低功耗無線收發(fā)電路系統(tǒng)設(shè)計

張紅文

摘 要： 目前，無線通信技術(shù)發(fā)展極其迅速，隨之引起系統(tǒng)功耗不斷上升。因此人們近幾年來對無線通信網(wǎng)絡(luò)中各方面的低功耗技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，使節(jié)能成為無線通信發(fā)展的一個重要方向。設(shè)計了低功耗無線收發(fā)電路系統(tǒng)，采用STM32L151系列超低功耗芯片和UTC4432系列無線通信模塊作為核心電路系統(tǒng)，通過軟件設(shè)計及調(diào)試實現(xiàn)整個低功耗收發(fā)電路系統(tǒng)功能。結(jié)果表明：采用合適的微控制器和無線通信模塊對于控制無線收發(fā)電路系統(tǒng)的功耗有著極其重要的作用，再加上對軟件編程的控制，能夠使整個系統(tǒng)的功耗大幅度降低。

關(guān)鍵詞： 無線收發(fā)電路； 低功耗； STM32L芯片； 通信模塊

中圖分類號： TN92?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）21?0135?04

Design of low?power consumption wireless transceiver circuit

ZHANG Hong?wen

（Communication Office， China Railway Fourth Survey and Design Group Co.， LTD.， Xian 710043， China）

Abstract： At present， the wireless communication technology is developed rapidly， which causes the demands of the low?power consumption system. In recent years， the low?power consumption technology in wireless communication network are stu?died deeply， so energy conservation has become an important direction of the wireless communication development. The design of low?power wireless transceiver circuit system is carried out in this paper， in which STM32L151 series ultra low power chip and UTC4432 series wireless communication module are taken as the core circuit system to realize the function of the low power transceiver circuit system through software design and debugging. The results show that the suitable micro contro0 引 言

無線通信網(wǎng)擺脫了密密麻麻的連線制約，這是它的一個重要優(yōu)勢。它是由微小的傳感器、微控制單元和無線通信模塊通過組網(wǎng)形成的無線網(wǎng)絡(luò)，利用數(shù)據(jù)處理單元來檢測感知到的信息并經(jīng)過有效處理后發(fā)送給對方。無線收發(fā)電路系統(tǒng)是無線通信網(wǎng)絡(luò)的基本組成部分，其在不同應(yīng)用中有不同的設(shè)計，但基本原則一致，都是盡可能采用低功耗的器件和盡可能使用節(jié)省的信號處理。其中核心處理器應(yīng)當(dāng)采用功耗相對較低的電路。無線通信模塊負(fù)責(zé)兩點(diǎn)之間的無線通信，是整個結(jié)構(gòu)中最耗能的部分，無線通信模塊可配合核心處理器根據(jù)不同功能切換不同工作模式，從而降低功耗。所以，對低功耗無線通信模塊的選取與編程控制是一個非常值得注意的方向。

1 系統(tǒng)方案

本文設(shè)計了由MCU開發(fā)板和無線通信模塊組成的低功耗無線收發(fā)電路系統(tǒng)的方案。該系統(tǒng)由發(fā)射方和接收方兩組模塊組成，發(fā)射方經(jīng)軟件編程控制將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，接收方通過天線接收到數(shù)據(jù)經(jīng)處理后在開發(fā)板上顯示出來，從而實現(xiàn)該電路系統(tǒng)的近距離低功耗無線通信。

為大幅度降低系統(tǒng)功耗，本設(shè)計采用的兩個重要模塊均具有低功耗特性。硬件電路基于低功耗微控制器的電路開發(fā)板，此硬件電路自行設(shè)計，通信模塊與該開發(fā)板通過相關(guān)引腳直接相連。軟件設(shè)計基于RealView MDK軟件設(shè)計平臺，然后通過編程對整個電路系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。接收方和發(fā)送方所用的芯片開發(fā)板相同，通信模塊及其配置也相同，雙方通過無線通信模塊的天線進(jìn)行相互通信。其系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

