1.3 Antennes
1.3.3 Folded Shorted-Patch antenne
Het is geweten dat planaire antennes verschillende voordelen hebben ten opzichte van andere soorten antennes. Zo is een belangrijke eigenschap dat deze goedkoop in productie zijn. Deze antennes nemen echter voor sommige doeleinden te veel ruimte in. De folded Shorted-Patch (folded S-P) antenne is ontworpen om deze grootte te reduceren. Deze antenne is gebaseerd op een S-P antenne met het verschil dat de folded versie bestaat uit twee patches die zich boven elkaar bevinden in plaats van ´e´en grotere patch. Hierdoor kan er plaats uitgespaard worden [18], [19]. De folded versie van de antennes wordt weergegeven in Figuur 1.9.
Figuur 1.9: Folded S-P antenne [18].
Naast het verkleinen van de benodigde ruimte is het natuurlijk de bedoeling om dezelfde karakteristieken te behouden als die van de S-P antenne. Wanneer het elektrisch veld van beide antennes vergeleken wordt in Figuur 1.10, is te zien dat het elektrische veld van de folded S-P geconcentreerd is tussen de bovenste en onderste patch, net zoals het rechter deel van de unfolded S-P. Ook bij het beschouwen van de oppervlakte stroom is een gelijkaardig gedrag te vinden. Hierbij valt op te merken dat de onder- en bovenkant van de onderste patch overeenkomen met de onderkant van de unfolded S-P en dat de onderkant van de bovenste patch overeenkomt met het rechter deel van het grondvlak onder de unfolded S-P [18].
Het stralingspatroon voor een resonante frequentie, gebruikmakend van zowel de unfolded als de folded S-P antenne, is te zien in Figuur 1.11. Hiervoor zijn de stralingsopeningen naar dezelfde kant gericht (de negatieve y richting). Wanneer deze figuur nader bekeken wordt, is te zien dat beide stralingspatronen sterk overeenkomen. De folded versie van de antennes heeft echter
12 1.3. ANTENNES
1.3. ANTENNES 13 een lagere directiviteit. Wat de effectiviteit van de folded S-P antenne betreft, zal deze ook iets lager zijn, dit is te wijten aan de verliezen bij de wand van de bovenste patch (zoals te zien in Figuur 1.10). Wanneer de resonantiefrequentie daalt door het reduceren van de breedte van de kortsluitingswanden of de afstand tussen de onderste en bovenste patch, dan zal de stralingseffici¨entie significant dalen [18].
14 1.3. ANTENNES Door het aanpassen van afmetingen is het mogelijk om enkele antenneparameters vast te leggen, waaronder de resonantiefrequentie. De afmetingen die bij de besproken antenne zorgen voor een resonantiefrequentie van 2,45 GHz, zijn te zien in tabel 1.1.
Tabel 1.1: Afmetingen folded S-P antenne (2,45 GHz) [18]. Parameter Lengte [mm] L1 14 L2 15 W1 15 W2 15 H1 2.85 H2 3.15 D1 15 D2 15 Yp 5
HOOFDSTUK 2. PCB DESIGN 15
Hoofdstuk 2
PCB design
Dit hoofdstuk zal de ontwikkeling van de printplaat (PCB) behandelen. Eerst zal aangehaald worden wat reeds ter beschikking is door eerder onderzoek. Daarna zal dieper ingegaan worden op de ontwerpeisen van de PCB en de implementatie hiervan.
2.1 Eerder onderzoek
Aan de Universiteit Gent is reeds onderzoek gedaan naar een systeem om dodehoekongevallen aan te pakken. Dit onderzoek resulteerde naar een systeem met vijf verschillende detectienodes die geplaatst worden op de voor-, achter- en rechterzijkant van de vrachtwagen. Deze nodes bepalen op basis van RSSI filtering of een zwakke weggebruiker zich al dan niet in een dodehoekgebied bevindt. De zwakke weggebruiker draagt een wearable die de vrachtwagen zal detecteren. Om de vrachtwagenbestuurder zelf te waarschuwen bevindt er zich een node in de cabine. Het systeem maakt gebruik van BLE4.2 communicatie om een verbinding te verzorgen tussen de detectienodes onderling als ook met de wearable [4]. Het besproken systeem is te zien in Figuur 2.1. Hierop zijn de vijf verschillende nodes gemonteerd op de vrachtwagen. Deze nodes bevinden zich steeds ± 4 m uit elkaar [4].
