RF4CE射頻遙控器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

設(shè)計(jì)Zigbee射頻模塊需要用到許多微波電路知識(shí)，比如將PCB Trace等效為天線、傳輸線、阻抗匹配、信號(hào)反射、絕緣層材料選擇、駐波處理、地面(Ground Plane)完整性等。這些因素均會(huì)影響RF模塊性能表現(xiàn)及EMC。

　　RF PCB設(shè)計(jì)最基本的要求是把電源處理、地面完整性、RF走線、敏感電路和數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分區(qū)處理。因此，元器件布局是RF設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。一般來說，最先處理的是RF路徑及Xtal路徑上的元器件布局。比如，兩個(gè)電感布局不要平行靠在一起，因?yàn)檫@將形成互感，造成信號(hào)干擾，而是最好將兩個(gè)電感放成直角排列，讓互感減到最小。其次是提供RF IC最需要的干凈電源。電源一定要濾波，電源去耦元件要盡可能靠近IC引腳并接地，并同時(shí)考慮PA啟動(dòng)瞬間，瞬時(shí)大電流需求的電源問題。另外，電源走線要越短越好，并遠(yuǎn)離RF信號(hào)線或Xtal等干擾源。(電源問題常常造成異常的RF效能與EMC問題)。

　　一般使用雙層的FR4 PCB時(shí)，會(huì)將主接地面安排于PCB下層，RF信號(hào)走在表層上。在所有PCB設(shè)計(jì)中，盡可能將數(shù)字電路遠(yuǎn)離仿真電路是不變的原則，它同樣也適用于RF PCB設(shè)計(jì)。當(dāng)一些高速信號(hào)線要穿過了破碎的地面，這絕對不是一件好事，須盡可能避免，并保持PCB下層地面的完整性。針對PCB上層的走線，亦應(yīng)避免形成過多的游離地，因?yàn)樗鼈儠?huì)像一個(gè)小天線，提供干擾源侵入的路徑。在大多數(shù)情況下，可以把這些游離地去掉。

　　在笙科電子A7153的參考模塊中，PCB天線采用F型天線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，支持全向輻射場形。為把天線的性能發(fā)揮到極致，從應(yīng)用的角度來講，RF模塊的天線最好伸出母版的邊緣，RF模塊下面的母版最好不要走線。RF模塊和產(chǎn)品外殼的整個(gè)設(shè)計(jì)也會(huì)影響天線的性能。粗劣的設(shè)計(jì)會(huì)影響天線場形，使發(fā)送信號(hào)出現(xiàn)反射、折射、散射，造成傳輸距離的大幅縮短。還有一些設(shè)計(jì)指南有助于確保天線的性能，比如：不要直接在模塊的天線下面設(shè)置接地面或布銅線、天線要盡可能遠(yuǎn)離金屬物體、PA路徑下方盡可能保有一塊完整的地面。

Zigbee軟件設(shè)計(jì)

　　Zigbee設(shè)備最常采用的省電方法是使傳感器進(jìn)入周期性的睡眠狀態(tài)，以獲得長久的電池壽命。也就是說，A7153為進(jìn)一步降低平均功耗，內(nèi)建了無線喚醒機(jī)制，MCU先啟動(dòng)A7153的無線喚醒機(jī)制，然后進(jìn)入睡眠模式。此時(shí)，除了低功耗無線喚醒定時(shí)器仍在運(yùn)作外，其余電路均自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式。待定時(shí)器數(shù)到預(yù)定時(shí)間時(shí)，A7153會(huì)自動(dòng)進(jìn)入接收狀態(tài)，去偵測有無射頻封包。若有，則接收封包并喚醒MCU，待MCU下達(dá)進(jìn)一步指令。若在某預(yù)定時(shí)間內(nèi)未偵測到封包，則A7153又會(huì)自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式并重新開始計(jì)時(shí)，形成周而復(fù)始的工作周期，直到接收到封包。

