انواع ماژول های ارتباطی سریال برای شبکه سازی میکروکنترلر

انواع ماژول های ارتباطی سریال برای شبکه سازی میکروکنترلر

مقدمه

امروزه استفاده از میکروکنترلر به صورت فرستنده/گیرنده کاربرد بسیاری دارد. در این مقاله به بررسی ماژول هایی که به منظور ارتباط یک میکروکنترلر ( معمولا AVR ، ARM یا PIC ) با یک وسیله دیگر می پردازیم. وسیله ای که در مقابل میکرو قرار دارد و میکرو با آن ارتباط برقرار می کند خود میتواند یک میکروکنترلر دیگر ، یک کامپیوتر یا یک شبکه ای از وسایل متصل به هم باشد. برای آموزش اصول و مبانی شبکه ها میتوانید به این لینک مراجعه نمایید.

Microcontroller_Network_Communication


نحوه ارسال/دریافت انواع داده ها

داده های ورودی می تواند متن ، صوت ، تصویر ، فیلم یا به طور کلی متشکل از تعدادی 0 و 1 که با فرمت خاصی در کنار هم قرار گرفته است و به صورت بسته های دیتا ( معمولا 8 بیتی ) و به صورت سریال ارسال می شود.

شکل زیر مراحل مختلف ارسال دیتا را نشان می دهد. در ابتدا اگر ورودی آنالوگ باشد می بایست به دیجیتال تبدیل گردد. داده دیجیتال خام بعد از کدگذاری و رمزنگاری بر روی آن و ترکیب با داده های مورد نیاز دیگر آماده ارسال می گردد. در نهایت با استفاده از روش های مدولاسیون دیجیتال ، داده از فرکانس پایین به فرکانس بالاتر برای ارسال می رود (مدولاسیون).

Transmitter

داده های ارسال شده در طرف گیرنده ابتدا دریافت می شود و سپس دمدوله می گردد تا دیتای اصلی از باند فرکانسی بالا به فرکانس پایین تر برای تجزیه و تحلیل آماده گردد. سپس در صورت وجود نویز و اشکال در دیتا سعی در برطرف کردن آن می گردد. سپس دیتای اصلی جدا می گردد و بعد از کدگشایی و رمز گشایی دیتای ارسال شده در گیرنده آشکار می گردد. در نهایت در صورت نیاز ، دیتا به آنالوگ تبدیل می شود.  Reciever


انواع حالت های ارسال/دریافت دیتای سریال

به طور کلی ۳ روش ارتباط بین فرستنده و گیرنده وجود دارد :

روش یک طرفه یا ساده ( Simplex ) : در این روش اطلاعات فقط در یک جهت انجام می گیرد .

روش نیم دوطرفه ( Half Duplex ) : در این روش اطلاعات در هر دو جهت میتواند انجام گیرد اما در هر لحظه فقط در یک جهت امکان پذیر است .

روش دو طرفه ( Full Duplex ) : در این روش اطلاعات در یک لحظه میتواند در دو جهت انجام گیرد .

 

TransmissionModes


دسته بندی انواع ارتباطات سریال

دسته بندی های مختلفی میتوان برای ماژول های ارتباطی در نظر گرفت. این دسته بندی میتواند بر اساس فرکانس کاری ، سرعت ، پروتکل ، حداکثر برد ، نوع مدولاسیون و نحوه ارتباط باشد که در ادامه آن ها را بیان خواهیم کرد.

تذکر : فرستنده/گیرنده ها در یک دسته بندی کلی به دو دسته آنالوگ و دیجیتال تقسیم می شوند که در اینجا چون با میکروکنترلر و دستگاه های دیجیتال سروکار داریم ، فقط فرستنده/گیرنده های دیجیتال مورد بررسی قرار می گیرد.

analogue


معرفی انواع پروتکل های ارتباط سریال

  • پروتکل SPI : مخفف Serial Peripheral Interface به معنای رابط سریال عمومی است. SPI یک پروتکل ارتباطی دوطرفه همزمان و دارای 4 سیم می باشد. این پروتکل ارتباطی دارای سرعت بسیار بالا بوده و در فواصل بسیار کوتاه از آن استفاده می شود. شکل زیر نحوه ارتباط توسط این پروتکل را نشان می دهد. وسیله Master وظیفه کنترل و هماهنگی ارسال/دریافت را در اختیار دارد و وسیله Slave در طرف دوم ارسال/دریافت است.

