基于超低功耗無線芯片SX1212的無線數(shù)傳模塊設(shè)計

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(jīng)過優(yōu)化具有非常低的接收功耗，典型接收電流為2.6mA, 遠(yuǎn)小于同類收發(fā)器的接收電流。工作電壓為2.1-3.6V,最大發(fā)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(nèi)部集成壓控振蕩器、鎖相環(huán)電路、功率放大電路、低噪聲放大電路、調(diào)制解調(diào)電路、變頻器、中放電路等。此外它整合了基帶調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)150Kbps數(shù)據(jù)處理功能包括一個64字節(jié)的FIFO，包處理，自動CRC生成和數(shù)據(jù)白化。它的高度集成的架構(gòu)允許最少的外部元件數(shù)量，同時保持設(shè)計的靈活性。所有主要的射頻通訊參數(shù)可編程，其中多數(shù)可動態(tài)設(shè)置。它符合歐洲(ETSI EN 300-220 V2.1.1)和北美(FCC part 15.247 and 15.249)標(biāo)準(zhǔn)。

　　本文介紹基于無線芯片SX1212的無線模塊設(shè)計，其具有傳輸距離相對遠(yuǎn)，接收的靈敏度較高，工作功耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以它適用于無線水氣抄表、無線遙控系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線溫度壓力數(shù)據(jù)采集、機(jī)器人控制等需要用電池長期工作的領(lǐng)域。

　　系統(tǒng)電路設(shè)計

　　系統(tǒng)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(jī)STM8L101F3,  SX1212與單片機(jī)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(jīng)很少，所以設(shè)計的關(guān)鍵是RF前端的匹配電路的設(shè)計。另外高頻部分的走線盡量的短粗，元器件參數(shù)要根據(jù)線路板的實(shí)際情況作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，以抵消分布參數(shù)的影響。一般的RF芯片發(fā)射與接收端口的阻抗并不是標(biāo)準(zhǔn)的50Ω阻抗，要達(dá)到最佳的接收效果必須將輸入阻抗通過外圍器件的補(bǔ)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(guī)定頻帶以外的信號，L2，C3，C22是阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，L4,L5,壓控振蕩器電感，調(diào)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(huán)電路。

圖一 SX1212的系統(tǒng)電路設(shè)計

　　工作模式設(shè)計

　　典型的無線收發(fā)機(jī)編碼如下圖。

　　前導(dǎo)碼為“1010”交替碼，其作用是使目的接收機(jī)時鐘與發(fā)射機(jī)同步，正常模式下前導(dǎo)碼長度一般為32bit即可，如工作在省電模式時序下，前導(dǎo)碼還有喚醒接收機(jī)的功能，此時發(fā)射機(jī)必須發(fā)送較長的前導(dǎo)碼將省電模式下的接收機(jī)喚醒進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。如設(shè)置接收機(jī)1秒鐘喚醒一次，那么接收機(jī)每間隔1秒鐘喚醒一次搜索前導(dǎo)碼(tw)，持續(xù)長度一般為16bit。而發(fā)射機(jī)首先發(fā)射1秒以上的前導(dǎo)碼再發(fā)射后面得同步碼等，這意味著接收機(jī)在喚醒的周期，只要信道中發(fā)現(xiàn)前導(dǎo)碼，在正常情況下都能夠可成功檢測到并喚醒接收，示意圖見圖二。