　　由上述可知，工作周期的長短直接影響數(shù)據(jù)傳輸效率以及能源的消耗。長工作周期可以增進(jìn)數(shù)據(jù)傳輸效率，但是功耗較多；短工作周期可以節(jié)省能源消耗但傳輸效率下降。A7153提供Zigbee定義的16個(gè)射頻信道(RF4CE則是從16個(gè)信道取出三個(gè)信道，分別為2425/2450/2475MHz)，MCU只需改變A7153的一個(gè)緩存器，即可達(dá)到換頻。MCU亦可利用A7153的RSSI得知當(dāng)下網(wǎng)絡(luò)上信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算出貼近網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量狀況的真正表現(xiàn)。此外，通過CSMA/CA溝通方式可獲得更理想的傳輸效能，同時(shí)大幅地降低封包碰撞的能量消耗。

　　Zigbee也定義了一個(gè)帶有時(shí)間同步標(biāo)志的可選超幀結(jié)構(gòu)、高優(yōu)先級(jí)通信的GTS機(jī)制、保障無延時(shí)或競爭的通信，并支持高達(dá) 65,000 個(gè)節(jié)點(diǎn)以及不同型態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?星形、叢集或網(wǎng)狀)。極低的工作周期可以讓使用鈕扣電池的節(jié)點(diǎn)持續(xù)運(yùn)行數(shù)年。當(dāng)軟件工程師啟動(dòng)AES128加密功能時(shí)，A7153僅在發(fā)射或接收數(shù)據(jù)封包時(shí)才執(zhí)行，因此平均功率仍然很低。

RF4CE射頻遙控器——全球新標(biāo)準(zhǔn)

　　ZigBee 聯(lián)盟主席 Bob Heile 表示：“RF4CE為電子產(chǎn)品制造商提供了一種全球性標(biāo)準(zhǔn)，從而簡化對各種消費(fèi)電子設(shè)備的操控，并改善用戶體驗(yàn)。今后，消費(fèi)者將享有更大的便利，更加靈活地使用消費(fèi)電子設(shè)備?！斌峡齐娮右恢焙荜P(guān)注RF4CE的市場需求，基于A7153的高性價(jià)比方案除了具有RF4CE遙控器常見的五大優(yōu)點(diǎn)外，還可幫助客戶使用低成本的MCU，在正成形的RF4CE新趨勢，取得成本優(yōu)勢。

　　RF4CE遙控器的五大優(yōu)點(diǎn)為：發(fā)射瞬間電流為IrDA的十分之一，因此遙控器可以有更長的電池壽命；利用雙向通訊能夠定位找不到的遙控裝置；通用指令集實(shí)現(xiàn)真正的互操作性，封包加密，無需使用多個(gè)遙控裝置；能夠?qū)[放在幾乎任何位置的設(shè)備進(jìn)行操控，特別是在隱密的地方；新的交互式功能，增強(qiáng)的用戶接口和先進(jìn)的顯示功能。

本文小結(jié)

　　笙科電子的A7153在定位上就是鎖定RF4CE相對單純的點(diǎn)對點(diǎn)架構(gòu)。該芯片內(nèi)建簡單好用的硬件功能和低功耗的芯片架構(gòu)，提供軟件工程師設(shè)計(jì)出長電池壽命的RF4CE遙控器。RF4CE標(biāo)準(zhǔn)的背后有國際一線消費(fèi)性電子大廠的力挺，因此RF4CE被預(yù)估為Zigbee的殺手級(jí)應(yīng)用，成為IEEE 802.15.4最重要的市場。工程師只需選擇通用型的8051(或其它8位單芯片)，搭配笙科電子的A7153開發(fā)平臺(tái)，即可設(shè)計(jì)出成本最佳化的RF4CE遙控器。RF4CE除了逐步取代既有紅外線遙控器市場外，勢必還有“異”想不到的應(yīng)用躲在暗處，等著有創(chuàng)意的讀者來尋寶。