RF芯片T5743的網(wǎng)絡(luò )接收節點(diǎn)設計

　本文以無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)為基礎設計網(wǎng)絡(luò )接收節點(diǎn)，采用RF射頻接收芯片T5743的網(wǎng)絡(luò )接收節點(diǎn)，達到了網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數據的短距離接收，并降低接收數據的誤碼率，實(shí)現傳感器數據無(wú)線(xiàn)通信。

　　一、引言

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )將成百上千的傳感器節點(diǎn)布置在一個(gè)特定的區域內形成監測網(wǎng)絡(luò )，這些節點(diǎn)通過(guò)特定的協(xié)議高效、穩定、正確的組織起來(lái)，協(xié)同工作完成某項應用任務(wù)，達到數據采集、無(wú)線(xiàn)通信和信息處理的能力。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)可以實(shí)時(shí)傳送監測數據，具有快速構建、部署方便的特點(diǎn)，不易受到目標環(huán)境的限制，因此在環(huán)境監測、城市交通管理、醫療監護、倉儲管理、汽車(chē)電子等領(lǐng)域有較好的應用。

　　在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統，對采集數據、接收數據、處理數據、發(fā)送數據等的功能要求各有兼顧，其處理能力、存儲能力和通信能力都是對采集的數據進(jìn)行管理和協(xié)同工作，因此傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的軟硬件技術(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò )研究的重點(diǎn)。本文主要是對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數據的短距離接收進(jìn)行設計探討。

　　二、接收節點(diǎn)工作原理

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )數據接收節點(diǎn)模塊主要由接收芯片T5743和MCU微處理器PIC18F6620構成，如圖1，發(fā)射端采用ATMEL公司的的 T5754做為數據發(fā)射芯片，與接收芯片T5743相匹配，以一定的發(fā)射接收頻率和數據傳輸速率協(xié)同工作。接收芯片T5743通過(guò)DATA串行雙向數據線(xiàn)與MCU微處理器PIC18F6620的I/O口進(jìn)行通訊，MCU微處理器接收數據時(shí)，用DATA_CLK作為同步時(shí)鐘，微處理器PIC18F6620向接收芯片T5743發(fā)送指令時(shí)依靠特殊時(shí)序來(lái)達成數據接收和處理。接收過(guò)程用軟件控制的方式來(lái)進(jìn)行數據傳送和實(shí)現對接收芯片T5743的控制，在接收數據之前，微處理器PIC18F6620通過(guò)DATA線(xiàn)將MUC內的程序寫(xiě)入接收芯片的配置寄存器里，對接收芯片進(jìn)行配置，隨后等待接收數據;當有數據來(lái)時(shí)，由接收芯片T5743的LNA_IN端接入，經(jīng)低噪聲放大器放大后送入混頻器，使其變換成中頻;在中頻級，經(jīng)變換的信號在送入解調器之前被放大和濾波。

　　三、接收節點(diǎn)芯片

　　ATMEL的T5743芯片是集成UHF無(wú)線(xiàn)電接收模塊，帶有PLL鎖相環(huán)結構的接收芯片，采用SO20封裝。T5743芯片是為滿(mǎn)足低數據率、低成本RF數據傳輸系統的要求而開(kāi)發(fā)出來(lái)的，其數據傳輸速度為1～10kB/s，編碼方式為曼切斯特或雙相位方式，可用于接收頻率范圍為 300MHz～450MHz(433.92MHz和315MHz)的ASK數據傳輸;高靈敏度，全集成VCO，可實(shí)現低功耗功能，電源電壓 4.5V~5.5V;單端RF輸出容易與天線(xiàn)或PCB版的印制天線(xiàn)相適配;工作溫度范圍為-40℃～105℃。

　　T5743芯片帶有一雙向串行數據接口DATA，通過(guò)DATA芯片可與MCU進(jìn)行串行通訊，交換信息。它可以工作在2種典型頻率433.92MHz和 315MHz，由MODE引腳來(lái)選擇，置高為433.92MHz，置低為315MHz，接收頻率在1kB～10kB之間可選，由軟件設定。設計中由于采用 1MHz中頻與前端SAW濾波器相配合實(shí)現了高鏡像抑制，基于使新型SAW器件，達到了40dB抑制，并能用簡(jiǎn)單的雙向數據線(xiàn)實(shí)現與微控制器的通信，利用單獨引腳經(jīng)微控制器實(shí)現電源管理。

　　T5743芯片的RF前端是一個(gè)超外差結構，將射頻輸入信號變換成1MHz IF信號。RF前端由低噪聲放大器LNA，本地振蕩器LO、混頻器和RF放大器組成。LO是由PLL鎖相環(huán)產(chǎn)生的載波頻率，供混頻器使用。RF信號經(jīng)RF 輸入腳LNA-IN輸入，在433.92MHz時(shí)輸入阻抗為1000Ω/pF，在設計輸入網(wǎng)絡(luò )時(shí)首先考慮噪聲匹配，適當調整元件值和印制板的分布電感電容與輸入端的匹配，達到T5743在高信噪比時(shí)靈敏度最高。這樣，從RF前端來(lái)的信號經(jīng)全集成4階IF濾波器濾波，達到334.92MHz的應用，中頻的中心頻率為l MHz。

