Устройство обработки и передачи сигналов

Техническое решение относится к области электроники, а именно к вычислительным устройствам для обработки и передачи сигналов.
Из уровня техники известен модуль для приема и обработки данных, содержащий микроконтроллер, включающий входы для приема цифровых и аналоговых сигналов, входы/выходы для соединения с модулем памяти и с внешними устройствами, и радиомодуль, соединенный с микроконтроллером. Патент РФ №2677568, МПК: G06F 15/16; H04L 12/02; H04W 92/02, опубликован 17.01.2019.
Известно техническое решение, выбранное в качестве ближайшего аналога, представляющее собой радиомодуль LRTX, компании Лартех, являющийся полноценным приемопередатчиком, предназначенный для встраивания в различные устройства и организации обмена данными между устройствами и базовыми станциями радиосети LPWAN. Модуль включает контроллер, подключенный к трансиверу и к конвертеру уровней сигналов.
Отличительными признаками заявляемого решения являются размещение трансивера в корпусе микроконтроллера; выполнение процессора на базе двух ядер.
Известным техническим решениям свойственны низкая скорость действия, недостаточная компактность.
Задачей заявленного технического решения является создание устройства, обладающего компактными размерами, низким энергопотреблением, способное мгновенно принимать, передавать и накапливать данные, используя для этих целей входы и выходы модуля.
Технический результат заявляемого технического решения проявляется в повышении его быстродействия.
В частности быстродействие достигается за счет достижения микроминиатюризации устройства для обработки и передачи сигналов.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для обработки и передачи сигналов, содержащем микроконтроллер, включающий связанные между собой блок памяти со встроенным ПО и процессор, трансивер, выполненный с возможностью обмена данными с процессором, радиотракт трансивера, входы и выходы цифровых и аналоговых сигналов, последовательные интерфейсы и интерфейсы отладки и питания, трансивер размещен в корпусе микроконтроллера, процессор выполнен на базе двух ядер. Процессор может быть выполнен на базе ядер Cortex M4 и Cortex M4. Трансивер, предпочтительно, представляет собой продукт Semtech SX126x. Микроконтроллер, предпочтительно, представляет собой продукт STM32WLx.
Техническое решение представляет собой устройство для приема, обработки и передачи сигналов, с микроконтроллером со встроенным радио-приемопередатчиком, способным отправлять и принимать данные в диапазонах частот от 433 до 510 МГц или от 865 до 928 МГц.
За счет того, что трансивер размещен непосредственно в корпусе микроконтроллера, улучшаются показатели чувствительности приемопередающих элементов, достигается уменьшение массогабаритных показателей за счет уменьшения компонентов на плате модуля, упрощается его схема.
В предпочтительном варианте, трансивер представляет собой продукт Semtech SX126x, характеризующийся высокими функциональными показателями, в том числе, скоростью, чувствительностью приема; минимальным энергопотреблением.
Двухъядерный процессор позволяет, без увеличения размеров устройства, повысить эффективность и быстродействие устройства. Преимущественным является использование, в качестве ядер, модели Cortex M4 и Cortex M0+.
Входы и выходы цифровых и аналоговых сигналов, последовательные интерфейсы отладки необходимы для осуществления основных функций устройства, в частности приема и передачи данных; использования устройства в качестве встраиваемого модуля.
Заявляемое техническое решение далее поясняется с помощью фигуры, на которой условно представлен один из возможных вариантов исполнения устройства для обработки и передачи сигналов.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства (1) для обработки и передачи сигналов, содержащая:
микроконтроллер (2);
ядро (3) процессора;
блок (4) памяти;
трансивер (5);
радиотракт (6);
аналоговый вход (7);
аналоговый выход (8);
цифровой вход (9);
цифровой выход (10);
последовательный вход (11);
последовательный выход (12);
отладочный вход (13);
отладочный выход (14);
вход (15) питания устройства (1) для обработки и передачи сигналов.
Далее со ссылками на фигуру описана структура устройства (1) для обработки и передачи сигналов.
Устройство (1) для обработки и передачи сигналов содержит микроконтроллер (2), предпочтительно, STM32WLx, включающий связанные между собой блок (4) памяти со встроенным ПО и процессор. Процессор выполнен на базе двух ядер (3), предпочтительно, Cortex M4 и Cortex M0+.
Микроконтроллер (2) также включает трансивер (5), предпочтительно, Semtech SX126x, выполненный с возможностью обмена данными с процессором.
В устройство (1) для обработки и передачи сигналов также включен радиотракт (6) трансивера (5), выполненный с возможностью подключения к антенне.
Устройство (1) для обработки и передачи сигналов также включает аналоговые входы (7)/выходы (8), цифровые входы (9)/выходы (10), последовательные входы (11)/выходы (12), отладочные входы (13)/выходы (14), вход (15) питания.
