing (A)

8

9

Receive Timing (B)

26

24

External Timing (A)

17

11

External Timing (B)

35

15

Transmit Timing (A)

5

12

Transmit Timing (B)

23

18

Local Loopback

10

20

Data Terminal Ready (A)

12

23

Data Terminal Ready (B)

30

21

Remote Loopback

14

25

Test Mode Indicator

18

Signal Rate Indicator

2

Incoming Call

15

Select Frequency

16

Receive Common

20

Terminal In Service

28

Select Standby

32

Signal Quality

33

27

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New Signal

34

Standby/Indicator

36

Send Common

37

Na Tabela 2.9, encontra-se algumas especificações técnicas do padrão RS423, dentre as quais se podem destacar o modo de operação half duplex, a taxa máxima de dados de 100 kbps, o modo de operação single-ended.

Tabela 2.9 – Especificações técnicas do padrão RS-423. Especificação

RS-423

Modo de operação

Single-ended

Número total de drivers e receivers por linha

1 driver e 10 receivers

Comprimento máximo de cabo (metros)

1.219

Taxa de dados máxima

100 kbps

Modo de Operação

Half duplex

Topologia de Rede

Multi-drop 3

Tensão máxima na saída do driver

+/- 6 V

Nível do sinal de saída do driver – Loaded Nível do sinal de saída do driver - Unloaded

+/- 6 V

Impedância do driver (Ohms)

>= 450

Corrente máxima do driver - alta impedância | Power On

N/A

Corrente máxima do driver - alta impedância | Power Off

+/- 100 µA

Taxa de variação (máxima)

Ajustável

Faixa de voltagem de entrada do receiver Sensibilidade de entrada do receiver

+/-12 V +/-200 mV

Resistência de entrada do receiver (Ohms)

3

+/- 3,6 V

4k

Tipo de comunicação onde apenas um transmissor pode ser conectado a vários receptores.

28

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2.4.3 Padrão RS-422 Ao comunicar-se em taxa de dados elevadas, ou em distâncias longas, o método sigle-ended se torna impróprio. A Transmissão de dados diferencial proporciona um desempenho superior na maioria aplicações. Os sinais diferenciais ajudam a eliminar os sinais de ruído que podem surgir durante uma comunicação. O padrão RS-422 foi projetado para distâncias maiores e com taxas de dados mais elevadas que o RS-423. Os sinais operam no modo diferencial, podendo chegar a uma taxa de transmissão de 10 Mbps em distâncias de até 304,8 metros. Com uma taxa de transmissão mais baixa de 100 kbps, pode-se chegar a uma distância de 1.219,2 metros. O RS-422 é um padrão de comunicação serial que descreve comunicações de terminais de parafuso, full-duplex, linha diferencial e multi-drop, porém não permite múltiplos drivers, somente múltiplos receptores (no máximo 10), sendo este o motivo de sua aplicação em redes multi-drop. As conexões mecânicas do RS-422 são especificadas por RS-530 [7] para o conector DB25 ou RS-449 [8] para o conector DB37. No entanto, existem no mercado dispositivos que possuem 4 terminais de parafuso para implementar os pares de transmissão e recepção somente. Como ilustrado na Figura 2.9, o padrão RS-422 trabalha na lógica 0 quando o nível de tensão encontra-se entre +200 milivolts e +6 volts, e na lógica 1 ao estar entre -200 milivolts e -6 volts.

Figura 2.9 – Nível de tensão do padrão RS-422.

29

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Na Tabela 2.10, tem-se listado algumas especificações técnicas onde se pode destacar a maior eficiência do padrão RS-422 sobre o padrão RS-423 na característica de taxa máxima de transmissão sendo de 10 Mbps.

Tabela 2.10 – Especificações do padrão RS-422. Especificação

RS-422

Modo de operação

Diferencial

Número total de drivers e receivers por linha Comprimento máximo de cabo (metros)

1 driver e 10 receivers 1.219

Taxa de dados máxima

10 Mbps

Modo de Operação

Half duplex

Topologia de Rede

Multi-drop

Tensão máxima na saída do driver

-2,5 V a +6 V

Nível do sinal de saída do driver – Loaded

+/- 2 V

Nível do sinal de saída do driver - Unloaded

+/- 6 V

Impedância do driver (Ohms)

100

Corrente máxima do driver - alta impedância |

N/A

Power On Corrente máxima do driver - alta impedância |

+/- 100 µA

Power Off Taxa de variação (máxima)

N/A

Faixa de voltagem de entrada do receiver Sensibilidade de entrada do receiver

-10 V a +10 V +/-200 mV

Resistência de entrada do receiver (Ohms)

30

4k

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2.4.4 Padrão RS-485 O padrão RS-485 [9] é uma versão aperfeiçoada do RS-422, projetado principalmente para soluções em comunicação entre dispositivos múltiplos em uma única linha de dados. Possuindo um sistema de transmissão balanceado semelhante ao RS-422, o padrão RS-485 dispõe de um diferencial permitindo que até 32 dispositivos se comuniquem utilizando uma mesma linha de dados. Utilizando entradas de alta resistência, esse número pode se estender a 256 dispositivos conectados. Os repetidores RS-485 também estão disponíveis possibilitando o aumento de nós.

