Sub-1G和2.4G超低功耗雙頻段無線系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

(安徽中科光電色選機械有限公司，合肥 231202)

引 言

隨著智能產(chǎn)品的蓬勃發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)的悄然興起，越來越多的智能電子產(chǎn)品和電氣設(shè)備走入小微企業(yè)、城市家庭和村鎮(zhèn)農(nóng)戶，對這些設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)測和遠程控制需求越來越普遍。傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)建立中心工作站對設(shè)備集中監(jiān)控的模式，在建設(shè)成本、使用難度和靈活性等多方面難以適應(yīng)現(xiàn)實要求。

本設(shè)計采用超低功耗Sub-1G和2.4G雙頻段無線系統(tǒng)設(shè)計方案，實現(xiàn)了對分布在較大空間范圍內(nèi)設(shè)備的遠程監(jiān)控，并具有靈活可選的硬件搭配方案和多樣的軟件升級方法。此設(shè)計方案使得本系統(tǒng)具有低功耗、體積小、低成本、適用性強、使用簡便靈活等特點，既可以作為附屬部件嵌入其他設(shè)備內(nèi)部增強其功能，又可以制成模塊獨立工作，還可以使用太陽能、風能、無線充電等方式實現(xiàn)不間斷工作，應(yīng)用十分廣泛。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本設(shè)計主要由主控制器、供電電源、2.4G天線、通信模塊、外部存儲器、模擬量輸入、開關(guān)量輸入/輸出等部分組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 總體設(shè)計圖

主控制器采用CC1350低功耗雙頻段無線處理器，其Sub-1G工作頻段可以覆蓋中國、歐洲、美國的ISM頻段，其2.4G工作頻段支持藍牙協(xié)議和私有協(xié)議。

2 電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)核心部分

2.1.1 處理器CC1350簡介

CC1350是德州儀器(TI)出品的一款多核心雙頻帶無線微控制器，其內(nèi)部集成了強大的Cortex-M3內(nèi)核、專用于處理底層RF協(xié)議的Cortex-M0無線內(nèi)核和一個超低功耗傳感器控制器(Sensor Controller)，整合了一套完整的RF系統(tǒng)以及片上LDO和DC-DC轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)擁有128 KB可編程閃存、20 KB超低泄漏SRAM、8 KB通用SRAM、達到200 Msps的8通道復(fù)用12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、可編程任意連接的I/O口；支持標準JTAG和2引腳cJTAG調(diào)試接口；支持軟件Over-the-Air(OTA)無線升級；主頻時鐘速率最高可達48 MHz[1]。

2.1.2 最小系統(tǒng)說明

最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 最小系統(tǒng)

主控制器CC1350主要供電引腳VDDS與I/O供電引腳VDDS2和VDDS3的工作范圍是1.8～3.8 V DC，其輔助模塊供電引腳VDDR和VDDR_RF工作范圍是1.7～1.95 V DC。本設(shè)計使用片上集成的DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生VDDR和VDDR_RF所需電壓，所以將DC-DC轉(zhuǎn)換器輸入引腳VDDS_DCDC與VDDS并聯(lián)，將輸出引腳DCDC_SW通過濾波電感后連接VDDR和VDDR_RF。如果使用片上集成的LDO給VDDR和VDDR_RF供電，則需要修改軟件配置，不必連接DCDC_SW引腳。使用片內(nèi)DC-DC可以使CC1350休眠電流小于1 μA，比使用片內(nèi)LDO可以獲得更低的功耗。

CC1350的RF電路工作需外接24 MHz無源晶振，而片內(nèi)集成了默認值9 pF可調(diào)范圍5 ～11 pF的匹配電容，所以本設(shè)計沒有另接匹配電容。該電容會影響晶振頻率，進而影響RF頻率，所以在晶振選用和電容匹配方面應(yīng)特別注意。其外接32.768 kHz晶振為芯片休眠狀態(tài)提供時鐘，仍需外接匹配電容。此外，CC1350還集成了48 MHz和32.768 kHz片內(nèi)RC震蕩器，可以作為系統(tǒng)時鐘和RTC時鐘選用。

復(fù)位電路采用了簡單的RC復(fù)位電路，以滿足超低功耗需求。而調(diào)試接口選用了占用空間最少且占用引腳最少的cJTAG接口。

2.2 電源與供電

外部電源輸入可以由市電、宿主設(shè)備、太陽能板、風機等提供，根據(jù)電源不同選擇相對應(yīng)的AC-DC模塊或DC-DC模塊，來為本系統(tǒng)工作提供所需12 V DC和3.3 V DC電源。電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 電源結(jié)構(gòu)

