低功耗2.4GHz無線通信系統(tǒng)的設計與實現

1引言

近距離無線通信正逐漸引起越來越廣泛的注意。飛利浦公司最近聯合諾基亞和索尼成立了近距離無線通信論壇，以實現各種移動設備、消費電子、智能檢測等設備的交互式通信。低功耗、微型化是當前無線通信產品尤其是便攜產品的迫切要求和關鍵問題。無線通信的另一個關鍵問題是數據傳輸的可靠性，這取決于諸多因素，如頻率選擇、同頻干擾、傳輸距離、天線選擇等，這些在設計無線通信系統(tǒng)時都要認真考慮和比較。

　　本文描述了一種基于nRF24E1收發(fā)芯片的2.4GHz無線收發(fā)系統(tǒng)，采用存儲轉發(fā)的數據傳輸格式和固定式跳頻的抗干擾模式，數據輸出速率達1Mbps，輸出功率1mW,視距傳輸距離超過100米，可應用在工業(yè)傳感網絡、遠距離遙控、停車場智能管理等領域。

　　2系統(tǒng)方案設計

　　本系統(tǒng)采用通用的2.4GHzISM頻段，輸出功率為1mW且?guī)廨椛漭^小，無需申請頻率許可證。此外，選擇2.4GHz頻段的另外一個優(yōu)點是波長較短，天線的尺寸較小，可以縮小系統(tǒng)的體積，甚至可以將天線設計在PCB板上實現天線內置，這樣可以同時降低系統(tǒng)的成本。

　　RF收/發(fā)器芯片選擇Nordic公司的nRF24E1，其最大的特點就是可以滿足低功耗和小型化的要求。該芯片體積小、外圍器件少、易于設計和調試；內嵌兼容8051的微處理器，指令周期從標準的12～48個時鐘周期縮短到4～20個時鐘周期，XRAM數據存取采用雙指針，提高了CPU的處理和運算速度。采用16MHz的晶體可同時為CPU和收發(fā)單元內部頻率合成器提供參考時鐘，節(jié)省了印制板的空間，縮小了系統(tǒng)的體積。該芯片提供POWERDOWN模式。此工作模式下CPU處理中止、時鐘和電源整流電路關閉，RF收/發(fā)單元停止工作，整個芯片內部只有RC振蕩器、看門狗和RTC定時器工作，系統(tǒng)電流損耗只有2uA，只有外部中斷和看門狗復位才能使系統(tǒng)退出省電模式。合理設計通信協(xié)議，該系統(tǒng)適于電池長時間供電的無線通信系統(tǒng)。

　　3系統(tǒng)的軟件設計

　　系統(tǒng)的軟件開發(fā)基于Keil51uVision2開發(fā)平臺，所用程序都是用標準C語言及開發(fā)工具支持的擴展C語言編寫的。代碼編譯及仿真通過后利用芯片第三方開發(fā)商開發(fā)的雙USB下載電纜將程序下載到外部的4KBEEPROM中。系統(tǒng)啟動時將自動從外部導入程序到內部RAM中并開始運行。采用SPI總線可以完成對RF收發(fā)相關寄存器的設置和操作，通過144比特的特殊功能寄存器可以設置系統(tǒng)工作模式和地址碼。

　　系統(tǒng)的RF收發(fā)工作于ShockBurst無線發(fā)送模式。本模式下CPU內部開辟FIFO緩存區(qū)，將要發(fā)送數據送入該區(qū)并組幀以1Mbps的高數據速率輸出，這樣做縮短了發(fā)射機的發(fā)射時間，減少了發(fā)射機的切換次數，降低了發(fā)射電流損耗，減少了系統(tǒng)的總耗電。

　　工作在ShockBurst模式下，幀過長會增加出錯重發(fā)的時間，采用的最大幀長不宜超過256bits，幀頭插入相應的地址等信息，幀尾采用16bitsCRC校驗，數據長度最多可達200bits，實際應用中綜合考慮幀出錯概率和發(fā)送機發(fā)射時間，采用每幀8字節(jié)的數據格式。測試證明該系統(tǒng)在誤碼率很低的情況下可減少發(fā)射占空比從而大大降低系統(tǒng)功耗。