Figura 2.10 – Topologia de uma rede RS-485.

A Figura 2.10, mostra uma topologia geral da rede RS-485, onde ‘N’ nós são conectados em uma rede multipoint RS-485. Para alta velocidade e longa distância a fim de evitar reflexão do sinal e, consequentemente, corrupção dos dados, faz-se necessário a utilização de um resistor de 100 ohms ou 120 ohms em ambas as extremidades. O padrão RS-485 trabalha na lógica 0 quando o nível de tensão encontra-se entre +200 milivolts e +6 volts, e na lógica 1 ao estar entre -200 milivolts e -6 volts, como ilustrado na Figura 2.11.

31

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Figura 2.11 – Nível de tensão do padrão RS-485

Na Tabela 2.11, pode-se ter um ponto de vista de qual padrão utilizar neste trabalho, verificando as principais características dentre as quais o modo de operação, taxa de dados máxima e comprimento máximo do cabo.

Tabela 2.11 – Comparativo dos padrões RS-232, RS-423, RS-422 e RS-485. Especificação

RS485

Modo de operação

Diferencial

Número total de drivers e receivers por linha Comprimento máximo de cabo (metros)

32 drivers e 32 receivers 1.219

Taxa de dados máxima

10 Mbps

Modo de Operação

Half duplex

Topologia de Rede

Multi-point

Tensão máxima na saída do driver

-7 V a +12 V

Nível do sinal de saída do driver – Loaded

+/- 2 V

Nível do sinal de saída do driver - Unloaded

+/- 6 V

Impedância do driver (Ohms)

54

Corrente máxima do driver - alta impedância | Power On

+/-100 µA

Corrente máxima do driver - alta impedância | Power Off

+/-100 µA

Taxa de variação (máxima)

N/A

Faixa de voltagem de entrada do receiver

-7 V a +12 V

Sensibilidade de entrada do receiver

+/-200 mV

Resistência de entrada do receiver (Ohms)

>= 12 k

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Capítulo 3: Plataforma de Comunicação Sem Fio

No decorrer deste capítulo, serão abrangidos as características e o funcionamento da plataforma de comunicação sem fio empregando o protocolo de RS485, objeto de proposta deste trabalho. Para obtermos uma melhor visão, será exposta a plataforma em blocos: protocolo de comunicação, conversores de tensão e o módulo de comunicação Wi.232DTS, como ilustrado na Figura 3.1.

Protocolo de Comunicação

Conversores

Módulo de Comunicação Wi.232DTS

Figura 3.1 – Diagrama em blocos da plataforma de comunicação

O módulo Wi.232DTS, fabricado pela empresa Radiotronix, suporta aplicações orientadas à comunicação sem fio e radiofreqüência, oferecendo ampla vantagens em automação industrial e residencial, segurança, controle remoto e entre outros. Para suceder a comunicação entre o protocolo de comunicação RS-485 com o módulo Wi.232DTS [10], fez-se necessário empregarmos um conversor de tensão e dois reguladores de tensão em virtude do módulo não possuir compatibilidade de tensão com o protocolo RS-485. Desenvolvido no software Orcad [11], na Figura 3.2 tem-se um esquema do circuito da plataforma de comunicação sem fio.

33

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Figura 3.2 – Circuito da plataforma de comunicação sem fio

Vejamos nas próximas sessões cada bloco detalhadamente.

3.1 Módulo de Comunicação Wi. 232DTS Atualmente, em si tratando de solução para comunicação wireless embarcado, há várias opções que um desenvolvedor de sistemas embarcados possa escolher como, por exemplo, Bluetooth [1] ou Wi-Fi (Wireless Fidelity) [1]. O módulo de comunicação Wi.232DTS, fabricado pela empresa Radiotronix foi projetado com tecnologia WiSETM (Wireless Serial Engine), contendo um protocolo de camada MAC (Media Access Control) [1] e CSMA (Carrier Sense Multiple Access) [1]. Tem como núcleo o transceptor integrado XE1203F [12], da Xemics (atualmente adquirida pela Semtech Corporation). O WiSETM é a combinação da alto desempenho de um protocolo de controle com o estado da arte de um transceptor DTS/FSK, formando um completo dispositivo de comunicação sem fio embutido em um pequeno circuito integrado, apropriado para substituir os fios em aplicações RS-232, RS-422, RS-485. Embora seja capaz de suportar tais aplicações, o módulo não é eletricamente compatível com os mesmos, necessitando, assim, de conversores apropriados para cada um deles.

