RF4CE射頻遙控器的設計要點(diǎn)

設計Zigbee射頻模塊需要用到許多微波電路知識，比如將PCB Trace等效為天線(xiàn)、傳輸線(xiàn)、阻抗匹配、信號反射、絕緣層材料選擇、駐波處理、地面(Ground Plane)完整性等。這些因素均會(huì )影響RF模塊性能表現及EMC。

　　RF PCB設計最基本的要求是把電源處理、地面完整性、RF走線(xiàn)、敏感電路和數字信號進(jìn)行分區處理。因此，元器件布局是RF設計的關(guān)鍵。一般來(lái)說(shuō)，最先處理的是RF路徑及Xtal路徑上的元器件布局。比如，兩個(gè)電感布局不要平行靠在一起，因為這將形成互感，造成信號干擾，而是最好將兩個(gè)電感放成直角排列，讓互感減到最小。其次是提供RF IC最需要的干凈電源。電源一定要濾波，電源去耦元件要盡可能靠近IC引腳并接地，并同時(shí)考慮PA啟動(dòng)瞬間，瞬時(shí)大電流需求的電源問(wèn)題。另外，電源走線(xiàn)要越短越好，并遠離RF信號線(xiàn)或Xtal等干擾源。(電源問(wèn)題常常造成異常的RF效能與EMC問(wèn)題)。

　　一般使用雙層的FR4 PCB時(shí)，會(huì )將主接地面安排于PCB下層，RF信號走在表層上。在所有PCB設計中，盡可能將數字電路遠離仿真電路是不變的原則，它同樣也適用于RF PCB設計。當一些高速信號線(xiàn)要穿過(guò)了破碎的地面，這絕對不是一件好事，須盡可能避免，并保持PCB下層地面的完整性。針對PCB上層的走線(xiàn)，亦應避免形成過(guò)多的游離地，因為它們會(huì )像一個(gè)小天線(xiàn)，提供干擾源侵入的路徑。在大多數情況下，可以把這些游離地去掉。

　　在笙科電子A7153的參考模塊中，PCB天線(xiàn)采用F型天線(xiàn)拓撲結構，支持全向輻射場(chǎng)形。為把天線(xiàn)的性能發(fā)揮到極致，從應用的角度來(lái)講，RF模塊的天線(xiàn)最好伸出母版的邊緣，RF模塊下面的母版最好不要走線(xiàn)。RF模塊和產(chǎn)品外殼的整個(gè)設計也會(huì )影響天線(xiàn)的性能。粗劣的設計會(huì )影響天線(xiàn)場(chǎng)形，使發(fā)送信號出現反射、折射、散射，造成傳輸距離的大幅縮短。還有一些設計指南有助于確保天線(xiàn)的性能，比如：不要直接在模塊的天線(xiàn)下面設置接地面或布銅線(xiàn)、天線(xiàn)要盡可能遠離金屬物體、PA路徑下方盡可能保有一塊完整的地面。

Zigbee軟件設計

　　Zigbee設備最常采用的省電方法是使傳感器進(jìn)入周期性的睡眠狀態(tài)，以獲得長(cháng)久的電池壽命。也就是說(shuō)，A7153為進(jìn)一步降低平均功耗，內建了無(wú)線(xiàn)喚醒機制，MCU先啟動(dòng)A7153的無(wú)線(xiàn)喚醒機制，然后進(jìn)入睡眠模式。此時(shí)，除了低功耗無(wú)線(xiàn)喚醒定時(shí)器仍在運作外，其余電路均自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式。待定時(shí)器數到預定時(shí)間時(shí)，A7153會(huì )自動(dòng)進(jìn)入接收狀態(tài)，去偵測有無(wú)射頻封包。若有，則接收封包并喚醒MCU，待MCU下達進(jìn)一步指令。若在某預定時(shí)間內未偵測到封包，則A7153又會(huì )自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式并重新開(kāi)始計時(shí)，形成周而復始的工作周期，直到接收到封包。

　　由上述可知，工作周期的長(cháng)短直接影響數據傳輸效率以及能源的消耗。長(cháng)工作周期可以增進(jìn)數據傳輸效率，但是功耗較多；短工作周期可以節省能源消耗但傳輸效率下降。A7153提供Zigbee定義的16個(gè)射頻信道(RF4CE則是從16個(gè)信道取出三個(gè)信道，分別為2425/2450/2475MHz)，MCU只需改變A7153的一個(gè)緩存器，即可達到換頻。MCU亦可利用A7153的RSSI得知當下網(wǎng)絡(luò )上信號強度，計算出貼近網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量狀況的真正表現。此外，通過(guò)CSMA/CA溝通方式可獲得更理想的傳輸效能，同時(shí)大幅地降低封包碰撞的能量消耗。

　　Zigbee也定義了一個(gè)帶有時(shí)間同步標志的可選超幀結構、高優(yōu)先級通信的GTS機制、保障無(wú)延時(shí)或競爭的通信，并支持高達 65,000 個(gè)節點(diǎn)以及不同型態(tài)的網(wǎng)絡(luò )拓撲(星形、叢集或網(wǎng)狀)。極低的工作周期可以讓使用鈕扣電池的節點(diǎn)持續運行數年。當軟件工程師啟動(dòng)AES128加密功能時(shí)，A7153僅在發(fā)射或接收數據封包時(shí)才執行，因此平均功率仍然很低。

RF4CE射頻遙控器——全球新標準

　　ZigBee 聯(lián)盟主席 Bob Heile 表示：“RF4CE為電子產(chǎn)品制造商提供了一種全球性標準，從而簡(jiǎn)化對各種消費電子設備的操控，并改善用戶(hù)體驗。今后，消費者將享有更大的便利，更加靈活地使用消費電子設備?！斌峡齐娮右恢焙荜P(guān)注RF4CE的市場(chǎng)需求，基于A(yíng)7153的高性?xún)r(jià)比方案除了具有RF4CE遙控器常見(jiàn)的五大優(yōu)點(diǎn)外，還可幫助客戶(hù)使用低成本的MCU，在正成形的RF4CE新趨勢，取得成本優(yōu)勢。

　　RF4CE遙控器的五大優(yōu)點(diǎn)為：發(fā)射瞬間電流為IrDA的十分之一，因此遙控器可以有更長(cháng)的電池壽命；利用雙向通訊能夠定位找不到的遙控裝置；通用指令集實(shí)現真正的互操作性，封包加密，無(wú)需使用多個(gè)遙控裝置；能夠對擺放在幾乎任何位置的設備進(jìn)行操控，特別是在隱密的地方；新的交互式功能，增強的用戶(hù)接口和先進(jìn)的顯示功能。

本文小結

　　笙科電子的A7153在定位上就是鎖定RF4CE相對單純的點(diǎn)對點(diǎn)架構。該芯片內建簡(jiǎn)單好用的硬件功能和低功耗的芯片架構，提供軟件工程師設計出長(cháng)電池壽命的RF4CE遙控器。RF4CE標準的背后有國際一線(xiàn)消費性電子大廠(chǎng)的力挺，因此RF4CE被預估為Zigbee的殺手級應用，成為IEEE 802.15.4最重要的市場(chǎng)。工程師只需選擇通用型的8051(或其它8位單芯片)，搭配笙科電子的A7153開(kāi)發(fā)平臺，即可設計出成本最佳化的RF4CE遙控器。RF4CE除了逐步取代既有紅外線(xiàn)遙控器市場(chǎng)外，勢必還有“異”想不到的應用躲在暗處，等著(zhù)有創(chuàng )意的讀者來(lái)尋寶。