　　設計中解調器的工作方式由寄存器OPMODE設置，邏輯“L”設置解調器為FSK方式;邏輯“H”設置解調器為ASK方式。在A(yíng)SK方式使用了自動(dòng)門(mén)限控制電路，它將檢測參考電壓設置在一個(gè)能獲得好信噪比的適當值上，這個(gè)電路也能有效抑制任何類(lèi)型的帶內噪聲信號或競爭發(fā)射，如果S/N超過(guò)10dB即能很好檢測出數據信號。在FSK方式下，如果S/N超過(guò)2dB就能檢測出數字信號。

　　解調器的輸出信號，經(jīng)數字濾波器濾波后送到數字信號處理電路，數字濾波器的通帶與數據信號的特性相匹配。數字濾波器由1階高通和3階低通濾波器組成。高通濾波器的截止頻率fcu _ DF由公式(1)決定。低通濾波器的截止頻率由所選波特率范圍(BR-Range)決定，BR-Range在OPMODE寄存器中設定，BR-Range 的設置必須與波特率相適應。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )接收節點(diǎn)的數字電路和模擬濾波器的全部定時(shí)都是來(lái)自一個(gè)時(shí)鐘。這一時(shí)鐘周期TCLK是從晶體振蕩器經(jīng)分頻器得到的，分頻次數由MODE 引腳端的邏輯狀態(tài)控制。晶體振蕩器的頻率是由RF輸入信號決定的，它也同時(shí)決定了本地振蕩器的頻率(fLO)。T5743芯片的工作狀態(tài)是由OPMODE 和LIMIT的兩個(gè)15位RAM寄存器進(jìn)行設置的，寄存器可由雙向DATA口編程。如果寄存器內容由于掉電而改變，這一狀態(tài)由一個(gè)稱(chēng)為復位標識(RM)的輸出表示出來(lái)，在這種情況下的接收電路必須重新編程。在加電復位(POR)后，寄存器被置為默認模式，如果接收機工作默認模式，不需對寄存器編程。同樣，如果接收電路不是在復位方式，就會(huì )啟動(dòng)相應的OFF指令編程;如果接收電路處在復位方式，相應的OFF指令編程不會(huì )被啟動(dòng)，在DATA腳仍呈現復位標志。
四、接收節點(diǎn)電路

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )接收節點(diǎn)芯片T5743是一個(gè)高度集成的PLL無(wú)線(xiàn)接收模塊，能夠接收并解調FSK調制的曼徹斯特編碼數據，同時(shí)通過(guò)一個(gè)雙向數據口將其發(fā)送出去。該無(wú)線(xiàn)接收芯片通過(guò)一個(gè)智能的輪詢(xún)方式使接收節點(diǎn)在大部分時(shí)間處于休眠模式，只有在監測到有效傳輸時(shí)，才會(huì )結束休眠模式轉換為接收模式，并將數據流傳送給控制器。這樣，可以最大限度地減少能量消耗。圖2為無(wú)線(xiàn)接收節點(diǎn)電路原理圖。

　　圖2中接收芯片的T5743的XTO是參考晶振的出入端，引腳LNA_IN提供RF到LNA輸入，設計采用的接收頻率為433.92MHz，所以 fXTO=6.76438MHz，將MODE引腳設置為高電平，數據時(shí)鐘周期TCLK為2.0697μs。DATA引腳接到RB0引腳，DATA_CLK 引腳接到RB2引腳，POLLING引腳接到RC7引腳，IC_ACTIVE引腳接到RF1引腳，至此完成T5743與MCU微處理器 PIC18F6620的連接。

　　接收芯片的T5743的LF引腳連接一個(gè)帶寬為100kHz的無(wú)源環(huán)路濾波器。LNA_GND引腳的電感L為25nH，L是饋電電感，以建立供電DC通路。C7與L一起形成串聯(lián)諧振電路。LNA_IN引腳連接天線(xiàn)，中間部分為T(mén)型匹配網(wǎng)絡(luò )。

　　五、數據傳輸誤碼率測試

　　對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )接收節點(diǎn)接收數據有效性的測試，必須通過(guò)驗證系統的性能進(jìn)行，在一定距離內進(jìn)行系統通信測試時(shí)，判斷數據傳輸的可靠性和有效性。在對網(wǎng)絡(luò )接收節點(diǎn)的T5743芯片完成輸入輸出波形和電路邏輯的時(shí)序檢測后，將無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接收節點(diǎn)與PC機相連，改變發(fā)射端與接收端之間的距離，測試通訊距離及相應的誤碼率。設計中將發(fā)射端以5kB的數據速率發(fā)送20062120133～20062240266均勻遞增的測試數據，誤碼測試程序將接收到的數據與自己生成的數據序列(20062120133～20062240266)同步、對比測得誤碼率。表1為接收節點(diǎn)的數據誤碼率測試結果。

　　在通信距離及通信誤碼率測試過(guò)程中，5m～10m通信距離中外界干擾對系統的影響較小，甚至人為制造的電磁干擾對其通信誤碼率影響也較小，接收節點(diǎn)能夠穩定有效的工作;10m～30m的通信距離，外界的干擾對系統的影響較大，接收節點(diǎn)通信誤碼率上升，但仍能滿(mǎn)足通訊要求，接收節點(diǎn)工作性能出現間或不穩定;大于30m以上系統工作不穩定，通信誤碼率上升很快，接收節點(diǎn)已不能滿(mǎn)足通信數據傳輸要求。

　　六、結論

　　本設計實(shí)現了對傳感器采集數據的無(wú)線(xiàn)接收，在短距離無(wú)線(xiàn)通信中能夠有效、準確的接收數據，減少誤碼率的發(fā)生。