基于NRF403的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )數據接收電路設計

　　隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)的日益成熟和社會(huì )發(fā)展與建設中對傳感器的大量使用，體積小，功耗低，穩定度與靈敏度高的無(wú)線(xiàn)傳輸裝置的需求也越來(lái)越高。本文設計了一種基于NRF403收發(fā)一體芯片的傳感器數據的無(wú)線(xiàn)接收電路。要求接收頻率為315MHZ，超外差結構，并且接收靈敏度要高，并對傳輸距離進(jìn)行了分析。最后通過(guò)連接功率放大器和MSP430單片機進(jìn)行實(shí)驗數據的測量，達到預期的實(shí)驗結果。

　　1引言

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一種由傳感器節點(diǎn)構成的網(wǎng)絡(luò )，能夠實(shí)時(shí)地監測、感知和采集節點(diǎn)部署區的觀(guān)察者感興趣的感知對象的各種信息，并對這些信息進(jìn)行處理后以無(wú)線(xiàn)的方式發(fā)送出去，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )最終發(fā)送給觀(guān)察者。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在軍事偵察、環(huán)境監測、醫療護理、智能家居、工業(yè)生產(chǎn)控制以及商業(yè)等領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用前景。例如它在水利方面的應用：一般的水利設施都在野外，環(huán)境比較惡劣，基礎設施比較缺乏，供電困難。因此若要在這樣的環(huán)境下架設明線(xiàn)，電纜是非常困難的。因為它需要供電設備，而在那樣的野外環(huán)境提供滿(mǎn)足它的電源是極為困難的，再加上空曠野外如果遇到閃電，明線(xiàn)很容易遭到雷劈，而使整套設備毀壞，因此我們研究無(wú)線(xiàn)傳輸是十分必要的。

　　2實(shí)驗的硬件設計

　　我們選擇了挪威Nordic公司開(kāi)發(fā)的一款新型集成無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)芯片NRF403。它是一款真正單芯片ISM頻段雙頻點(diǎn)(433MHZ和315MHZ)免調試無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片。它具有FSK調制和解調能力，抗干擾能力強，適合工業(yè)控制應用;采用PLL頻率合成技術(shù)，靈敏度高達-105dbm完全滿(mǎn)足實(shí)驗要求，最大發(fā)射功率達+10dbm;具有2個(gè)信號通道，適合需要多信道工作的特殊場(chǎng)合;可直接與微控制器接口;低工作電壓只需2.7V，數據速率可達20KB/S;功耗低，接收待機狀態(tài)僅為8uA;僅需外接一個(gè)晶體和幾個(gè)阻容，電感元件即可構成一個(gè)完整的射頻收發(fā)器，電路模塊尺寸為30mm*22mm*6mm，可以方便地嵌入各種測量系統當中。而且使用無(wú)需申請，理論上開(kāi)闊地的使用距離最遠可達1000米[1]。

　　2.1芯片的內部結構介紹

　　芯片的內部結構也是我們需要分析的，因為當我們研究設計它的外圍電路時(shí)需要知道每個(gè)引腳對應的內部器件來(lái)確定外圍元器件的選取。下面是它的內部結構圖[3]：

　　圖1nRF403的內部結構圖

　　在這個(gè)內部結構圖中芯片包含功率放大器(PA)，低噪聲接收放大器(LNA)，晶體振蕩器(OSC)，鎖相環(huán)(PLL)，壓控振蕩器(VCO)，在LNA與相乘器之間接有混頻器(MIXER)等電路。在接收模式中，輸入信號被低噪聲放大器放大，經(jīng)由混頻器變換，這個(gè)被變換的信號在送入解調器(DEM)之前被放大和濾波，經(jīng)解調器解調，解調后的數字信號在DOUT端輸出。而在發(fā)射模式中，壓控振蕩器的輸出信號是直接送入到功率放大器，DIN端輸入的數字信號被頻移鍵控后饋送到功率放大器輸出。由于采用了晶體振蕩和PLL合成技術(shù)，頻率穩定性極好。

　　2.2天線(xiàn)端的分析

　　天線(xiàn)的輸入/輸出，當NRF403是接收模式時(shí)，ANT1和ANT2引腳端提供射頻輸入到低噪聲放大器;當NRF403為發(fā)射模式時(shí)，從功率放大器提供射頻輸出到天線(xiàn)。天線(xiàn)連接到nRF403是差動(dòng)形式，天線(xiàn)通道推薦的負載阻抗是400歐姆。功率放大器輸出級有差動(dòng)結構的2個(gè)集電極開(kāi)路的晶體管組成，電源VDD到功率放大器必須通過(guò)集電極負載供電。當連接差動(dòng)回路天線(xiàn)到ANT1/ANT2引腳端，電源將通過(guò)回路天線(xiàn)的中心供電。

