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Interfaccia WUSB per smart sensor

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Presentazione della tesi di laurea triennale in ingegneria dell'informazione - elettronica dal titolo "Sviluppo e implementazione di interfaccia wireless usb per sensore potenziometrico"

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Universit degli Studi di Brescia Dipartimento di Elettronica per lAutomazione Progetto e Realizzazione di Interfaccia WirelessUSB per Sensore Potenziometrico Studente: Relatore: Piccinelli Mario 48993 Prof.ssa Alessandra Flammini Corso di laurea: Correlatore: Ing. dellInformazione Dott. Ing. Emiliano Sisinni A.A. 2006/2007
Le Problematiche Realizzare una rete di sensori adatta ad applicazioni in cui le reti tradizionali cablate sono inefficienti. Possibili esempi: Analisi di elementi strutturali Controllo in tempo reale di durante prove meccaniche strutture complesse Mario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 1 of 14
Gli obiettivi Le caratteristiche richieste sono: Basso costo (< 20$) Alimentazione autonoma Modesto datarate (poche decide di KB/s) Discreta densit di nodi (decine per metro quadro) Controllo correttezza trasmissione Range limitato (poche decine di metri) Bassi consumi (< 5 mA) Mario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 2 of 14
La rete Realizzazione di una rete N:1 composta da: N nodi wireless Sensore indipendenti Nodo plug&play con alimentazione Sensore Ricevitore autonoma Nodo Un nodo centrale Computer Sensore connesso a un Host calcolatore. Nodo Mario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 3 of 14
La tecnologia trasmissiva WirelessUSB (Cypress) Banda ISM 2.4 - 2.48 GHz Range da 10m (LS) a 50m (LR) Datarate massimo ~60Kbit/s Multiplazione di canale CDMA (code division) FDMA (frequency division) 78 canali x 49 codici = 3822 coppie di dispositivi Codifica a correzione derrore Sistema compatto e a basso costo Mario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 4 of 14
Il Sensore realizzato (1) Cypress PSOC Sensore Parte Parte (potenziometro) analogica digitale Alimentatore Transceiver + Antenna WUSB batterie Mario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 5 of 14
Il Sensore realizzato (2) Fronte Retro (modulo radio) Mario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 6 of 14
Il Sensore: alimentazione 3.3V MCP1252 (charge pump) Ingresso: 2 pile AA (3 2.4 V) Uscita: 3.3 V (max 120 mA) Rendimento: 80% Fronte Retro (modulo radio) Mario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 7 of 14
Il Sensore: microcontrollore Controller convertitore AD Interfaccia seriale Codec WUSB Cypress PSOC CY8C27143 (Programmable System On Chip) Core a 8 bit Architettura Harward Generatore numeri casuali Frequenza operativa 24 MHz Memoria: 160 KB flash 256 B SRAM Periferiche: 12 blocchi analogici Fronte 10 blocchi digitali Retro (modulo radio) Sezione analogica Sezione Digitale Mario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 8 of 14
Il Sensore: radio e antenna Interfaccia seriale SPI con il microcontrollore Fronte Transceiver WUSB Retro (modulo radio) CYWUSB6934 LS Antenna PCB Mario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 9 of 14
Il Protocollo realizzato Power On Power ON Bind Inizializzazione del Riconoscimento del Bind microcontrolloredellhub. nodo da parte e di Data tutte le componenti del Scambio di informazioni sistema. la connessione. Misurazione del valore riguardo Data del sensore e Sleep trasmissione allhub. Sleep Attesa dellACK. Attesa in modalit di risparmio energetico. Mario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 10 of 14
Collaudo sistema Bind request Hub Bind response Sensor Ack Sensor data Hub Acknowledge Verifica del funzionamento del sistema mediante sniffer WirelessUSB Handshake e successiva trasmissione Mario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 11 of 14
Risultati: consumi 70 mA 5 ms 50 mA Durata batterie: 5 ms i 10 uA 5 mA C 揃 揃 Vin Tc 1 ms L [h] = = Icc,mean 揃 Vout 2000 mAh 揃 80% 揃 2,4 V t = Icc,mean 揃 3,3 V Sleep Misura TX RX Icc,mean = 2,4mA @ Tc = 250ms 2 pile AA Vita dispositivo: circa 1 mese Icc,mean = 0,13mA @ Tc = 5s 2000 mAh Vita dispositivo: circa 1 anno Mario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 12 of 14
Risultati: utilizzo HW Le risorse del microcontrollore non sono completamente sfruttate dallimplementazione attuale, c竪 spazio per future espansioni. risorse Spazio codice: sfruttato al 50% (circa 80 KB disponibili) disponibili Memoria: sfruttata all 80% (circa 50 B disponibili) Blocchi analogici: sfruttati al 30% (8 blocchi disponibili) Blocchi digitali: sfruttati al 70% (3 blocchi disponibili) Possibilit di interfaccia con ulteriori sensori analogici, digitali o su bus. Mario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 13 of 14
Risultati: costo sistema PSOC CY8C27143: 2.25 euro Charge Pump MCP1252: 0.89 euro Transceiver CYWUSB6934: 5,26 euro Oscillatore quarzo: 3 euro circa PCB e componenti passivi: 5 euro circa Totale: 15 euro per ciascun nodo (i prezzi sono calcolati per volumi di produzione superiori i 100 pezzi. E escluso il costo del sensore e delle batterie.) Mario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 14 of 14