Заявленное устройство (1) выполнено с возможностью реализации методов модуляции LoRa, (G)FSK, (G)MSK, и BPSK.
Устройство (1) предназначено для встраивания в различные изделия и обеспечивает ввод, вывод и обработку цифровых и аналоговых сигналов, вывода широтно-импульсных сигналов, выполнение функции сбора и обработки индивидуальных сигналов, обмена данными между изделиями, в которые установлено, и базовыми станциями радиосетей LPWAN.
Принцип действия заявленного устройства (1) продемонстрирован далее на примерах работы датчика с охранными, импульсными, аналоговыми и интерфейсными входами и выходами.
Задача 1. Охранный датчик. Необходимо детектировать изменение состояния цифровых входов (9) и производить отправку пакета данных с информацией о таком событии через радиоканал (трансивер (5) - радиотракт (6)) на принимающее устройство.
На цифровой вход (9) поступает сигнал - логическая единица (>2В). В момент изменения состояния на входе микроконтроллера (2) срабатывает прерывание, далее происходит его обработка в ядре процессора (3) и принимается решение об отправке данных через радиоканал (трансивер (5) - радиотракт (6)).
Задача 2. Счетчик импульсов. Необходимо детектировать изменение состояния цифровых входов (9) и вести счет таких событий сохраняя эти данные нарастающим итогом в блоке памяти (4), а также производить периодическую отправку пакета данных с информацией о количестве изменений состояния цифровых входов (9) используя радиоканал (трансивер (5) и радиотракт (6)).
На цифровой вход (9) поступает сигнал - логическая единица (>2В). В момент изменения состояния на входе микроконтроллера (2) срабатывает прерывание, далее происходит его обработка в ядре процессора (3) и принимается решение перезаписи значения счетчика (добавление 1 (единицы)) в блоке памяти (4). В зависимости от установленного периода передачи данных (определяется программным обеспечением, установленным в микроконтроллере (2)) наступает время отправки информации о значении счетчиков через радиоканал (трансивер (5) и радиотракт (6)).
Задача 3. Конвертер интерфейсов. Необходимо принять пакет данных от предающего устройства через радиоканал (трансивер (5) и радиотракт (6)) и предать полученную информацию на цифровой выход (10).
В радиоканал (трансивер (5) и радиотракт (6)) через антенну поступает радиосигнал, где производится его демодуляция. Далее данные поступают в ядро процессора (3), где происходит его обработка и принимается решение о передаче полученных данных на цифровой выход (10).
Задача 4. Аналоговый вход. Необходимо измерять внешне напряжение на аналоговом входе (7) и передавать измеренное значение через радиоканал (трансивер (5) и радиотракт (6)) на принимающее устройство.
На аналоговый вход (7) подается напряжение в допустимом диапазоне значений (определяется схемотехникой устройства). Далее значение обрабатывается в ядре процессора (3) и принимается решение об отправке через радиоканал (трансивер (5) и радиотракт (6)) на принимающее устройство пакета данных, который содержит информацию о значении, измеренном на аналоговом входе (7).
Задача 5. Цифровой выход. Необходимо принять пакет данных (команду включения выхода) от предающего устройства через радиоканал (трансивер (5) и радиотракт (6)) и подать на цифровой выход (10) логическую 1 (>2В).
В радиоканал (трансивер (5) и радиотракт (6)) через антенну поступает радиосигнал (команда включения цифрового выхода (10)), где производится его демодуляция. Далее команда поступает в ядро процессора (3), где происходит ее обработка и принимается решение о подаче на цифровой выход (10) логической 1 (>2В).
Образец устройства, реализованный по заявленному техническому решению, характеризуется следующими показателями:
размер 14×14×2,1 мм;
рабочая частота до 48 МГц;
память: 256 Кбайт Flash, 64 Кбайт SRAM.
до 36 цифровых либо аналоговых входов/выходов;
последовательные интерфейсы: SPI, I2C, LPUART, USART, ADC;
варианты используемых диапазонов радиочастот: от 433 до 510 МГц, и от 865 до 928 МГц;
питание от 1.8 до 3.6 В;
диапазон температур от -40 до +85°C;
потребляемый ток 4,9 мА в режиме приема данных, от 21 до 120 мА в режиме передачи данных в зависимости от мощности, <2 мкА в режиме низкого потребления.
При использовании заявленного устройства отсутствует необходимость просчета радиочастотного тракта для внедрения в устройства различного назначения: достаточно организовать схему питания и соответствующую аппаратную обвязку входов/выходов.
Представленные фигуры, описание конструкции и использования не исчерпывают возможные варианты исполнения и не ограничивают каким-либо образом объем заявляемого технического решения. Возможны иные варианты исполнения и использования в объеме заявляемой формулы.