基于IA4420的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1 IA4420簡介
    IA4420射頻芯片是一款單芯片、低功耗、多頻段的FSK收發(fā)器，可工作在315／433／868／915 MHz四個(gè)頻段。其內(nèi)部集成了所有必需的射頻功能，外圍只需1個(gè)MCU、1個(gè)晶振和旁路濾波電容就可組成一個(gè)高可靠性的收發(fā)系統(tǒng)，具有設(shè)計(jì)簡單、成本低、生產(chǎn)免調(diào)試的特點(diǎn)。在無需外加功放的情況下，通信距離可達(dá)到200 m以上。
    圖l為IA4420的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。芯片內(nèi)部集成有高頻功率放大器(PA)、低噪聲放大器(LNA)、I／Q混頻器、基帶濾波器、放大器和I／Q解調(diào)器。為了方便射頻設(shè)計(jì)，IA4420有一個(gè)完全集成的鎖相環(huán)(PLL)，該P(yáng)LL具有的快速鎖相時(shí)間特性可實(shí)現(xiàn)快速跳頻，它的高分辨率允許各個(gè)頻段的多頻點(diǎn)應(yīng)用?？删幊痰幕鶐捒筛鶕?jù)不同的頻偏、數(shù)據(jù)傳輸率和晶振誤差作出相應(yīng)調(diào)整。這款收發(fā)器采用了帶I／Q解調(diào)的零中頗技術(shù)，因此在典型的應(yīng)用中不需要外圍器件(除了晶振和退耦電容)。此外，IA4420集成了數(shù)據(jù)過濾、時(shí)鐘恢復(fù)、數(shù)據(jù)模式識(shí)別、FIFO和發(fā)射數(shù)據(jù)寄存器，這些數(shù)字信號(hào)處理功能顯著地減輕了控制器的負(fù)擔(dān)。在低功耗應(yīng)用中，IA4420支持基于內(nèi)部喚醒定時(shí)器的低功耗操作，最低待機(jī)電流為O．3μA。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中，數(shù)據(jù)采集由相應(yīng)的傳感器(例如監(jiān)測環(huán)境溫度的溫度傳感器)完成。當(dāng)單片機(jī)通過IA4420接收到數(shù)據(jù)采集的指令后，就會(huì)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)再通過IA4420發(fā)送出去，命令端同樣經(jīng)過IA4420將數(shù)據(jù)接收下來。在采集端的IA4420可以編上不同的機(jī)器識(shí)別碼，這樣命令端就可以同時(shí)控制多點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。

3 主要硬件設(shè)計(jì)
    無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件核心是單片機(jī)和IA4420，其主要硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

    IA4420與單片機(jī)的連接關(guān)系十分簡單。1至4腳是標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，單片機(jī)通過這個(gè)接口完成對IA4420內(nèi)部寄存器的各項(xiàng)配置，以及發(fā)送和接收FSK數(shù)據(jù)。IA4420的第5腳(nlRQ)是中斷請求。當(dāng)發(fā)送寄存器準(zhǔn)備接收下一個(gè)字節(jié)，或。FIFO收到預(yù)定的位的個(gè)數(shù)，或遇到上電復(fù)位、FIFO溢出等情況時(shí)，第5腳都會(huì)發(fā)出一個(gè)低電平。由于具有自動(dòng)頻率控制功能(AFC)，所以IA4420允許使用低精度(低成本)的晶振。為了讓系統(tǒng)的成本降到最低，這款芯片可以提供時(shí)鐘信號(hào)(第8腳)給單片機(jī)，從而避免使用2個(gè)晶振。

4 軟件設(shè)計(jì)
    IA4420是一款高度集成的芯片，可以通過內(nèi)部寄存器靈活地配置各項(xiàng)參數(shù)。下面介紹其主要配置參數(shù)命令(命令都是16位的，POR為此命令的默認(rèn)值)。
4．1 配置設(shè)置命令

    el使能內(nèi)部發(fā)射寄存器，數(shù)據(jù)通過發(fā)射寄存器方式發(fā)射時(shí)，e1必須置1；ef使能內(nèi)部FIFO寄存器，采用FIFO方式接收、讀取數(shù)據(jù)時(shí)，ef必須置1．b1、bO用于選擇工作頻段，如表1所列。

4．2 電源管理命令

    er用于打開接收機(jī)；ebb用于打開基帶電路；et用于打開發(fā)射機(jī)；es用于打開頻率合成器；ex用于打開晶體振蕩器；eb用于打開低壓檢測器；ew用于打開喚醒定時(shí)器；dc用于禁止時(shí)鐘輸出。
    在發(fā)射狀態(tài)下，et、es、ex置1；接收狀態(tài)下，er、ebb、es、ex置1。
4．3 輸出及FIFO模式命令

    f3～f0：用于設(shè)置FIF0中斷門限。當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)位達(dá)到該門限個(gè)數(shù)時(shí)，F(xiàn)IFO產(chǎn)生中斷。
    al設(shè)置FIF0填充條件：al為O時(shí)，只有接收到同步字2DD4h后，才開始向FIFO中寫入接收到的數(shù)據(jù)；a1為1時(shí)，總是填充。
    ff：同步格式接收后使能FIFO填充，清除該位會(huì)停止FIFO填充。如果需要重新啟動(dòng)同步格式識(shí)別，可將該位先置0后置1。
    dr：禁止高靈敏度的復(fù)位模式。如果此位清零，那么供電電源的一個(gè)200 mV的干擾將導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位。
4．4 發(fā)射配置控制命令
    mp和m3～m0為FSK調(diào)制參數(shù)，輸出FSK頻率可以表示為：

  fout=fo+(-1)SIGN·(M+1)·(15kHz)
    這里，f0為信道的中心頻率(由頻率設(shè)置命令設(shè)定)；M是4個(gè)二進(jìn)制位m3～m0；SIGN=(mp)XOR(FSK數(shù)據(jù))。
    p2～pO用于設(shè)定輸出功率，如表2所列。

4．5 頻率設(shè)置命令

    12位參數(shù)F(f11～f0)用于設(shè)置工作頻率，其取值范圍為96～3 903。合成器的輸出中心頻率分別表示為：

   
    1A4420發(fā)送和接收流程如圖4和圖5所示。

    圖4中，初始化IA4420后打開發(fā)射機(jī)。當(dāng)IA4420發(fā)射完一個(gè)字節(jié)后會(huì)將nIRQ拉低，通知MCU寫入后續(xù)字節(jié)以待發(fā)射。圖5中，IA4420參數(shù)配置完畢之后，打開FIFO接收模式。接收到數(shù)據(jù)之后會(huì)將nIRQ拉低通知MCU讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包接收完畢后，必須要將FIFO復(fù)位以便后續(xù)數(shù)據(jù)包接收。

結(jié) 語
    本文介紹了一種基于IA4420的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體方案、硬件電路及軟件實(shí)現(xiàn)流程。經(jīng)過對各項(xiàng)參數(shù)的合理配置，在實(shí)際使用中各項(xiàng)檢測指標(biāo)均符合國家無線電管理的相關(guān)技術(shù)要求，具有很高的實(shí)用價(jià)值。