SPI_single_slave

  • پروتکل USB : مخفف Universal Serial Bus به معنای باس ارتباط سریال جهانی است. USB یک پروتکل دوطرفه غیر همزمان استاندارد برای ارتباط با اکثر دستگاههای جانبی است. USB دارای سرعت بالا می باشد و در فواصل کوتاه از آن استفاده می شود. شکل زیر نحوه ارتباط توسط این پروتکل را نشان می دهد. پروتکل USB دارای 4 سیم می باشد ، دو سیم برای تغذیه و دو سیم برای انتقال دیتا می باشد. پایه VBUS تغذیه 5V ، پایه GND تغذیه زمین و پایه های D+ و D- برای ارسال/دریافت دیتا می باشد.

USB_Protocol

  • پروتکل USART : مخفف Universal Synchronous/Asynchronous Serial Receiver And Transmitter به معنای ارسال/دریافت کننده سریال جهانی همزمان/غیرهمزمان است. USART یک پروتکل ارتباطی دوطرفه با سرعت متوسط می باشد و در مسافت کوتاه تا مسافت های های طولانی از آن استفاده می شود. همچنین USART برای ارتباط با اکثر ماژول های ارتباطی مانند GSM ، GPS ، HM-TR و … کاربرد دارد. شکل زیر استفاده مستقیم از این پروتکل به صورت آسنکرون را نشان می دهد که در آن RXD برای دریافت و TXD برای ارسال دیتا می باشد.

Asynchronous AVR Com

  • پروتکل TWI یا I2C : مخفف Two Wire Interface به معنای رابط دو سیمه است. I2C یا پروتکل دوسیمه بیشتر برای ارتباط با المانهای جانبی نظیر سنسورها و ماژول های سرعت پایین و در فواصل کوتاه است. مزیت این پروتکل در سیم های کمتر برای ارتباط است. همانطور که در شکل زیر مشاهده می کنید ،تمام وسایلی که می خواهند با Master در ارتباط باشند به یک باس مشترک متصل هستند. باس SDA مربوط به دیتای سریال و باس SCL مربوط به کلاک سریال می باشد که هر دو توسط یک مقاومت مناسب به صورت پول آپ به ولتاژ مثبت تغذیه وصل هستند.

I2C_Mastet

  • پروتکل Ethernet : یکی از معروف ترین پروتکل های استاندارد شبکه های LAN و MAN می باشد. با استفاده از پروتکل اترنت میتوان شبکه های بسیار کوچک ( مانند اتصال دو کامپیوتر ) تا شبکه های بسیار بزرگ ( مانند شبکه ملی ) را ایجاد نمود. این پروتکل وضعیت سیم‌کشی و استانداردهای سیگنالی در لایه فیزیکی و همچنین قالب‌های آدرسی همچون MAC آدرس در لایه یک ( Data link Layer ) را معین می‌کند. Ehternet به‌عنوان استاندارد IEEE802.3 شناخته می‌شود با ترکیب کابلهای زوج به هم تابیده برای اتصال نقاط انتهائی شبکه و فیبرنوری برای اتصالهای اصلی (back bone) سایت یک سطح گسترده‌ای از تکنولوژی LAN متصل از طریق سیم را پوشش می‌دهد. بسیاری از تجهیزات شبکه های صنعتی ، تجاری و خانگی از پروتکل اترنت پشتیبانی می کنند. برخی از میکروکنترلرها نیز این پروتکل را درون خود دارند. آی سی های تبدیل این پروتکل به پروتکل های دیگر نیز وجود دارد. شکل زیر یک شبکه کوچک متشکل از 3 کامپیوتر و یک پرینتر را نشان می دهد. در کنار هر کدام از اعضای این شبکه میتواند میکروکنترلر قرار گیرد و طبق پروتکل Ethernet با شبکه ارتباط برقرار کند.

