MCU Řízená Super-regenerace s křemíkovím Oscilátorem

Často se říká, že nemůžete super-regenerovat krystalové oscilátory. Ve skutečnosti je to možné, ale kvůli svému vysokému Q rušivých vlivů potřebné frekvence jsou příliš nízké, aby mohl nést velkou šířku pásma signálu jako hlas. Není nic zastavit princip se používá pro přenos dat nižší šířky pásma. Obvody zde jsou inspirovány ISM pásmu Burkhard Kainka v realizaci jednoduchých vysílačů několika xtal bázi. Vzal jsem si stejné základní Pierce oscilátor topologie a lepší software pro podporu asynchronního byte kódovaný přenos dat rychlostí nízkou rychlostí. Můj příklad aplikace je prostě přepínání LED zapnout a vypnout pomocí dálkového ovládání, ale zařízení, zejména jejich jednoduchost a symetrie jako opravdoví vysílačů, nabízí mnoho dalších možných aplikací.

Základ Vysílače

Jako většina RF oscilátory se Pierce oscilátor spuštění doba je ovlivněna počáteční podmínky rezonátoru. Drobné kolísání signálu sloshing dopředu a dozadu v rezonátoru jsou zesíleny během oscilátor startu. Silnější počáteční podmínky signál znamenat, že oscilátor signál roste do určité amplitudě rychleji než ty slabší. Načasování tohoto zpoždění jeden čas potřebný k amplitudy-X může měřit aplikované energie RF signálu v rezonátoru na začátku kmitání, v podstatě vzorkování počáteční podmínky resonator.

Chcete-li hrát s touto myšlenkou jsem postavil konfigurace Pierce oscilátor v podstatě totožný s Burkhard, ale namísto MCU prostě jsem bočníkovým víčko úložné po diodu s MOSFET. (Skutečná brillance z Burkhard designu je v tomto víceúčelového přístavu, kde pull-down může zastavit oscilátoru nebo měření na logické úrovně lze detekovat vzniku oscilací před nasycení.) MOSFET brána byla řízena pomocí variabilního cla nízkou frekvencí -cycle čtvercové vlny s mým generátoru signálu. Tento Lash-up, dejte mi měřit vlastnosti oscilátoru; průměrná doba rozběhu od tepelný šum, zbylá doba rozpadu před dalším cyklu by mohl být pokus o ni, jaký vliv má na start-up čas aplikovat "nutí" signály z podobného Pierce oscilátor nebo generátoru signálu RF, a účinek různých XTAL frekvence.

Vybral jsem 14.31818 crytals MHz (protože mám obrovské množství z nich) a provádí většinu experimentů na této frekvenci, ale základní krystalů od 4 MHz až 27 MHz byly zkoušeny. Frekvence mnohem nižší než 8 MHz je obtížné pracovat, mají prodloužena doba regenerace, často vyšší než 10 ms, i jejich velmi vysoká Q činí selektivita poměrně vysoká, což není vždy žádoucí. Doba regenerace klesá lineárně s log aplikované vysokofrekvenční energií. Jednoduchý obvod s využitím komparátor a jeden výstřel zahnutý až do tohoto druhu oscilátoru je vynikající log signál pevností přijímač s velmi působivým dynamickým rozsahem.

Brzy jsem upustil od Lash-up obvodu analogový a napsal nějaký firmware pro ATtiny13 Atmel ke kontrole oscilátor. Pro účely testování je to sport přetečení LED (oscilátor time-out), může dopravce detekovat LED (práh překročen signál) a PWM výstup pro řízení 50 uA pohybující-coil obdržel indikátor intenzity signálu.

Tvorba Dataového Linku

Jednou jsem měl MCU řídící oscilátor bylo poměrně triviální zapnutí systému do datového spojení dálkového ovládání. Jednoduché asynchronní protokol bylo rozhodnuto, 1 start bit, 8 datových bitů, bez parity, žádný stop bit. Vlastnosti křišťálové omezeny vzorkovací frekvence až 100 Hz, takže přenosová 20 byl vybrán pro symbol rate a jednoduchý on-off klíčování používá jako modulace.