　　這里我們設(shè)計了四種工作模式，見表一，這四種工作模式是利用MCU的SET_A和SET_B腳轉(zhuǎn)換的，四種模式均可以相互轉(zhuǎn)換。

　　表一:四種工作模式說明

　　圖二：發(fā)射處于模式2狀態(tài)，接收處于模式3狀態(tài)示意圖

　　休眠模式是通過用軟件方式實(shí)現(xiàn)的，這樣休眠時系統(tǒng)的接口均保持相應(yīng)的電平，并且能快速切換各種狀態(tài)，由于MCU主時鐘是通過RC振蕩器產(chǎn)生的，起振時間僅僅需要4uS,  實(shí)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(tài)時，置低SET_A腳后20uS就可以通過UART口輸入數(shù)據(jù)至模塊。這里我們設(shè)計了系統(tǒng)在接收或發(fā)送過程中，即使設(shè)置工作在模式3或4，模塊也要將接收或發(fā)送過程執(zhí)行完畢再進(jìn)入省電模式或休眠模式，其中在接收或發(fā)送過程中AUX腳將被置低。利用這個特點(diǎn)，當(dāng)模塊處于模式3或模塊4狀態(tài)，下位機(jī)用戶在置低SET_A腳使模塊喚醒并輸入數(shù)據(jù)后，若需休眠可立刻置高SET_A腳，而不必等到模塊將數(shù)據(jù)無線發(fā)送完畢，模塊在數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后會自動檢測SET_A腳，如為高則進(jìn)入休眠，數(shù)據(jù)是否發(fā)送結(jié)束用戶可以通過查詢AUX腳獲得。

　　圖三：模塊與下位機(jī)的連接圖

　　在電池供電的電路中，正?？蓪哪K(如水氣表)設(shè)置在模式3上，當(dāng)主模塊(如采集器或收抄機(jī))在模式2下發(fā)送數(shù)據(jù)，從模塊喚醒后接收數(shù)據(jù)，完成后利用AUX腳將下位機(jī)MCU喚醒，再將數(shù)據(jù)輸出，MCU接收到數(shù)據(jù)后，可將從模塊切換至模式1，應(yīng)答主模塊.如主模塊收到應(yīng)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(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。如主模塊收到應(yīng)答后，后續(xù)無數(shù)據(jù)交換可將從機(jī)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(tài)。

　　因?yàn)槭‰娛峭ㄟ^周期性喚醒休眠再喚醒實(shí)現(xiàn)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(dǎo)碼的時間(t w)，以及休眠的靜態(tài)功耗有關(guān)。喚醒周期用戶可以在線設(shè)置范圍是50ms至5s. 每次搜索前導(dǎo)碼時間與射頻傳輸?shù)乃俾视嘘P(guān)，射頻傳輸?shù)乃俾室彩强稍O(shè)的，在10Kbps速率的速率下喚醒搜索前導(dǎo)碼時間平均約為4.5ms.

 　　在省電模式下電池的使用壽命可以通過以下公式算出：

　　使用壽命 =

　　例如：電池是 3.6V/3.6A ER18505鋰亞電池，模塊包括MCU接收電流為3.2mA，休眠電流1.5uA.射頻傳輸速率10Kbps,喚醒周期為1SEC,那么電池使用壽命是：

　　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(jié)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等使用不是太頻繁但要求用電池長期工作的場合。

　　總結(jié)

　　在一些無線收發(fā)的應(yīng)用中，如需電池供電，又要長期處于接收狀態(tài)已保證實(shí)時響應(yīng)，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(fā)速率。但是降低占空比會直接影響到響應(yīng)實(shí)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(xiàn)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(yīng)用于像無線水汽表需要電池工作6-10年的系統(tǒng)，各種參數(shù)像距離，工作壽命，響應(yīng)時間很難取舍。而SEMTECH推出的SX1212創(chuàng)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(biāo)仍然具有較高的指標(biāo)。

　　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(fā)完成，并成功應(yīng)用于無線水氣表的采集，實(shí)測在開闊地?zé)o線設(shè)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(jī)不到2SEC即可完成一次水氣表數(shù)據(jù)采集，若與采集器配合可以實(shí)現(xiàn)全自動抄表，手抄機(jī)如再加上GPS即可實(shí)現(xiàn)無需人工輸入命令，自動發(fā)現(xiàn)周邊的水氣表從而進(jìn)一步提高抄表速度。而相比傳統(tǒng)的人工抄表每人每月只能抄3-4K住戶，并且燃?xì)獗泶蠖噙€要在晚上上門抄表，大大的提高了效率。