34

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O circuito integrado XE1203F com sua tecnologia TrueRFTM, requer menos filtros, reduzindo o tamanho e o custo do módulo. O módulo Wi.232DTS foi projetado para suportar aplicações poderosas, com características de radiofreqüência (RF) ou comunicação sem fio (wireless) como automação residencial e industrial, controle remoto, segurança, medicina e outros. Possui

acessibilidade

de

conexão

com

UART4

(Universal

Asynchronous

Receiver/Transmitter), precisando de menos de 1 sq. in. (0.00064516 m2) de espaço na placa e trabalha com alimentação de 2,7 volts a 3,6 volts com tolerância de até 5 volts. Opera em duas modalidades principais: low-power e DTS. No modo low-power, a saída do transmissor é de 0 dBm e a taxa de dados máxima é 38,4 kbps. Já no modo DTS, opera com saída de +11 dBm podendo utilizar a 32 canais e com taxa de dados máxima de 152,34 kbps. Nesta última modalidade, o módulo Wi232DTS trabalha com sincronização rápida permitindo duty cycles5 longos e ótimo desempenho da bateria devido ao DTS não necessitar do frequency hopping (pulos de freqüência) [13]. O módulo Wi.232DTS pode ser utilizado em grupo, onde cada módulo terá um grupo de ID (identificação) de 8 bit que será ligado logicamente com outros módulos no mesmo canal. O Wi.232DTS também pode operar em dois modos de rede: Master/Slave e Peer-to-Peer. Tais métodos estabelecem as regras de comunicação que determinam quais módulos poderão se comunicar entre si. No modo Master/Slave, mestres podem se comunicar com escravos e outros mestres, escravos comunicam-se com os mestres, mas não podem se comunicar com outro escravo. No modo peer-to-peer, qualquer módulo poderá escutar qualquer outro módulo. Quando um módulo transmite um pacote, todos os outros módulos do mesmo canal irão receber o pacote, irá verificar se contém erros e se o grupo ID enviado é para o grupo ID local. Caso não sejam detectados erros, o módulo decifrará os dados se necessário e enviará para a UART.

4

Microprocessador que contém programas para controlar a comunicação serial assíncrona entre os dispositivos. 5

Razão entre o período de pico e o período total de uma onda:

35

D

t T

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3.1.1 Especificações Técnicas Neste trabalho fez-se a utilização do pino 6 (TxD) para transmissão de dados, o pino 5 (RxD) para recepção de dados, o pino 13 (ANT) para conexão da antena, o pino 19 (VCC) para alimentação de 3 volts, e os pinos 1,12,14,15,16,17 e 18 para o aterramento do circuito. Na Figura 3.1 tem-se a pinagem geral do módulo Wi.232DTS e, em seguida, a descrição de cada pino na Tabela 3.1.

Figura 3.3 – Pinagem do módulo Wi.232DTS

Na Tabela 3.1. apresenta-se detalhado a função de cada pino, dentre os quais tem-se como os principais o ground, UART receive input, UARTtransmit output, UART clear to send output, antenna, VCC.

36

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Tabela 3.1 – Descrição de pinagem do módulo Wi.232DTS. Pino

Descrição

1

Ground

2

No connect – reserved

3

No connect – reserved

4

Command input – active low

5

UART receive input

6

UART transmit output

7

UART clear to send output – active low

8

No connect – reserved

9

No connect – reserved

10

Reserved – ISP pin

11

Reserved – ISP pin

12

Ground

13

Antenna port – 50 ohm

14

Ground

15

Ground

16

Ground

17

Ground

18

Ground

19

VCC – 2.7 to 3.6 VDC

Os sinais utilizados pela UART durante a comunicação com o módulo são: TXD, RXD, CMD e CTS, descritos na Tabela 3.2. O sinal TXD é a saída de dados do módulo, RXD é a entrada de dado no módulo. CTS é a saída que indica o estado da interface de dados do módulo. Quando estiver em high, o módulo está ocupado e o UART não enviará nenhuma informação, e quando estiver em low, o módulo está pronto para receber informação. O sinal CMD (command) é utilizado para configurar e ler os registradores internos que controlam o módulo. Quando em high, o módulo irá transferir dados de e para outros módulos do mesmo canal. O sinal CTS (clear to send) quando estiver em high, indica que está pronto para receber dado, e em low, para cessar o envio.

