HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi Program for elektro-og datateknikk 7004 TRONDHEIM Forprosjekt Oppgavens tittel: Trådløst Headset Project title: Wireless Headset Gruppedeltakere: Christian Russell Tlf. 902 09 514 Email: chrisgr@stud.hist.no Linda Kjellin Tlf. 456 13 118 Email: lindak@stud.hist.no Jørn Aasland Tlf. 936 75 853 Email: jorna@stud.hist.no Program/studieretning: Elektronikk og Teleteknikk Oppdragsgiver: Atmel Norway AS Vestre Rosten 79 7075 Tiller Dato: 25.01.07 Antall sider/bilag: 15 sider/ 1 bilag Veileder (navn/email/tlf.): Jon Digernes Tlf: 73 55 95 86 Mail: jon.digernes@hist.no Prosjektnummer: 31 / 0703 Kontaktperson hos oppdragsgiver (navn/tlf.): Stig Lian Tlf: 72 89 75 96 Fritt tilgjengelig X Tilgjengelig etter avtale med oppdragsgiver Rapporten frigitt etter (Dato) S. 1
SAMMENDRAG Dette er et forprosjekt som er starten på et hovedprosjekt. Forprosjektet er gjennomført for å se nytteverdien av prosjektet. Oppgaven er å lage et trådløst headset for Atmel som skal kunne brukes i åpent kontorlandskap. Atmel sitt mål er også at vi skal bli bedre kjent med deres produkter. I denne oppgaven har vi tatt for oss alle detaljene rundt prosjektet og diskutert disse. Vi har også satt en del retningslinjer for hvordan vi vil at prosjektet skal blir organisert og gjennomført. S. 2
INNHOLDSFORTEGNELSE INNHOLDSFORTEGNELSE...3 1 INNLEDNING...4 1.1 Bakgrunn...4 1.2 Oppgavetekst...4 1.3 Definisjoner...5 2 TEKNISK DEL...6 2.1 Problemstilling...6 2.2 Prosjektmål...8 2.2.1 Effektmål...8 2.2.2 Resultatmål...8 2.2.3 Prosessmål...8 2.3 Prosjektbeskrivelse...9 2.4 Spesifikasjoner...9 2.5 Problemområder...9 3 ARBEIDSPAKKER...10 4 PROSJEKTORGANISERING...11 4.1 Prosjektdeltagere...11 4.2 Utstyr og ressurser...12 4.3 Prosjektleveranser...12 4.4 Tids- og kostplan...12 4.5 Kvalitetssikring...13 5 Kilder...14 6 Vedlegg...15 S. 3
1 INNLEDNING 1.1 Bakgrunn Oppdragsgiveren vår for dette prosjektet er Atmel Norway. Atmel Norway er en av verdens ledende aktører innen design og produksjon av avanserte mikrokontrollere som blant annet benyttes i mobiltelefoner, hvitevarer, kameraer, biler, leker, datamaskiner og verktøy. Atmel Norway startet opp i 1996 og har 150 ansatte. Bedriften holder til i moderne lokaler på Vestre Rosten på Tiller (Trondheim). Atmel Norway er en del av Atmel Corporation som har hovedkontor i San Jose i California. Atmel Corporation har 8000 ansatte verden over og fabrikker i USA og Europa. Oppgaven vår blir å konstruere et trådløst headset for bruk i åpent kontorlandskap. Så langt det er mulig skal vi prøve å bruke Atmel sine produkter for å løse oppgaven. Headsettet skal ha enveis kommunikasjon; man skal kunne sende musikk fra en datamaskin (eller annet audioutstyr som MP3-spiller) igjennom lydkortet til et sett trådløse hodetelefoner gjennom en digital RF-datalink. Headsettet skal også ha volumkontroll. 