In het reeds ontworpen systeem is echter nog ruimte voor verbetering. Zo is het namelijk de bedoeling om de detectienodes te fusioneren met de bestaande zijlichten van een vrachtwagen. Dit is te zien in Figuur 2.2. Om dit te volbrengen zal een miniaturisatie van de nodes noodzakelijk zijn. Hiernaast zal ook het communicatieprotocol een upgrade krijgen door over te schakelen naar BLE mesh. Hierdoor kan een rij van met elkaar geconnecteerde detectienodes gevormd worden.
16 2.2. ONTWERPVEREISTEN
Figuur 2.1: Nodes op vrachtwagen [4].
Figuur 2.2: Zijlicht, geplaatst op een vrachtwagen.
2.2 Ontwerpvereisten
Het verbeteren van het hierboven besproken systeem gaat gepaard met enkele ontwerpeisen. Zo moet de node kunnen werken met RSSI en heeft het BLE mesh (IEEE 802.15.1) als communicatieprotocol. Aangezien de node in het zijlicht van een vrachtwagen dient geplaatst te worden, wordt een maximale grootte van 2 cm × 3 cm opgelegd. Tot slot moet de node eenvoudig te installeren en relatief goedkoop zijn.
2.3. COMMUNICATIEPROTOCOL 17
2.3 Communicatieprotocol
2.3.1 Bluetooth
Zoals reeds gezegd zal er in dit project gewerkt worden met Bluetooth mesh. Dit draadloze communicatieprotocol is ideaal om persoonlijke netwerken op te zetten van enkele tot honderden meters groot, een uitstekende keuze dus voor het gebruik bij een vrachtwagen.
De draadloze eigenschap van Bluetooth is vooral belangrijk bij de installatie van het te ontwerpen systeem. Zo kan een plug & play apparaat ontworpen worden zodat de gebruiker het systeem enkel nog hoeft te plaatsen, maar geen problemen heeft wat betreft bekabeling van de ene node naar de andere node.
2.3.2 Topologie
Met de opkomst van BLE mesh kan binnen Bluetooth gekozen worden tussen drie topologi¨en: master-slave, one-to-many en mesh. Voor het verschil tussen deze topologi¨en kan verwezen worden naar sectie 1.2.
Zoals in Figuur 2.1 te zien is, vormen de verschillende nodes een rij op de vrachtwagen. Hierdoor wordt gekozen voor het gebruik van meshtopologie, zodat een netwerk gevormd kan worden dat mogelijk maakt om berichten over de verschillende nodes te laten hoppen.
Stel dat een netwerk opgebouwd is uit vijf nodes, zoals in Figuur 2.3 wordt weergegeven. Wanneer node 1 en node 5 zich buiten elkaars zend- en ontvangstradius bevinden, zal het toch mogelijk zijn om berichten naar elkaar te sturen. Node 1 zal daarvoor eerst het bericht naar een andere node sturen, beschouw dit als node 2. Node 2 zal nadien het bericht kunnen doorsturen naar node 3. Dit herhaalt zich totdat het bericht bij node 5 geraakt. Dit principe wordt forwarding genoemd [20].
Node 1
Node 2
Node 3
Node 4
Node 5
18 2.4. IMPLEMENTATIE
2.4 Implementatie
Met de info die gegeven werd in de vorige secties, kan overgegaan worden naar de implementatie van de detectienodes en welke componenten er voor deze nodes voorzien worden.