Ethernet

  • پروتکل CAN : این پروتکل که مخفف controller area network به معنای شبکه محلی کنترلر می باشد ، یکی از معروف ترین پروتکل های اتوماسیون صنعتی نیم دوطرفه می باشد. این نوع پروتکل ابتدا در اتومبیل ها به منظور کاهش سیم کشی و برقراری ارتباط میان تجهیزات اتومبیل با میکروکنترلر و همچنین ارتباط میکروکنترلر با کامپیوتر مرکزی خودرو استفاده شد ولی کم کم راه خود را به صنایع دیگر باز کرد. مزیت ویژه پروتکل CAN در فراهم کردن تمامی امکانات ارسال/دریافت ، آدرس دهی بسته های دیتا ، جلوگیری از تداخل اطلاعات و تشخیص خطا می باشد. هم اکنون از این پروتکل در صنایع مختلف خودروسازی ، پزشکی ، صنعت نفت ، حمل و نقل و… استفاده می گردد. برخی از میکروکنترلرها از این شبکه پشتیبانی می کنند. شکل زیر توپولوژی شبکه CAN را نشان می دهد.

can

  • و پروتکل های دیگر….

بررسی انواع ارتباط از نظر بدون سیم یا با سیم بودن

ارتباط بین فرستنده و گیرنده میتواند با انواع سیم/کابل ها ( Wired ) صورت بگیرد. شکل زیر انواع سیم/کابل ها را نشان می دهد که شامل زوج سیم به هم تابیده ، کابل کواکسیال و فیبر نوری می باشد.

wiredcablesبرای مثال : انواع ارتباطات سریال USART ، I2C و SPI میتواند به صورت مستقیم و بدون هیچ ماژولی ، با سیم صورت بگیرد.

همچنین ارتباطات بین فرستنده و گیرنده میتواند به صورت بدون سیم ( Wireless ) باشد. شکل زیر برخی از انواع تکنولوژی های ارتباطی بدون سیم را نشان می دهد.

Wireless

برای مثال : ماژول های ارتباطی پرکاربرد بلوتوث HC05 ، وای فای ESP8266 را میتوان برشمرد.


بررسی انواع ماژول های ارتباطی از نظر فرکانس

فرکانس مفهومی است که در هر ارسال/دریافتی مطرح می شود. شکل زیر انواع امواج الکتریکی به کار گرفته شده را نشان می دهد.

frequency-spectrum

فرکانس های بین 3 کیلوهرتز تا 300 گیگاهرتز را فرکانس رادیویی ( Radio Frequency ) گویند و به اختصار RF بیان می کنند. در این فرکانس انواع ارتباطات با سیم و بدون سیم صورت می گیرد. شکل زیر تقسیم بندی فرکانسی ارتباطات را به زیر بازه های کوچکتر نشان می دهد.

Frequency_Renge

فرکانس 2.4Ghz : فرکانس استاندارد بی سیم ( ISM Band )

محدوده فرکانسی 2.4GHZ تا 2.4835GHZ با پهنای باند 83.5MHZ محدوده فرکانسی محبوب و استاندارد شبکه ها و ارتباطات بی سیم است. اکثر ارتباطات بدون سیم نظیر WiFi و Bluetooth در این فرکانس کار می کنند. از مزیت هایی که این فرکانس دارد میتوان به موارد زیر اشاره کرد :

  • توانایی ارسال/دریافت صوت ، تصویر ، ویدئو و دیتای دیجیتال با سرعت بالا
  • توانایی ارسال/دریافت در ابعاد گسترده تر به علت فرکانس بالاتر از فرکانس رادیویی
  • کوچک تر شدن ابعاد آنتن مورد استفاده به علت فرکانس بالاتر از فرکانس رادیویی
  • عدم تداخل با فرکانس های دیگر و نویزپذیری کمتر در این فرکانس

نتیجه : تمام ماژول های WiFi ، تمام ماژول های Bluetooth و برخی ماژول های RF نظیر NRF24L01 در این فرکانس کار می کنند.

 

فرکانس های تلفن همراه در ایران

جی‌اس‌ام (GSM) یا سامانهٔ جهانی ارتباطات همراه یکی از متداول‌ترین استاندارد های تلفن‌های همراه در جهان است.

