基于TDA5210的868 MHz無(wú)線接收模塊設(shè)計(jì)

摘要：為解決采用315 MHz或433 MHz頻段無(wú)線接收模塊的系統(tǒng)，干擾源多，接收靈敏度低，設(shè)計(jì)調(diào)試復(fù)雜等問(wèn)題，提出了一種868 MHz無(wú)線接收模塊的設(shè)計(jì)方案。方案中采用英飛凌低功耗單芯片F(xiàn)SK／ASK超外差無(wú)線接收器TDA5210，以及少量的外圍分立器件。通過(guò)改善接收模塊PCB中銅箔天線走向，提高接收靈敏度；在接收模塊的電源和地的輸入端串入磁珠，以減少來(lái)自應(yīng)用系統(tǒng)中晶振等高頻器件的噪聲干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于TDA5210的無(wú)線接收模塊，設(shè)計(jì)調(diào)試簡(jiǎn)單，干擾源少，抑制噪聲能力強(qiáng)，接收靈敏度高，工作穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：TDA5210；英飛凌；868 MHz；無(wú)線接收

    隨著無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線控制應(yīng)用已經(jīng)深入各行各業(yè)，安防、汽車電子、玩具等隨處可見(jiàn)無(wú)線遙控的應(yīng)用。目前市面上無(wú)線遙控產(chǎn)品比較多工作在315 MHz和433 MHz的頻段，主要采用ASK調(diào)制方式。與此同時(shí)，在這兩個(gè)頻段上的干擾源也比較多。特殊行業(yè)的產(chǎn)品由于關(guān)系到人身安全，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求苛刻，需要盡可能地減少同頻干擾，比如醫(yī)療監(jiān)控，無(wú)線溫度采集系統(tǒng)，汽車胎壓監(jiān)測(cè)等應(yīng)用，因此采用868 MHz頻段比采用315 MHz和433 MHz頻段具有更少的干擾源。目前市面上能夠提供868 MHz無(wú)線接收芯片的芯片廠家非常少，英飛凌(Infineon)公司是少數(shù)能夠提供868 MHz單芯片接收芯片的廠家。本設(shè)計(jì)采用英飛凌TDA5210接收芯片，采用ASK(振幅鍵控)調(diào)制方式，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于調(diào)試，接收靈敏度高，抗干擾性能強(qiáng)。

1 TDA5210接收芯片簡(jiǎn)介
    TDA5210是一款低功耗，單芯片F(xiàn)SK／ASK超外差接無(wú)線收芯片，其工作頻段為810～870 MHz和400～440 MHz，該芯片集成度高，只需要少量外圍器件就可以完成應(yīng)用，其引腳與英飛凌公司的ASK接收器TDA5200兼容。TDA5210芯片內(nèi)置低噪聲放大器(LNA)、雙平衡混合器、壓控振蕩器(VCO)、鎖相環(huán)(PLL)、晶振、限幅器、鎖相環(huán)FSK解調(diào)器(PLLFSK dcmodulator)、數(shù)據(jù)濾波器(data filter)、數(shù)據(jù)限幅器(dataslic-er)、峰值檢波器(peak detector)等電路，同時(shí)它還具有自動(dòng)休眠功能，可以減少電池消耗，適用于對(duì)功耗要求比較高的場(chǎng)合。圖1為TDA521 O內(nèi)部框圖。

2 原理圖設(shè)計(jì)
    接收模塊原理圖如圖2所示。由C1，C2，L1，C3組成的濾波網(wǎng)絡(luò)，對(duì)天線端的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行匹配，將帶寬頻率范圍內(nèi)的微弱信號(hào)送至LIN引腳；信號(hào)經(jīng)過(guò)芯片內(nèi)部的LNA(低噪聲放大器)放大后，進(jìn)入MI引腳與VCO產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行混頻，將高頻信號(hào)中的數(shù)據(jù)信號(hào)分離出來(lái)，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)10．7 MHz的陶瓷中頻濾波器，再經(jīng)過(guò)內(nèi)部限幅器LIMITEB，最后信號(hào)被一個(gè)比較器分離，產(chǎn)生最終的數(shù)據(jù)電平信號(hào)。