對于本設(shè)計，要實現(xiàn)低功耗，就必須選用低功耗的硬件模塊。并且，為了最大限度地節(jié)約成本和材料，需要選用的硬件設(shè)備體積必須盡可能小。以下給出三種實施方案。

方案一：MCU選用單片機(jī)MSP430F135，無線通信模塊選用AT86RF211S收發(fā)電路。但是AT86RF211S收發(fā)電路需要自行設(shè)計，造成系統(tǒng)電路比較復(fù)雜，影響運(yùn)行速度[2]。

方案二：MCU選用STM32F103系列芯片，無線通信模塊選用杭州威步公司的UTC4432B1_V6。

方案三：MCU選用STM32L151系列芯片，無線通信模塊的選用與方案二相同。其中STM32L是在STM32F基礎(chǔ)上推出的一款超低功耗的芯片。

硬件模塊的比較如表1，表2所示。

通過比較發(fā)現(xiàn)，STM32L151芯片功耗最低，且硬件電路設(shè)計簡單。無線通信模塊UTC4432B1_V6無需自行設(shè)計，其功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)，并且易于軟件編程。因此本設(shè)計采用第三個方案。

表1 控制模塊的比較

[控制模塊＼&運(yùn)行時最低電流消耗＼&外圍電路＼&成本＼&MSP430F135單片機(jī)＼&160 μA＼&比較簡單＼&較低＼&STM32F103 ＼&1.06 mA＼&比較簡單＼&較低＼&STM32L151 ＼&60 μA＼&比較簡單＼&較低＼&]

表2 無線通信模塊的比較

[模塊名稱＼&最低電流

功耗 /μA＼&最遠(yuǎn)通信

距離 /m＼&工作頻率

/MHz＼&有無

喚醒＼&AT86RF211S

收發(fā)電路＼&1～10＼&800＼&433.8＼&有＼&UTC?4432B1_V6＼&2～20＼&2 000＼&420～450＼&有＼&]

2 硬件電路設(shè)計

硬件電路是整個系統(tǒng)的支撐，硬件電路設(shè)計并焊接的成功與硬件模塊選擇的正確是最終軟件調(diào)試成功的基礎(chǔ)。本設(shè)計硬件模塊主要包括STM32L核心板和無線通信模塊。本文主要介紹芯片外圍電路的設(shè)計以及PCB版圖的設(shè)計。整個硬件電路原理圖使用Altium Designer軟件來設(shè)計，如圖2所示。

本設(shè)計采用輸出為5 V的開關(guān)電源適配器供電，通過AMS1117正向低壓降穩(wěn)壓器輸出3.3 V電壓，為STM32L151芯片提供電壓。AMS1117穩(wěn)壓器分為固定電壓輸出和可調(diào)電壓輸出兩個版本，本設(shè)計采用固定電壓輸出穩(wěn)壓器，輸出電壓為3.3 V，具有1%的精度，由于內(nèi)部有限流電路和過熱保護(hù)，使得AMS1117穩(wěn)壓器具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。因此該電源供電電路選用AMS1117?3.3作為穩(wěn)壓器。

晶振可以為整個電路提供基本的時鐘信號，有了它就有了穩(wěn)定的頻率。如果沒有晶振，數(shù)字電路就失去了處理數(shù)據(jù)的節(jié)拍，也就無法正常處理任何數(shù)據(jù)了。晶振的頻率越高，程序運(yùn)行的速度就越快，STM32L上電后，默認(rèn)使用內(nèi)部晶振，外部如果接8 MHz晶振，就可以通過切換使用外部晶振，最終通過PLL分頻和倍頻可以達(dá)到72 MHz。

通過了解該模塊的特性，設(shè)計出芯片與無線通信模塊的接口連線方案，如圖3所示。通過軟件編程控制各個引腳使其切換不同的工作模式，最終實現(xiàn)兩模塊之間的無線收發(fā)功能。

圖3 STM32L與UTC4432連接示意圖

根據(jù)設(shè)計的PCB圖制作的實物板如圖4所示。

圖4 實物正面圖

3 軟件設(shè)計

硬件電路設(shè)計無誤并焊接成功后，便要對整個系統(tǒng)進(jìn)行軟件調(diào)試，調(diào)試首先要進(jìn)行的工作就是軟件設(shè)計。