Zoals te zien is in Figuur 2.4, bestaat de node uit drie bouwblokken. Deze bouwblokken bestaan elk uit de nodige componenten. Zo zal het voedingblok (geel) bestaan uit de voeding zelf, maar ook een spanningsregulator. Het digitale gedeelte (blauw) bestaat uit de BLE chip die alle verwerkingen zal doen en wordt omringd door oscillatiekristallen, enkele LEDs en een Tag- connect footprint om het programmeren van de chip mogelijk te maken. Tot slot bestaat het RF gedeelte (groen) uit een matchingnetwerk en een op maat gemaakte antenne. Deze antenne zal uitgebreid besproken worden in hoofdstuk 3.
Microcontroller Voeding DC-DC converter Oscillatiekristallen LEDs Tag-Connect Matchingnetwerk Antenne
Figuur 2.4: Implementatie van een node.
2.4.1 Componenten
De reeds besproken bouwblokken bestaan uit enkele componenten. Deze componenten zullen besproken worden in dit onderdeel. Ook is in Bijlage C de bill of materials (BOM) te zien.
2.4. IMPLEMENTATIE 19
BLE chip
Als eerste onderdeel is er de BLE chip. Dit is de basis van de node en zal alle verwerkingen op zich nemen.
Voor deze chip wordt gekozen voor EFR32MG13 van Silicon Labs. De chip bevat zowel een energiezuinige, 40 MHz ARM Cortex-M4 microcontroller (MCU) als een RF tranceiver, verpakt in een QFN48 package. Deze combinatie zorgt voor de nodige plaatsbesparing op de PCB. De MCU beschikt over 512 kB flash programmageheugen en 64 kB RAM datageheugen. Verder behoort deze MCU tot de multi-protocol chip familie, hierdoor is het mogelijk om met BLE mesh te werken. De ingebouwde radio beschikt over een zendvermogen van 19 dBm voor een freq van 2,4 GHz. Tot slot blijft de werkzaamheid gegarandeerd voor temperaturen tussen −45 °C tot 85 °C waaruit besloten kan worden dat deze chip geschikt is voor extreme weersomstandigheden [21].
DC-DC converter
Om de BLE chip correct te voeden wordt gebruik gemaakt van een DC-DC converter die inkomende voeding van een batterij of de vrachtwagen omzet naar 3,3 V. De component die hiervoor zal zorgen is de ADP3330 van Analog Devices.
De ADP3330 is een zeer nauwkeurige low dropout (LDO) regulator. Ook zorgt deze component voor weinig ruis, kan spanningen verwerken van 2,9 V tot 12 V en levert een maximale stroom van 200 mA. De chip blijft werkzaam tussen temperaturen die gaan van −45 °C tot 85 °C. Een bijkomend en niet onbelangrijk voordeel is de relatief goedkope prijs [22], [23].
Oscillatiekristallen
Ondanks dat de EFR32MG13 interne oscillatiekristallen bevat, is er een mogelijkheid om twee externe kristallen te connecteren.
Het eerste kristal is een hoogfrequent kristal dat zich, volgens de datasheet van EFR32MG13 [21], tussen 38 MHz en 40 MHZ moet bevinden. Daardoor wordt gekozen voor een kristal met een oscillatiefrequentie van 38,4 MHz [24], [25]. Dit kristal zal gebruikt worden voor de radio doeleinden.
Het tweede kristal is een laagfrequent kristal met een frequentie van 32,768 kHz. Deze zal een accurate timing voorzien wanneer de BLE chip zich in lage energie modus bevindt [26], [27].
20 2.4. IMPLEMENTATIE
Leds
Verder worden er enkele leds toegevoegd zodat de PCB de zijlichtfunctie kan uitvoeren. Er wordt gekozen voor drie heldere, witte leds zodat de zijlichten duidelijk zichtbaar blijven in het verkeer [28].