37

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Tabela 3.2 – Sinais utilizados pela UART. Sinal

Direção

Descrição

TXD

Out

RXD

In

Entrada de dados

CMD

In

Command

CTS

Out

Saída de dados

Clear to Send

O módulo possui registradores internos que podem ser configurados oferecendo diversas opções para melhor otimização do mesmo. Será exposto somente alguns desses registradores. No Apêndice 1, estes e outros registradores encontram-se mais detalhadamente. O módulo Wi.232DTS suporta 32 canais (0 a 31) no modo DTS e, 84 canais (0 a 83) no modo low power.(LP) Utiliza o registrador regTXCHAN como canal de transmissão, e o regRXCHAN, como canal de recepção. Todos os módulos devem estar sintonizados no mesmo canal e no mesmo modo (LP ou DTS) para se comunicarem corretamente. A equação abaixo nos ajudará a encontrar a freqüência central nos modos LP e DTS:

Fc 902,3 chan*,3MHz

Modo LP

Fc 903,0 chan*,75MHz

Modo DTS

O registrador responsável por habilitar o módulo no modo LP ou DTS é regPWRMODE. É importante ressaltar que o módulo estando configurado no modo LP não pode “ouvir” um outro módulo transmitindo em modo DTS, e vice-versa. Mas se for configurado operar em qualquer um dos outros três modos DTS e estando dentro do alcance um ao outro, o módulo poderá se comunicar com ele. Segue na Tabela 3.3, a configuração dos pinos PM1 e PM2 para escolher os modos LP ou DTS.

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Tabela 3.3 – Configuração do registrador regPWRMODE. PM1

PM0

Modo

0

0

LP (-5 dBm)

0

1

DTS (-1 dBm)

1

0

DTS (+2 dBm)

1

1

DTS (+11 dBm)

Os parâmetros assumidos pelo módulo ao ser configurado no modo DTS são: Potência TX : -1, +2, ou +11 dBm Desvio: +/- 235 kHz Corrente TX: 28 a 57 mA Corrente RX: 20 mA Largura de banda RX: 600 kHz

E para o modo LP, têm-se os seguintes parâmetros assumidos pelo módulo: Potência TX : -3.5 dBm Desvio: +/- 50 kHz Corrente TX: 24 mA Corrente RX: 20 mA Largura de banda RX: 200 kHz

O módulo Wi.232DTS oferece opção para alterar a taxa de dados através do registro regDATARATE (Tabela 3.4), lembrando que este já vem previamente configurado de fábrica para 2,4 kbps.

39

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Tabela 3.4 – Configuração do registrador regDATARATE. Baud Rate

BR2

BR1

BR0

2400

0

0

0

9600

0

0

1

19200

0

1

0

38400

0

1

1

57600

1

0

0

115200

1

0

1

Como especificado no início da seção 3.1, o módulo Wi.232DTS suporta trabalhar em dois modos de rede: Normal e Slave. O registrador regNETMODE está pré-configurado de fábrica no modo normal. Configurado no modo Normal, o módulo poderá comunicar-se com qualquer outro módulo, o que no modo slave não ocorrerá. Neste caso, o módulo poderá apenas comunicar-se com outros módulos configurados no

modo

normal, estando

impossibilitado de transmitir ou receber de outros módulos no modo slave. Para prover um bom processamento dos dados, o módulo oferece opção de configurar o buffer da UART através do registrador regUARTMTU, sendo o valor mínimo 1 e o valor máximo de 128. O valor pré-configurado é de 64.

3.2 Protocolo de Comunicação Ainda que o módulo de comunicação Wi.232DTS suporte outros protocolos (RS-232, RS-422), neste trabalho fez-se uso do padrão RS-485, como descrito suas características no Capítulo 2. Empregou-se neste projeto o DB9 como conector para interagir a plataforma com um dispositivo externo, um microcomputador, por exemplo. A configuração de pinagem do padrão RS-485 resume-se basicamente em pinos de transmissão (TXD) e recepção (RXD) de dados, um pino de aterramento (ground) e outro pino para verificação se o dispositivo está pronto para transmitir o dado (CTS). Ver Tabela 3.5.

40

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Tabela 3.5 – Descrição de pinagem do protocolo RS-485 para conector DB9. DB9

Descrição

1

Ground (GND)

2

Clear To Send (CTS +)

3

Request To Send (RTS +)

4

Received Data (RXD +)

5

Received Data (RXD -)

6

Clear To Send (CTS -)

7

Request To Send (RTS -)

8

Transmitted Data (TXD +)

9

Transmitted Data (TXD -)

3.3

Conversores A razão da necessidade de aplicar conversores e reguladores deve-se ao

motivo do módulo de comunicação Wi.232DTS não oferecer esta opção de fábrica. Para que houvesse comunicação entre o módulo Wi.232DTS e o padrão RS-485, fez-se uso do circuito integrado (CI) MAX232 [14] para converter os sinais lógicos do padrão RS-485 para o padrão TTL e vice-versa. O CI MAX232 possui dezesseis pinos para configuração e sua tensão de alimentação é de +5 volts, trabalha com 5 capacitores de 1µF, podendo transmitir dados a uma velocidade de até 116 Kbps, ilustrada na Figura 3.4.

