基于RF2．4 GHz的超低功耗無線數(shù)傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言
    目前，無線通信技術(shù)已經(jīng)成為一大熱點(diǎn)，而系統(tǒng)設(shè)計(jì)的微型化、低功耗成為發(fā)展的必然趨勢。在保證系統(tǒng)工作可靠性的前提下，如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗是無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)亟待解決的一個(gè)主要問題。本文利用MSP430超低功耗單片機(jī)和2．4 GHz ISM頻段的射頻芯片EMl98810設(shè)計(jì)了一種低功耗的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用干電池供電，可廣泛應(yīng)用于電池供電的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線遙控、無線鼠標(biāo)、無線鍵盤、無線電子標(biāo)簽、遙控玩具，以及水、氣、熱、電等居民計(jì)量表具無線遠(yuǎn)傳自動(dòng)抄表。

1 系統(tǒng)概述
    目前在2．4 GHz頻段的集成射頻芯片有多種，性能各有差異，表1列出了幾種常用芯片的性能特點(diǎn)。

    本系統(tǒng)采用MSP430F247單片機(jī)和EMC公司的EMl98810芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)16位精簡指令集(RISC)微處理器。它具有豐富的尋址方式(7種源操作數(shù)尋址，4種目的操作數(shù)尋址)，簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運(yùn)算；具有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在8 MHz晶振驅(qū)動(dòng)下指令周期為125 ns；中斷源較多，并且可以任意嵌套；當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時(shí)，用中斷請求喚醒只用6μs。MSP430系列單片機(jī)的電源電壓采用1．8～3．6 V，其在1 MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流為200～400μA左右，時(shí)鐘關(guān)斷模式最低只有O．1 μA。
    EMl98810芯片內(nèi)建2．4 GHz GFSK射頻收發(fā)器，帶有8位數(shù)據(jù)幀無線收發(fā)功能，前導(dǎo)區(qū)可以設(shè)置為1～8字節(jié)，支持1～4個(gè)字地址(最多可達(dá)64位)，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mbps，允許長數(shù)據(jù)包傳送；頻率范圍為2 400～2 482 MHz(81信道)，傳輸距離100 m(PCB天線)，RF輸出功率2 dBm，接收靈敏度在-85 dBm以上，采用SPI數(shù)字編程接口，接口電壓為2．5～3．7 V。該芯片發(fā)射功率可數(shù)字編程調(diào)節(jié)，通過寄存器的設(shè)置很容易實(shí)現(xiàn)低功耗模式；內(nèi)建多種糾檢錯(cuò)功能，采用各種有效載荷數(shù)據(jù)格式來消除直流漂移量；支持FEC的1／3、2／3糾檢錯(cuò)功能和CRC16檢錯(cuò)功能。內(nèi)部具有FIFO和DIRECT兩種工作模式：FIFO模式簡單易用，對MCU要求不高，發(fā)射和接收各有64字節(jié)的緩沖區(qū)，一次發(fā)送、接收可以最多處理64字節(jié)數(shù)據(jù)；DIRECT模式對MCU要求較高，需要MCU處理各種糾檢錯(cuò)功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    圖1是MSP430F247單片機(jī)和EMl98810的連接示意圖，通過SPI總線與RF芯片相連。實(shí)際電路連接如圖2所示。

2．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)包格式如下：

 
    其中，前導(dǎo)區(qū)可配置為1～8字節(jié)，同步字可配置為16、32、48或64位；前導(dǎo)尾區(qū)可配置為4、6、8……18位；數(shù)據(jù)區(qū)可為NRZ碼、Manch-ester碼、8／10位碼、帶FEC的數(shù)據(jù)4種格式。
    系統(tǒng)上電后，先使EMl98810的RESET_n引腳為低電平，以保證芯片有效復(fù)位；再使此引腳為高電平，BRCLK腳會產(chǎn)生12 MHz的時(shí)鐘；然后進(jìn)行相關(guān)寄存器初始化。初始化程序流程如圖3所示。

    其中，Reg48為數(shù)據(jù)幀格式配置寄存器，需要設(shè)置前導(dǎo)區(qū)的長度(默認(rèn)為3字節(jié))，同步字長度默認(rèn)為64位，前導(dǎo)尾默認(rèn)長度為4位，數(shù)據(jù)默認(rèn)為NRZ格式。該寄存器的第2位為1則配置為睡眠模式，第3位為1則配置為待機(jī)模式。Reg49～51用于設(shè)置發(fā)射和接收的延遲時(shí)間。Reg52～55用于設(shè)置同步控制字，默認(rèn)全部為0000H。Reg57用于配置是否啟用CRC校驗(yàn)、包長度控制方式等。Reg48～57詳細(xì)配置數(shù)據(jù)如下：

    Reg0～28主要是配置發(fā)射功率、VCO、RSSI、接收延時(shí)、通道選擇與控制、AMS測試及控制、BPF和AGC控制、發(fā)射與接收數(shù)據(jù)控制、直流漂移控制、PLL同步控制、數(shù)據(jù)收發(fā)的時(shí)序控制、N／VCO參數(shù)控制、時(shí)鐘等。Reg0～28詳細(xì)配置數(shù)據(jù)如下：