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  • 3. Gli obiettivi Le caratteristiche richieste sono: Basso costo (< 20$) Alimentazione autonoma Modesto datarate (poche decide di KB/s) Discreta densit di nodi (decine per metro quadro) Controllo correttezza trasmissione Range limitato (poche decine di metri) Bassi consumi (< 5 mA) Mario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 2 of 14
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  • 10. Il Sensore: radio e antenna Interfaccia seriale SPI con il microcontrollore Fronte Transceiver WUSB Retro (modulo radio) CYWUSB6934 LS Antenna PCB Mario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 9 of 14
  • 11. Il Protocollo realizzato Power On Power ON Bind Inizializzazione del Riconoscimento del Bind microcontrolloredellhub. nodo da parte e di Data tutte le componenti del Scambio di informazioni sistema. la connessione. Misurazione del valore riguardo Data del sensore e Sleep trasmissione allhub. Sleep Attesa dellACK. Attesa in modalit di risparmio energetico. Mario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 10 of 14
  • 12. Collaudo sistema Bind request Hub Bind response Sensor Ack Sensor data Hub Acknowledge Verifica del funzionamento del sistema mediante sniffer WirelessUSB Handshake e successiva trasmissione Mario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 11 of 14
  • 13. Risultati: consumi 70 mA 5 ms 50 mA Durata batterie: 5 ms i 10 uA 5 mA C 揃 揃 Vin Tc 1 ms L [h] = = Icc,mean 揃 Vout 2000 mAh 揃 80% 揃 2,4 V t = Icc,mean 揃 3,3 V Sleep Misura TX RX Icc,mean = 2,4mA @ Tc = 250ms 2 pile AA Vita dispositivo: circa 1 mese Icc,mean = 0,13mA @ Tc = 5s 2000 mAh Vita dispositivo: circa 1 anno Mario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 12 of 14
  • 14. Risultati: utilizzo HW Le risorse del microcontrollore non sono completamente sfruttate dallimplementazione attuale, c竪 spazio per future espansioni. risorse Spazio codice: sfruttato al 50% (circa 80 KB disponibili) disponibili Memoria: sfruttata all 80% (circa 50 B disponibili) Blocchi analogici: sfruttati al 30% (8 blocchi disponibili) Blocchi digitali: sfruttati al 70% (3 blocchi disponibili) Possibilit di interfaccia con ulteriori sensori analogici, digitali o su bus. Mario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 13 of 14
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