1.2 Oppgavetekst Oppgaven er å konstruere et trådløst headset for bruk blant annet i åpent kontorlandskap. Systemet vil bestå av en sender og en mottaker. Senderen skal digitalisere et audiosignal og sende det til mottakeren. Mottakeren motta signalet og omforme det til et analogt signal. Mottakeren må være batteridrevet, og senderen bør kunne drives med strøm fra en USBplugg. Det er ønsket med volumkontroll på mottakeren. Ulike egenskaper som må evalueres er: Lydkvalitet: - Finne riktig dataoverføringshastighet, slik at systemet bruker billigst mulige komponenter og minst mulig strøm uten at det går nevneverdig ut over lydkvaliteten. Komprimering av audiosignalet: - Finne en god måte til å komprimere audiosignalet slik at systemet trenger minst mulig dataoverføringskapasitet og bruker minst mulig strøm. Radioløsning: - Finne en RF-chip som har stor nok overføringskapasitet og lavt nok strømforbruk. - Velge antenner med de riktige egenskaper til sender og mottaker. Mikrokontroller: - Velge riktig mikrokontroller i sender og mottaker. Viktige egenskaper for det ferdige systemet vil være: - Lydkvalitet - Rekkevidde - Strømforbruk - Immunitet mot annen RF-støy - Størrelse og form (spesielt på mottakeren) S. 4
1.3 Definisjoner ADC: A/D konverter, omformer fra analogt til digitalt Antennevinning er et mål for hvor retningsvirkende en antenne er i forhold til en isotrop antenne. AVR er en familie av RISC mikrokontrollere fra Atmel Bluetooth er en standard for en industriell spesifikasjon for trådløst personlig nettverk DAC: D/A konverter omformer fra digitalt til analogt EIRP er et mål for utstrålt effekt Firmware er programvare til chiper I2S: Integrated Interchip Sound IEEE 802.11, en standard for trådløse nettverk ( WLan ). Isotrop antenne er en teoretisk antenne som stråler i alle retninger PCM: Pulse-code modulation Pr: Power received, et mål for følsomheten til en mottaker Pt: Power Transmitted, et mål (i dbm) for utsendt effekt fra RF-forsterker. RF: Radio frequency RISC: Reduced Instruction Set Computing er en prossesortype som er baserte på noen få effektive instruksjoner SPI: Serial Peripheral Interface Bus UART: Universal Asynchronous Receiver/Transmitter USB: Universal Serial Bus USART: Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter WLan : Wireless Local area network, trådløst lokalnettverk ZigBee, en spesifikasjon for høynivå kommunikasjonsprotokoller som baserer seg på laveffekts digitale radioer. S. 5
2 TEKNISK DEL 2.1 Problemstilling Målet for prosjektet er å lage en ferdig sender/mottaker for overføring av lyd for et trådløst headset for åpen kontorlandskap. Her skal lydkvaliteten være på et visst minimumsnivå for å kunne høre på nettradio og lignende, samt at sender skal være styrt av USB port med tanke på strøm. Her kommer vi også til å se an tiden med tanke på muligheter for overføring av lyden gjennom USB porten i stede for gjennom lydkortet. Mottakeren skal være batteridrevet og her skal vi tenke på minst mulig strømforbruk. Det er ønske om 30 meter rekkevidde for RFlinken, samt god immunitet mot annen RF-støy. Det finnes en mengde forskjellige produkter på markede i dag som benytter RF, men som sender analogt eller ved å bruke bluetooth. Vi skal bruke digitalt overføring. Her er det ønskelig å bruke Atmel sine produkter på flest mulige områder. Vi har kommet frem til å bruke Atmel sitt ATR2406-DEV-KIT2 for utvikling og demonstrasjon av denne RF-linken. Lydkvalitetsbetraktninger: Sanntidskomprimering av lyd i høy kvalitet er for ressurskrevende for 8-bits AVR. Den eneste formen for komprimering som lar seg gjøre med begrenset ressursbruk er Adaptiv Differensiel PCM, som gir dårlig kvalitet med en del kvantiseringsstøy (susing i bakgrunnen og spraking ved raske toneendringer). Dette ble testet ut med