Der Körper ist das Übertragungsmedium
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20 f o k us bodycom www.polyscope.ch Eine Einführung in ein neues, drahtloses Kom m u n i k a t i o n s s y s t e m Der Körper ist das Übertragungsmedium Dass der menschliche Körper elektrische Signale erzeugt und diese auch weiterleiten kann, ist so neu nicht. Man denke nur an die medizinischen Tests wie EKG und EEG. Die moderne Elektronik bietet dem Schaltungsdesigner nunmehr interessantere Arten, diese Eigenschaften vielfältiger zu nutzen. » Henning Wriedt, USA-Korrespondent Bei BodyCom von Microchip Technology handelt es sich um ein neues, drahtloses Kommunikationssystem. Dies benutzt den menschlichen Körper dazu, einige wenige und einfache Signale zwischen zwei elektronisch kompatiblen Einheiten zu übertragen. Der Abstand zwischen diesen Einheiten sollte dabei nur wenige Zentimeter betragen. Bild 1: Prinzipielle Darstellung der BodyCom-Technik Datenkopplung zwischen Basis- und Mobileinheit Herkömmliche, entfernte Funkzugriffssysteme benötigen eine HF-Verbindung, in der Regel im Bereich von 400 bis 900 MHz. Der Anwender muss diese aktivieren und gegebenenfalls gegen «Sniffing» sichern. BodyCom umgeht diese Limitierungen durch die Verwendung des menschlichen Körpers als Übertragungsmedium. Mithilfe des Körpers koppelt man dabei die Daten kapazitiv zwischen der Basis- und der Mobileinheit, und zwar unter Verwendung eines tieffrequenten ASK-Datenformats (Amplitude Shift Key). Die Berührung des Anwenders erzeugt zum Beispiel eine Tasterkennung, die wiederum eine Reaktionssequenz zwischen Basis und Mobileinheit auslöst. Übertragungen im frequenzbereich von 60 kHz bis 30 MHz Aufgrund der hohen Elektrizitätskonstante des menschlichen Körpers bei niedrigen Frequenzen lassen sich die Übertragungen mit relativ einfachen Systemen im Frequenzbereich von 60 kHz bis 30 MHz realisieren. Da die Daten durch den Anwender gekoppelt werden, entsteht keine HF-Übertragung mit den denkbaren Sicherheitsbedenken. Und die Berührungsinitiierung ersetzt eine manuelle Auslösung. Das BodyCom-System wurde mit diesen besonderen Merkmalen implementiert: ■ ■ ■ ■ ■ sehr geringer Leistungsverbrauch, insbesonders für die Mobileinheit schnelle Systemreaktion stabile und robuste Kommunikation mit Fehlerentdeckung geringer Aktionsradius (nur wenige Zentimeter) für die Identifikation bei Berührungskontakt geringe Kosten und Komplexität Leistungsverbrauch besonders niedrig halten Bild 1 veranschaulicht die Signalübertragung durch die kapazitive Kopplung zwischen dem menschlichen Körper sowie der Basis- und der Mobileinheit. Der Körper schwächt die Signale bei tieferen Frequenzen mehr als bei den höheren. Die Signalamplitude muss bei niedrigeren Frequenzen also höher sein. Die Mobileinheit ist batteriebetrieben; den Leis- tungsverbrauch muss man also besonders niedrig halten. Eine weitere Eingrenzung der Frequenzauswahl erfolgt durch den Leistungsverbrauch der Mobileinheit im Empfangsmodus. Mit den verfügbaren IC beschränkt sich der verwendbare Frequenzbereich auf 60 bis 400 kHz, wobei unter Berücksichtigung des Sendemodus der Bereich noch einmal auf 6 bis 13 MHz schrumpft. Für die Übertragung von der Basiseinheit zur Mobileinheit Ë Interessante Anwendungen? Die Polyscope-Redaktion ist gerne bereit, interessante Applikationsberichte auf BodyComBasis zu veröffentlichen. Bitte melden Sie sich mit einer E-Mail an [email protected], Betreff «BodyCom». Polyscope 21/11 22 f o k us bodycom Bild 2: Prinzipschaltbild der Basiseinheit eines Sicherheits-Algorithmus kann zu den Aufgaben der MCU gehören. Das Sendemodul steuert die Kopplungsflächen an, die weitere Berührungs/Proximity-Funktionen unterstützen. Ein einfaches, serielles Interface lässt sich mit anderen Systemen oder MCU verbinden, um Integrationen