圖5為發(fā)送模塊程序流程圖。發(fā)送模塊的工作流程為：首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化包括對時鐘、引腳、中斷、定時器、串口以及無線通信模塊等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行配置。然后將時間間隔設(shè)置為1 s，打開串口、向串口發(fā)送引腳寫入數(shù)據(jù)并在二極管上顯示。但是成功接收數(shù)據(jù)的前提是無線通信模塊必須配置正確，如果配置正確，無線通信模塊將會作出應(yīng)答并顯示在軟件調(diào)試環(huán)境的相關(guān)對話框中。最后無線通信模塊通過天線向空中信道發(fā)送從MCU接收到的數(shù)據(jù)。

圖6為接收模塊程序流程圖。接收模塊的工作流程為：首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括對引腳、中斷、串口以及無線通信模塊等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行配置。然后無線通信模塊從空中信道接收數(shù)據(jù)，若其配置正確則接收成功，成功接收后又通過該模塊發(fā)送引腳向MCU發(fā)送數(shù)據(jù)。最后通過響應(yīng)中斷使MCU接收數(shù)據(jù)并在二極管上顯示出來。發(fā)送模塊與接收模塊的硬件系統(tǒng)上均有3只二極管，于是3只二極管便可以顯示8種狀態(tài)，通過觀察兩模塊上二極管的狀態(tài)是否一致來判斷通信是否成功。

需要注意的是，發(fā)送與接收無線通信模塊的參數(shù)配置應(yīng)當(dāng)一致。因為本設(shè)計僅僅用到A、B兩類總線，所以軟件編程時僅僅可以使這兩類總線使能，其他總線均關(guān)閉。

圖5 發(fā)送模塊程序流程圖

圖6 接收模塊程序流程圖

4 功耗測量

本設(shè)計使用Agilent34410數(shù)字萬用表測量系統(tǒng)功耗，實質(zhì)是測量系統(tǒng)電流，因為系統(tǒng)輸入電壓始終為5 V。測試電路連接如圖7所示。

圖7 測試電路連接圖

利用軟件平臺編寫不同程序完成對芯片不同工作模式的操作。室溫下測量STM32L在不同模式及不同參數(shù)下的電流消耗如表3，表4所示（說明：測量時發(fā)現(xiàn)在不同的發(fā)射功率下，系統(tǒng)只有工作在低功耗運(yùn)行模式和低功耗睡眠模式時電流消耗不同，其余均相同）。

表3 發(fā)送模塊下的功耗

[無線通信模塊

發(fā)射功率 / dBm＼&MCU工作模式＼&電壓 /V＼&實測電流＼&19＼&運(yùn)行模式＼&5＼&19.1 mA＼&19＼&低功耗睡眠模式＼&5＼&9.06 mA＼&19＼&停止模式（RTC運(yùn)行）＼&5＼&21.3 μA＼&19＼&停止模式（無RTC運(yùn)行）＼&5＼&4.5 μA＼&19＼&待機(jī)模式（RTC運(yùn)行）＼&5＼&12.1 μA＼&19＼&待機(jī)模式（無RTC運(yùn)行）＼&5＼&3.27 μA＼&14＼&運(yùn)行模式＼&5＼&18 mA＼&14＼&低功耗睡眠模式＼&5＼&6.45 mA＼&8＼&運(yùn)行模式＼&5＼&15 mA＼&8＼&低功耗睡眠模式＼&5＼&2.39 μA＼&1＼&運(yùn)行模式＼&5＼&11 mA＼&1＼&低功耗睡眠模式＼&5＼&860 μA＼&]

