Accesso e controllo remoto RF

In questo articolo parliamo di un'applicazione particolare per l’accesso e il controllo remoto a radiofrequenza.

Prodotti di questo tipo sul mercato si stanno sempre più diffondendo sostituendo le classiche modalità di comunicazione. In particolare, nel corso dell’articolo vedremo esempi applicativi in ambito automotive.

Per costruire un'applicazione RF bisogna affiancare alla MCU un transceiver RF che permette di trasmettere e ricevere dati attraverso un collegamento a radiofrequenza. Lo schema classico di un'applicazione generica è mostrato in Figura 1.

Figura 1: Comunicazione RF bidirezionale.

Figura 1: Comunicazione RF bidirezionale

La comunicazione può essere full-duplex, cioè le sezioni di trasmissione e ricezione possono lavorare simultaneamente, per esempio lavorando su frequenze diverse per le due fasi. La comunicazione full-duplex è però solitamente riservata per applicazioni specifiche, l’approccio più semplice ed economico è quello di realizzare una comunicazione half-duplex, in questo caso molte parti della sezione di trasmissione e di ricezione possono essere condivise. La MCU serve per il controllo del transceiver e per realizzare un protocollo stabilito nella comunicazione. Tipicamente sono sotto il diretto controllo della MCU i seguenti aspetti del sistema:

  • La frequenza delle operazioni: per l’affidabilità della comunicazione anche in presenza di interferenze
  • Il tipo di modulazione: OOK o FSK
  • Il valore di RSSI: per l’autorizzazione a procedere con la trasmissione, per valutare distanza tra trasmettitore e ricevitore e per gestire dinamicamente la potenza della trasmissione RF
  • La potenza di trasmissione: varia in base alla distanza tra trasmettitore e ricevitore
  • Le varie funzioni digitali quali il wake up automatico del ricevitore e l’elaborazione dei messaggi per ridurre il carico di lavoro della MCU

Le applicazioni più comuni a RF sono molteplici e in diversi ambiti:

Automotive:

  • Remote keyless entry: per esempio la macchina fornisce un feedback su uno schermo LCD dopo la pressione di un pulsante (tensione batteria, temperatura abitacolo, pressione pneumatici, livello del serbatoio)
  • Passive entry: per esempio per una comunicazione RF tra un badge in possesso del guidatore e l’automobile per comandare l’apertura delle porte
  • Monitoraggio della pressione dei pneumatici: un sensore nelle ruote trasmette temperatura e pressione alla macchina che a sua volta comunica con il sensore solo quando è ferma
  • Immobilizer

Automazione domestica:

  • Apertura delle porte del garage: con relativa conferma di richiusura
  • Chiusura delle persiane e relativa riuscita dell’operazione
  • Gestione delle luci: con feedback in caso di lampade difettose

Misure in remoto:

  • Controllo di livello
  • Misura dei consumi di gas e acqua

Sicurezza:

  • Sensori di porte e finestre che allarmano un’unità centrale
  • Rilevatori di fumo
  • Identificazione degli accessi

Uno dei transceiver più utilizzati sul mercato è quello proposto da Freescale, l'MC33696. L’MC33696 e un transceiver altamente integrato progettato per applicazioni a bassa tensione che comunichino in half duplex nella banda UHF ISM. All’interno include un PLL programmabile per applicazioni multicanale e una circuiteria RSSI che fornisce risultati analogici e digitali. Integrato nel transceiver anche un oscillatore che periodicamente risveglia il ricevitore. Un data manager gestisce il contenuto dei messaggi permettendo di ridurre il carico di lavoro della CPU e i consumi del sistema. La realizzazione del PCB e il percorso delle linee sono fondamentali per migliorare il risultato di rilevazione del tocco. Quanto detto è schematizzato in Figura 3. L’MC33696 è veramente una soluzione completa per la realizzazione veloce di una applicazione a RF. Per ulteriori dettagli è possibile consultare il foglio specifiche sul sito Freescale [1]. Una cosa interessante da osservare è l’architettura interna del dispositivo che è mostrata in Figura 2.

Figura 2: Architettura interna dell’MC33696.

Figura 2: Architettura interna dell’MC33696

Durante la trasmissione la modulazione OOK viene realizzata accendendo e spegnendo l’amplificatore RF, mentre la modulazione FSK è generata cambiando il divisore del PLL, che ha degli step finissimi impostabili. Durante la trasmissione la potenza è impostabile via software in modo da poter massimizzare il risparmio energetico. Il ricevitore è di tipo supereterodina low IF. Il filtro IF, centrato su 1.5 MHz e banda da 380 kHz, è completamente integrato. Anche per la sezione di ricezione le due demodulazioni OOK e FSK sono supportate. Se si desidera utilizzare l’MC33696 nel proprio sistema i progettisti possono seguire gli schemi applicativi suggeriti da Freescale. In Figura 3 possiamo vedere uno schema di esempio. Come si può vedere dalla Figura 3 tutta la sezione RF è strutturata intorno all’MC33696.

Figura 3: Schema per un applicazione tipica con MC33696.

