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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"

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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  • 1. Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Elettronica per l’Automazione Progetto e Realizzazione di Interfaccia WirelessUSB per Sensore PotenziometricoStudente: Relatore:Piccinelli Mario 48993 Prof.ssa Alessandra FlamminiCorso di laurea: Correlatore:Ing. dell’Informazione Dott. Ing. Emiliano Sisinni A.A. 2006/2007
  • 2. 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
  • 3. Gli obiettivi Le caratteristiche richieste sono: • Basso costo (< 20$) • Alimentazione autonoma • Modesto datarate (poche decide di KB/s) • Discreta densità 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
  • 4. La reteRealizzazione 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. NodoMario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 3 of 14
  • 5. 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 d’errore • Sistema compatto e a basso costoMario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 4 of 14
  • 6. Il Sensore realizzato (1) Cypress PSOC Sensore Parte Parte (potenziometro) analogica digitale Alimentatore Transceiver + Antenna WUSB batterieMario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 5 of 14
  • 7. Il Sensore realizzato (2) Fronte Retro (modulo radio)Mario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 6 of 14
  • 8. 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
  • 9. Il Sensore: microcontrolloreController convertitore AD Interfaccia seriale Codec WUSB Cypress PSOC CY8C27143 (Programmable System On Chip) Core a 8 bit Architettura HarwardGeneratore 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
  • 10. Il Sensore: radio e antenna Interfaccia seriale SPI con il microcontrollore Fronte Transceiver WUSB Retro (modulo radio) CYWUSB6934 LS Antenna PCBMario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 9 of 14
  • 11. Il Protocollo realizzato Power On Power ON Bind Inizializzazione del Riconoscimento del Bind microcontrolloredell’hub. 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 all’hub. Sleep Attesa dell’ACK. Attesa in modalità 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 trasmissioneMario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 11 of 14
  • 13. Risultati: consumi 70 mA 5 ms 50 mA Durata batterie: 5 msi 10 uA 5 mA C ·  · Vin ≈Tc 1 ms L [h] = = Icc,mean · Vout 2000 mAh · 80% · 2,4 V t = Icc,mean · 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 annoMario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 12 of 14
  • 14. Risultati: utilizzo HWLe risorse del microcontrollore non sono completamentesfruttate dall’implementazione attuale, c’è spazio per futureespansioni. risorseSpazio codice: sfruttato al 50% (circa 80 KB disponibili) disponibiliMemoria: sfruttata all’ 80% (circa 50 B disponibili)Blocchi analogici: sfruttati al 30% (8 blocchi disponibili)Blocchi digitali: sfruttati al 70% (3 blocchi disponibili)Possibilità di interfaccia con ulteriori sensori analogici, digitalio su bus.Mario Piccinelli Sensori Potenziometrici WirelessUSB 13 of 14
  • 15. Risultati: costo sistemaPSOC CY8C27143: 2.25 euroCharge Pump MCP1252: 0.89 euroTransceiver CYWUSB6934: 5,26 euroOscillatore quarzo: 3 euro circaPCB e componenti passivi: 5 euro circaTotale: 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