Om de mogelijkheid bestaande te houden dat de zijlichten een extra waarschuwingsfunctie krijgen, worden de leds verbonden met I/O pinnen van de MCU in plaats van rechtstreeks met de voeding. Zo kan de MCU eventueel geprogrammeerd worden om, in geval van gevaar voor de zwakke weggebruiker, een waarschuwing te genereren door bijvoorbeeld de leds enkele keren te laten knipperen wanneer deze zich in het dodehoekgebied bevindt.
Tag-connect
Om de MCU te kunnen programmeren, moeten hier aansluitingen voor voorzien worden. Deze aanlsuitingen zorgen voor een mogelijke connectie met een Tag-connect. Deze Tag-connect werkt volgens het Serial Wire Debug (SWD) protocol en ziet eruit zoals in Figuur 2.5 is weergegeven. De gebruikte versie beschikt over zes signaalpinnen en drie bevestigingspinnen. Deze bevestigingspinnen kunnen aan de andere kant van de PCB geklemd worden [29].
Figuur 2.5: Tag-connect met 6 signaalpinnen en 3 bevestigingspinnen [30].
De eerder vermelde signaalpinnen hebben elk hun functie om het programmeren van de MCU mogelijk te maken. Zo is er een voedingspin, een grondpin en een resetpin, maar ook een pin voor SWO, SWDIO en SWCLK [31].
SMA-connector
In de ontwerpfase zal de antenne zich nog niet op de detectienode zelf bevinden. Daarom werd er een connector voorzien die een verbinding maakt tussen de PCB en de antenne. Voor deze verbinding wordt een SMA-connector gekozen met een impedantie van 50 Ω. Deze connector zal vier pinnen hebben die met de grond verbonden kunnen worden en ´e´en pin die met de
2.4. IMPLEMENTATIE 21 transmissielijn verbonden wordt [32]. Door deze structuur is het mogelijk om de connector over de PCB te schuiven en langs beide zijden vast te solderen.
2.4.2 PCB ontwerp
Door de opgelegde limieten wat betreft de grootte van de detectienode, worden de grenzen van de PCB vastgelegd op een breedte van 3 cm en een hoogte van 2 cm. Daarnaast zal de PCB transmissielijnen bevatten voor het transporteren van de RF signalen. Om enerzijds deze afmetingen te respecteren en anderzijds een goed RF design te volbrengen, wordt gekozen voor een 4-lagen PCB. Hierover volgt later in dit hoofdstuk meer uitleg.
Zoals te zien is in Figuur 2.6, zal de 4-lagen structuur van de PCB als volgt worden opgebouwd. Aangezien de BLE chip zowel een digitale grond verwacht (voor het digitale gedeelte) als een analoge grond (voor het RF gedeelte), zal de toplaag zowel een analoog grondvlak als een digitaal grondvlak bevatten. Deze worden volledig gescheiden van elkaar met uitzondering van ´e´en connectie die de grondvlakken met elkaar verbindt. Hiernaast bevinden er zich ook componenten op deze toplaag. De laag hieronder zal enkel bestaan uit een analoog grondvlak, wat een goede scheiding vormt voor de transmissielijn die besproken wordt in sectie 2.4.3. Laag drie zal een voedingslaag vormen voor de PCB. Hierop zal een spanning van 3,3 V staan. De bottomlaag zal, net zoals de toplaag, componenten bevatten. Hiernaast zal er een digitale grond te vinden zijn om de overige componenten van het digitale gedeelte mee te verbinden. Tot slot zijn er nog de substraten die zich tussen de geleidende vlakken bevinden.
Aangezien de PCB uiteindelijk op een vrachtwagen gemonteerd dient te worden, speelt de plaatsing van componenten op top- of bottomlaag een grote rol. Zo worden de leds vanzelfsprekend op de buitenste laag (ten opzichte van de vrachtwagen) van de PCB geplaatst. Dit wordt de bottomlaag. Maar ook de connectie met de Tag-Connect en de resetknop worden op deze zelfde laag geplaatst. Zo zal het na installatie toch mogelijk zijn om eventuele updates of resets uit te voeren. De rest van de reeds besproken componenten bevinden zich op de toplaag.