3 PCB(印刷電路板)設(shè)計(jì)和器件選型
    在一般的應(yīng)用中，為了設(shè)計(jì)的方便，同時(shí)也為了減少系統(tǒng)對(duì)無(wú)線接收電路的干擾，接收模塊都是以獨(dú)立模塊的形式出現(xiàn)，并且其物理尺寸一般比較小，這就要求在進(jìn)行PCB布線的時(shí)候元器件的排布盡可能緊湊，各個(gè)元件之間的走線距離要盡可能短，以降低信號(hào)干擾。另外，天線對(duì)于模塊的接收效果至關(guān)重要，因此在布線的時(shí)候，對(duì)于在PCB上的銅箔天線部分，其走線盡可能靠近PCB板邊緣，并且要遠(yuǎn)離干擾源晶振和中頻濾波器，這樣可以改善模塊的接收效果。接收模塊PCB實(shí)物圖如圖3所示。

    關(guān)鍵器件的參數(shù)選擇對(duì)于無(wú)線信號(hào)的接收至關(guān)重要，因此選擇合適參數(shù)的器件可以提高接收模塊的接收效果，降低噪聲。TDA521O是窄帶RFIC，晶振的偏差和晶振負(fù)載電容的不一致都會(huì)影響接收靈敏度，建議采用規(guī)格為13．401 55 MHz，頻率偏差為10 ppM，負(fù)載電容采用12 pF。中頻濾波器對(duì)于接收效果也有很大影響，其主要參數(shù)有：中心頻率，3 dBbandwidth等，中心頻率需采用10．7 MHz；3 dB bandwidth應(yīng)該選擇(150±50 kHz)，如果帶寬參數(shù)選小了，導(dǎo)致在中心頻率正常范圍內(nèi)的信號(hào)無(wú)法通過(guò)，影響接收距離，如果帶寬選擇大了，將產(chǎn)生大量的無(wú)線噪聲，極端情況下噪聲甚至?xí)蜎](méi)正常的信號(hào)。另外，天線后端的電容和電感的品質(zhì)也很重要，建議選擇品質(zhì)比較高的器件品牌。

4 硬件調(diào)試
    根據(jù)TDA5210內(nèi)部結(jié)構(gòu)，模塊調(diào)試可以根據(jù)接收信號(hào)的走向，用示波器對(duì)信號(hào)走向中的各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)測(cè)量，以判斷各個(gè)部分的器件電路是否工作正常，調(diào)整相應(yīng)部分的器件參數(shù)提高信號(hào)的輸出強(qiáng)度?？梢砸来螠y(cè)試Pin17(LIM)、Pin 20(SLIN)、Pin 25(DATA)，各個(gè)關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)，各個(gè)引腳的信號(hào)基本波形如圖4。

    調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)TDA521O輸出解調(diào)數(shù)據(jù)信號(hào)的Data引腳，在空閑狀態(tài)，會(huì)輸出大量噪聲，這些噪聲信號(hào)非常不利于主控單片機(jī)的接收處理。經(jīng)過(guò)分析，該噪聲是由于主控板中MCU的晶振或者其他高頻元件產(chǎn)生的干擾，這些干擾通過(guò)電源和地線串?dāng)_至接收板上，因此為解決這個(gè)問(wèn)題可以在接收板的電源和地端各串一個(gè)阻值為500 Ω的磁珠，用來(lái)抑制高頻串?dāng)_。圖5為加磁珠后信號(hào)輸出情況。

