RES CAP

제품을 설계하다 보면 전압의 변동이나 혹은 Battery의 사용시간을 검토해야 합니다. 이런 일들을 진행하기 위해서는 꾸준히 전압을 측정해야 하기에 오늘은 아두이노(ARDUINO)의 ADC Pin을 이용하여 5Channel의 전압을 측정하는 법을 진행 하겠습니다.

아두이노 우노(Arduino UNO)같은 경우는 총 6개의 ADC Pin을 가지고 있습니다. 즉, 6개의 아날로그 신호를 읽을 수 있다는 애기죠 이를 이용하기 위해서 Firmware작업을 진행합니다.

각 채널을 정수로 선언 -> ADC값을 선언 -> ADC를 전압으로 표현하기 위해 Float를 이용해 실수로 선언 -> ADC0 ~ 4번까지 사용설정 ->Searial통신 시작시 TEST Start를 뿌려주고 진행

각 ADC채널로 읽어 드린 값을 Value1 ~5번이라고 표현 -> Value 1~5번은 ADC가 10BIT이기에 2^10=1024 값 으로 나눠 준다.(0.034는 그냥 제가 넣은 보정 값 입니다.) -> 계산된 출력 Vout 1~5번을 시리얼 통신을 통해서 출력한다.

Firmware작업은 비교작 아주 간단 합니다. 어떠한 조건문도 필요 없죠 단순히 측정만 하면 되기 때문입니다. 제대로 동작되는 것을 확인하기 위해서 아래와 같이 작업을 진행합니다.

5개의 2.3V Battery를 측정해서 전압을 확인 해보겠습니다.

측정 간격을 1초로 진행하니 5개의 각 data가 잘나오는 것을 확인했습니다. 단점이 있다면 Arduino에서 지원하는 시리얼 모니터를 통해서 진행할 경우 data가 3만~3만5천줄이 넘어가면 초기 DATA가 지워지는 현상이 보이네요 이 부분은 향후 다른 개선법을 찾아봐야 겠습니다.

[아두이노]를 이용하여 온도 값을 0.91인치 OLED에 Display하는 작업을 진행합니다.

위 작업은 최종적으로 작업이 끝난 사진입니다. 아래 부터는 온도를 OLED에 Display하는 작업내용 입니다.

1-1. MLX90614 - I2C

Melexis업체에서 개발한 MLX90614입니다. 온도측정 용도로 사용되며 Measurement Resolution은 0.02°C입니다.

0.02°C면 의료용으로도 사용할 수 있을것으로 보입니다. 아마, 체온에 가까운 온도범위는 정확도가 높고 고온에서 범위는 정확도가 낮을 것으로 보입니다.

SCL,SDA를 이용한 I2C통신 방식이며, VDD와 VSS사이에 0.1uF와 I2C풀업저항 4.7K옴이 각각 달려있으니 외부에 따로 작업할 필요는 없습니다. 만약 단품으로 구입하신다면 외부에 회로를 따로 작업해주셔야 합니다. 

1-2. 0.91Inch OLED Module 128X32 - I2C

0.91inch OLED Module이미지 입니다. 저는 2가지 Type중 저는 BLUE Type제품을 구매 하였습니다.

이 제품도 MLX90614와 마찬가지로 제품에 I2C라인 회로가 포함되어 있어 별도의 회로는 구성하지 않아도 됩니다.

(ARDUINO UNO)에 대한 설명은 많기 때문에 제외하겠습니다.

Connection구성도는 I2C Line 풀업저항이 제품 내부에 있기에 비교적 간단합니다.

Arduino UNO Pin MAP은 위 이미지와 같이 A4는 SDA, A5는 SCL로 정의되어 있습니다.

MLX90614, OLED제품 VCC,GND(VSS),SDA,SCL을 Arduino UNO Board에 묶어주면 Connection은 끝입니다.

MLX90614와 OLED를 사용하기 위해서는 2가지의 라이브러리를 설치해줘야 합니다.

Arduino IDE를 실행시키고 Tool -> 라이브러리 관리를 실행 시킵니다.

먼저, 적외선 Sensor인 Adafruit_MLX90614라이브러리를 설치합니다.

그 다음 작업으로 OLED 라이브러리  Adafruit SSD1306을 설치합니다. 저는 2개다 설치되어 있기에 옆에 초록색으로 INSTALLED라고 되어 있습니다.