41

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Figura 3.4 –CI MAX232

O CI conversor MAX232 trabalha com uma alimentação de 5 volts, e o módulo de comunicação Wi.232DTS com alimentação de 3 volts. Para sanar esta diferença de tensão, empregou-se os CIs reguladores LM317 [15] e LM7805 [16]. O CI LM317 foi utilizado para alimentar o módulo Wi.232DTS e, o CI LM7805 para alimentar o CI conversor MAX232. As especificações técnicas de ambos os reguladores podem ser encontrados em datasheet disponibilizados na internet. O LM317 é um circuito integrado regulador de tensão, cuja saída pode ser ajustada entre 1,35 volts até cerca de 37 volts. O ajuste é feito pelo terminal 1 do CI. A tensão mínima de saída é de 1,25 volts quando o pino 1 estiver conectado ao terra. O valor máximo da saída é determinado pela Equação 3.1.

42

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VOUT

1,25V 1

R2 . R1

Equação 3.1

Para escolha dos resistores R1 e R2, fixamos o valor de R1 em 240 O a fim de calcularmos o valor de R2. Substituindo os valores de VOUT e R1, obteve-se o valor de R2 aproximando a um resistor comercial de 390 O. O LM7805 é outro circuito integrado regulador de tensão que fornece na sua saída uma tensão estável de +5 volts. Para se obter esta estabilidade na saída (pino 3), a tensão de entrada no pino 1 deve situar-se entre 7 volts e 20 volts. Na Figura 3.5, tem-se ilustrado os CIs LM 7805 e LM317 no circuito esquemático aplicado neste trabalho. Adicionou-se ainda, na entrada da alimentação dos reguladores, um diodo retificador a cargo de proteção contra eventuais variações de corrente.

Figura 3.5 – Circuito esquemático dos CI reguladores de tensão

43

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Capítulo 4: Conclusão A composição deste trabalho é a ocasião propícia onde o graduando entra em contato com as realidades do mercado, assumindo o papel de profissional deixando de ser apenas estudante. Deste modo, pode-se fazer uma analogia entre o ambiente acadêmico e o empório empresarial. As pesquisas realizadas para o fundamento teórico, assim como as atividades desenvolvidas, favoreceram-se como experiência e conhecimento da comunicação sem fio e do protocolo de comunicação serial TIA/EIA-485 visando à capacidade de lidar com este tipo de aplicação. Neste trabalho, fazendo uso do protocolo de comunicação serial TIA/EIA-485 com

o

módulo

de

comunicação

Wi.232DTS,

apresentamos

as

principais

características de funcionamento, bem como a forma de configurar os registradores com vista a obter um melhor desempenho e eficiência da plataforma. Vale ressaltar que em soluções para arquiteturas sem fio, não usufruímos de toda a extensão que o módulo Wi.232DTS proporciona. Assim sendo, encorajamos novos exploradores a publicarem uma variedade de projetos baseados em comunicação sem fio. A justificativa para instigar novos projetos utilizando o módulo Wi.232DTS está na importância do tema comunicação sem fio, tecnologia cada vez mais empregada e indispensável no presente ambiente de desenvolvimento tecnológico em que nos encontramos.

44

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Referências Bibliográficas [1] TANENBAUM A.S., “Organização Estruturada de Computadores”, 4º Edição, LTC Editora, 2001. [2] CANZIAN, Edmur, “Minicurso Comunicação Serial” – RS232, CNZ Engenharia e Informática, Cotia-São Paulo. [3] TAROUCO, Liane, Transmissão Síncrona “http://penta2.ufrgs.br/tp951/trans_si.html”, Visitada em 2006. [4] POOLE, K. F., HOOLE, A. C. F., LEVY, C. David, “The Design of an Integrated Circuit for use in a Smart RS-232 Cable”, IEEE Proceedings -1998 Southastcon. [5] ZELENOVSKY, Ricardo; MENDONÇA, Alexandre, PC: um Guia Prático de Hardware e Interfaceamento, 2ª edição, MZ Editora, Rio de Janeiro 1999. [6] BIT 9 Automação. Protocolo de Comunicação RS-232. [7] “RS-530 Technical Reference”. http://www.advice1.com/rs530.htm. Visitada em 2006. [8] “RS-449 Technical Reference”. http://www.advice1.com/rs449.htm. Visitada em 2006. [9] BIT 9 Automação. Protocolo de Comunicação RS-485. [10] Radiotronix Inc. Wi.232DTS User’s Manual, 2005. [11] Orcad. www.orcad.com. Visitada em 2006. [12] Xemics . www.semtech.com. Visitada em 2006. [13] FLEMING, Wilton Engenharia de Televisão. São Paulo: Enepress nº 55, MarçoAbril/2001 [14] IC MAX232. www.ti.com. Visitada em 2006. [15] IC LM317. www.national.com. Visitada em 2006. [16] IC LM7805. www.fairchildsemi.com. Visitada em 2006.

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Anexos

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Wi.232DTS User’s Manual U.S 902-928MHz ISM Band Version Rev 1.4.1

Embedding the wireless future..

