RF-anturointijärjestelmän integrointi kannettavaksi laitteeksi

Abstract

Diplomityössä suunniteltiin ja toteutettiin kehon nestetasapainon mittaukseen tarkoitettu sulautetun kannettavan laitteen prototyyppi, joka käyttää RF-elektroniikkaa. Laitteen lähtökohtana oli Oulun yliopiston Mikroelektroniikan tutkimusyksikössä suunniteltu ja valmistettu complementary split ring -tyyppinen resonaattori ja siihen liitetty mittauskytkentä. Mittauskytkentä koostui D/A-muuntimesta, operaatiovahvistimesta, jänniteohjatusta oskillaattorista, resonaattorista, suuntakytkimestä ja RF-ilmaisimesta.

Suunnittelu jakautui piirilevysuunnitteluun ja ohjelmistosuunnitteluun. Laitteelle tehtiin vaatimusmäärittely, jonka perusteella piirilevy ja ohjelmisto suunniteltiin. Vaatimusmäärittelyssä huomioitiin laitteen tavoiteltu pieni koko ja keveys sekä tiedonsiirtovaatimus Bluetooth-yhteydellä mobiilisovellukseen. Vaatimusmäärittelyn asettamien reunaehtojen perusteella piirilevylle valittiin komponentit, joita käytettiin jännitelähteiden ja mittauskytkennän toteuttamiseen. Mikrokontrolleriksi valittiin Texas Instrumentsin CC2640R2F, joka tukee pienitehoisiin kannettaviin laitteisiin tarkoitettua Bluetooth Low Energy -likiverkkotekniikkaa. Bluetooth-antenniksi valikoitiin piirilevyn kuparointia käyttävää 2,4 GHz invertoitua F-antennia. Piirilevyn käyttöjännitetasoiksi päätettiin 3,3 V, 5 V ja 12 V mittausjärjestelmän komponenttien jännitevaatimusten mukaan. Piirilevysuunnittelussa käytettiin Autodesk Eagle -suunnitteluohjelmaa, jolla piirrettiin sekä piirikaavio että piirilevy.

Laitteelle tehtiin testaussuunnitelma, jonka mukaan tuotannosta tulleiden piirilevyjen toiminta testattiin moduuleittain. Testauksia ja ohjelmiston toteutusta tehtiin osin rinnakkaisina prosesseina, koska osa komponenteista vaati ohjaussignaaleja toimiakseen. Esimerkiksi jänniteohjattua oskillaattoria ohjaavan D/A-muuntimen lähtöjännite määriteltiin I2C-väylän kautta. Ohjelmiston toteutuksessa käytettiin apuna mikrokontrollerisarjan SDK-pakettia ja laitevalmistajan esimerkkiohjelmia. Prototyypin testauksen ja ohjelmistototeutuksen aikana esiin tulleet suunnitteluvirheet korjattiin ja mittausjärjestelmä testattiin kokonaisuudessaan.

During the master thesis work a prototype of a portable device measuring body fluid balance was designed and manufactured. The prototype utilizes RF sensing electronics. The basis for the work was a complementary split ring resonator designed and manufactured in University of Oulu Microelectronics Research Unit. The existing design included also other measurement components. The measurement module consisted of a DA converter, operation amplifier, voltage-controlled oscillator, resonator, directional switch and RF detector.

The design work was divided into two phases: PCB design and software design. A specification for the device was made. The specification included preferred small size, light weight of the device and the ability to transmit data over Bluetooth connection to a mobile device. According to the conditions set by the specification, the components for voltage supplies and measuring were chosen. The microcontroller unit selected was CC2640R2F manufactured by Texas Instruments which supports Bluetooth Low Energy WPAN technology designed for low-power portable devices. The Bluetooth antenna used was a 2.4 GHz microstrip inverted F-antenna which is manufactured as part of the PCB. The supply voltages were selected according to the requirements of the measurement components: 3.3 V, 5 V and 12 V. Autodesk Eagle software was used for drawing the schematics and the layout of the PCB.

A testing plan for the device was made and the PCBs which arrived from production were tested module by module. Testing and software programming were made partially as parallel processes because part of the components required control signals to be able to function. For example, the output voltage of the DA converter controlling the voltage-controlled oscillator was set through I2C bus. The SDK of the microcontroller series and example programs available from TI were used for programming. Design flaws found during the testing and programming phases were fixed and the measuring system was tested completely.