بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله قصد داریم یک فرستنده و گیرنده FSK روي فرکانس حامل 1MHz و کانال سیم کواکسیال با نرخ بیت قابل تغییر توسط یک پتانسیومتر طراحی نمائیم. براي فرستنده و گیرنده از آي سی 74HC4046 استفاده نموده ایم که یک آي سی PLL با قابلیت کار با VCO بصورت جداگانه و پایه enable می باشد و می توان VCO و Phase Detector هاي آي سی را کنترل نمود. مهم ترین مزیت این آي سی، تغذیه پائین آن می باشد که براي کار به همراه میکروکنترلر مناسب می باشد.
براي کنترل نرخ بیت اطلاعات و نیز انتقال اطلاعات به فرستنده و دریافت اطلاعات از گیرنده، از دو میکروکنترلر ATmega32L استفاده نمود که توسط اتصال سریال USART به فرستنده و گیرنده متصل شده اندضمناً. براي این که فرستنده و گیرنده بتوانند در تعیین نوع اطلاعات رسیده با هم سنکرون باشند، از یک کلمه کنترلی براي نشانگر ارسال مقدار بیت ریت استفاده شده است. به این معنی که زمانی که در گیرنده این کلمه دریافت شد، گیرنده متوجه می شود که فرستنده قصد ارسال بیت ریت جدید را دارد و در دو بایت بعدي انتظار رسیدن کلمه اي که نشانگر مقدار بیت ریت جدید می باشد را دارد.
-1 مقدمه
ارسال و دریافت اطلاعات از کامپیوتر امري است که امروزه براي همه مردم امري واجب و غیر قابل انکار می باشد. زیرا در دنیاي امروز هر انسانی براي ارتباط با دنیاي خارج از کامپیوتر یا دستگاههاي دیجیتال دیگر استفاده می نماید. از میان تمام روش هاي ارسال اطلاعات، روش هاي ارسال دیجیتال با پیشرفت تکنولوژي در سالهاي اخیر جایگزینی منطقی و مناسب براي روش هاي ارسال آنالوگ،خصوصاً در سیستم هاي بی سیم می باشد .[5] زیرا با کوچک شدن، ارزان شدن و آسان تر شدن کار با میکروها، یکی از مهم ترین مسائل پیش روي طراحان - رشد و توسعه فناوري - با به کار گیري میکرو پروسسور ها و میکروکنترلر ها به عنوان مغز هوشمند، به خودي خود حل و فصل شده است.
یکی از روش هاي ارسال اطلاعات، استفاده از انواع روش هاي مدولاسیون دیجیتال می باشد که ورودي و خروجی آنها بصورت دیجیتال می باشد. در پروژه زیر، قصد داریم با استفاده از مدولاسیون FSK و با استفاده از کانال انتقال کابل هم محور و با فرکانس RF برابر 1MHz، اطلاعات را مابین دو کامپیوتر رد و بدل نمائیم. علاوه بر این با کمک یک پتانسیومتر، کنترل نرخ ارسال اطلاعات - در واحد ثانیه - را نیز در دست داشته باشیم.