설치한 라이브러리들을 불러온 후 F/W를 간단하게 필요한기능 만가져다가 사용했습니다. Error부분은 없어도 됩니다. 주석은 달았으니 필요하신분은 참고하여 수정하시면 되며, 추가적으로 궁금한 부분이 있을 것 같아서 소스에 대한 설명을 조금 추가합니다.

다운받으신 Adafruit_MLX90614 라이브러리에 들어가시면 Adafruit_MLX90614.CPP, Adafruit_MLX90614.h파일이 있습니다.헤더파일은 정의된 내용이고 온도에 계산식을 보고싶은 분들은 .CPP파일이 있습니다. 여기서 Value가 TOBJ1과 TA가 있습니다.

 MLX90614제품에는 이 2가지가 측정이 가능한데 TOBJ1은 실제 측정 온도이고 TA는 외부온도 입니다.

위 이미지는 외부온도에 따라서 오차율이 다르다는 것을 나타낸 이미지 입니다.

제가 위에 작성안 소스도 TOBJ1만 사용한 이유가 그때문입니다. 외부온도 까지 확인하면서 외부온도에 따른 보상해주는 계산식을 넣을 만큼 중요한 작업을 진행하는게 아니기 때문입니다. DATASHEET와 다운받은 소스파일을 보시면 이외에도 많은 수식적 용어가 들어가있으니 필요하신분은 확인하고 응용하시면 됩니다.

동작 검토 결과 종이컵 물에 온도 손에 온도를 측정한 영상입니다. 실제로 이마 쪽을 측정하면 대략 36~36.58정도 나옵니다. 아무래도 이마쪽에 측두동맥이 있어서 정확이 되는 것 같습니다.

적외선 온도측정에 원리에 대해서 자세히 알고싶은 분들은 아래 링크를 참고하시길 바랍니다.

https://partlist.tistory.com/34?category=1072841

TC-3000(Bluetooth Tester)장비를 이용하여 제품의 RF성능을 측정하려 합니다.

Bluetooth 4.1 규격을 Test할 예정이며, 측정 항목은 아래와 갔습니다.

• TX

-       Output Power (TRM-LE/CA/01/C)

-       Modulation characteristics (TRM-LE/CA/05/C)

-       Carrier frequency offset and drift (TRM-LE/CA/06/C)

• RX  

-       Receiver sensitivity (RCV-LE/CA/01/C)

-       Maximum input signal level (RCV-LE/CA/06/C)

-       PER Report Integrity (RCV-LE/CA/07/C)

6가지에 대한 측정항목에 대한 설명은 아래 제품을 측정하면서 설명 드리도록 하고, 위 항목은 Bluetooth Low Energy(BLE)에 대한 측정항목이니 참고하시길 바랍니다.(Direct Test Mode)

RF 작업을 진행하기 앞서서 먼저 RF 신호가 나오는 RF라인에서 TEST장비와 연결될 수 있게 작업을 진행해야 합니다.

BLE를 사용하는 제품이라면 Antenna가 기본적으로 있을텐데 Antenna나와 BEL제품 과 연결되는 RF라인을 제거 후 BLE RF라인과 RF Connector만 연결 합니다. 보통 Antenna가 연결된 상태에서 Connector를 다시는 분들도 있지만 제거 후 작업을 해야 간섭이 적습니다.

RF Connector부분의 내경에는 RF Line을 외경에는 GND를 연결 합니다. 이 부분에서 핵심은 GND를 최대한 RF라인과 가깝게 합니다. RF 매칭 Line과 GND가 멀어지게 되면 그 거리만큼 인덕터 영향이 있기 때문에 최대한 가깝게 작업 해줘야 합니다.

TC-3000C 장비를 이용한 RF TEST Connection 환경입니다. 보통 BLE RF TEST를 진행하게 되면 사용한 제품의 전용 소프트웨어가 필요합니다. 장비 메뉴얼과 전용 소프트웨어는 무료로 제공하니 Datasheet를 참고하여 진행 합니다.

BLE 2.4GHz 주파수 측정 대역은 2400~2485.MHz입니다. 2400~2485.MHz 범위 안의 채널에서 동작해야 한다는 의미 입니다.

보통 RF TEST를 진행하면 위처럼 0~39 Channel LOW,MID,HIGH(2402,2440,2480)3가지 Channel을 확인 합니다. 2MHz 단위로 Channel은 구별 됩니다.