  • نسل اول 1G این سامانه از باند فرکانسی 900 مگاهرتز تنها برای تماس صوتی استفاده می کند.
  • در نسل دوم 2G یک باند فرکانسی 1800 به نسل اول اضافه می شود و در نتیجه نسل دوم 2G در هر دو باند فرکانسی 900/1800 مگاهرتز کار می کند. همچنین قابلیت ارسال پیامک SMS و GPRS به این نسل اضافه شده است.
  • نسل سوم آن 3G در فرکانس 2100 مگاهرتز کار می کند و علاوه بر قابلیت های نسل قبل اینترنت پرسرعت در حین حرکت را به ارمغان می آورد.
  • نسل چهارم 4G نیز در فرکانس 1800 مگاهرتز کار می کند. مزیت ویژه این نسل برقراری ارتباطات بر اساس IP ( شبیه به اینترنت ) و در نتیجه سرعت و قابلیت های بالاتر می باشد.

بررسی انواع ماژول های ارتباطی از نظر نوع مدولاسیون

برای انتقال بهینه اطلاعات در محیط مجبور به تغییر فرکانس ارسالی به واسطه تبدیل 0 و 1 ها ( Digital Data ) به یک موج دیگر صورت می گیرد که به آن مدولاسیون گویند.

انواع مدولاسیون های دیجیتال عبارتند از :

مدولاسیون دامنه ( ASK )

مخفف Amplitude Shift Keying به معنای مدولاسیون شیفت در دامنه می باشد. در این نوع مدولاسیون اطلاعات 0 و 1 به صورت وجود یا عدم وجود یک موج سینوسی با فرکانس خاص ارسال می شود. شکل زیر نحوه مدولاسیون ASK و ارسال اطلاعات نمونه را نشان می دهد.

ASK_Modulation

مدولاسیون فاز ( PSK )

مخفف Phase Shift Keying به معنای مدولاسیون شیفت در فاز می باشد. در این نوع مدولاسیون اطلاعات 0 و 1 به صورت تغییر در فاز یک سیگنال سینوسی با فرکانس مشخص ارسال می شود. شکل زیر نحوه مدولاسیون PSK و ارسال اطلاعات نمونه را نشان می دهد. همانطور که مشاهده می کنید با تغییر دیتا از 0 به 1 یا بالعکس با تغییر فاز سیگنال ارسالی مواجه هستیم.

PSK_Modulation

مدولاسیون فرکانس ( FSK )

مخفف Frequency Shift Keying به معنای مدولاسیون شیفت در فرکانس می باشد. در این نوع مدولاسیون اطلاعات 0 و 1 به صورت تغییر در فرکانس یک سیگنال سینوسی با فرکانس مشخص ارسال می شود. شکل زیر نحوه مدولاسیون FSK و ارسال اطلاعات نمونه را نشان می دهد. همانطور که مشاهده می کنید ، در این مدولاسیون دیتای 0 با یک فرکانس و دیتای 1 با فرکانس بیشتری ارسال می شود.

FSK_Modulation

مدولاسیون GFSK

مدولاسیون FSK خود به نوع های مختلفی تقسیم بندی می گردد که از مهمترین نوع آن میتوان به GFSK یا Gaussian FSK اشاره کرد. در حالت FSK معمولی به محض تغییر دیتا از 0 به 1 یا بلعکس ، فرکانس به طور ناگهانی تغییر می کند. اما در مدولاسیون GFSK با استفاده از فیلترهای گاوسی ، از تغییر شکل ناگهانی پالس های FSK جلوگیری می شود و در نهایت باعث آرام شدن تغییرات در شکل موج ارسالی می شود. بهبود این مدولاسیون در نهایت موجب کاهش پهنای باند موثر برای ارسال موج FSK می شود.(چراکه بطور تئوری پهنای باند FSK نامحدود است).


معرفی ماژول WiFi

  • ماژول های خانواده ESP : در ساخت تمامی این ماژول ها از آی سی ESP8266 استفاده شده است. در ایران مدل های ESP-01 ( بدون شیلد ) و ESP-07 ( دارای شیلد ) وجود دارد. این ماژول با استفاده از پروتکل USART فرمان می پذیرد ، فرکانس کاری آن 2.4Ghz و پروتکل مورد استفاده برای ارسال/دریافت دیتا در آن TCP/IP  با استفاده از تکنولوژی WiFi می باشد.