表4 接收模塊下的功耗

[無線通信模塊

發(fā)射功率 /dBm ＼&MCU工作模式 ＼&電壓 /V ＼&實測電流 ＼&1 ＼&運(yùn)行模式 ＼&5 ＼&10.6 mA ＼&1 ＼&低功耗睡眠模式 ＼&5 ＼&849 μA ＼&1＼&停止模式（RTC運(yùn)行） ＼&5 ＼&20.1 μA ＼&1 ＼&停止模式（無RTC運(yùn)行） ＼&5 ＼&4.35 μA ＼&1 ＼&待機(jī)模式（RTC運(yùn)行） ＼&5 ＼&11.9 μA＼&1 ＼&待機(jī)模式（無RTC運(yùn)行） ＼&5 ＼&3 μA＼&]

由表3，表4可以看出，芯片在不同工作模式下的功耗不同，處于運(yùn)行模式時功耗最高，待機(jī)模式時功耗最低。并且可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的功耗隨發(fā)射功率的減小而減小，這是因為無線通信模塊在整個系統(tǒng)中是耗能的重要部分。需要說明的是，發(fā)射功率越大，通信距離越遠(yuǎn)。

整個系統(tǒng)無論處于何種模式，供電電壓均為5 V，最大電流消耗不到20 mA，與其他一些無線通信系統(tǒng)的設(shè)計相比較，功耗已經(jīng)大大降低。本設(shè)計是在用STM32作為微控制器實現(xiàn)通信技術(shù)的基礎(chǔ)上完成的，但STM32系統(tǒng)并未考慮如何大幅度降低功耗，其正常運(yùn)行時電流消耗最大為38.3 mA，最小為25.8 mA，此前，也有不少有關(guān)低功耗無線通信系統(tǒng)的設(shè)計，但其電流消耗大部分都大于20 mA。因此，在軟件編程的控制下，將STM32L系列芯片作為微控制器并結(jié)合UTC4433系列無線通信模塊時，可以使整個系統(tǒng)的功耗大幅度降低。

5 結(jié) 語

本文詳細(xì)分析了整個系統(tǒng)的設(shè)計方案，并對設(shè)計方案中涉及的兩大模塊MCU和無線通信模塊做重點(diǎn)介紹，說明了兩模塊的連接方式以及采用何種工作模式可使系統(tǒng)功耗降到最低，對STM32L這一新型超低功耗微控制器使用的恰到好處，同時也凸顯出本設(shè)計方案的特點(diǎn)所在。實現(xiàn)了基于RealView MDK軟件平臺的軟件程序設(shè)計。結(jié)合理論知識并熟練掌握軟件操作方法，在μVision4集成開發(fā)環(huán)境下用C語言編寫程序完成軟件設(shè)計。然后通過與硬件電路系統(tǒng)相連反復(fù)調(diào)試實現(xiàn)兩模塊之間的無線通信。最后測量系統(tǒng)功耗，經(jīng)比較表明，本次設(shè)計成功完成了對無線接收電路系統(tǒng)的低功耗設(shè)計，對低功耗無線通信模塊設(shè)計具有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.

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[4] 田澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[5] 楊毓.近距離低功耗無線通信技術(shù)的研究[D].太原：中北大學(xué)，2008.

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[10] SCHWARTZ M. Telecommunication networks： protocols， mode?ling and analysis [M]. [S.l.]： Addison?Wesley， 1987.ller and wireless communication module are important for the the power consumption control of wireless transceiver circuit system. Together with the software programming control， the power consumption of the whole system can be reduced greatly.

Keywords： wireless transceiver circuit， low power consumption，the STM32L chip， the communication module

由表3，表4可以看出，芯片在不同工作模式下的功耗不同，處于運(yùn)行模式時功耗最高，待機(jī)模式時功耗最低。并且可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的功耗隨發(fā)射功率的減小而減小，這是因為無線通信模塊在整個系統(tǒng)中是耗能的重要部分。需要說明的是，發(fā)射功率越大，通信距離越遠(yuǎn)。