　　單端天線(xiàn)連接到NRF403時(shí)，使用差動(dòng)到單端匹配網(wǎng)絡(luò )，如圖2所示：

　　單端天線(xiàn)也可以使用8：1射頻變壓器連接到NRF403，工作在315MHZ上。射頻變壓器必須有一個(gè)中心抽頭，用于電源供電[1]。

　　2.3基于NRF403的無(wú)線(xiàn)接收電路設計實(shí)驗選定NRE403作為要用的芯片后，我們要

　　2.3.1濾波器部分的分析

　　首先我們先研究本電路的濾波器部分。濾波器是一種能夠選擇通過(guò)或阻止某頻段信號的電路。根據其通過(guò)信號的頻率可分為低通濾波器，高通濾波器，帶通濾波器和帶阻濾波器。

　　濾波器一般采用LC，RC，LCR，LR元件構成。本電路中從第4引腳接出的便是一個(gè)濾波網(wǎng)絡(luò )，它與芯片內部的鎖相環(huán)相連，從它的電容，電阻的連接方式我們可以簡(jiǎn)單看做是一個(gè)無(wú)源比例積分濾波器。

　　2.3.2晶體振蕩器部分的分析

　　3 無(wú)線(xiàn)傳輸距離的分析

　　芯片的無(wú)線(xiàn)傳輸距離同樣是我們所必須考慮的一個(gè)問(wèn)題。所謂無(wú)線(xiàn)傳輸距離就是信號從發(fā)射端被發(fā)出到目的地被接收中間所經(jīng)過(guò)的距離，它是現實(shí)的工程設計很重要的一個(gè)參數。在工作頻率固定的前提下，影響工作距離的主要因素包括發(fā)射功率、發(fā)射天線(xiàn)增益、傳播損耗、接收天線(xiàn)增益、接收機靈敏度等，通過(guò)加大發(fā)射功率，提高天線(xiàn)增益，提高接收機靈敏度均起到提高通信距離的作用。

　　在影響無(wú)線(xiàn)通信距離的以上幾個(gè)因素中，作為設計者可以控制的因素有：發(fā)射輸出功率，RX-天線(xiàn)增益，TX-天線(xiàn)增益和接收靈敏度四個(gè)因素。而設計者不能控制的因素：傳輸損耗，路徑損耗，多徑損耗，周?chē)h(huán)境的吸收幾個(gè)因素，因為這些因素是由無(wú)線(xiàn)電波的特點(diǎn)所決定的，無(wú)法由設計者所改變。為了可以滿(mǎn)足所需要的無(wú)線(xiàn)傳輸距離，作為設計者必須采取一定的措施來(lái)增加芯片的傳輸距離。

　　上面提到的幾個(gè)設計者可以控制的因素有提高發(fā)射輸出功率，提高天線(xiàn)的增益和提高靈敏度，它們都可以提高無(wú)線(xiàn)傳輸的距離。通常設計者會(huì )考慮采用加大發(fā)射功率的方式來(lái)提高通信距離，但這不是一個(gè)好的辦法。因為使用功率放大器會(huì )很大程度的增加系統的成本，功放本身的價(jià)格就很昂貴，而且是易損耗的器件，再加上要與發(fā)射網(wǎng)絡(luò )匹配和自身所需要的數量很多的外圍元器件，這些都會(huì )增大系統的成本。最后，雖然功放可以在一定程度上增加輸出功率，可它也同時(shí)放大了信號中的噪聲，而且會(huì )產(chǎn)生諧波干擾，使有用信號的可靠性和信噪比下降，可能影響通信的距離。

　　由于功放的種種不足，在實(shí)際中使用提高天線(xiàn)增益的方法更為科學(xué)。下面具體研究如何增加傳輸距離。由于無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境的不確定性，預測各種環(huán)境下的傳輸效果是不可能的，取決于以下因素的影響：路徑損耗，建筑物影響，人體影響，外界干擾，多徑現象，周?chē)h(huán)境的吸收等。我們只能在一個(gè)給定的條件下進(jìn)行測試和評估。

　　同樣這是在假設發(fā)射功率為最大10dbm時(shí)，而且天線(xiàn)的增益為0db時(shí)的傳輸距離，而在我們實(shí)驗時(shí)由于各種損耗和電源電壓的原因，發(fā)射功率并不能達到10dbm，而且我們使用的天線(xiàn)也不是很好的定向高增益天線(xiàn)，可能達不到0db，在實(shí)際的測試中，在開(kāi)闊地帶的傳輸距離只有300m到500m，而在阻擋物較多的辦公樓中只有100m左右。

　　4 結論

　　最后將設計好的無(wú)線(xiàn)數據接收電路與MSP430單片機所構成的處理器模塊相連接，接收發(fā)射電路發(fā)送來(lái)的數據，解調以后數據的錯誤率低于我們的應用要求，而且由于功耗較低，更換一次電池可以使用半年之久;傳輸距離也滿(mǎn)足我們要求的1公里。綜上所述有很好的應用效果。