207 Industrial Blvd Moore, OK 73170 405-794-7730 © 2003-2005 Radiotronix Inc, all rights reserved

-i– Preliminary

1. Document Control Created By Engineering Review Marketing Review Approved - Engineering Approved - Marketing

Steve Montgomery

Revision 1.0 1.2 1.3

Author SJM TRM / GWH TRM

Date 12/9/2003 5/12/2004 6/2/2004

1.3.1

TRM

6/3/2004

1.4.0

TRM

6/27/2004

1.4.1

TRM

3/15/2005

12/9/03

Description Document Created Various corrections including register addresses Corrected programming omission regarding esc chars Corrected MAC/OUI and NVSLPMODE register errors Corrected inconsistencies in register tables. Altered encoding algorithm to return size and make resultant string null-terminated. Corrected error in Pin Description section. Added defaults to NV register table. Reorganized sections for better readability. Added flash and command timing information. Corrected error in register summary table regarding MAC address. Renamed OUI2-0/MAC2-0 to MAC50. Updated sales information.

- ii – Preliminary

2. Introduction Module Overview

TRANSMITTER

BASEBAND DSP

ANTENNA SWITCH COMBINER

UART

CONTROL

ANTENNA

VCO

PROTOCOL CONTROLLER

2.1.

ANALOG IN

DIGITAL I/O DATA

RECEIVER

LEGEND HARDWARE IN WISE

Wi.232 APPLICATION

SOFTWARE IN WISE WiSE MAC SERIAL INTERFACE WiSE PACKET

I/O INTERFACE

HAL

Figure 1: Wi.232DTS Block Diagram

2.2. • • • • • • • • • •

True UART to antenna solution 16-bit CRC error checking 152.34kbit/sec maximum RF data rate 32 channels in DTS mode 84 channels in low-power mode Small size – .8” x .935” .08” Low power standby and sleep modes PHY and MAC layer protocol built in CSMA medium access control 115dB link budget in DTS mode

2.3. •

Features • • • • • •

4 modes allow user to optimize power/range Command mode for volatile and nonvolatile configuration 48-bit unique MAC address 5 volt tolerant I/O Under $20 in production quantities 868MHz European version available

Applications

Direct RS-232/422/485 wire replacement (requires external RS-232 to 3V CMOS conversion circuitry)

•

Industrial/Home Automation

•

RFID

•

Asset Tracking

•

Wireless Sensors

•

Automated Meter Reading

•

Remote Data Logging

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2 Preliminary

3. Table of Contents 1. 2.

Document Control ...............................................................................................................2 Introduction..........................................................................................................................2 2.1. Module Overview .............................................................................................................. 2 2.2. Features ............................................................................................................................ 2 2.3. Applications....................................................................................................................... 2 3. Table of Contents ................................................................................................................3 4. Table of Figures ...................................................................................................................4 5. Index of Tables.....................................................................................................................4 6. Theory of Operation ............................................................................................................5 6.1. General.............................................................................................................................. 5 6.2. Operating States ............................................................................................................... 8 6.3. Resetting Module to Factory Defaults............................................................................... 9 7. Application Information ....................................................................................................10 7.1. Pin-out Diagram .............................................................................................................. 10 7.2. Pin Description ................................................................................................................ 10 7.3. Mechanical Drawings ...................................................................................................... 11 7.4. Example Circuit ............................................................................................................... 13 7.5. Power Supply .................................................................................................................. 13 7.6. UART Interface ............................................................................................................... 13 7.7. Antenna ........................................................................................................................... 14 7.8. Link budget, transmit power, and range performance .................................................... 14 8. Module Configuration........................................................................................................15 8.1. Channel settings ............................................................................................................. 15 8.2. Power Mode .................................................................................................................... 16 8.2.1. DTS Mode................................................................................................................ 16 8.2.2. Low power Mode...................................................................................................... 16 8.3. UART Data Rate ............................................................................................................. 17 8.4. Network Mode ................................................................................................................. 17 8.5. Transmit Wait Timeout .................................................................................................... 18 8.6. Network Group ................................................................................................................ 18 8.7. CRC Control.................................................................................................................... 18 8.8. UART minimum transmission unit................................................................................... 18 8.9. Verbose mode................................................................................................................. 19 8.10. CSMA enable .............................................................................................................. 19 8.11. Sleep control................................................................................................................ 19 8.12. MAC Address .............................................................................................................. 19 8.13. Register Summary....................................................................................................... 20 9. Using Configuration Registers.........................................................................................20 9.1. CMD Pin .......................................................................................................................... 20 9.2. Command Formatting ..................................................................................................... 21 9.3. Writing To Registers........................................................................................................ 22 9.4. Reading From Registers ................................................................................................. 22 10. Electrical Specifications ...................................................................................................23 10.1. Absolute Maximum Ratings......................................................................................... 23 10.2. Detailed Electrical Specifications ................................................................................ 23 10.2.1. AC Specifications – RX ........................................................................................ 23 10.2.2. AC Specifications – TX ........................................................................................ 24 10.2.3. DC Specifications ................................................................................................. 24 10.2.4. Flash Specifications (Non-Volatile Registers)...................................................... 25 11. Custom Applications.........................................................................................................26 12. Ordering Information.........................................................................................................26 13. Contact Us..........................................................................................................................26 13.1. Technical Support........................................................................................................ 26 13.2. Sales Support .............................................................................................................. 26

