無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的T5743節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案

本文以無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點(diǎn)，采用RF射頻接收芯片T5743的網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點(diǎn)，達(dá)到了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的短距離接收，并降低接收數(shù)據(jù)的誤碼率，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)無線通信。

一、引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將成百上千的傳感器節(jié)點(diǎn)布置在一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)形成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，這些節(jié)點(diǎn)通過特定的協(xié)議高效、穩(wěn)定、正確的組織起來，協(xié)同工作完成某項(xiàng)應(yīng)用任務(wù)，達(dá)到數(shù)據(jù)采集、無線通信和信息處理的能力。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，對采集數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)等的功能要求各有兼顧，其處理能力、存儲能力和通信能力都是對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和協(xié)同工作，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟硬件技術(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)。本文主要是對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的短距離接收進(jìn)行設(shè)計(jì)探討。

二、接收節(jié)點(diǎn)工作原理

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)模塊主要由接收芯片T5743和MCU微處理器PIC18F6620構(gòu)成，如圖1，發(fā)射端采用ATMEL公司的的T5754做為數(shù)據(jù)發(fā)射芯片，與接收芯片T5743相匹配，以一定的發(fā)射接收頻率和數(shù)據(jù)傳輸速率協(xié)同工作。接收芯片T5743通過DATA串行雙向數(shù)據(jù)線與MCU微處理器PIC18F6620的I/O口進(jìn)行通訊，MCU微處理器接收數(shù)據(jù)時(shí)，用DATA_CLK作為同步時(shí)鐘，微處理器PIC18F6620向接收芯片T5743發(fā)送指令時(shí)依靠特殊時(shí)序來達(dá)成數(shù)據(jù)接收和處理。接收過程用軟件控制的方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和實(shí)現(xiàn)對接收芯片T5743的控制，在接收數(shù)據(jù)之前，微處理器PIC18F6620通過DATA線將MUC內(nèi)的程序?qū)懭虢邮招酒呐渲?strong>寄存器里，對接收芯片進(jìn)行配置，隨后等待接收數(shù)據(jù);當(dāng)有數(shù)據(jù)來時(shí)，由接收芯片T5743的LNA_IN端接入，經(jīng)低噪聲放大器放大后送入混頻器，使其變換成中頻;在中頻級，經(jīng)變換的信號在送入解調(diào)器之前被放大和濾波。

三、接收節(jié)點(diǎn)芯片

ATMEL的T5743芯片是集成UHF無線電接收模塊，帶有PLL鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)的接收芯片，采用SO20封裝。T5743芯片是為滿足低數(shù)據(jù)率、低成本RF數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的要求而開發(fā)出來的，其數(shù)據(jù)傳輸速度為1～10kB/s，編碼方式為曼切斯特或雙相位方式，可用于接收頻率范圍為300MHz～450MHz(433.92MHz和315MHz)的ASK數(shù)據(jù)傳輸;高靈敏度，全集成VCO，可實(shí)現(xiàn)低功耗功能，電源電壓4.5V~5.5V;單端RF輸出容易與天線或PCB版的印制天線相適配;工作溫度范圍為-40℃～105℃。

T5743芯片帶有一雙向串行數(shù)據(jù)接口DATA，通過DATA芯片可與MCU進(jìn)行串行通訊，交換信息。它可以工作在2種典型頻率433.92MHz和315MHz，由MODE引腳來選擇，置高為433.92MHz，置低為315MHz，接收頻率在1kB～10kB之間可選，由軟件設(shè)定。設(shè)計(jì)中由于采用1MHz中頻與前端SAW濾波器相配合實(shí)現(xiàn)了高鏡像抑制，基于使新型SAW器件，達(dá)到了40dB抑制，并能用簡單的雙向數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)與微控制器的通信，利用單獨(dú)引腳經(jīng)微控制器實(shí)現(xiàn)電源管理。

T5743芯片的RF前端是一個(gè)超外差結(jié)構(gòu)，將射頻輸入信號變換成1MHz IF信號。RF前端由低噪聲放大器LNA，本地振蕩器LO、混頻器和RF放大器組成。LO是由PLL鎖相環(huán)產(chǎn)生的載波頻率，供混頻器使用。RF信號經(jīng)RF輸入腳LNA-IN輸入，在433.92MHz時(shí)輸入阻抗為1000Ω/pF，在設(shè)計(jì)輸入網(wǎng)絡(luò)時(shí)首先考慮噪聲匹配，適當(dāng)調(diào)整元件值和印制板的分布電感電容與輸入端的匹配，達(dá)到T5743在高信噪比時(shí)靈敏度最高。這樣，從RF前端來的信號經(jīng)全集成4階IF濾波器濾波，達(dá)到334.92MHz的應(yīng)用，中頻的中心頻率為l MHz。

設(shè)計(jì)中解調(diào)器的工作方式由寄存器OPMODE設(shè)置，邏輯“L”設(shè)置解調(diào)器為FSK方式;邏輯“H”設(shè)置解調(diào)器為ASK方式。在ASK方式使用了自動(dòng)門限控制電路，它將檢測參考電壓設(shè)置在一個(gè)能獲得好信噪比的適當(dāng)值上，這個(gè)電路也能有效抑制任何類型的帶內(nèi)噪聲信號或競爭發(fā)射，如果S/N超過10dB即能很好檢測出數(shù)據(jù)信號。在FSK方式下，如果S/N超過2dB就能檢測出數(shù)字信號。

