基于RF 2.4 GHz的超低功耗無(wú)線數(shù)傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫先松

(長(zhǎng)江大學(xué) 電子信息學(xué)院,荊州434023)

孫先松(副教授),主要從事嵌入式系統(tǒng)與SOPC方面的研究。

引 言

目前,無(wú)線通信技術(shù)已經(jīng)成為一大熱點(diǎn),而系統(tǒng)設(shè)計(jì)的微型化、低功耗成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。在保證系統(tǒng)工作可靠性的前提下,如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗是無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)亟待解決的一個(gè)主要問(wèn)題。本文利用MSP430超低功耗單片機(jī)和2.4 GHz ISM頻段的射頻芯片EM198810設(shè)計(jì)了一種低功耗的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用干電池供電,可廣泛應(yīng)用于電池供電的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線遙控、無(wú)線鼠標(biāo)、無(wú)線鍵盤、無(wú)線電子標(biāo)簽、遙控玩具,以及水、氣、熱、電等居民計(jì)量表具無(wú)線遠(yuǎn)傳自動(dòng)抄表。

1 系統(tǒng)概述

目前在2.4 GHz頻段的集成射頻芯片有多種,性能各有差異,表1列出了幾種常用芯片的性能特點(diǎn)。

本系統(tǒng)采用MSP430F247單片機(jī)和EMC公司的EM198810芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)16位精簡(jiǎn)指令集(RISC)微處理器。它具有豐富的尋址方式(7種源操作數(shù)尋址,4種目的操作數(shù)尋址),簡(jiǎn)潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令;大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算;具有高效的查表處理指令;有較高的處理速度,在8 M Hz晶振驅(qū)動(dòng)下指令周期為125 ns;中斷源較多,并且可以任意嵌套;當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時(shí),用中斷請(qǐng)求喚醒只用6 μ s。MSP430系列單片機(jī)的電源電壓采用1.8～3.6 V,其在1 M Hz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí),芯片的電流為200～400 μ A左右,時(shí)鐘關(guān)斷模式最低只有0.1 μ A。

表1 常用2.4 G Hz頻段集成射頻芯片的性能特點(diǎn)

EM198810芯片內(nèi)建2.4 GHz GFSK射頻收發(fā)器,帶有8位數(shù)據(jù)幀無(wú)線收發(fā)功能,前導(dǎo)區(qū)可以設(shè)置為1～8字節(jié),支持1～4個(gè)字地址(最多可達(dá)64位),最大數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mbps,允許長(zhǎng)數(shù)據(jù)包傳送;頻率范圍為2 400～2 482 MHz(81信道),傳輸距離100 m(PCB天線),RF輸出功率2 dBm,接收靈敏度在-85 dBm以上,采用SPI數(shù)字編程接口,接口電壓為2.5～3.7 V。該芯片發(fā)射功率可數(shù)字編程調(diào)節(jié),通過(guò)寄存器的設(shè)置很容易實(shí)現(xiàn)低功耗模式;內(nèi)建多種糾檢錯(cuò)功能,采用各種有效載荷數(shù)據(jù)格式來(lái)消除直流漂移量;支持 FEC的 1/3、2/3糾檢錯(cuò)功能和CRC16檢錯(cuò)功能。內(nèi)部具有FIFO和DIRECT兩種工作模式:FIFO模式簡(jiǎn)單易用,對(duì)MCU要求不高,發(fā)射和接收各有64字節(jié)的緩沖區(qū),一次發(fā)送、接收可以最多處理64字節(jié)數(shù)據(jù);DIRECT模式對(duì)MCU要求較高,需要MCU處理各種糾檢錯(cuò)功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1是MSP430F247單片機(jī)和EM198810的連接示意圖,通過(guò)SPI總線與 RF芯片相連。實(shí)際電路連接如圖2所示。

圖1 連接示意圖

圖2 實(shí)際電路圖

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)包格式如下:

其中,前導(dǎo)區(qū)可配置為1～8字節(jié),同步字可配置為16、32、48 或64位;前導(dǎo)尾區(qū)可配置為4、6、8……18 位;數(shù)據(jù)區(qū)可為NRZ碼、Manchester碼、8/10位碼、帶FEC的數(shù)據(jù)4種格式。

系統(tǒng)上電后,先使EM198810的 RESET_n引腳為低電平,以保證芯片有效復(fù)位;再使此引腳為高電平,BRCLK腳會(huì)產(chǎn)生12 M Hz的時(shí)鐘;然后進(jìn)行相關(guān)寄存器初始化。初始化程序流程如圖3所示。

圖3 初始化程序流程

其中,Reg48為數(shù)據(jù)幀格式配置寄存器,需要設(shè)置前導(dǎo)區(qū)的長(zhǎng)度(默認(rèn)為3字節(jié)),同步字長(zhǎng)度默認(rèn)為64位,前導(dǎo)尾默認(rèn)長(zhǎng)度為4位,數(shù)據(jù)默認(rèn)為NRZ格式。該寄存器的第2位為1則配置為睡眠模式,第3位為1則配置為待機(jī)模式。Reg49～51用于設(shè)置發(fā)射和接收的延遲時(shí)間。Reg52～55用于設(shè)置同步控制字,默認(rèn)全部為 0000H。Reg57用于配置是否啟用CRC校驗(yàn)、包長(zhǎng)度控制方式等。Reg48～57詳細(xì)配置數(shù)據(jù)如下:

Reg0～28主要是配置發(fā)射功率、VCO、RSSI、接收延時(shí)、通道選擇與控制、AMS測(cè)試及控制、BPF和AGC控制、發(fā)射與接收數(shù)據(jù)控制、直流漂移控制、PLL同步控制、數(shù)據(jù)收發(fā)的時(shí)序控制、N/VCO參數(shù)控制、時(shí)鐘等。Reg0～28詳細(xì)配置數(shù)據(jù)如下:

Reg0～28初始化完成后再延時(shí)2 ms,就可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)了。特別要注意的是,幀寄存器Reg48～57必須在RFIC寄存器 Reg0～28之前初始化。所有寄存器讀寫(xiě)和收發(fā)的數(shù)據(jù)都是通過(guò)SPI接口進(jìn)行的,并且只支持從模式,SPI操作時(shí)序如圖4所示。在芯片第28腳LDO_TUNE接地時(shí)(R1斷開(kāi),R2接0 Ω電阻),其數(shù)據(jù)在SPI_CLK時(shí)鐘的上升沿有效;當(dāng)LDO_TUNE接VDD時(shí)(R2斷開(kāi),R1接0 Ω電阻),數(shù)據(jù)在SPI_CLK時(shí)鐘的下降沿有效。只要SPI_SS為高電平,寄存器中的數(shù)據(jù)就保持不變;只有SPI_SS為低電平時(shí),才能重新改寫(xiě)寄存器中的內(nèi)容。

圖4 SPI操作時(shí)序

EM198810有兩種檢測(cè)收發(fā)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的方法:一種是自動(dòng)在數(shù)據(jù)幀內(nèi)檢測(cè)出來(lái),最大幀長(zhǎng)度不能超過(guò)255字節(jié)。先設(shè)置Reg57的第13位為1,則發(fā)送或接收數(shù)據(jù)區(qū)中的第1個(gè)字節(jié)就代表數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度,幀控制器會(huì)自動(dòng)控制收發(fā)開(kāi)始與停止。另外一種是保持發(fā)射或接收的狀態(tài)不變,通過(guò)外接MSP430F247來(lái)控制數(shù)據(jù)包的正確發(fā)送與接收。

發(fā)送數(shù)據(jù)流程如圖5所示。在發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí),先設(shè)置Reg7的第8位為1,允許在內(nèi)部狀態(tài)機(jī)控制下進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)射狀態(tài),再設(shè)置Reg7的0～6位為所選通道。在發(fā)送前導(dǎo)尾區(qū)數(shù)據(jù)前,MSP430F247必須將數(shù)據(jù)放入FIFO中,如果數(shù)據(jù)長(zhǎng)度超過(guò)63字節(jié),應(yīng)該分多次寫(xiě)入。FIFO_flag=1表示FIFO為空,MSP430F247利用此信號(hào)作為中斷請(qǐng)求,保證發(fā)送數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO的實(shí)時(shí)性,在數(shù)據(jù)發(fā)送完成后PKT_flag=1。