4-1. 목적 및 설명

- Outputpower(TRM-LE/CA/01/C) BLE 트랜스미터의 경우 최대 전력 설정에서의 출력 전력 레벨은 아래 표와 같이 0.01mW (-20dBm) ~   10mW (+10dBm)이어야합니다.

4-2. 시험 조건

- DUT는 PRBS9로 TEST Packet을 전송한다.

- Packet 길이: 37

- Frequency: Low(2402), Mid(2440), High(2480)

4-3. 통과 판정

- -20dBm ≤ Pavg ≤ +10dBm

- PPK ≤ Pavg +3dBm

4-4. 장비 설정

- Payload: PRBS 9, Payload's length: 37 bytes, Num. of packets: 1

- Limit : -20.00dBm <= Pavg <= 10.00dBm, Ppk-av <= 3.00dB

- Output Power(TRM-LE/CA/01/C) 측정 DATA

- 실제 장비 측정 이미지 DATA

5-1. 목적 및 설명

- 변조는 대역폭 비트 기간 곱 BT = 0.5 인 GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying)입니다. 변조 지수는      0.45와 0.55 사이 여야합니다. 이진수 1은 양의 주파수 편차로 표시되고 이진수 0은 음의 주파수 편차로 표시됩니다. 심벌 타이밍은 ± 20 ppm 미만이어야 합니다..(각 전송 Sequence에 대한 주파수 편차를 보기 위함)

5-2. 시험 조건

▼ ∆f1avg

- DUT Transmits Test Packets : 37 Octet Packet Payload

- Sequence : 1111 0000

▼ ∆f2Max and ∆f2avg

- DUT Transmits Test Packets : 37 Octet Packet Payload

- Sequence : 1010 1010

- Frequency: Low(2402), Mid(2440), High(2480)

5-3. 통과 판정

- 225KHz ≤ ∆f1avg ≤ 275KHz

- 10개의 Test Packet 대해 기록 된 모든 ∆f2Max 주파수 값의 99.9%이상이 185KHz보다 커야한다.

5-4. 장비 설정(d = ∆)

- Payload: 11110000 and 1010 bit patterns, Payload's length: 37 bytes, Number of packets: 10

- Limit : 225.0KHz <= df1_avg <= 275.0KHz, df2_pass_rate >= 99.90%, df2/df1 >= 0.80

- Modulation characteristics(TRM-LE/CA/05/C) 측정 Data

6-1. 목적 및 설명

- 패킷 중 중심 주파수의 편차는 초기 주파수 오프셋과 드리프트를 포함하여 ± 150kHZ를 초과하지 않아야합니다. 패킷 중 주파수 드리프트는 50kHZ 미만, 패킷 중 주파수 드리프트는 50kHZ 미만, 드리프트 속도는 400 HZ/us 미만이어야합니다. 패킷 내 송신기 중심 주파수 드리프트의 한계는 아래 표에 지정되어 있습니다.

6-2. 시험 조건

- DUT Transmits Test Packets: 37 Octet Packet Payload

- Sequence: 1010 1010

- Frequency: Low(2402), Mid(2440), High(2480)

6-3. 통과 판정

- fTX – 150KHz ≤ fn ≤ fTX + 150Khz

- | f0 – fn | ≤ 50 KHz

- | f1 – f0 | ≤ 20 KHz and | fn – f(n-5) |   n=6,7,8,…k ≤ 20 KHz

6-5. 장비 설정(d = ∆)

- Payload: 1010 bit patterns, Payload's length:37 bytes,

- Limit : |fTX-f[n]| <= 150.0KHz, |f[0]-f[n]| <= 50.0KHz, |f[1]-f[0]| <= 20.0KHz, |f[n]-f[n-5]| <= 20.0KHz

- Carrier Frequency offset and Drift(TRM-LE/CA/06/C) 측정 Data

7-1. 목적 및 설명

- 실제 감도 레벨은 원시 비트 오류율 (BER) 0.1 %가 충족되는 입력 레벨로 정의됩니다. 수신기 감도는 송신기 사양을 준수하는 모든 Bluetooth 송신기에서 –70dBm 이하입니다.

