低功耗2.4GHz無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1引言

近距離無(wú)線通信正逐漸引起越來(lái)越廣泛的注意。飛利浦公司最近聯(lián)合諾基亞和索尼成立了近距離無(wú)線通信論壇，以實(shí)現(xiàn)各種移動(dòng)設(shè)備、消費(fèi)電子、智能檢測(cè)等設(shè)備的交互式通信。低功耗、微型化是當(dāng)前無(wú)線通信產(chǎn)品尤其是便攜產(chǎn)品的迫切要求和關(guān)鍵問(wèn)題。無(wú)線通信的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕@取決于諸多因素，如頻率選擇、同頻干擾、傳輸距離、天線選擇等，這些在設(shè)計(jì)無(wú)線通信系統(tǒng)時(shí)都要認(rèn)真考慮和比較。

　　本文描述了一種基于nRF24E1收發(fā)芯片的2.4GHz無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)，采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸格式和固定式跳頻的抗干擾模式，數(shù)據(jù)輸出速率達(dá)1Mbps，輸出功率1mW,視距傳輸距離超過(guò)100米，可應(yīng)用在工業(yè)傳感網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)距離遙控、停車(chē)場(chǎng)智能管理等領(lǐng)域。

　　2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用通用的2.4GHzISM頻段，輸出功率為1mW且?guī)廨椛漭^小，無(wú)需申請(qǐng)頻率許可證。此外，選擇2.4GHz頻段的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是波長(zhǎng)較短，天線的尺寸較小，可以縮小系統(tǒng)的體積，甚至可以將天線設(shè)計(jì)在PCB板上實(shí)現(xiàn)天線內(nèi)置，這樣可以同時(shí)降低系統(tǒng)的成本。

　　RF收/發(fā)器芯片選擇Nordic公司的nRF24E1，其最大的特點(diǎn)就是可以滿足低功耗和小型化的要求。該芯片體積小、外圍器件少、易于設(shè)計(jì)和調(diào)試；內(nèi)嵌兼容8051的微處理器，指令周期從標(biāo)準(zhǔn)的12～48個(gè)時(shí)鐘周期縮短到4～20個(gè)時(shí)鐘周期，XRAM數(shù)據(jù)存取采用雙指針，提高了CPU的處理和運(yùn)算速度。采用16MHz的晶體可同時(shí)為CPU和收發(fā)單元內(nèi)部頻率合成器提供參考時(shí)鐘，節(jié)省了印制板的空間，縮小了系統(tǒng)的體積。該芯片提供POWERDOWN模式。此工作模式下CPU處理中止、時(shí)鐘和電源整流電路關(guān)閉，RF收/發(fā)單元停止工作，整個(gè)芯片內(nèi)部只有RC振蕩器、看門(mén)狗和RTC定時(shí)器工作，系統(tǒng)電流損耗只有2uA，只有外部中斷和看門(mén)狗復(fù)位才能使系統(tǒng)退出省電模式。合理設(shè)計(jì)通信協(xié)議，該系統(tǒng)適于電池長(zhǎng)時(shí)間供電的無(wú)線通信系統(tǒng)。

　　3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)基于Keil51uVision2開(kāi)發(fā)平臺(tái)，所用程序都是用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言及開(kāi)發(fā)工具支持的擴(kuò)展C語(yǔ)言編寫(xiě)的。代碼編譯及仿真通過(guò)后利用芯片第三方開(kāi)發(fā)商開(kāi)發(fā)的雙USB下載電纜將程序下載到外部的4KBEEPROM中。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)將自動(dòng)從外部導(dǎo)入程序到內(nèi)部RAM中并開(kāi)始運(yùn)行。采用SPI總線可以完成對(duì)RF收發(fā)相關(guān)寄存器的設(shè)置和操作，通過(guò)144比特的特殊功能寄存器可以設(shè)置系統(tǒng)工作模式和地址碼。

　　系統(tǒng)的RF收發(fā)工作于ShockBurst無(wú)線發(fā)送模式。本模式下CPU內(nèi)部開(kāi)辟FIFO緩存區(qū)，將要發(fā)送數(shù)據(jù)送入該區(qū)并組幀以1Mbps的高數(shù)據(jù)速率輸出，這樣做縮短了發(fā)射機(jī)的發(fā)射時(shí)間，減少了發(fā)射機(jī)的切換次數(shù)，降低了發(fā)射電流損耗，減少了系統(tǒng)的總耗電。

　　工作在ShockBurst模式下，幀過(guò)長(zhǎng)會(huì)增加出錯(cuò)重發(fā)的時(shí)間，采用的最大幀長(zhǎng)不宜超過(guò)256bits，幀頭插入相應(yīng)的地址等信息，幀尾采用16bitsCRC校驗(yàn)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最多可達(dá)200bits，實(shí)際應(yīng)用中綜合考慮幀出錯(cuò)概率和發(fā)送機(jī)發(fā)射時(shí)間，采用每幀8字節(jié)的數(shù)據(jù)格式。測(cè)試證明該系統(tǒng)在誤碼率很低的情況下可減少發(fā)射占空比從而大大降低系統(tǒng)功耗。