    Reg0～28初始化完成后再延時(shí)2 ms，就可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)了。特別要注意的是，幀寄存器Reg48～57必須在RFIC寄存器Reg0～28之前初始化。所有寄存器讀寫和收發(fā)的數(shù)據(jù)都是通過SPI接口進(jìn)行的，并且只支持從模式，SPI操作時(shí)序如圖4所示。在芯片第28腳LDO_TUNE接地時(shí)(R1斷開，R2接O Ω電阻)，其數(shù)據(jù)在SPI_CLK時(shí)鐘的上升沿有效；當(dāng)LDO_TUNE接VDD時(shí)(R2斷開，R1接0 Ω電阻)，數(shù)據(jù)在SPI_CLK時(shí)鐘的下降沿有效。只要SPI_SS為高電平，寄存器中的數(shù)據(jù)就保持不變；只有SPI_SS為低電平時(shí)，才能重新改寫寄存器中的內(nèi)容。

    EMl98810有兩種檢測收發(fā)數(shù)據(jù)包長度的方法：一種是自動(dòng)在數(shù)據(jù)幀內(nèi)檢測出來，最大幀長度不能超過255字節(jié)。先設(shè)置Reg57的第13位為1，則發(fā)送或接收數(shù)據(jù)區(qū)中的第1個(gè)字節(jié)就代表數(shù)據(jù)的長度，幀控制器會自動(dòng)控制收發(fā)開始與停止。另外一種是保持發(fā)射或接收的狀態(tài)不變，通過外接MSP430F247來控制數(shù)據(jù)包的正確發(fā)送與接收。
    發(fā)送數(shù)據(jù)流程如圖5所示。在發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，先設(shè)置Reg7的第8位為1，允許在內(nèi)部狀態(tài)機(jī)控制下進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)射狀態(tài)，再設(shè)置Reg7的O～6位為所選通道。在發(fā)送前導(dǎo)尾區(qū)數(shù)據(jù)前，MSP430F247必須將數(shù)據(jù)放人FIFO中，如果數(shù)據(jù)長度超過63字節(jié)，應(yīng)該分多次寫入。FIFO_flag=1表示FIFO為空，MSP430F247利用此信號作為中斷請求，保證發(fā)送數(shù)據(jù)寫入FIF0的實(shí)時(shí)性，在數(shù)據(jù)發(fā)送完成后PKT_flag=1。

    如果設(shè)置Reg7[7]=1和Reg7[O～6]為與發(fā)射相同的通道，則芯片進(jìn)入自動(dòng)接收狀態(tài)，接收數(shù)據(jù)流程如圖6所示。當(dāng)檢測到同步字后會自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的接收解碼，接收完成后進(jìn)入待機(jī)模式。如果接收數(shù)據(jù)超過63字節(jié)，則有FIFO_flag=1，MSP430F247利用此信號作中斷請求以保證讀出數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

    在進(jìn)行超低功耗設(shè)計(jì)時(shí)，MSP430F247可以設(shè)置定時(shí)器中斷。平常處于LPM3或LPM4模式，要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生定時(shí)器中斷，同時(shí)控制EMl98-810處于待機(jī)或睡眠模式。MSP430F247工作在LPM3模式下電流為O．8μA左右，LPM4模式下電流為0．1μA左右。EMl98810正常情況下發(fā)射電流26 mA，接收電流25 mA，待機(jī)電流1．9mA；睡眠模式下為3．5μA。若將EMl98810設(shè)置為睡眠模式，將MSP430F247設(shè)置為LPM3模式，則系統(tǒng)耗電僅為4．3μA，使用干電池供電完全可行。
    MSP430F247通過SPI接口與EMl98810相連，進(jìn)入LPM3模式和退出LPM3模式的程序如下：

    將EMl98810的Reg48的第2位設(shè)置為1，并將SPI_SS設(shè)為高電平，則進(jìn)入睡眠模式；如再將SPI_SS設(shè)為低電平，則EMl98810會自動(dòng)喚醒，退出睡眠模式。

結(jié)語
    經(jīng)過實(shí)際電路連接后測試，數(shù)據(jù)發(fā)送端在進(jìn)行500kbps速率下連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)電流為28．2 mA，接收數(shù)據(jù)端的電流為26．1 mA；當(dāng)發(fā)射端進(jìn)入到睡眠模式時(shí)電流為5．2μA；當(dāng)接收端進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)LPM3后，整個(gè)系統(tǒng)電流為l．9 mA。按照2節(jié)干電池容量1 300 mAh計(jì)算，間隔1 min發(fā)送100字節(jié)數(shù)據(jù)，考慮單片機(jī)模式切換時(shí)間，則在500 kbps速率下：
    發(fā)送數(shù)據(jù)所需時(shí)間為5 ms，1小時(shí)耗能：
    28．2mA×5ms×60次=8460(mA·ms)
    睡眠模式下1小時(shí)耗能：
    5．2μA×3600S×1000ms=18720(mA·ms)
    發(fā)送狀態(tài)下可以工作的時(shí)間為：
    (1300mA×3600S×1000ms)／(18720+8460)=172185h
    即2節(jié)干電池供電時(shí)可以工作20年。同樣，可以計(jì)算出接收狀態(tài)下可以工作683小時(shí)(大約28天)。因此本設(shè)計(jì)可以適合長期進(jìn)行低功耗無線數(shù)據(jù)采集方面的應(yīng)用。