zu erleichtern und die Designflexibilität zu erhöhen. feststellung der Berührung derkörper. Die Mobileinheit wartet in einem Low-Power-Signalmodus. Mit dem Empfang «wacht» die Mobileinheit dann auf. Mobil-Basis-Übertragung Bild 3: Kopplungselement in der Mitte des Berührungsfeldes wählte man 128 kHz, während der Rückkanal auf 8 MHz eingestellt wird – diese Frequenz ist mit dem On-Chip-Oszillator verfügbar. Basis-Mobil-Übertragung In einem BodyCom-System löst die Basiseinheit die Kommunikation aus. Wenn das System nur mit dem Körper gekoppelt ist, führt die PIC-MCU die Tasterkennung kontinuierlich durch. Erkennt sie ein Tasten, hält sie die Überprüfung an und initiiert eine Übertragung, die die Mobileinheit «sucht». Die erzeugte Sequenz wird mit einem Treiber an einen LC-Schaltkreis, der sich im Resonanzmodus befindet, angelegt. Ein Kopplungspfad überträgt dann das Signal auf den Anwen- Nach der Übertragung zur Mobileinheit dekodiert diese die empfangenen Daten und reagiert, sofern eine Reaktion notwendig ist. Die Mobileinheit gibt sie über den 8-MHzKanal, den Körper und den Kopplungspfad an die Empfangsschaltung der Basiseinheit zurück. Diese Schaltung ist komplett mit Vorverstärker, Abwärtsmixer, Filter und einem Daten-Dekodierer/Demodulator versehen. Der Empfängerausgang ist mit dem PIC-Mikrocontroller verbunden, der unter anderem die Eingangsdaten dekodiert. Bild 2 zeigt das Prinzipschaltbild der Basiseinheit. Es beinhaltet ein komplettes Empfängerteil, die Sendeeinheit und das Kommunikations-Interface. Der PIC-Mikrocontroller steuert alle Systemteile. Der Empfängerteil beinhaltet eine robuste und effiziente Demodulations/Dekodier-Schaltung für kompatible Transpondersignale. Der Mikrocontroller steuert den kompletten Übertragungs/Empfangs-Vorgang und bewerkstelligt das Kodieren/Dekodieren und die Fehlererkennung. Auch die Implementierung Bild 4: Prinzipschaltbild der Mobileinheit In einem typischen BodyCom-System wird die Kommunikation zwischen Basis- und Mobileinheit dann ausgelöst, wenn ein Touch/ Proximity-Vorgang registriert wird. Die Basiseinheit wartet auf diesen Vorgang und löst nur dann die Kommunikation aus, wenn der Anwender die Kontaktfläche berührt oder nahe genug am Kopplungselement ist (Bild 3). Im beschriebenen Beispiel erfolgt die Tasterkennung durch den PIC-Mikrocontroller mithilfe der CVD-Technologie (Chemical Vapor Deposition). Der Anwender kann aber auch andere Konfigurationen wählen. In einer Standardapplikation sind die Kopplungslemente und das Berührungsfeld nahe beieinander. Während der Übertragung wird eine hohe Spannung an das Kopplungselement angelegt und beeinflusst somit die Berührungsfeststellung, die man damit während der aktiven Phase stoppen sollte. Internes Zeitfilter gibt Ausgang frei Beim MCP 2030 in der Mobileinheit (Bild 4) handelt es sich um eine hoch integrierte, konfigurierbare AFE-Schaltung (Analog-FrontEnd), die man bevorzugt für niederfrequente Daten-Demodulationen/Dekodierungen verwendet. Die hohe Eingangsempfindlichkeit des AFE (1 mVpkpk) sowie dessen Erfassung selbst schwacher, modulierter Eingangssignale (runter bis 8 Prozent) in Kombination mit Low-Power-Funktionen machen dieses AFE besonders geeignet für die beschriebenen wie auch zahlreiche ähnliche Applikationen. Interessant ist das interne, konfigurierbare Zeitfilter des AFE, das den Ausgang freigibt. Das Filter soll den LFDATA-Ausgang aktivieren und den externen Mikrocontroller nur dann «aufwecken», wenn an den Eingängen eine bestimmte Impulssequenz vorhanden ist. Störspannungen sowie unerwünschte Eingangssignale lassen sich damit sicher ausblenden. BodyCom-Bericht: 21_11.01.pdf « Infoservice Mero Microchip Switzerland, Office Solothurn Bahnhofstrasse 39, 5605 Dottikon Tel. 056 610 15 01, Fax 056 610 15 03 www.microchip.com Polyscope 21/11