圖5 發(fā)送數(shù)據(jù)流程

如果設(shè)置Reg7[7]=1和Reg7[0～6]為與發(fā)射相同的通道,則芯片進(jìn)入自動(dòng)接收狀態(tài),接收數(shù)據(jù)流程如圖6所示。當(dāng)檢測(cè)到同步字后會(huì)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的接收解碼,接收完成后進(jìn)入待機(jī)模式。如果接收數(shù)據(jù)超過(guò)63字節(jié),則有FIFO_flag=1,MSP430F247利用此信號(hào)作中斷請(qǐng)求以保證讀出數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

圖6 接收數(shù)據(jù)流程

在進(jìn)行超低功耗設(shè)計(jì)時(shí),MSP430F247可以設(shè)置定時(shí)器中斷。平常處于LPM3或 LPM4模式,要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生定時(shí)器中斷,同時(shí)控制EM198810處于待機(jī)或睡眠模式。MSP430F247工作在LPM3模式下電流為0.8 μ A左右,LPM4模式下電流為0.1 μ A左右。EM198810正常情況下發(fā)射電流26 mA,接收電流25 mA,待機(jī)電流1.9 mA;睡眠模式下為3.5 μ A。若將EM198810設(shè)置為睡眠模式,將MSP430F247設(shè)置為L(zhǎng)PM3模式,則系統(tǒng)耗電僅為4.3 μ A,使用干電池供電完全可行。

MSP430F247通過(guò)SPI接口與EM198810相連,進(jìn)入LPM3模式和退出LPM3模式的程序如下:

將EM198810的Reg48的第2位設(shè)置為1,并將SPI_SS設(shè)為高電平,則進(jìn)入睡眠模式;如再將SPI_SS設(shè)為低電平,則EM198810會(huì)自動(dòng)喚醒,退出睡眠模式。

結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)際電路連接后測(cè)試,數(shù)據(jù)發(fā)送端在進(jìn)行500 kbps速率下連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),整個(gè)系統(tǒng)電流為28.2 mA,接收數(shù)據(jù)端的電流為26.1 mA;當(dāng)發(fā)射端進(jìn)入到睡眠模式時(shí)電流為5.2 μ A;當(dāng)接收端進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)LPM3后,整個(gè)系統(tǒng)電流為1.9 mA。按照2節(jié)干電池容量1 300 mAh計(jì)算,間隔1 min發(fā)送100字節(jié)數(shù)據(jù),考慮單片機(jī)模式切換時(shí)間,則在500 kbps速率下:

發(fā)送數(shù)據(jù)所需時(shí)間為5 ms,1小時(shí)耗能:

28.2 mA×5 ms×60次=8 460(mA·ms)

睡眠模式下1小時(shí)耗能:

5.2 μ A ×3 600 s×1 000 ms=18 720(mA ·ms)

發(fā)送狀態(tài)下可以工作的時(shí)間為:

(1 300 mA×3 600 s×1 000 ms)/(18 720+8 460)=172 185 h

即2節(jié)干電池供電時(shí)可以工作20年。同樣,可以計(jì)算出接收狀態(tài)下可以工作683小時(shí)(大約28天)。因此本設(shè)計(jì)可以適合長(zhǎng)期進(jìn)行低功耗無(wú)線數(shù)據(jù)采集方面的應(yīng)用。

[1]胡大可.MSP430系列 FLASH型超低功耗16位單片機(jī)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001.

[2]魏小龍.MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

[3]王秀梅,劉乃安.低功耗2.4 GHz無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)數(shù)據(jù)通信,2004(11):64-66.

[4]李春林,程健.基于ARM 和nRF2401的嵌入式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)測(cè)控平臺(tái)[J].自動(dòng)化儀表,2007,28(8).