유도 결합: MC를 위한 무선 인터페이스

마이크로컨트롤러용 무선 유도 결합 인터페이스 구현

표준 무선 모듈(Wi-Fi, NFC, RFID)이 인클로저 밀봉 요구 사항이나 특정 애플리케이션 필요성으로 인해 부적합할 때, 유도 결합은 단거리 무선 데이터 전송을 위한 효과적인 솔루션을 제공합니다. 이 글에서는 인덕터, 트랜지스터, 마이크로컨트롤러와 같은 기본적인 전자 부품을 사용하여 최대 10-15cm 거리에서 작동하는 안정적이고 소형의 무선 인터페이스를 구성 또는 데이터 수집용으로 만드는 방법을 설명합니다.

MCU 시스템에서의 유도 결합 원리 및 적용

유도 결합은 두 코일 사이의 전자기 유도를 기반으로 하는 무선 에너지 또는 데이터 전송 방식입니다. 이 현상은 변압기부터 무선 충전기, RFID 시스템에 이르기까지 수많은 장치에서 활용됩니다. 마이크로컨트롤러 시스템, 특히 밀봉이 필요하거나 외부 인터페이스를 최소화해야 하는 애플리케이션의 경우 유도 결합은 최적의 선택이 됩니다. IR 통신처럼 광학 창이 필요 없거나 고주파 프로토콜을 위한 특정 안테나가 필요 없으므로, 이러한 인터페이스는 가장 복잡한 설계에도 통합될 수 있습니다. 주요 장점은 UART, 클록 발생기, 비교기 등 표준 마이크로컨트롤러 기능을 신호 생성 및 감지에 사용하여 특수 칩의 필요성을 최소화할 수 있다는 점입니다. 이 접근 방식은 비용, 크기, 전력 소비가 중요한 임베디드 시스템에 특히 적합합니다.

유도 결합 송신기 설계

유도 결합 무선 시스템의 핵심은 디지털 신호를 고주파 발진으로 변환하는 송신기입니다. 제안된 방식에서는 마이크로컨트롤러의 클록 주파수(예: PIC16F1823)가 반송파로 사용되며, UART 출력 신호를 사용하여 변조가 이루어집니다. 이를 위해 마이크로컨트롤러의 CLKOUT 핀을 통해 출력되는 클록 주파수는 공진 회로로 공급됩니다. 그러나 CLKOUT에 대한 직접적인 소프트웨어 제어가 없으므로 추가 회로가 필요합니다.

송신기 회로는 두 개의 트랜지스터(VT1, VT3)를 사용하여 반송파 주파수를 변조합니다. UART TX 라인이 낮은 논리 상태(논리 0)일 때, 트랜지스터 VT1은 켜지고 VT3은 꺼져 클록 주파수가 저항 R3를 통해 결합 코일 L2로 전달됩니다. 이 코일은 클록 발생기 주파수에 맞춰 조정되고 발진을 방출하는 공진 회로 L3, C2, C5와 유도적으로 연결됩니다. UART TX가 높은 논리 상태(논리 1)일 때, VT1은 꺼지고 VT3은 켜져 반송파 주파수가 회로에 도달하는 것을 차단합니다. 따라서 데이터는 반전된 형태로 전송됩니다. 두 개의 트랜지스터를 사용하는 것은 단일 트랜지스터가 꺼진 상태에서 기생 컬렉터-이미터 커패시턴스로 인해 발진이 발생하는 것을 방지하기 위해 필요합니다.

공진 회로의 부품 선택은 매우 중요합니다. 코일 L3는 기성 인덕터(예: 470 µH)이거나 맞춤형으로 감은 것일 수 있습니다. "덤벨" 유형 DR2W 14x15 코어에 500 µH의 인덕턴스를 사용했을 때 최적의 회로 Q-팩터를 제공하며 좋은 결과를 보였습니다. 코어 크기는 통신 범위에 영향을 미치며, 인덕턴스는 200-500 µH 사이에서 달라질 수 있습니다. 결합 코일 L2는 일반적으로 L3 인덕턴스가 500 µH일 때 PEV-0.3 와이어 5회 감기로 구성됩니다. 그 인덕턴스(0.5-3 µH)는 공진 임피던스와 회로의 Q-팩터에 따라 달라집니다.

공진 회로 계산:

공진 주파수: f = 159 / √(L * C) (L은 µH, C는 pF 단위).
회로의 특성 임피던스: p = √(L / C).
결합 코일 L2 인덕턴스의 대략적인 결정: L2 = L3 Rn / (p Q) (Rn은 부하 저항(330 Ohm), Q는 Q-팩터).

대안으로, 코일 L2를 생략하여 유도 결합을 용량성 결합으로 대체할 수 있지만, 결합 코일을 사용한 실험적 튜닝이 종종 더 편리합니다.