　　基于2.4GHz頻段的通信設備越來越多，該系統(tǒng)與同頻且大功率的通信系統(tǒng)處于同一環(huán)境時必受干擾，影響通信效果甚至不能正常通信。為解決此問題，我們引入跳頻機制，采用頻點躲避方式降低同頻干擾的影響，不同于普通跳頻方式的是該系統(tǒng)頻率跳變不是由偽隨機碼控制的，而是采用固定跳變規(guī)律方式。通過芯片內頻率合成器可產生128個頻率間隔為1MHz的收發(fā)頻道，頻率范圍為2400～2527MHz，其可發(fā)射的頻率點為：ChannelRf=2400MHz+RF_CH*1.0MHz。在此基礎上設計的簡單跳頻模式，當發(fā)送機發(fā)射廣播信號卻收不到接收機返回的應答信號時，發(fā)射機可斷定某信道被占用或被其他設備干擾，此時發(fā)射機將改變其發(fā)射頻率，跳變至另一個頻點。這些頻點預先寫入EEPROM中，排列順序隨機抽取，各相鄰頻點的間隔不宜太小以防止其旁瓣譜的干擾。系統(tǒng)通信頻率的改變必須是雙方同步進行的，接收機在某段時間內收不到發(fā)射機的廣播信號而超時操作時，將采取頻率掃描的方式以確定系統(tǒng)的工作頻率，直到雙方建立了良好的同步并可以進行雙工通信為止。

　　實際運用中，一點對多點的無線通信網絡變得越來越普遍。本系統(tǒng)采用了基于輪詢機制的點對多點的通信協(xié)議，每個收發(fā)系統(tǒng)都具有碼長為5字節(jié)的唯一地址碼，理論上可輪詢的節(jié)點數很多，可設地址數目可達N=240。實測表明：節(jié)點為16個時系統(tǒng)很穩(wěn)定。此地址碼在收/發(fā)操作時通過軟件設置，其結構如下所示：

　　constRFConfigtconf=

　　{15,0x08,0x08,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,

　　0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,//接收機地址位：40bits（5bytes）

　　0x83,0x6f,0x04};

　　4系統(tǒng)的射頻單元設計

　　nRF24E1收/發(fā)芯片的天線輸入/輸出為平衡差分方式，其輸入阻抗為400Ω，設計中可通過設計阻抗匹配電路使輸出匹配５０Ω的微帶天線或ＳＭＡ天線，輸出功率達０ｄＢｍ。天線的輸出引腳需提供直流偏置，通過兩電感將ＤＣ加到偶極子天線的中心點來實現。

　　值得注意的是，在設計PCB時，所有銅箔走線都要采用微帶傳輸線的設計原理，以減少反射引起的傳輸損耗，獲的比較大的輸出功率和較高的接收靈敏度。射頻電路中ＰＣＢ板的走線設計關系到整體的性能，本系統(tǒng)的ＰＣＢ采用厚１．６ｍｍ的ＦＲ－４板，２．４ＧＨｚ時電介質常數εｒ＝４．６～４．９，銅箔線的厚度為ｄ＞５０ｕｍ，匹配阻抗為５０Ω時，通過微帶線的計算公式

　?。?=2）

　　（D：銅箔線厚度W：微帶線寬度εr：介電常數ｈ：微帶線與地距離。）

　　可算出銅箔線寬度。實際微波設計中采用軟件仿真的方法來計算線寬，我們就是采用Ａｎｓｏｆｔ軟件來設計射頻電路的。

　　天線的設計可采用50Ω的SMA天線?？紤]到尺寸和成本因素且射頻波長短，可選用５０Ω的1/4波長偶極子微帶印制板天線，改變銅箔線長度即可調節(jié)天線性能。為使其在2.4GHz更容易諧振，需將導線長度加長4～6mm。印制板上微帶天線的形狀就是一銅箔線長約為24mm的導線。也可采用天線制造商設計的微帶天線，如GigaAnt公司的6dBi微帶天線，體積小、成本不高但降低了設計難度，同時提高了系統(tǒng)的性能。

　　5結束語

　　經謹慎設計、實現與調試，該2.4GHz無線收/發(fā)系統(tǒng)在視距傳輸時其穩(wěn)定傳輸距離超過70米，并可實現點對多點無線組網；待機電流僅為20uA，使用鋰铔電池可工作幾年,適于電池供電的近距離無線傳輸系統(tǒng)，在環(huán)境監(jiān)測、傳感網絡、RFID等領域可得到推廣及應用。