　　基于2.4GHz頻段的通信設(shè)備越來(lái)越多，該系統(tǒng)與同頻且大功率的通信系統(tǒng)處于同一環(huán)境時(shí)必受干擾，影響通信效果甚至不能正常通信。為解決此問(wèn)題，我們引入跳頻機(jī)制，采用頻點(diǎn)躲避方式降低同頻干擾的影響，不同于普通跳頻方式的是該系統(tǒng)頻率跳變不是由偽隨機(jī)碼控制的，而是采用固定跳變規(guī)律方式。通過(guò)芯片內(nèi)頻率合成器可產(chǎn)生128個(gè)頻率間隔為1MHz的收發(fā)頻道，頻率范圍為2400～2527MHz，其可發(fā)射的頻率點(diǎn)為：ChannelRf=2400MHz+RF_CH*1.0MHz。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單跳頻模式，當(dāng)發(fā)送機(jī)發(fā)射廣播信號(hào)卻收不到接收機(jī)返回的應(yīng)答信號(hào)時(shí)，發(fā)射機(jī)可斷定某信道被占用或被其他設(shè)備干擾，此時(shí)發(fā)射機(jī)將改變其發(fā)射頻率，跳變至另一個(gè)頻點(diǎn)。這些頻點(diǎn)預(yù)先寫(xiě)入EEPROM中，排列順序隨機(jī)抽取，各相鄰頻點(diǎn)的間隔不宜太小以防止其旁瓣譜的干擾。系統(tǒng)通信頻率的改變必須是雙方同步進(jìn)行的，接收機(jī)在某段時(shí)間內(nèi)收不到發(fā)射機(jī)的廣播信號(hào)而超時(shí)操作時(shí)，將采取頻率掃描的方式以確定系統(tǒng)的工作頻率，直到雙方建立了良好的同步并可以進(jìn)行雙工通信為止。

　　實(shí)際運(yùn)用中，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)變得越來(lái)越普遍。本系統(tǒng)采用了基于輪詢機(jī)制的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信協(xié)議，每個(gè)收發(fā)系統(tǒng)都具有碼長(zhǎng)為5字節(jié)的唯一地址碼，理論上可輪詢的節(jié)點(diǎn)數(shù)很多，可設(shè)地址數(shù)目可達(dá)N=240。實(shí)測(cè)表明：節(jié)點(diǎn)為16個(gè)時(shí)系統(tǒng)很穩(wěn)定。此地址碼在收/發(fā)操作時(shí)通過(guò)軟件設(shè)置，其結(jié)構(gòu)如下所示：

　　constRFConfigtconf=

　　{15,0x08,0x08,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,

　　0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,//接收機(jī)地址位：40bits（5bytes）

　　0x83,0x6f,0x04};

　　4系統(tǒng)的射頻單元設(shè)計(jì)

　　nRF24E1收/發(fā)芯片的天線輸入/輸出為平衡差分方式，其輸入阻抗為400Ω，設(shè)計(jì)中可通過(guò)設(shè)計(jì)阻抗匹配電路使輸出匹配５０Ω的微帶天線或ＳＭＡ天線，輸出功率達(dá)０ｄＢｍ。天線的輸出引腳需提供直流偏置，通過(guò)兩電感將ＤＣ加到偶極子天線的中心點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　值得注意的是，在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，所有銅箔走線都要采用微帶傳輸線的設(shè)計(jì)原理，以減少反射引起的傳輸損耗，獲的比較大的輸出功率和較高的接收靈敏度。射頻電路中ＰＣＢ板的走線設(shè)計(jì)關(guān)系到整體的性能，本系統(tǒng)的ＰＣＢ采用厚１．６ｍｍ的ＦＲ－４板，２．４ＧＨｚ時(shí)電介質(zhì)常數(shù)εｒ＝４．６～４．９，銅箔線的厚度為ｄ＞５０ｕｍ，匹配阻抗為５０Ω時(shí)，通過(guò)微帶線的計(jì)算公式

　?。?=2）

　?。―：銅箔線厚度W：微帶線寬度εr：介電常數(shù)ｈ：微帶線與地距離。）

　　可算出銅箔線寬度。實(shí)際微波設(shè)計(jì)中采用軟件仿真的方法來(lái)計(jì)算線寬，我們就是采用Ａｎｓｏｆｔ軟件來(lái)設(shè)計(jì)射頻電路的。

　　天線的設(shè)計(jì)可采用50Ω的SMA天線?？紤]到尺寸和成本因素且射頻波長(zhǎng)短，可選用５０Ω的1/4波長(zhǎng)偶極子微帶印制板天線，改變銅箔線長(zhǎng)度即可調(diào)節(jié)天線性能。為使其在2.4GHz更容易諧振，需將導(dǎo)線長(zhǎng)度加長(zhǎng)4～6mm。印制板上微帶天線的形狀就是一銅箔線長(zhǎng)約為24mm的導(dǎo)線。也可采用天線制造商設(shè)計(jì)的微帶天線，如GigaAnt公司的6dBi微帶天線，體積小、成本不高但降低了設(shè)計(jì)難度，同時(shí)提高了系統(tǒng)的性能。

　　5結(jié)束語(yǔ)

　　經(jīng)謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與調(diào)試，該2.4GHz無(wú)線收/發(fā)系統(tǒng)在視距傳輸時(shí)其穩(wěn)定傳輸距離超過(guò)70米，并可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無(wú)線組網(wǎng)；待機(jī)電流僅為20uA，使用鋰铔電池可工作幾年,適于電池供電的近距離無(wú)線傳輸系統(tǒng)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、傳感網(wǎng)絡(luò)、RFID等領(lǐng)域可得到推廣及應(yīng)用。