    從圖5中可以看出，增加磁珠后，噪聲受到抑制，接收效果明顯改善。

5 無(wú)線模塊應(yīng)用
5．1 系統(tǒng)框圖
    無(wú)線智能門禁系統(tǒng)采用基于TDA5210的無(wú)線接收模塊，如圖6所示，系統(tǒng)主控芯片采用飛思卡爾MC68HC908JK8，該單片機(jī)具有8 K的可編程Flash存儲(chǔ)器，256字節(jié)RAM片上存儲(chǔ)器，2個(gè)16位定時(shí)器，13路A／D輸入通道，同時(shí)具有輸入信號(hào)捕捉，PWM輸出等功能，在5 V的工作電壓下，最大總線頻率可以達(dá)到8 MHz，同時(shí)具有很高的電磁兼容性能，適用于對(duì)電磁干擾要求比較高的系統(tǒng)。

    系統(tǒng)的輸入部分包括：接收無(wú)線信號(hào)輸入、按鍵輸入、撥碼開(kāi)關(guān)輸入、電位器A／D輸入、光電信號(hào)輸入。系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)輸出部分包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出、燈光驅(qū)動(dòng)輸出、指示燈輸出。
    遙控器端數(shù)據(jù)編碼芯片則采用Microchip HCS301，HCS301是一款基于Keelog滾動(dòng)碼技術(shù)的編碼芯片，與固定編碼的芯片相比，其具有很高的系統(tǒng)安全性能，非常適用于對(duì)安全性要求比較高的場(chǎng)合。系統(tǒng)存儲(chǔ)器采用ATMEL公司的EEPROM AT24C02芯片。
5．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    主控板接收端沒(méi)有采用Microchip的keelog硬件解碼芯片HCS512，而是采用軟件解碼的方式，這樣既增加了軟件控制的靈活性，又可以減低系統(tǒng)的成本。從無(wú)線接收模塊輸出的電平脈沖信號(hào)，接到單片機(jī)的外部中斷口，控制程序根據(jù)HCS301的數(shù)據(jù)脈寬電平規(guī)格，進(jìn)行解碼。主控程序根據(jù)遙控器發(fā)送過(guò)來(lái)的按鍵信息，對(duì)門進(jìn)行控制。
    AT24C02用于保存學(xué)習(xí)過(guò)的遙控器發(fā)射芯片的ID號(hào)碼，以保證主控板與遙控器的收發(fā)對(duì)應(yīng)關(guān)系，一個(gè)主控板可以存儲(chǔ)多組遙控器的信息，可以根據(jù)用戶需要，實(shí)現(xiàn)一對(duì)一或一對(duì)多的對(duì)應(yīng)關(guān)系。主控芯片根據(jù)撥碼開(kāi)關(guān)的狀態(tài)組合，可以運(yùn)行于不同的模式。同時(shí)，根據(jù)光電信號(hào)輸入，主控芯片可以檢測(cè)到門下方是有人或物體通過(guò)，避免造成人或物品被誤壓的事故。電位器用于產(chǎn)生不同的A／D值，不同的A／D值對(duì)應(yīng)于不同的時(shí)間檔位，進(jìn)而控制不同類型門的開(kāi)關(guān)行程。系統(tǒng)除了可以用遙控器控制以外，還可以通過(guò)按主控板上的按鍵進(jìn)行相應(yīng)的控制。
    采用868 MHz頻段的無(wú)線智能門禁系統(tǒng)與采用315 MHz，433 MHz的系統(tǒng)相比，具有更少的干擾源，同時(shí)采用基于TDA5210接收模塊的無(wú)線控制系統(tǒng)具有很高的靈敏度和抗干擾性能。

6 結(jié)束語(yǔ)
    本文闡述了基于英飛凌TDA5210電路的868 MHz無(wú)線接收模塊的設(shè)計(jì)，詳細(xì)說(shuō)明了信號(hào)調(diào)試過(guò)程中的方法，并分析了高頻噪聲的產(chǎn)生原因，提出了信號(hào)抑制的方法。分析了其在智能門禁系統(tǒng)中的應(yīng)用，該智能門禁系統(tǒng)已經(jīng)批量生產(chǎn)，系統(tǒng)非常穩(wěn)定。