kompilert programvare fra Atmels application note AVR336 [1]. I utgangspunktet hadde vi tenkt å benytte Atmels AT86RF230 2.4GHz ZigBee transciever, men med en maksimal bitrate på 250kbit/s [2] (i praksis ca. 200kbit/s [3]) har denne transcieveren kun kapasitet til å overføre stereolyd med 8bit/sample og 11.025kHz samplingsfrekvens eller 12bit/sample og 8kHz samplingsfrekvens, noe vi anser som for dårlig kvalitet, da all form for diskant må filtreres bort i henhold til Nyquists samplingsteorem (samplingsfrekvens > 2* høyeste signalfrekvens). Atmels ATR2406 har en maksimal datarate på 1.152Mbit/s [4], som er tilstrekkelig for ukomprimert lyd i tilnærmet CD-kvalitet [5] (16bit/sample, 22050Hz samplingsfrekvens = 705.6kbit/s). I tillegg fins det firmware for adaptiv frekvenshopping, som gir god støyimmunitet, noe som er essensielt på det åpne 2.4GHz ISM-båndet pga. interferens fra kraftige støykilder som trådløse nettverk (IEEE 802.11, WLan ), Bluetooth -enheter og mikrobølgeovner. Noen raske beregninger på rekkevidden til et system basert på spesifikasjoner i databladet til ATR2406 [4] (Pt = 4dBm, Pr > -93dBm) og en forenklet formel for strekningsdemping (EIRP/(4*pi*d^2)) i fritt rom gir en rekkevidde på ca. 140m ved fri sikt. I følge Atmels datablad og andre kilder som opererer med sammenlignbare tall kan en forvente en rekkevidde på ca. 30m innendørs. Dette kan økes noe ved å benytte antenner med bedre antennevinning enn kretskortantennene brukt på Atmels utviklingssett (ATR-2406-DEV- KIT2), for eksempel en WLan-antenne (ofte ca. +6dB antennevinning) på basestasjonen og en egenkonstruert kretskortantenne på mottakeren. S. 6
Ingen 8-bits AVR har interne A/D-konvertere med høy nok oppløsning [6] (16-bit) og samplingsfrekvens (22.050kHz) for våre spesifikasjoner, så vi må benytte eksterne A/D og D/A-konvertere koblet opp mot SPI-seriebussen. Signalkilde, stereo Strømforsyning USB +5V A/D-konverter ATR2406 Transciever Batteri 3-5V ATR2406 Transciever Stereo hodetelefoner D/A-konverter S. 7
2.2 Prosjektmål 2.2.1 Effektmål Utvikle et fungerende RF trådløst headset for bruk i åpen kontorlandskap, med Atmel sine egne produkter for demonstrasjon. Veileder hos Atmel ønsker også å bruke dette på sin arbeidsplass. Atmel ønsker at vi skal bli kjent med deres produkter. 2.2.2 Resultatmål Utvikle et fungerende RF trådløst headset med volumkontroll for bruk i åpent kontorlandskap. Vi skal være ferdig til fredag 04.05.2007; det kommer pause i prosjektet på grunn av påskeferie samt eksamener i begynnelsen av mars. Gruppemedlemmer skal i gjennomsnitt bruke ca 400-500 arbeidstimer på prosjektet. Få til fungerende lydoverføring via USB porten i stede for via analogt lydsignal hvis tiden strekker til. 2.2.3 Prosessmål Utvikle en ferdig prototyp av det trådløse headsetet, både til arbeidsgiver samt til gruppemedlemmene. Lære mer om Atmel sine produkter. Siden det er et tverrfaglig prosjekt ønsker vi lære mer fra hverandres studieretning. S. 8