고감도 유도 결합 수신기

중요한 역할에도 불구하고, 유도 결합 수신기 경로는 최소한의 부품으로 구현될 수 있습니다. 제시된 수신기는 단일 트랜지스터를 기반으로 하며 고감도 검출기로 작동합니다. 다이오드 VD4는 트랜지스터 VT7을 전도 임계점에서 바이어스하여 회로의 감도를 크게 높입니다. 이 구현의 독특한 특징은 V.T. Polyakov가 제안한 검출기 회로에 해당하는 다이오드 VD3 덕분에 입력 전압의 양의 반파와 음의 반파를 모두 정류할 수 있다는 점입니다. 더 간단한 반파 정류 방식도 가능하지만, 이는 감도 저하로 이어질 것입니다.

검출기의 출력 전압(DATA RX)은 다양합니다. 입력 신호가 없을 때는 약 1.3-1.4V이고, 최대 신호가 있을 때는 0.5-0.6V로 떨어집니다. 검출기의 감도는 7-10mV(피크-투-피크 값)에 도달하며, 이 지점에서 출력 전압은 약 0.9V가 됩니다. 최대 효율을 위해 수신기의 공진 회로(L7, L6, C14, C15)는 송신기의 회로와 동일해야 합니다.

DATA RX 검출기 출력의 신호는 마이크로컨트롤러의 비교기 입력으로 공급됩니다. 마이크로컨트롤러의 내부 고정 전압 기준(FVR)은 비교기의 기준 전압으로 사용되며, 일반적으로 1.024V로 설정됩니다. 비교기 출력(C1OUT)은 마이크로컨트롤러의 RX UART 입력에 연결되어 무선 통신 채널을 완성합니다.

PIC 마이크로컨트롤러용 비교기 구성 예시:

        //FVR
        FVRCON = 0b11000100; // Configure Fixed Voltage Reference
        //Comparator
        CM1CON0 = 0b10110010; // Enable comparator, select inputs
        CM1CON1 = 0b00100011; // Configure inversion, select reference voltage

이러한 송신기-수신기 쌍의 신뢰할 수 있는 통신 범위는 10-15cm입니다. 예를 들어, 비교기의 기준 전압을 1.2V로 높여 감도를 더욱 향상시킬 수 있습니다.

트랜시버 구축 및 최적화 방법

송신기 및 수신기 기능을 단일 트랜시버로 결합하면 설계를 크게 단순화하여 공통 공진 회로를 사용할 수 있습니다. 이는 송신 및 수신 모드 사이에서 회로를 전환하는 회로 솔루션을 통해 달성됩니다. 트랜시버 방식에서는 송신기 작동 중에 검출기를 비활성화하기 위해 트랜지스터 VT6이 사용됩니다. 이는 송신기 출력에서 수신기 경로의 트랜지스터 VT5 베이스로 고주파 전류가 흐르는 것을 방지하여 오작동이나 손상을 초래할 수 있는 위험을 막습니다. 트랜시버의 공진 회로(L4, L5, C4, C7)는 이전에 설명된 송신기 및 수신기 회로와 유사하게 구성됩니다.

별도의 송신기, 수신기 또는 트랜시버 등 설명된 모든 회로의 튜닝은 공진 회로의 정밀한 조정으로 귀결됩니다. 이를 위해서는 다음을 수행해야 합니다.

작은 용량(1-2 pF)을 통해 오실로스코프를 공진 회로에 연결합니다. 절연된 짧은 전선을 커패시터로 사용할 수 있으며, 한쪽 끝은 회로에 납땜하고 다른 쪽(절연된)은 오실로스코프 프로브의 연결 지점으로 사용합니다.
송신기(또는 송신 모드의 트랜시버)를 켜서 펄스를 생성하거나 지속적으로 신호를 방출하게 합니다(예: DATA TX = 0으로 설정).
1MHz에서 최대 발진 진폭이 달성될 때까지 트리머 커패시터(예: 트랜시버 회로의 C7)를 돌립니다. 이는 최적의 에너지 및 데이터 전송을 보장합니다.

작동 특성 및 제한 사항

트랜시버로 작업할 때는 몇 가지 중요한 고려 사항이 있습니다. 전송 중에는 UART 수신기 인터럽트를 비활성화하고 전송 완료 후 해당 레지스터를 지워야 합니다. 송신기 작동 후 수신기의 복구 시간은 약 100-200 µs입니다. 이러한 회로의 최대 데이터 전송 속도는 일반적으로 5000-6000 bits/s를 초과하지 않으며, 수신기 경로의 커패시터 C11의 용량에 따라 달라집니다. 검출기의 대역폭은 약 3MHz로, 지나치게 높은 마이크로컨트롤러 클록 주파수 사용을 제한합니다.

시스템의 선택성은 비교적 낮은 Q-팩터를 가진 단일 공진 회로에 의해 제공되므로, 주 전원 배선 및 스위칭 전원 공급 장치, 특히 그 인덕티브 구성 요소와 같은 잠재적인 간섭원으로부터 가능한 한 멀리 배치하는 것이 매우 중요합니다. 이는 외부 노이즈의 영향을 최소화하고 무선 채널의 안정적인 작동을 보장하는 데 도움이 될 것입니다.