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3 Preliminary

4. Table of Figures Figure 1: Wi.232DTS Block Diagram............................................................................................... 2 Figure 2: WiSE Block Diagram ........................................................................................................ 5 Figure 3: Wi.232DTS Networking Concept ..................................................................................... 6 Figure 4: RX State Machine ............................................................................................................ 8 Figure 5: TX State Machine............................................................................................................. 9 Figure 7: Pin-out diagram .............................................................................................................. 10 Figure 8: Module Mechanical Drawings ........................................................................................ 11 Figure 9: Wi.232DTS Suggested Footprint ................................................................................... 12 Figure 10: Evaluation Module Circuit............................................................................................. 13 Figure 11: Command and CMD Pin Timing .................................................................................. 21 Figure 12: Command Conversion Code........................................................................................ 22

5. Index of Tables Table 1, Module Pin Descriptions.................................................................................................. 10 Table 2, Wi.232DTS UART Interface Lines................................................................................... 14 Table 3, Power Mode Register Settings ........................................................................................ 16 Table 4, DTS Mode Parameters.................................................................................................... 16 Table 5, LP Mode Parameters....................................................................................................... 17 Table 6, Data Rate Register Settings ............................................................................................ 17 Table 7, Register Summary........................................................................................................... 20 Table 8, Write Register Command, value to be written is less than 128 (0x80). .......................... 22 Table 9, Write Register Command, value to be written is greater than or equal to 128 (0x80). ... 22 Table 10, Read Register Command .............................................................................................. 22 Table 11, Read Register Module Response For A Valid Register ................................................ 22 Table 12, Absolute Maximum Ratings........................................................................................... 23 Table 13, AC Specifications - Rx................................................................................................... 23 Table 14, AC Specifications - Tx ................................................................................................... 24 Table 15, DC Specifications .......................................................................................................... 24 Table 16, Flash Specifications (Non-Volatile Registers) ............................................................... 25

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6. Theory of Operation 6.1.

General

The Wi.232 module is one of a family of WiSE™ (Wireless Serial Engine) modules. A WiSE™ module combines a state-of-the-art DTS/FSK data transceiver and a high-performance protocol controller to create a complete embedded wireless communications link in a tiny IC-style package.

Figure 2: WiSE Block Diagram The Wi.232DTS module has a UART-type serial interface and contains special application software to create a transparent UART-to-antenna wireless solution capable of direct wire replacement in most embedded RS-232/422/485 applications. NOTE: Although the module is capable of supporting the typical serial communications required by RS-232, RS-422, and RS-485 networks, it is not compatible with the electrical interfaces for these types of networks. The module has CMOS inputs and outputs and would require an appropriate converter for the particular type of network it is connected to.

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Figure 3: Wi.232DTS Networking Concept The module is designed to interface directly to a host UART. Three signals are used to transfer data between the module and the host UART: TXD, RXD, and CTS. TXD is the data output from the module RXD is the data input to the module. CTS is an output that indicates the status of the module’s data interface. If CTS is low, the module is ready to accept data. If CTS is high, the module is busy and the host UART should not send any further data. Internally, the module has a 192 byte buffer for incoming characters from the host UART. The module can be programmed to automatically transmit when the buffer reaches a programmed limit, set by regUARTMTU. The module can also be programmed to transmit based on

a delay between characters, set by regTXTO(set in 1mSec increments). These registers allow the designer to optimize performance of the module for fixed length and variable length data. The module will support streaming data, as well. To optimize the module for streaming data, regUARTMTU should be set to 128, and regTXTO should be set to a value equal to 1 byte time at the current UART data rate. If the buffer is full, or the timer set by regTXTO expires, and the module is in the process of sending the previous packet over the RF link, the module will assert CTS high, indicating that the host should not send any more data. Data sent by the host while CTS is high will be lost. When the MAC layer has a packet to send, it will use a carrier-sense-multiple-access (CSMA) protocol to determine if another module is already transmitting. If another module is transmitting, the module will receive that data before attempting to transmit its data again. If, during this process, the UART receive buffer gets full, the CTS line will go high to prevent the host UART from over-running the receive buffer. The CSMA mechanism introduces a variable delay to the transmission channel. This delay is the sum of a random period and a weighted period that is dependent on the number of times that the module has tried and failed to acquire the channel. For applications that guarantee that only one module will be transmitting at any given time, the CSMA mechanism can be turned off to avoid this delay. The MAC layer prefixes the data with a packet header and postfixes the data with a 16-bit CRC. The 16-bit CRC error checking can be disabled to allow the application to do its own error