2.3 Prosjektbeskrivelse 1. Forprosjekt 2. Utvikling RF-link Antenner USB-interface Programmere mikrokontroller 3. Testing Test funksjonalitet i forhold til målsetning 4. Utlegg Tegne kretskortutlegg for sender og mottaker 5. Utprøving 6. Klargjøring av ferdig produkt 7. Rapportskriving For nærmere beskrivelse, se under pkt. 3. 2.4 Spesifikasjoner ATR2406-DEV-KIT2 er et utviklingssett som kommer ferdig konfigurert for demonstrasjon og testing av RF- kapabiliteten til ATR2406 koblet opp mot en ATmega88. Settet inkluderer firmware for ATmega88 som muliggjør adaptiv frekvenshopping. Pakken inneholder 2 kretskort med ATR2406/ATmega88, 2 batteripakker, sett med AAA batterier og CD-ROM med firmware og utviklingsverktøy. Standarder som brukes er: USB 1.1 grensesnitt UART SPI 2.5 Problemområder Vi har kommet frem til følgende problemer som kan føre til at vi blir forsinket i utførelsen av prosjektet. Vi kan få problemer med testing og programmering av Atmel ATR2406 utviklingssett. Langtids sykefravær. Feil ved utlegg av ferdig prototype. Bestilling av utstyr, lang leveringstid. Problemer med støy fra andre RF sendere. S. 9
3 ARBEIDSPAKKER 1. Forprosjekt 2. Utvikling - RF-link - Antenner - USB-interface - Programmere mikrokontroller-testkort 3. Testing - Teste funksjon i forhold til målsetting 4. Utlegg - Tegne kretskortutlegg til sender og mottaker - Produksjon 5. Feilsøking og testing av produkt 6. Klargjøring av ferdig produkt 7. Rapportskriving S. 10
4 PROSJEKTORGANISERING 4.1 Prosjektdeltagere Christian Russell Født: 02.04.80 Mail: chrisgr@stud.hist.no Bakgrunn: 1996-1999: VGS Allmennfageligutdanning 1999-2000: Voss Folkehøgskule 2000-2003: Bygg og miljøteknikk NTNU 2004-> Elektro HIST Ansvarsområde: - Utvikling - Testing Linda Kjellin Født: 27.05.83 Mail: lindak@stud.hist.no Bakgrunn: 1999-2000: Gk elektro 2000-2001: Vk1 IKT-driftsfag 2001-2002: Vk2 Allm. Påbygning 2004 -> Elektro HIST Ansvarsområde: - Forprosjektrapport - Testing/feilsøking - Vevside Jørn Aasland Født: 26.05.84 Mail: jorna@stud.hist.no Bakgrunn: 2000-2003: VGS Allmennfageligutdanning 2003-2004: Forkurs ved HIST 2004 -> Elektro HIST Ansvarsområde: - Rapportskriving - Utlegg + klargjøring av ferdigprodukt S. 11
4.2 Utstyr og ressurser STK-500 utlånt fra skolen ATR2406-DEV-KIT2 utlånt fra Atmel PC på arbeidsplassene 4.3 Prosjektleveranser Vi skal i løpet av dette prosjektet levere følgende: Forprosjekt 2 ukers rapporter Sluttrapport Kretsutlegg En stk. prototyp til Atmel, samt en til hver av gruppemedlemmene hvis mulig. Presentasjon av prosjektet 11-13 april. Eksaminasjon av prosjektet uke 21-22 Vevsider 4.4 Tids- og kostplan Gant diagrammet ligger som vedlegg S. 12
4.5 Kvalitetssikring Vi har kommet frem til følgende punkter for å kvalitetssikre arbeide for prosjektet. Morgenmøter: kort møte hver morgen for å fort gå igjennom hva den enkelte skal få gjort den dagen. 2 ukers møter: møte hver 2. uke for et mer formelt møte med veileder, her skal milepæler og generell fremdrift for prosjektet diskuteres. Standardiserte skjemaer, 2-ukersrapport, møteinnkalling og møtereferat. Journalføring og timelister Prosjektmappe S. 13
5 Kilder [1] http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2572.pdf [2] http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc5131.pdf [3] Informasjon fra oppdragsgiver hos Atmel [4] http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc4779.pdf [5] http://hekta.org/~hpee0703/lydprover/ [6]http://www.atmel.com/dyn/products/param_table.asp?family_id=607&Order By=part_no&Direction=ASC http://www.atmel.no/ - Informasjon om Atmel http://www.ideportalen.no Oppgaveteksten http://www.ti.com Texas Instruments S. 14
6 Vedlegg Vedlegg 1: Ganttdiagram S. 15