روش ارسال اطلاعات استفاده از آي سی 74HC4046 می باشد که یک [1] PLL با فرکانس مرکزي قابل تنظیم توسط دو مقاومت و یک خازن می باشد. در اکثر آي سی هاي خانواده 4046 می توان از بخش هاي مختلف آن - مانند - VCO بصورت جداگانه استفاده نمود
براي ارسال اطلاعات مبتنی بر FM از یک اسیلاتور کنترل شونده با ولتاژ - VCO - که در یک فرکانس آزادرو در حال نوسان است استفاده می شود.[3] اگر بتوان بوسیله اي، بر اساس سطوح مختلف ولتاژ ورودي، این فرکانس آزادرو را تغییر داد، می توان گفت که اطلاعات بر روي فرکانس موج حامل قرار گرفته است. براي ارسال اطلاعات، از آنجائیکه اطلاعات تنها داراي دو سطح ولتاژ 0 و 5 ولت هستند، می توان طراحی را به گونه اي انجام داد که به ازاي
سطح ولتاژ 0، VCO در یک فرکانس نوسان کند و براي سطح ولتاژ 5 ولت در یک فرکانس دیگر. یعنی با استفاده از همین مبناي آنالوگ جهت ارسال دیجیتال نیز استفاده نمود
ضمناً براي کنترل نرخ بیت ارسال - Bit Rate - و انتقال اطلاعات از کامپیوتر به فرستنده، و هم چنین دریافت اطلاعات از گیرنده و ارسال آن به کامپیوتر مقصد، از آي سی ATmega32L استفاده شده است. از آنجائیکه اگر فرستنده و گیرنده هر دو با یک نرخ بیت یکسان ارسال و دریافت نکنند عمل ارسال و دریافت اطلاعات انجام نمی پذیرد و اطلاعات با خطا و قاب بندي غلط ارسال و دریافت می شوند، باید فرستنده و گیرنده به نوعی در ارتباط سنکرون براي تغییر نرخ بیت باشند. اما از آنجائیکه فرستنده و گیرنده در دو مدار جدا قرار دارند، باید به نوعی این دو را با هم سنکرون نمود.
روش این کار استفاده از یک کلمه کنترلی می باشد. به این معنی که هر گاه براي تغییر مقدار بیت ریت پتانسیومتر را چرخاندیم، فرستنده مقدار آن را به دیجیتال تبدیل نموده و بر اساس بازه هایی که براي آن تعریف شده است، مقدار بیت ریت را تعیین نموده، پیش از تغییر بیت ریت خود با ارسال یک کلمه کنترلی به گیرنده اطلاع دهد که قصد تغییر بیت ریت را دارد؛ سپس بیت ریت جدید را به اطلاع گیرنده رسانده و در نهایت بیت ریت خود را به مقدار جدید تغییر دهد.
مداري که براي این پروژه ساختم، یک فرستنده و گیرنده با ارتباط یک طرفه و با کانال انتقال کابل هم محور بود؛ اما از آنجائیکه مقاله زیر جامع موارد مورد نیاز براي طراحی و ساخت را در بر می گیرد، می توان به راحتی
مدار را تبدیل به یک ارتباط بی سیم و نمود.
در بخش دوم، به بررسی و معرفی مختصر آي سی 74HC4046 می پردازیم و دلایل انتخاب آن را از میان بقیه آي سی هاي هم خانواده شرح می دهیم.
در بخش سوم، شرح موارد سخت افزاري فرستنده و گیرنده را مورد بررسی قرار می دهیم. در این قسمت سعی می شود تا حد امکان توضیحات بصورت نوشتاري آورده شود. لذا خواننده در صورت علاقه می تواند خود مدار را بر اساس موارد مطروح بسته، نتیجه را مشاهده نماید.
در بخش چهارم، شرح موارد مهم نرم افزاري را بررسی خواهیم نمود. از آنجائیکه برنامه در محیط نرم افزار [4] CodeVision نوشته شده است و ذکر توابع مورد استفاده در برنامه خارج از حوصله این بحث می باشد، تنها به ذکر فلوچارت برنامه نوشته شده بسنده می نمائیم. جهت نوشتن کدهاي مورد نیاز برنامه، می توان از مرجع شماره [4]، فصول ذکر شده استفاده نمود.
-2 معرفی آي سی [1] 74HC4046
آي سی هاي خانواده 4046 که شامل چندین نوع مختلف
74HC4046 - ، hef4046، CD4046 و - hcf4046 می باشند،تماماً آي سی هاي PLL هستند. از آنجائیکه یکی از روش هاي دمدولاسیون FSK، استفاده از PLL می باشد، و ارسال FSK هم با استفاده از یک VCO امکان پذیر می باشد، می توان از این آي سی هم به عنوان فرستنده و هم به عنوان گیرنده FSK استفاده نمود ضمناً در این آي سی ها این امکان وجود دارد که بتوان از بخش VCO آن بصورت مجزا - و بدون بستن حلقه - استفاده نمود. شکل 1 مدل بلوکی این آي سی را نشان می دهد.