Figura 3: Schema per un'applicazione tipica con MC33696

Per applicazioni a 3 V, la tensione può essere applicata sia ai pin di VCCINOUT che di VCCIN, un regolatore interno filtra e stabilizza la tensione VCC2OUT. Un regolatore separato deve fornire l’alimentazione per la sezione digitale VCCDIG2. Per lavorare a 5 V invece basta collegare la 5 V su VCCIN e un ulteriore regolatore interno genera la tensione VCCINOUT. Il pin RFOUT è l’output per il trasmettitore, mentre RFIN è l’ingresso del ricevitore, in base alla modalità corrente il pin dedicato all’altra modalità si trova in alta impedenza. Per questo motivo è possibile collegarli assieme senza perdita di performance. Inoltre, sarà sufficiente realizzare una rete che esegua l’adattamento di impedenza dove trasmettitore e ricevitore hanno lo stesso valore nominale di impedenza. Nello schema si possono vedere il quarzo e relativa circuiteria dedicata, mentre è interessante notare come lo strobe oscillator (che risveglia il ricevitore) utilizzi la capacità esterna C3 per le sue tempistiche interne. La comunicazione con la MCU avviene attraverso una porta SPI, mentre SEB funziona da selettore per la comunicazione. Sul pin RSSIOUT si ha un segnale analogico in tensione che aumenta con la potenza del segnale in ingresso.

APPLICAZIONI IN CAMPO AUTOMOTIVE

Come promesso concentriamoci sulle potenzialità applicative di una soluzione MCU più transceiver RF in ambito automotive, per gestire genericamente accesso alle risorse e controllo in remoto delle funzionalità. Come detto in precedenza le applicazioni sono relative alle seguenti funzionalità:

  • Remote keyless entry (RKE)
  • Passive entry (PE)
  • Tire pressure monitoring systems (TPMS)
  • Vehicle immobilization systems

Ossia essenzialmente applicazioni di controllo, sicurezza e protezione. Con la sigla RKE si intendono quei meccanismi che permettono per esempio di azionare la chiusura centralizzata e l’apertura di porte e bagagliaio ai possessori di un portachiavi (o qualsiasi altro dispositivo) in grado di comunicare via RF con la centralina dedicata. Altre tipologie di applicazioni possono riguardare l’accensione del motore senza chiave, pulsanti antipanico e applicazioni antifurto. Con il termine PE sono invece catalogati gli accessi a determinate risorse di tipo passivo, ossia senza che l’utente debba fare una azione particolare, il classico esempio potrebbe essere l’apertura delle portiere dell’auto in automatico ai possessori di un badge di autorizzazione. Per le applicazioni RKE o PE l’architettura del sistema è mostrata in maniera schematica in Figura 4.

Figura 4: Architettura di un sistema RKE o PE

Figura 4: Architettura di un sistema RKE o PE

Ovviamente l’utilizzo di un dispositivo PE o RKE per accedere al veicolo rende immediata e di facile applicazione anche l’attuazione di procedure antifurto come l’attivazione o disattivazione dei sistemi di immobilizzazione del veicolo. Nel qual caso l’accesso avvenga senza la debita autorizzazione il veicolo non viene autorizzato a mettersi in moto, impedendo di fatto il furto. Leggermente più complesso è invece l’utilizzo di una soluzione RF per monitorare la pressione dei pneumatici. Lo schema semplificato è mostrato in Figura 5.

Figura 5: Architettura di un sistema TPMS.

Figura 5: Architettura di un sistema TPMS

Il sistema deve monitorare la pressione dei pneumatici, per esempio basandosi sulle informazioni fornite dal sensore di pressione MPXY8020 dedicato a tale applicazione e collocato nei passaruota, la trasmissione delle informazioni avviene via RF e se il sistema considera di avere un pneumatico con un problema avverte l’interfaccia utente del veicolo in maniera da segnalarlo al conducente e volendo potrebbe attuare le dovute misure di sicurezza per impedire rischi legati all’inosservanza dell’avvertimento, come immobilizzare il veicolo. Ovviamente in un veicolo che implementi soluzioni RKE, PE e TPMS il sistema di ricezione centrale e di gestione (Body controller MCU, nelle Figure 4 e 5) può essere condiviso riducendo il costo complessivo del sistema. Ovviamente tutte le applicazioni descritte in precedenza devono integrare anche elementi di sicurezza. Per esempio una cifratura dei dati trasmessi e algoritmi di sincronizzazione periodici per il cambio delle chiavi e quant’altro necessario perché l’applicazione rispetti i necessari requisiti di sicurezza. Questo aspetto ovviamente interviene a più alto livello rispetto al collegamento RF che intendiamo trattare in questo articolo. Freescale con i suoi transceiver RF e con le nuove famiglie di wireless MCU (in particolare la Kinetis KW0x) si mostra molto attiva in questo settore di mercato e il supporto garantito ai progettisti, gli strumenti di sviluppo e le numerose guide applicative sono un elemento importante a corredo, per agevolare e velocizzare lo sviluppo.

 

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