由AC-DC模塊或DC-DC模塊輸出的12 V DC電源為開關(guān)量輸出電路供電，用于驅(qū)動繼電器、直流電機、聲光報警器等設(shè)備；而3.3 V DC則為以太網(wǎng)模塊等外圍接口電路直接供電，同時通過防反流電路與電池提供的3 V DC電路匯合；匯合后的3 V DC電路為主控制器CC1350供電，保證其在無外部電源輸入時仍能不間斷工作，同時3 V DC電路還通過低靜態(tài)電流可控電源降為1.8 V DC，為模擬量輸入電路、開關(guān)量輸入電路和外部存儲器供電。

低靜態(tài)電流可控電源受控于CC1350，在需要采集外部信號或存取數(shù)據(jù)時打開，完成任務(wù)后關(guān)閉，其關(guān)閉后的靜態(tài)電流小于1 μA，可以保證僅有電池供電時的低功耗需求。

2.3 射頻部分

射頻電路如圖4所示，本系統(tǒng)采用Sub-1G和2.4G雙頻段設(shè)計，射頻信號通過RF Switch在兩組射頻電路之間切換，其中Sub-1G采用中國以及東南亞國家普遍使用的315～510 MHz頻段，如有需要可通過更改元器件參數(shù)并更換對應(yīng)頻率天線的方法改為歐洲或美國頻段。本系統(tǒng)Sub-1G和2.4G均分別配置PCB板載天線和外接天線SMA接口，通過調(diào)整元件焊接方案的方法選擇天線的使用，PCB板載天線需通過調(diào)整匹配電感和電容達到最佳效果。

2.4 模擬量輸入

本設(shè)計主控制器CC1350的12位ADC位于片內(nèi)Sensor Controller的外圍電路與Sensor Controller的8路數(shù)字I/O復(fù)用引腳，可以實現(xiàn)在Cortex-M3內(nèi)核和Cortex-M0內(nèi)核休眠時自主完成模擬信號的采集，并在預(yù)設(shè)條件達成時喚醒主控制器，保證了整個系統(tǒng)在電池供電時能夠以很低的功耗完成傳感器信息采集。模擬量采集框圖見圖5。

2.5 開關(guān)量輸入/輸出

CC1350的所有I/O接口都可靈活配置為數(shù)字輸入/輸出，并觸發(fā)中斷，其中有8個I/O可配置為Sensor Controller的數(shù)字I/O，在主控內(nèi)核休眠時仍能完成開關(guān)量信息采集。

2.6 外部存儲器

通過配置內(nèi)置I2C總線和SPI控制器接口連接到相應(yīng)I/O接口上，可以連接存儲器芯片，擴展系統(tǒng)的存儲空間，實現(xiàn)外設(shè)參數(shù)保存、信息記錄、數(shù)據(jù)備份等功能，增加了系統(tǒng)的適用性。

2.7 通信模塊

將系統(tǒng)UART接口與以太網(wǎng)模塊、CAN總線模塊等互聯(lián)，可以完成從有線系統(tǒng)到無線系統(tǒng)的通信連接。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

在應(yīng)用本設(shè)計組建的無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，本設(shè)計既可以作為終端監(jiān)控單元，實現(xiàn)對目標的無線監(jiān)控功能,也可以為其他終端監(jiān)控單元提供數(shù)據(jù)中繼，使得分布較遠的節(jié)點方便接入網(wǎng)絡(luò)；還可以作為整個無線網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)交互通信的服務(wù)端，通過適當?shù)耐ㄐ拍K接入云服務(wù)器，連接更廣闊的世界。應(yīng)用組網(wǎng)示意圖見圖6。

每個單元的Sub-1G射頻通信距離可達數(shù)百米，根據(jù)應(yīng)用可選的典型速率分別有50 kbps、500 kbps，最大速率可達2 Mbps，如果采用不增加功率放大器的超長距離模式，通信距離可達數(shù)公里，但通信速率會變的較慢，典型速率為625 bps。其2.4G射頻通信支持私有協(xié)議和藍牙協(xié)議，可以與手持式終端直接交互，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的快速通信，以及終端監(jiān)控單元軟件的OTA無線升級，為系統(tǒng)監(jiān)管維護提供便利。

當本設(shè)計外部電源掉電僅由電池或大電容供電時，進入低功耗間歇工作模式，并在預(yù)設(shè)條件達成時采集監(jiān)控數(shù)據(jù)，在預(yù)定時間內(nèi)以無線方式發(fā)送信息，其他時間關(guān)閉RF電路、系統(tǒng)外設(shè)和低靜態(tài)電流可控電源并進入休眠狀態(tài)。經(jīng)過實際測量，低功耗間歇工作模式下系統(tǒng)發(fā)送RF信號時電流小于5 mA，關(guān)閉RF電路而其他外設(shè)工作時電流小于200 μA，全系統(tǒng)休眠時電流小于2 μA，可保證利用電池或大電容長時間工作，滿足設(shè)計目標要求。

圖4 射頻電路

圖5 模擬量采集框圖

結(jié) 語

圖6 組網(wǎng)示意圖