شکل :1 نمودار بلوکی مدار داخلی [1] 74HC4046
VCO در این آي سی، داراي یک فرکانس آزادرو می باشد، که مقدار آن بر اساس مقادیر خازن C1 و مقاومت هاي R1 و R2 تعیین می شود. - شکل - 2 انواع مختلف آي سی هاي 4046 در مورد این فرکانس آزادرو با یکدیگر اختلافات فراوانی دارند. برخی از انواع براي تعیین مقدار فرکانس آزادرو داراي یک نمودار لگاریتمی بسیار دقیق می باشند و برخی دیگر داراي نمودار خاصی نیستند، و مقادیر خازن آنها باید بصورت تجربی تعیین شود. و از آنجائیکه تغییرات فرکانس بر اساس مقادیر خازن یک رابطه غیر خطی - لگاریتمی - است، تعیین فرکانس آزادرو در این آي سی ها کاري بس دشوار است. وعموماً از آنها براي کار در مواردي استفاده می شود که مقدار فرکانس آزادرو مهم نیست.
شکل :2 نمودار لگاریتمی مقادیر مقاومت و خازن براي تعیین فرکانس آزادرو آي سی 74HC4046
علاوه بر این، این خانواده ها داراي محدودیت فرکانس آزادرو نیز می باشند. و از این میان، 74HC4046 با حداکثر فرکانس 17MHz بالاترین فرکانس آزادرو را دارد. علاوه بر این، این آي سی مزیت هاي ویژه اي هم نسبت به بقیه آي سی ها دارد که باعث شده است در کاربردهاي مخابراتی و ارسال با فرکانس RF در حد چند مگاهرتز، بیشتر از این نوع آي سی ها استفاده شود. البته این آي سی بشدت کم یاب می باشد که این مساله مهم ترین اشکال این آي سی می باشد. در مقایسه انواع مختلف آي سی ها، مهم ترین مواردي که باعث می شود استفاده از این آي سی براي کاربردهاي مخابرات دیجیتال مناسب باشد، ولتاژ تغذیه پائین 6 - ولت حداکثر - و در نتیجه مصرف توان بسیار کم است که باعث شده بتوان از آن براحتی در مداري که میکروکنترلر در آن با ولتاژ 5 ولت کار می کند استفاده نمود.
ضمناً این آي سی داراي 3 عدد مقایسه کننده فاز می باشد، که این خود باعث ایجاد قدرت انتخاب بیشتر می شود.
براي ساخت مدار، من با استفاده از خازن 390pf و مقاومت R1 = 10KΩ و R2 = 24KΩ به فرکانس آزادرو 1.059MHz رسیدم . که با دقت بیشتر از %90 مقدار دقیقی را بدست می دهد.
براي مدار فرستنده، باید سیگنال ارسالی را به پایه شماره 9 اعمال نمائیم، و موج مدوله شده بر روي فرکانس RF برابر 1MHz را از پایه شماره 4 دریافت نمائیم.
در مدار گیرنده هم می توان با استفاده از همین مقادیر خازن و مقاومت فرکانس آزادرو را تنظیم نمودضمناً. براي گیرنده FSK از آنجائیکه باید از کل مدار PLL استفاده نمود، می توان خروجی VCO را به ورودي PD ها - پایه - 3 متصل نمود و با گرفتن خروجی PD2 از پایه 13 و عبور آن از یک فیلتر پائین گذر - مقاومت 47KΩ و خازن - 390pf و اتصال آن به ورودي VCO، حلقه را کامل نمود و دمدولاسیون را انجام داد.
توضیح اینکه PD2، نسبت به لبه بالارونده سیگنال ورودي حساس است. با استفاده از این PD، حساسیت نسبت به Duty Cycle سیگنال ورودي و خروجی VCO از بین می رود. PD2 داراي دو D Flip Flop، گیت کنترل و بافر سه حالته در خروجی می باشد.