Vysílač

Na straně vysílače je velmi jednoduchá. Kód je "Software UART"-jako. Časovač běží na hodiny přenosová rychlost jednoduchý stavový stroj, který změní oscilátor zapnutí a vypnutí ve správném pořadí.

Ve skutečnosti v hardwaru oscilátor je opatřen perem jednou za snímek, a výkonový zesilovač (přidáno více nedávno) má předpětí identifikován na rychlost přenosu dat. To má za následek dostatečnou hloubkou modulace ASK, ale backwave potlačení by mohl být lepší - dostanou příliš blízko k RX s nestíněný TX a dopravce oscilátoru zácpy RX. Klíčování oscilátor vyhýbá problém, ale způsobí trochu FM cvrlikání, snížení jeho kvality signálu na dlouhou vzdálenost. Vylepšení obvodů by se snadno postarat o to.

Přijímač

Kód Přijímače je opět velmi "Software UART"-jako. Časovač běží zpočátku při 100 Hz hledá okraji start bitu, po které zjistil časovač se zpomalil na 20 Hz a data taktovaný do bytového vyrovnávací paměti. Jakmile jsou všechny datové bity byly přijaty oscilátor obnoví 100 vzorků Hz při pohledu na další start bitu. Pro počáteční účely byl vybrán kód byte 0x5A jako jeho horní a dolní křupky jsou komplementární - určené snad později provádět kontrolu parity řídicího vektoru půlbajtu-široký. Po přijetí platného kódu byte je výstup pin přepnuto.

Hardware Přijímač je jednodušší než vysílače v této demo aplikaci. Postrádá zesilovač I přidané do strany TX zlepšit rozsah. To by těžit z izolační RF zesilovač a / nebo lepší antény impedanční přizpůsobení.

Zde je to, co ohraničující rámeček TX (zelená) a kontrolní linie RX (bílá) vypadat při transeption z datového rámce.

Tato Oscilogram jasně ukazuje rychlý odběr vzorků před rámem a odběru vzorků pomalejší dat na přenosové rychlosti. Také je možné vidět na delší čas potřebný RX oscilátor ke spuštění, když je TX není identifikován. Zde je detailní záběr bitové regionu startu, který ukazuje detaily jasněji.

Aby těchto měření jsem změnil kód TX generovat proud rámů průběžně místo toho spouští se změnou pin přerušení (tlačítkem). TX a RX pak byly napojeny na mé EMBEST DSO2300 a signály zachycené spouští na ohraničující rámeček TX.

Protokoly

Protokol je v jistém smyslu svévolných, dodatečné rámování a paritních bitů realizovaných s softwarových změn by mohlo zlepšit potlačení šumu s žádnými transceiver změny hardwaru. 0x5A vzor je ještě třeba náhodně generované hlukem, ale naivní vzory jako 0x00 by být snadno podléhají impulsní šum bez dodatečného rámování a parity. To je z velké části důvod, proč jsem použil "REC-80"-jako protokol, ale bi-phase kódování by být odolné vůči více hluku, takže něco podobného RC-5 nebo RC-6 by mohly být prováděny pomocí jednoduchých softwarových změn.

V současné době impulsní šum také zasekává přijímač pro celou dobu rámu, který je poměrně dlouhé a nepříjemné na aktuální přenosové rychlosti, což vyžaduje stanovení hluku rozpětí prahu dat krájení vyšší, než je možná optimální. Bi-phase kódování by umožnilo včasné přerušuji po nástupu do rámu přechodné indukované. Dokonce i současný systém mohl vyzkoušet start bit vzorek (což je v současné době ignorován) a přechod zpět do klidového stavu, pokud je start bit je příliš "krátká". Přidání chybovou LED snímkování by bylo užitečné, pokud se pokus o takové úpravy.

Jednoduchý digitální práh údaje krájení technika je poměrně primitivní a podléhá hluku. Údaje získané pomocí detektoru vysílače je poměrně málo kousků široké (v rozmezí od 0 do několika tisíc). demodulátory mají tendenci se ve stylu založené na DSP analýze tohoto datového toku stačil vzpamatovat slabé signály a vyžadovalo by to žádný z křehké pevně nebo reset-time prostředí měří práh. Vzorkovaná data také vám dává Indikace úrovně signálu s velkým dynamickým rozsahem, které by mohly být užitečné.

