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基于超低功耗無線芯片SX1212的無線數傳模塊設計

來源:未知 作者:張立美 責任編輯:admin 發表時間:2018-07-14 14:03 閱讀:
核心提示:此外它整合了基帶調制解調器的數據傳輸速率高達150Kbps數據處理功能包括一個64字節的FIFO,包處理,自動CRC生成和數據白化。它的高度集成的架構允許最少的外部元件數量,同時保持設計的靈活性。所有主要的射頻通訊參數可編程,其中多數可動態設置。它符合歐洲

SX1212是SEMTECH推出的一款超低功耗的單芯片無線芯片,頻率范圍從300MHz到510MHz。SX1212經過優化具有非常低的接收功耗,典型接收電流為2.6mA, 遠小于同類收發器的接收電流。工作電壓為2.1-3.6V,最大發射功率+12.5dBm, SX1212集成度非常高,其包含了射頻功能和邏輯控制功能的集成電路,內部集成壓控振蕩器、鎖相環電路、功率放大電路、低噪聲放大電路、調制解調電路、變頻器、中放電路等。此外它整合了基帶調制解調器的數據傳輸速率高達150Kbps數據處理功能包括一個64字節的FIFO,包處理,自動CRC生成和數據白化。它的高度集成的架構允許最少的外部元件數量,同時保持設計的靈活性。所有主要的射頻通訊參數可編程,其中多數可動態設置。它符合歐洲(ETSI EN 300-220 V2.1.1)和北美(FCC part 15.247 and 15.249)標準。

本文介紹基于無線芯片SX1212的無線模塊設計,其具有傳輸距離相對遠,接收的靈敏度較高,工作功耗低等諸多優點,所以它適用于無線水氣抄表、無線遙控系統、無線傳感器網絡、無線溫度壓力數據采集、機器人控制等需要用電池長期工作的領域。

系統電路設計

系統主要由一個MCU和SX1212組成見圖一。MCU選用了ST公司的低功耗單片機STM8L101F3,  SX1212與單片機通訊采用SPI接口,與外部終端通信采用UART接口。由于高度集成化SX1212外圍零件已經很少,所以設計的關鍵是RF前端的匹配電路的設計。另外高頻部分的走線盡量的短粗,元器件參數要根據線路板的實際情況作出適當的調節,以抵消分布參數的影響。一般的RF芯片發射與接收端口的阻抗并不是標準的50Ω阻抗,要達到最佳的接收效果必須將輸入阻抗通過外圍器件的補償使之與50Ω的天線匹配,電路如圖1所示。圖中Y2是聲表面濾波器,用于衰減規定頻帶以外的信號,L2,C3,C22是阻抗匹配網絡,L4,L5,壓控振蕩器電感,調整壓控振蕩電感,可以使模塊工作于不同的頻率,C7,R3,C8是鎖相環電路。

工作模式設計

前導碼為“1010”交替碼,其作用是使目的接收機時鐘與發射機同步,正常模式下前導碼長度一般為32bit即可,如工作在省電模式時序下,前導碼還有喚醒接收機的功能,此時發射機必須發送較長的前導碼將省電模式下的接收機喚醒進入正常的工作狀態。如設置接收機1秒鐘喚醒一次,那么接收機每間隔1秒鐘喚醒一次搜索前導碼(tw),持續長度一般為16bit。而發射機首先發射1秒以上的前導碼再發射后面得同步碼等,這意味著接收機在喚醒的周期,只要信道中發現前導碼,在正常情況下都能夠可成功檢測到并喚醒接收。

休眠模式是通過用軟件方式實現的,這樣休眠時系統的接口均保持相應的電平,并且能快速切換各種狀態,由于MCU主時鐘是通過RC振蕩器產生的,起振時間僅僅需要4uS,  實測從休眠至喚醒加上喚醒初始化的時間僅僅需要20uS,這意味模塊在休眠狀態時,置低SET_A腳后20uS就可以通過UART口輸入數據至模塊。這里我們設計了系統在接收或發送過程中,即使設置工作在模式3或4,模塊也要將接收或發送過程執行完畢再進入省電模式或休眠模式,其中在接收或發送過程中AUX腳將被置低。利用這個特點,當模塊處于模式3或模塊4狀態,下位機用戶在置低SET_A腳使模塊喚醒并輸入數據后,若需休眠可立刻置高SET_A腳,而不必等到模塊將數據無線發送完畢,模塊在數據發送結束后會自動檢測SET_A腳,如為高則進入休眠,數據是否發送結束用戶可以通過查詢AUX腳獲得。

在電池供電的電路中,正常可將從模塊(如水氣表)設置在模式3上,當主模塊(如采集器或收抄機)在模式2下發送數據,從模塊喚醒后接收數據,完成后利用AUX腳將下位機MCU喚醒,再將數據輸出,MCU接收到數據后,可將從模塊切換至模式1,應答主模塊.如主模塊收到應答后也可被切換至模式1,這時主從模塊均處于正常模式下,可以實現高速數據傳輸。如主模塊收到應答后,后續無數據交換可將從機再次切換至模式3處于省電模式下,等待下一次的喚醒,而主模塊可以切換至模式4休眠狀態。

因為省電是通過周期性喚醒休眠再喚醒實現的,所以在省電模式下的功耗與喚醒周期和每次喚醒搜索前導碼的時間(t w),以及休眠的靜態功耗有關。喚醒周期用戶可以在線設置范圍是50ms至5s. 每次搜索前導碼時間與射頻傳輸的速率有關,射頻傳輸的速率也是可設的,在10Kbps速率的速率下喚醒搜索前導碼時間平均約為4.5ms.

考慮到電池的自放電,不同電流下的容量差異,溫度以及客戶端MCU的休眠功耗和每月幾次的使用,1節3.6V/3.6A ER18505鋰亞電池正常情況下有超過10年的使用壽命。

省電模式的工作方式非常適合水氣熱表,集裝箱信息管理,數據采集系統等使用不是太頻繁但要求用電池長期工作的場合。

總結

在一些無線收發的應用中,如需電池供電,又要長期處于接收狀態已保證實時響應,只有用定時喚醒接收的方式。在電池容量不變的情況下,若想延長工作時間,只能降低占空比和提高無線收發速率。但是降低占空比會直接影響到響應實時性,而無線接收每提高一倍的速率靈敏度一般會下降2-3dBm, .直接影響到通訊距離,現在市場上常見的單芯片無線IC接收電流一般都有15-20mA ,如應用于像無線水汽表需要電池工作6-10年的系統,各種參數像距離,工作壽命,響應時間很難取舍。而SEMTECH推出的SX1212創新的將電流降低到2.6mA,同時接收靈敏度,抗干擾,鄰道選擇性等指標仍然具有較高的指標。

目前這基于SX1212的無線模塊已有深圳市安美通有限公司開發完成,并成功應用于無線水氣表的采集,實測在開闊地無線設置在10Kbps下距離約有450米,2Kbps下距離約有600米,1SEC打開一次的情況下,用手抄機不到2SEC即可完成一次水氣表數據采集,若與采集器配合可以實現全自動抄表,手抄機如再加上GPS即可實現無需人工輸入命令,自動發現周邊的水氣表從而進一步提高抄表速度。而相比傳統的人工抄表每人每月只能抄3-4K住戶,并且燃氣表大多還要在晚上上門抄表,大大的提高了效率。

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