7-2. 시험 조건

- DUT는 Test빈도로 수신하도록 설정

- Tester는 PRBS9(37 Octet)로 Test Packet를 전송

- Signal Level: -70dBm

- Frequency: Low(2402), Mid(2440), High(2480)

7-3. 통과 판정

- Tester가 전송한 최소 1500개의 패킷에 대해 30.8% Packet Error Rate

7-4. 장비 설정

- Payload: PBRS9, Payload's length: 37 bytes, Packets to transmit: 1500, RX (DUT) power: -70.00dBm

- Limit: pkts_sent >= 1500, PER < 30.80%

- Receiver Sensitivity (RCV-LE/CA/01/C) 측정 DATA

- 12000Packet전송 실제 장비 측정 이미지 DATA

8-1. 목적 및 설명

- 최대 입력 신호 레벨은 RX 수신기에 허용되는 최대 허용 신호 레벨입니다. DUT는 저, 중, 고주파 채널에서 작동하며 테스터는 -10dBm의 전력 제어 신호 레벨을 보내며 0.1 %의 행 비트 오류율 (BER)을 충족합니다.

8-2. 시험 조건

- DUT는 Test빈도로 수신하도록 설정

- Tester는 PRBS9(37 Octet)로 Test Packet를 전송

- Signal Level: -10dBm

- Frequency: Low(2402), Mid(2440), High(2480)

8-3. 통과 판정

- Tester가 전송한 최소 1500개의 패킷에 대해 30.8%  Packet Error Rate

8-4. 장비 설정

- Payload: PBRS9, Payload's length: 37 bytes, Packets to transmit :1500, RX (DUT) power: -10.00dBm

- Limit: pkts_sent >= 1500, PER < 30.80%

- Maximum input signal level (RCV-LE/CA/06/C) 측정 Data

9-1. 목적 및 설명

- PER 테스트는 테스터가 전송 한 일련의 연속 테스트 패킷 중에서 피 시험 기기가 수신 한 패킷 수를 세는 것에 근거한다. 주파수 호핑이 비활성화 된 상태에서 테스터가 수행됩니다.PER = (피 시험 기기가 CRC를 통과 한 패킷 수 / 테스트에 의해 전송 된 총 패킷 수) 100 %

9-2. 시험 조건

- DUT는 Test빈도로 수신하도록 설정

- Tester는 PRBS9(37 Octet)로 Test Packet를 전송

- Signal Level: -30dBm

- Tester가 전송 한 총 패킷 수는 내부에서 100 ~1500사이의 짝수여야 한다.

- Frequency: Low(2402), Mid(2440), High(2480)

9-3. 통과 판정

- 각 개별 측정에 대해 50% ≤ PER ≤ 65.4%

9-4. 장비 설정

- Payload: PBRS9, Payload's length: 37 bytes, Packets to transmit:1500, RX (DUT) power: -30.00dBm

- Limit: pkts_sent >= 1500, 50.00% <= PER <= 65.40%

- PER Report Integrity (RCV-LE/CA/07/C) 측정 Data

Bluetooth Specification Version 4.1을 적용하여 검토한 결과 TX : Output Power, Modulation characteristics, Carrier frequency offset and drift RX : Receiver sensitivity, Maximum input signal level, PER Report Integrity 항목에 대한 규격에 적합함을 TC-3000장비를 이용해 확인 하였습니다.

TC-3000장비에는 이 외에도 Quick (OP+MOD+CFOD)이라는 측정항목이 있는데요 이 항목은 test조건이 비슷한 TX테스트 항목 Output power, Modulation Characteristics, Carrier frequency offset and drift를 테스트 시간을 단축하기 위해 일괄 측정하는 양산용 TEST Mode이므로 따로 Bluetooth Specification에 있는 항목은 아닙니다. 

[E4407B]Spectrum Analyzer를 이용하여 Dialog Chip에 적용 되는 Crystal의 Crystal Trimming 작업을 진행 하려 합니다.

작업진행에 앞서 Crystal Trimming에 대해서 알아 보려합니다. 

보통 크리스탈은 발진하여 주파수를 만들어 주는 역할을 합니다. 이 부품은 마이컴의 심장 역할이라고도 불리며 Clock이나 신호를 만들어 주는 중요한 부품 이죠 그렇다면 16MHz Crystal을 사용한다면 정확히 16Mhz의 중심 주파수가 나올까?라는 생각을 하게 됩니다. RF성능을 측정하거나 Clock을 이용하여 신호를 만들때 이 역할은 매우 중요하기 때문입니다.