ESP8266

نکته : ماژول ESP-01 خود دارای پایه جهت نصب روی مدار است اما برای استفاده از ESP-07 در مدار از برد توسعه آن استفاده می گردد. به طوری که ماژول روی آن نصب می گردد. ( شکل زیر ).

ESP8266-DEV-500x500


معرفی ماژول Bluethooth

  • ماژول های خانواده HC : این ماژول ها از ورژن 4 بلوتوث نیز پشتیبانی می کنند. در ایران مدل های HC-05 ، HC-06 ، HC-08 و HC-09 وجود دارد. پروتکل مورد استفاده آن USART ، فرکانس آن 2.4Ghz و مدولاسیون به کار رفته در آن GFSK می باشد. برای استفاده راحت تر این ماژول ها هم نیاز به برد توسعه آن ها می باشد. شکل زیر ماژول HC-05 را بدون برد توسعه و با برد توسعه نشان می دهد.

Bluetooth_Module_bb


معرفی ماژول RF

  • ماژول NRF24L01+ : یکی از معروفترین ماژول های RF در باند 2.4Ghz می باشد که توانایی ارسال/دریافت با سرعت 2 مگابیت در ثانیه و مدولاسیون GFSK را دارد. این ماژول در دو نوع دارای آنتن خارجی و دارای آنتن روی برد وجود دارد که در شکل زیر مشاهده می کنید. نوع بدون آنتن آن برد 100 متر و نوع دارای آنتن تا 1100 متر برد دارد. در راه اندازی این ماژول از پروتکل SPI استفاده می شود. معرفی ، آموزش و راه اندازی NRF24L01 با AVR

NRF24L01P_Type


معرفی ماژول  GSM

  • ماژول های خانواده SIM : در ساخت تمامی این ماژول ها از آی سی های سری SIM ساخت شرکت SIMCOM استفاده می شود. معروف ترین آن ها ماژول Sim900 است که قابلیت برقراری تماس ، SMS و GPRS را دارد ( 2G ).

Sim900A-Board

  • ماژول Sim908 علاوه بر تکنولوژی 2G قابلیت تعیین موقعیت با استفاده از تکنولوژی GPS را نیز دارد.
  • ماژول 3G نیز وجود دارد که بر اساس SIM5216E  ساخته شده است و از HSDPA / WCDMA / GSM /GPRS / EDGE پشتیبانی می کند. ( شکل زیر )

SIM5216E


معرفی ماژول Ethernet

  • ماژول ENC28J60 : این ماژول بر مبنای تراشه ENC28J60 شرکت Microchip طراحی شده است که در سمت میکروکنترلر دارای پروتکل SPI و در طرف دیگر پروتکل Ethernet می باشد. این ماژول قابلیت پشتیبانی کامل از ارتباط شبکه با سرعت 10Mbps را داراست.

Ethernet_Module_ENC28J60


معرفی ماژول CAN

  • ماژول TJA1050 : این ماژول یک مبدل دوطرفه پروتکل USART به پروتکل CAN می باشد که در آن از تراشه TJA1050 شرکت NXP استفاده شده است.
    TJA1050

برخی منابع :

ویکی پدیا

فروشگاه آفتاب رایانه


دانلود بهترین و کاملترین بسته آموزشی میکروکنترلرهای AVR

AmazingAVR


در صورتی که این آموزش مورد پسندتان بود لایک و اشتراک گذاری فراموش نشود.

این مطلب را با دوستانتان به اشتراگ بگذارید

دیدگاه (3)

  • yousefiz پاسخ

    سلام
    مطالب خیلی مفیدی بود
    استفاده کردم
    موفق باشید

    ۰۱/۱۲/۱۳۹۴ در ۲۱:۱۶
  • علی پاسخ

    سلام!
    خیلی کامل بود!
    ممنون!

    ۱۶/۰۱/۱۳۹۵ در ۱۲:۴۳
  • سهیل پاسخ

    سایتتون عالی و بسیار پر باره .سپاس

    ۳۱/۰۴/۱۳۹۵ در ۰۰:۲۲

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

2 + چهارده =