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【Tutorial】解析支援LoRa的Sertek版 Quark SE C1000開發板

作者:陸向陽

Intel Quark SE C1000的體驗開發評估上,除了Intel自己官方的開發板外,Sertek也有推出自己的版本。Sertek版在週邊晶片及感測器的配置上,幾乎都比Intel更完整,其中又以具備LoRa收發器晶片模組為其特點,這是Intel版缺乏的部份。

因此,筆者以下針對LoRa收發器方面,進行更多的硬體層面探索了解,希望讓其他對Sertek版Quark SE C1000開發板,以及LoRa晶片技術有興趣的人,多一些參考資訊。

Sertek版的Quark SE C1000開發板中,最上層為無線收發器模組板,板上有藍牙(BLE)收發器模組與LoRa收發器模組。

LoRa模組特性

首先,Sertek並非直接使用LoRa的收發器晶片,而是向台灣的環天世通科技(GlobalSat WorldCom Corporation)購買收發器模組,模組內的主體除了晶片外,也包含其他搭配的電子元件。

模組的編號為LM-230H,其實還有一款為LM-230L,差別只在於運作頻率,前者在於410MHz~525MHz頻段,後者為862MHz~1020MHz頻段,不同的頻段主要在適應不同的國區,目前低於1GHz(Sub-1GHz)的頻段,各國法規的開發尺度不一,例如美國只准用915MHz,歐洲則准用868MHz。LM-230H內的LoRa收發器晶片是美國Semtech公司的SX127x(x=6/7/8/9)。

SX127x晶片的發送功率最高100mW(毫瓦),發送距離則在1公里~10公里。在收發到信號後,是透過UART介面(晶片本身可選擇用I2C、SPI或UART等介面,但模組設計上預設選定UART)傳送給其他晶片,而其UART支持多種傳輸率(更正規說是鮑率baud rate),包含1200/2400/4800/9600/19200/38400/57600bps等,預設值是9600bps

LoRa定位是低功耗無線廣域網路(Low-Power Wide Area Network, LPWAN),因此不需要太高的資料傳輸量。除了傳輸率外,在傳輸的同位查核校驗上則支援8N1、8E1、8O1等格式。也因為是LPWAN,所以LoRa收發器晶片SX127x強調長距離、高覆蓋傳輸,最遠可達10公里,但這也必須付出僅有0.81kbps資料傳輸量的代價。

同理,傳輸距離能很遠,是因為接收端的靈敏度較高,在相同發送功率下(各國多有規範,不允許晶片無限上綱地加大發送功率,以免影響環境與生物),自然可以傳輸較遠,同樣是0.81kbps的極低傳輸率時,SX127x 也可以有-132dBm的接收靈敏度。

接腳配置說明

進一步說明,SX127x晶片共有28支接腳,但由於環天已將晶片包裝成模組,許多接腳的對應電路已經實現,真正顯露到模組外的剩14支接腳。

在14支接腳中,有些只單純的供電需求,如VCC、GND接腳;有的是天線接腳(模組本身提供IPEX天線連接器,而Sertek板子上還備有同軸的RF連接器);有的只是保留而尚未定義或者是重置(Reset/RST,Semtech官方資料寫NRESET,模組技術資料則是寫NRST)接腳等;真的與外部MCU晶片有關的接腳只有5支:RXD、TXD、BZ、P1、P2。

LoRa收發器模組的兩個天線位置

圖右為LM-230模組,圖左為模組外的MCU微控制器晶片,在本文即是指Quark SE C1000。

其中RXD、TXD即是UART介面,用來傳輸資料用的,若與其他MCU微控制器晶片連接,即是RXD接TXD,TXD接RXD。而BZ接腳是對外輸出用的,告知外部晶片目前收發器晶片的運作狀態,筆者推測此應該是指忙碌(Busy)狀態輸出,對應到Semtech官方資料中的RXTX/RF_MOD狀態輸出接腳。

收發模組運作模式

所以真正需要了解的只有P1、P2接腳,是對模組進行運作模式設定的接腳,透過外部MCU來操控這兩支接腳,賦予收發模組不同的運作模式。

1. Normal Mode

第一種模式是正常模式(Normal Mode),P1接腳、P2接腳均為0(低電位、接地等),這模式下UART開啟、無線通道(Wireless Channel)也是開啟,可進行收發。

2. Wake-Up Mode

第二種模式是喚醒模式(Wake-Up Mode),MCU晶片須對P1接腳輸出0,對P2接腳輸出1(高電位)。這個模式與正常模式相同,無論UART或無線通道都是開啟著的,差別是喚醒模式的前導信號時間比較長,讓接收端有較足夠的時間從省電模式脫離,進入正常收發模式。

提醒各位,接收端無論是在哪一種模式,都可以被遠端的收發器給喚醒,接收端會自動在接收資料的最後加上RSSI(Received Signal Strength Indicator)接收信號強度指示的資訊。

3. Power-Saving Mode

第三種是省電模式(Power-Saving Mode),UART介面關閉,無線通道處於省電模式中,開發者可以設定0.5秒~5秒的間隔時間來喚醒,檢查是否有遠端來的前導信號,如果有就會啟動UART,並通知MCU準備處理收發資料,當收發結束後就會重新回返到省電模式,並維持規律的間隔時間偵測。

4. Setup Mode

第四種是設定模式(Setup Mode),這時UART跟無線通道都是關閉著的,這個模式一般情況下不使用,只有在對收發晶片進行組態設定時才會使用。

說明四種模式後,其中P1、P2、BZ是如何與MCU連接的呢?在Sertek板子上當然是與Intel Quark SE C1000晶片連接,而無論Intel版或Sertek版,都是採行相容Arduino Uno R3的I/O接腳排列。因此P1、P2、BZ是動用A1、A2、A3接腳來連接,不過在這裡不把這些接腳當ADC(類比數位轉換)的輸入接腳來用,只純當一般I/O接腳(GPIO),其中與P1、P2連接的設定為輸出,與BZ連接的設定為輸入。

這些連接工作,再配搭上Sertek的收發器電路板後就完成了。程式規劃與撰寫時,要知道實際上用及這些接腳,進而方便變數宣告與操控。不過一般情況下是使用正常模式,如此直接把P1、P2接腳接地即可,不用再行操控。

LM-230模組與Quark SE C1000晶片間的對應連接腳位。

直接將模組的P1、P2接腳接地(低電位)設定成正常模式,這會比喚醒模式、省電模式來的耗電些。

小結

概略了解Sertek為Quark SE C1000提供的LoRa模組後,其實同一片板子上還有一個藍牙收發模組,該模組透過UART、SPI、I2C等介面與C1000晶片連接,其中UART部份有一組與LoRa重疊,若想同時使用兩種通訊,則有必要避開。而有關藍牙的部份,與Intel官方板完全相同,在此就不重複贅述。希望本文能對Quark SE C1000與LoRa有興趣的人有一點幫助。

相關參考:

(責任編輯:葉于甄)


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陸向陽

陸向陽

從電子科系畢業後,即以媒體人的角色繼續這段與「電子科技」的不解之緣。歷任電子技術專書作者、電子媒體記者、分析師等角色,並持續寫作不殆。近來投入Arduino、Raspberry Pi等開放硬體的研究與教程介紹。
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