이 역할을 최대한 오차 없이 하기위한 작업으로 Crystal을 Trimming을 해주어 중심 주파수에 근접하게 만들어주는 작업이  Crystal Trimming 입니다.

장비는 E4407B Spectrum Analyzer를 사용하여 측정 하였습니다. 아래 내용은 장비에 사용에 대한 간단한 설명이니 참고용으로 확인 하시면 됩니다.

시료 측정은 아래 그림과 같이 시료 측정 부위에 RF Probe를 이용하여 제품 주파수 영역을 측정 할 수 있습니다.

Crystal Trimming작업은 DA14586제품에 적용된 16MHz Crystal 입니다. 조건내용을 간단하게 정리합니다.

- Product : DA14586 16MHz Crystal

- Firmware Upload Tool : Smart Snippets Toolbox V5.0.10.2434

- measuring Equipment : E4407B(Spectrum Analyzer)

Sample은 3개를 측정하여 아래와 같이 검토를 진행 합니다.

Trimming전 Data를 확인해보니 대략 -170~-200Hz만큼 Center Frequency에서 벗어나는 경향을 확인 했습니다.

Frequency Calibration은 Dialog사의 DA14586 Datasheet를 참고

DA14586 Datasheet Page65~67

Register는 CLK_FREQ_TRIM_REG = 0x000 ~ CLK_FREQ_TRIM_REG = 0x7FF범위 안에서 작업을 진행하면 됩니다.

Trimmig 작업 후 Center Frequency거의 적합한 Data를 확인할 수 있었습니다. 대략 0.5ppm이하로 거의 0Hz오차에 가깝습니다.

OR-CAD에서 PCB작업을 진행한 후 다음 작업으로 PCB Tool을 이용하여 PCB설계 작업을 진행하기 위해서 Netlist를 진행해야 합니다. 이번 자료는 OR-CAD에서 PADS로 Netlist하는 방법입니다.

Schematic작업 완료 후 회로도에 문제가 없는지 확인하기 위해 Design rule검사를 진행 합니다. 자세한 검사방법은 Schematic 자료 카테고리에 있습니다.

회로 규칙 검사 진행 후 문제가 없는지 확인 합니다. 위 과정은 간단한 PCB는 넘어가도 되지만 복잡한 PCB작업에서는 진행하지 않으면 반드시 문제가 생기게되니 꼭 검사하시고 진행하셔야 합니다.

현재 설계가된 .DSN폴더를 클릭한 후에 Netlist 메뉴를 클릭합니다.

Netlist메뉴를 클릭하게 되면 위와 같이 Create Netlist창이 뜨게 됩니다. 다른 부분은 기본 값으로 설정하시고 Other탭 부분에서 orpads2k64.dll Fomatters으로 맞춰 주고, View Output작업 상태박스 상자를 체크 해줍니다.

.asc파일 위치는 본인이 자주사용하는 위치로 설정해주시면 됩니다.

Netlist후 View Output을하게 되면 위와같이 decal과 part들이 나타나게 됩니다. 위쪽상단에 PADS2000부분을 아래와 같이 바꿔 줍니다.

그 다음 작업은 pads 버전을 맞춰주는 작업으로 PADS로직을 실행 시킵니다.

로직 실행 후 상단 부분 메뉴에서 Tool -> Layout Netlist를 실행 시킵니다.

Layout Netlist를 실행시키게 되면 Netlist to PCB창이 활성화 되면 OK를 눌러 줍니다.

OK를 눌러준 후에 위와 같이 메모장이 활성화 됩니다. 메모장에서 위에서 첫번째줄만 복사 합니다.

Logic에서 복사한 버전 정보를 OR-CAD Netlist에서 만들어진 .asc파일 첫번째 줄을 바꿔 줍니다.

PADS와 OR-CAD상호간에 Version을 매칭하는 작업이며, 이부분을 하지 않아도 파일은 import할 수 있으나 부분적으로 문제가 생기는 것 처럼 보여 위 작업을 진행해주는 편이 좋습니다.

asc파일 버전을 matching작업 진행 후 PADS Layout을 열어 [File] -> [Import]를 누른 후 작업을 진행 했던 asc파일을 불러 옵니다.

위 image와 같이 작업했던 파일을 PADS로 Netlist하여 불러올 수 있습니다.