Přirozeně pomocí LC oscilátory otevírá možnost mnohem rychlejší rychlosti přenosu dat.

I když jsem věnoval každý konec tohoto xtal systému založeného na RX a TX základní obvod je Obousměrný transceiver a může být rozšířena s výkonovým zesilovačem a předvoliče / izolátoru zesilovači řízeném i MCU pro vysoký výkon na náklady na trochu větší výkon a další pin. Holé 1 tranzistor obvod může být použit v aplikace malého výkonu, a to zejména tehdy, pokud se nějaké úsilí, aby odpovídala antény na obvodu. Jako triviální "modem" pro nějakého pomalého agenta spolupracující s celou řadou dalších činitelů systému je téměř ideální. by bylo zapotřebí nějaký druh vysílání protokol pro sdílení médií (CSMA nebo CSMA / CD). Jedním z nich je téměř v pokušení experimentovat se skupinami těchto jednotek prokázat naléhavý chování jako ty světlušky synchronizace projektů . V podstatě přídavek jen několik dalších dílů do vašeho MCU nechá ho slyšet a hovořit s RF na ~ 100 Hz a za cenu jednoho tri-state pin. Použití Krystaly eliminuje zarovnání (tak dlouho, jak Krystaly a jejich zatížení životního prostředí jsou přiměřeně uzavřeno), dělat realizace velmi jednoduchý; Burkhard nápad je opravdu vynikající a vyžaduje další zkoumání.

Poznámky

zarovnání frekvence je poměrně důležité, protože selektivita přijímače je poměrně vysoká. Já jsem pracoval na podrobném zkoumání selektivity a citlivosti těchto triviálních vysílačů dát čísel za více všeobecné využití principu.

Odpovídající anténu na okruhu je velmi důležitý pro dosažení nejlepšího výkonu. Nemám strávil hodně úsilí na to ještě, ale na HF to je docela náročné pro kompaktní antény. Vyšší frekvence, aby zatížení krátkých monopolů účinnějších a smyček topných těles praktičtější. Složitější transceiver architektura s předvolbou / izolace a zesílení energie by umožnil vysoce výkonnou dálkovou komunikaci.

Digitální ovládání RF oscilátoru, jako je tohle má mnoho, mnoho využití. Jsem si pohrával s myšlenkou na chvíli, a v kombinaci s většími MCU s lepšími časovačů a dalších periferií mnoho různých druhů užitečných RF zařízení jsou možné. Mám knihu plnou skic pro různé aplikace jednou některých více základních údajů byly shromážděny.

Mám podezření, že digitální program takhle by to full-duplex lock-krok komunikaci je to možné. To má zajímavé dynamiku příliš, a obnovuje vzdálenost informace jako vedlejší efekt. Nemám tušení, jak by se tento druh modulace klasifikovaná, ale bylo by to v podstatě druh technologie v časové oblasti a přitom stále poměrně * * úzkém pásmu. Zajímavých experimentů zůstávají v šetření časové "okno citlivost" v super-regenerační detektoru, nástroje pro tento Navrhl jsem, ale obsahují některé nepříjemné technické problémy realizovat.

Pro jednoduché schéma detekce hladiny obálky a kontrolu oscilátor pracovat správně kolektoru zaujatost DC na oscilátoru (minus poklesu diody) musí být pod hranicí logiky MCU v pochybnost. I měří prahu tiny13 vstupů na ~ 2,3 voltů s 5 voltů Vcc. Tranzistor ovlivnění byl změněn, aby se oscilace detekce obálky rychlá a spolehlivá. Předepnuta tak, že čep je pod MCU logiky-1 na úrovni nasycení obálky nebo na logické-1 v počátečním bodem stejnosměrného předpětí způsobí to jednoduché schéma selhání. Je to dobrý nápad ponechat určitý druh hlásič pro tento druh přetečení / podtečení stavu, nebo se o to při resetu a vlajky to s obecnějším selhání hlásiče. Je zřejmé rozdělení do ovládání oscilátoru a detekci kmitání by zjednodušilo to, a může být potřeba pro libovolné oscilátor topologie. Naštěstí Pierce oscilátor usnadňuje tento triviální 1-pin rozhraní pro jednoduché low-výkonných zařízení.