整個系統(tǒng)無論處于何種模式，供電電壓均為5 V，最大電流消耗不到20 mA，與其他一些無線通信系統(tǒng)的設(shè)計相比較，功耗已經(jīng)大大降低。本設(shè)計是在用STM32作為微控制器實現(xiàn)通信技術(shù)的基礎(chǔ)上完成的，但STM32系統(tǒng)并未考慮如何大幅度降低功耗，其正常運(yùn)行時電流消耗最大為38.3 mA，最小為25.8 mA，此前，也有不少有關(guān)低功耗無線通信系統(tǒng)的設(shè)計，但其電流消耗大部分都大于20 mA。因此，在軟件編程的控制下，將STM32L系列芯片作為微控制器并結(jié)合UTC4433系列無線通信模塊時，可以使整個系統(tǒng)的功耗大幅度降低。

5 結(jié) 語

本文詳細(xì)分析了整個系統(tǒng)的設(shè)計方案，并對設(shè)計方案中涉及的兩大模塊MCU和無線通信模塊做重點(diǎn)介紹，說明了兩模塊的連接方式以及采用何種工作模式可使系統(tǒng)功耗降到最低，對STM32L這一新型超低功耗微控制器使用的恰到好處，同時也凸顯出本設(shè)計方案的特點(diǎn)所在。實現(xiàn)了基于RealView MDK軟件平臺的軟件程序設(shè)計。結(jié)合理論知識并熟練掌握軟件操作方法，在μVision4集成開發(fā)環(huán)境下用C語言編寫程序完成軟件設(shè)計。然后通過與硬件電路系統(tǒng)相連反復(fù)調(diào)試實現(xiàn)兩模塊之間的無線通信。最后測量系統(tǒng)功耗，經(jīng)比較表明，本次設(shè)計成功完成了對無線接收電路系統(tǒng)的低功耗設(shè)計，對低功耗無線通信模塊設(shè)計具有借鑒意義。

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Keywords： wireless transceiver circuit， low power consumption，the STM32L chip， the communication module

由表3，表4可以看出，芯片在不同工作模式下的功耗不同，處于運(yùn)行模式時功耗最高，待機(jī)模式時功耗最低。并且可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的功耗隨發(fā)射功率的減小而減小，這是因為無線通信模塊在整個系統(tǒng)中是耗能的重要部分。需要說明的是，發(fā)射功率越大，通信距離越遠(yuǎn)。

整個系統(tǒng)無論處于何種模式，供電電壓均為5 V，最大電流消耗不到20 mA，與其他一些無線通信系統(tǒng)的設(shè)計相比較，功耗已經(jīng)大大降低。本設(shè)計是在用STM32作為微控制器實現(xiàn)通信技術(shù)的基礎(chǔ)上完成的，但STM32系統(tǒng)并未考慮如何大幅度降低功耗，其正常運(yùn)行時電流消耗最大為38.3 mA，最小為25.8 mA，此前，也有不少有關(guān)低功耗無線通信系統(tǒng)的設(shè)計，但其電流消耗大部分都大于20 mA。因此，在軟件編程的控制下，將STM32L系列芯片作為微控制器并結(jié)合UTC4433系列無線通信模塊時，可以使整個系統(tǒng)的功耗大幅度降低。

5 結(jié) 語

本文詳細(xì)分析了整個系統(tǒng)的設(shè)計方案，并對設(shè)計方案中涉及的兩大模塊MCU和無線通信模塊做重點(diǎn)介紹，說明了兩模塊的連接方式以及采用何種工作模式可使系統(tǒng)功耗降到最低，對STM32L這一新型超低功耗微控制器使用的恰到好處，同時也凸顯出本設(shè)計方案的特點(diǎn)所在。實現(xiàn)了基于RealView MDK軟件平臺的軟件程序設(shè)計。結(jié)合理論知識并熟練掌握軟件操作方法，在μVision4集成開發(fā)環(huán)境下用C語言編寫程序完成軟件設(shè)計。然后通過與硬件電路系統(tǒng)相連反復(fù)調(diào)試實現(xiàn)兩模塊之間的無線通信。最后測量系統(tǒng)功耗，經(jīng)比較表明，本次設(shè)計成功完成了對無線接收電路系統(tǒng)的低功耗設(shè)計，對低功耗無線通信模塊設(shè)計具有借鑒意義。

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Keywords： wireless transceiver circuit， low power consumption，the STM32L chip， the communication module