解調(diào)器的輸出信號，經(jīng)數(shù)字濾波器濾波后送到數(shù)字信號處理電路，數(shù)字濾波器的通帶與數(shù)據(jù)信號的特性相匹配。數(shù)字濾波器由1階高通和3階低通濾波器組成。高通濾波器的截止頻率fcu _ DF由公式(1)決定。低通濾波器的截止頻率由所選波特率范圍(BR-Range)決定，BR-Range在OPMODE寄存器中設(shè)定，BR-Range的設(shè)置必須與波特率相適應(yīng)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點(diǎn)的數(shù)字電路和模擬濾波器的全部定時(shí)都是來自一個(gè)時(shí)鐘。這一時(shí)鐘周期TCLK是從晶體振蕩器經(jīng)分頻器得到的，分頻次數(shù)由MODE引腳端的邏輯狀態(tài)控制。晶體振蕩器的頻率是由RF輸入信號決定的，它也同時(shí)決定了本地振蕩器的頻率(fLO)。T5743芯片的工作狀態(tài)是由OPMODE和LIMIT的兩個(gè)15位RAM寄存器進(jìn)行設(shè)置的，寄存器可由雙向DATA口編程。如果寄存器內(nèi)容由于掉電而改變，這一狀態(tài)由一個(gè)稱為復(fù)位標(biāo)識(RM)的輸出表示出來，在這種情況下的接收電路必須重新編程。在加電復(fù)位(POR)后，寄存器被置為默認(rèn)模式，如果接收機(jī)工作默認(rèn)模式，不需對寄存器編程。同樣，如果接收電路不是在復(fù)位方式，就會啟動(dòng)相應(yīng)的OFF指令編程;如果接收電路處在復(fù)位方式，相應(yīng)的OFF指令編程不會被啟動(dòng)，在DATA腳仍呈現(xiàn)復(fù)位標(biāo)志。

四、接收節(jié)點(diǎn)電路

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點(diǎn)芯片T5743是一個(gè)高度集成的PLL無線接收模塊，能夠接收并解調(diào)FSK調(diào)制的曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)，同時(shí)通過一個(gè)雙向數(shù)據(jù)口將其發(fā)送出去。該無線接收芯片通過一個(gè)智能的輪詢方式使接收節(jié)點(diǎn)在大部分時(shí)間處于休眠模式，只有在監(jiān)測到有效傳輸時(shí)，才會結(jié)束休眠模式轉(zhuǎn)換為接收模式，并將數(shù)據(jù)流傳送給控制器。這樣，可以最大限度地減少能量消耗。圖2為無線接收節(jié)點(diǎn)電路原理圖。

圖2中接收芯片的T5743的XTO是參考晶振的出入端，引腳LNA_IN提供RF到LNA輸入，設(shè)計(jì)采用的接收頻率為433.92MHz，所以fXTO=6.76438MHz，將MODE引腳設(shè)置為高電平，數(shù)據(jù)時(shí)鐘周期TCLK為2.0697μs。DATA引腳接到RB0引腳，DATA_CLK引腳接到RB2引腳，POLLING引腳接到RC7引腳，IC_ACTIVE引腳接到RF1引腳，至此完成T5743與MCU微處理器PIC18F6620的連接。

接收芯片的T5743的LF引腳連接一個(gè)帶寬為100kHz的無源環(huán)路濾波器。LNA_GND引腳的電感L為25nH，L是饋電電感，以建立供電DC通路。C7與L一起形成串聯(lián)諧振電路。LNA_IN引腳連接天線，中間部分為T型匹配網(wǎng)絡(luò)。

五、數(shù)據(jù)傳輸誤碼率測試

對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)有效性的測試，必須通過驗(yàn)證系統(tǒng)的性能進(jìn)行，在一定距離內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)通信測試時(shí)，判斷數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院陀行浴Ｔ趯W(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點(diǎn)的T5743芯片完成輸入輸出波形和電路邏輯的時(shí)序檢測后，將無線網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)相連，改變發(fā)射端與接收端之間的距離，測試通訊距離及相應(yīng)的誤碼率。設(shè)計(jì)中將發(fā)射端以5kB的數(shù)據(jù)速率發(fā)送20062120133～20062240266均勻遞增的測試數(shù)據(jù)，誤碼測試程序?qū)⒔邮盏降臄?shù)據(jù)與自己生成的數(shù)據(jù)序列(20062120133～20062240266)同步、對比測得誤碼率。表1為接收節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)誤碼率測試結(jié)果。

在通信距離及通信誤碼率測試過程中，5m～10m通信距離中外界干擾對系統(tǒng)的影響較小，甚至人為制造的電磁干擾對其通信誤碼率影響也較小，接收節(jié)點(diǎn)能夠穩(wěn)定有效的工作;10m～30m的通信距離，外界的干擾對系統(tǒng)的影響較大，接收節(jié)點(diǎn)通信誤碼率上升，但仍能滿足通訊要求，接收節(jié)點(diǎn)工作性能出現(xiàn)間或不穩(wěn)定;大于30m以上系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，通信誤碼率上升很快，接收節(jié)點(diǎn)已不能滿足通信數(shù)據(jù)傳輸要求。

六、結(jié)論

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對傳感器采集數(shù)據(jù)的無線接收，在短距離無線通信中能夠有效、準(zhǔn)確的接收數(shù)據(jù)，減少誤碼率的發(fā)生。