低功耗2.4GHz無(wú)線(xiàn)通信系統的設計與實(shí)現

1引言

近距離無(wú)線(xiàn)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(xiàn)通信論壇，以實(shí)現各種移動(dòng)設備、消費電子、智能檢測等設備的交互式通信。低功耗、微型化是當前無(wú)線(xiàn)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(xiàn)通信的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是數據傳輸的可靠性，這取決于諸多因素，如頻率選擇、同頻干擾、傳輸距離、天線(xiàn)選擇等，這些在設計無(wú)線(xiàn)通信系統時(shí)都要認真考慮和比較。

　　本文描述了一種基于nRF24E1收發(fā)芯片的2.4GHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統，采用存儲轉發(fā)的數據傳輸格式和固定式跳頻的抗干擾模式，數據輸出速率達1Mbps，輸出功率1mW,視距傳輸距離超過(guò)100米，可應用在工業(yè)傳感網(wǎng)絡(luò )、遠距離遙控、停車(chē)場(chǎng)智能管理等領(lǐng)域。

　　2系統方案設計

　　本系統采用通用的2.4GHzISM頻段，輸出功率為1mW且帶外輻射較小，無(wú)需申請頻率許可證。此外，選擇2.4GHz頻段的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是波長(cháng)較短，天線(xiàn)的尺寸較小，可以縮小系統的體積，甚至可以將天線(xiàn)設計在PCB板上實(shí)現天線(xiàn)內置，這樣可以同時(shí)降低系統的成本。

　　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(mǎn)足低功耗和小型化的要求。該芯片體積小、外圍器件少、易于設計和調試；內嵌兼容8051的微處理器，指令周期從標準的12～48個(gè)時(shí)鐘周期縮短到4～20個(gè)時(shí)鐘周期，XRAM數據存取采用雙指針，提高了CPU的處理和運算速度。采用16MHz的晶體可同時(shí)為CPU和收發(fā)單元內部頻率合成器提供參考時(shí)鐘，節省了印制板的空間，縮小了系統的體積。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)芯片內部只有RC振蕩器、看門(mén)狗和RTC定時(shí)器工作，系統電流損耗只有2uA，只有外部中斷和看門(mén)狗復位才能使系統退出省電模式。合理設計通信協(xié)議，該系統適于電池長(cháng)時(shí)間供電的無(wú)線(xiàn)通信系統。

　　3系統的軟件設計

　　系統的軟件開(kāi)發(fā)基于Keil51uVision2開(kāi)發(fā)平臺，所用程序都是用標準C語(yǔ)言及開(kāi)發(fā)工具支持的擴展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。系統啟動(dòng)時(shí)將自動(dòng)從外部導入程序到內部RAM中并開(kāi)始運行。采用SPI總線(xiàn)可以完成對RF收發(fā)相關(guān)寄存器的設置和操作，通過(guò)144比特的特殊功能寄存器可以設置系統工作模式和地址碼。

　　系統的RF收發(fā)工作于ShockBurst無(wú)線(xiàn)發(fā)送模式。本模式下CPU內部開(kāi)辟FIFO緩存區，將要發(fā)送數據送入該區并組幀以1Mbps的高數據速率輸出，這樣做縮短了發(fā)射機的發(fā)射時(shí)間，減少了發(fā)射機的切換次數，降低了發(fā)射電流損耗，減少了系統的總耗電。

　　工作在ShockBurst模式下，幀過(guò)長(cháng)會(huì )增加出錯重發(fā)的時(shí)間，采用的最大幀長(cháng)不宜超過(guò)256bits，幀頭插入相應的地址等信息，幀尾采用16bitsCRC校驗，數據長(cháng)度最多可達200bits，實(shí)際應用中綜合考慮幀出錯概率和發(fā)送機發(fā)射時(shí)間，采用每幀8字節的數據格式。測試證明該系統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功耗。

　　基于2.4GHz頻段的通信設備越來(lái)越多，該系統與同頻且大功率的通信系統處于同一環(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頻率跳變不是由偽隨機碼控制的，而是采用固定跳變規律方式。通過(guò)芯片內頻率合成器可產(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。在此基礎上設計的簡(jiǎn)單跳頻模式，當發(fā)送機發(fā)射廣播信號卻收不到接收機返回的應答信號時(shí)，發(fā)射機可斷定某信道被占用或被其他設備干擾，此時(shí)發(fā)射機將改變其發(fā)射頻率，跳變至另一個(gè)頻點(diǎn)。這些頻點(diǎn)預先寫(xiě)入EEPROM中，排列順序隨機抽取，各相鄰頻點(diǎn)的間隔不宜太小以防止其旁瓣譜的干擾。系統通信頻率的改變必須是雙方同步進(jìn)行的，接收機在某段時(shí)間內收不到發(fā)射機的廣播信號而超時(shí)操作時(shí)，將采取頻率掃描的方式以確定系統的工作頻率，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)際運用中，一點(diǎn)對多點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )變得越來(lái)越普遍。本系統采用了基于輪詢(xún)機制的點(diǎn)對多點(diǎn)的通信協(xié)議，每個(gè)收發(fā)系統都具有碼長(cháng)為5字節的唯一地址碼，理論上可輪詢(xún)的節點(diǎn)數很多，可設地址數目可達N=240。實(shí)測表明：節點(diǎn)為16個(gè)時(shí)系統很穩定。此地址碼在收/發(fā)操作時(shí)通過(guò)軟件設置，其結構如下所示：

　　constRFConfigtconf=

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

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

　　0x83,0x6f,0x04};

　　4系統的射頻單元設計

　　nRF24E1收/發(fā)芯片的天線(xiàn)輸入/輸出為平衡差分方式，其輸入阻抗為400Ω，設計中可通過(guò)設計阻抗匹配電路使輸出匹配５０Ω的微帶天線(xiàn)或ＳＭＡ天線(xiàn)，輸出功率達０ｄＢｍ。天線(xiàn)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(xiàn)的中心點(diǎn)來(lái)實(shí)現。

　　值得注意的是，在設計PCB時(shí)，所有銅箔走線(xiàn)都要采用微帶傳輸線(xiàn)的設計原理，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(xiàn)設計關(guān)系到整體的性能，本系統的ＰＣＢ采用厚１．６ｍｍ的ＦＲ－４板，２．４ＧＨｚ時(shí)電介質(zhì)常數εｒ＝４．６～４．９，銅箔線(xiàn)的厚度為ｄ＞５０ｕｍ，匹配阻抗為５０Ω時(shí)，通過(guò)微帶線(xiàn)的計算公式

　?。?=2）

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

　　可算出銅箔線(xiàn)寬度。實(shí)際微波設計中采用軟件仿真的方法來(lái)計算線(xiàn)寬，我們就是采用Ａｎｓｏｆｔ軟件來(lái)設計射頻電路的。

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

　　5結束語(yǔ)

　　經(jīng)謹慎設計、實(shí)現與調試，該2.4GHz無(wú)線(xiàn)收/發(fā)系統在視距傳輸時(shí)其穩定傳輸距離超過(guò)70米，并可實(shí)現點(diǎn)對多點(diǎn)無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)；待機電流僅為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(xiàn)傳輸系統，在環(huán)境監測、傳感網(wǎng)絡(luò )、RFID等領(lǐng)域可得到推廣及應用。