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checking. Data is encoded using a proprietary algorithm (DirectSPREAD™) to spread the RF energy equally within the transmission bandwidth. Modules can operate in groups. Each module can be assigned an 8-bit group ID, which is used to logically link it to other modules on the same channel. All modules on a channel will interoperate, regardless of their respective group Ids. In other words, the CSMA mechanism will prevent collisions of modules on the same channel but belonging to different groups. Modules can also operate in two network modes: Master/Slave and Peer-to-Peer. These modes define a set of communication rules that identifies which modules can talk to any given module. In Master/Slave mode, masters can talk to slaves and other masters, slaves can talk to masters, but slaves cannot talk to other slaves. This mode is sometimes required for applications that are replacing legacy RS-485 networks. In peer-to-peer mode, any module can hear any other module. In both modes, group integrity is enforced. When a module transmits a packet, all other modules on the same channel will receive the packet, check the packet for errors, and determine whether the received group ID matches the local group ID. If the packet is error free and the group Ids match, the module will decrypt the data if necessary, and send the error free data to its host UART for processing. The modules only implement the ISO reference network stack up to the MAC layer, so they are transparent to link layer addressing schemes. Therefore, the modules can work with any link-layer and higher protocols in existing today. Certain features of the module are controlled through programmable registers. Registers are access by bringing CMD low. When CMD is low, all data transfers from the host UART are considered to be register access commands. When CMD is high, all data transfers from the host UART are considered to be raw data that needs to be transparently transmitted across the wireless link. The module maintains two copies of each register: one in flash and one in RAM. On reset, the module loads the RAM registers from the values in the flash registers. The module is operated out of the RAM registers. Applications that need to change parameters of the module often would simply modify the RAM register. By putting default settings in the flash registers, the module will always come up in a preconfigured state, which is useful for applications that do not have external microcontrollers, such as RS-232 adapters. The UART interface is capable of operating in full duplex at baud rates from 2.4 to 115.2 kbps. The module has six power modes: High DTS, Medium DTS, Low DTS, low power, standby, and sleep. The Wi.232DTS module is the first module in the world to take advantage of the digital spread spectrum provision in FCC part 15 rules. Under this provision, transmitters can operate at a higher output power if the transmission bandwidth is at least 500kHz. Through an encoding technique we call DirectSPREAD™, the Wi.232DTS module is able to operate at +11dBm and meet the requirements of this provision. In DTS mode, the module’s channel bandwidth is set to 600kHz and the transmit power is set to +11dBm. In this mode, the module can operate on 32 channels and support a maximum RF data rate of 152.34kbit/second. The receiver sensitivity at the max data rate is –100dBm typical, yielding a link budget of 111dB. This mode is an excellent alternative to frequency hopping spread spectrum. It has very fast synchronization, allowing it to operate in a duty-cycle mode for extended battery life. In low-power mode, the module’s channel bandwidth is set to 200kHz and the transmit power is set to 0dBm. In this mode, the module can operate on 84 channels and support a maximum data rate of 38.4 kbit/second. The receiver sensitivity at the maximum data rate is –105 typical, yielding a link budget of 105dB. This mode reduces transmit current consumption, allowing use Wi.232DTS Preliminary

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with batteries than cannot supply the pulse currents required for DTS mode. The range in this mode will be a little more than half of the range in DTS mode. The module can be placed into sleep mode through the command mode. In sleep mode, the RF section is completely shutdown, and the protocol processor is in an idle state. Once the module has been placed in the sleep mode, it can be awaken by either cycling power, which will loose all volatile settings, or by sending a power-up sequence through the serial port. The power up sequence is a combination of four 0xFF bytes sent back-to-back at the data rate for which the module is configured. Note: When in sleep mode, the module will not be able to receive data from other modules. Any data sent to the module while it is in sleep mode will be lost. If the current draw in sleep mode is too high for a particular application, the designer can switch power to the module through a FET to “turn-off” the module when it is not needed. If this technique is used, the volatile registers will reset to the values in their non-volatile mirrors, so any changes from the default will have to be reloaded. The Wi.232DTS is a very flexible module because of all of the configurable parameters it supports. However, modules that are not configured in the same way will not be able to communicate reliably, causing poor performance or outright failure of the wireless link. All modules in a network must have the same mode configuration to ensure interoperability. Every Wi.232 module has read-only internal registers that contain factory programmed information that includes calibration data and a 48-bit MAC address that can be used by the host application for higher level, connection oriented protocols. This MAC address can be read through the command interface.

6.2.

Operating States

The primary active state is the IDLE state. When the module is not actively transmitting or receiving data, it is in this state. While in this state, the receiver is enabled and the module is continuously listening for incoming data. If the module detects a pre-amble and valid start-code, it will enter the RX_HEADER state. IS R RF

E O U T R X T IM

R X H E A D E R

HE

R X D A T A

AD

ER

ID L E M O D E

OK

D A T A LE N