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EMl98810芯片進(jìn)行設(shè)計(jì),。MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)16位精簡指令集(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 MHz晶振驅(qū)動下指令周期為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),，用中斷請求喚醒只用6μs,。MSP430系列單片機(jī)的電源電壓采用1．8～3．6 V，其在1 MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí),，芯片的電流為200～400μA左右,，時(shí)鐘關(guān)斷模式最低只有O．1 μA。
EMl98810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" title="RF">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)建多種糾檢錯功能，采用各種有效載荷數(shù)據(jù)格式來消除直流漂移量；支持FEC的1／3,、2／3糾檢錯功能和CRC16檢錯功能,。內(nèi)部具有FIFO和DIRECT兩種工作模式：FIFO模式簡單易用，對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MCU要求較高,，需要MCU處理各種糾檢錯功能。
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EMl98810的連接示意圖,，通過SPI總線與RF芯片相連,。實(shí)際電路連接如圖2所示。
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,、Manch-ester碼,、8／10位碼、帶FEC的數(shù)據(jù)4種格式,。
系統(tǒng)上電后,，先使EMl98810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腳會產(chǎn)生12 MHz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,。
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)的長度(默認(rèn)為3字節(jié)),，同步字長度默認(rèn)為64位，前導(dǎo)尾默認(rèn)長度為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,。所有寄存器讀寫和收發(fā)的數(shù)據(jù)都是通過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,，R2接O 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,，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),，才能重新改寫寄存器中的內(nèi)容,。
EMl98810有兩種檢測收發(fā)數(shù)據(jù)包長度的方法：一種是自動在數(shù)據(jù)幀內(nèi)檢測出來，最大幀長度不能超過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)的長度，幀控制器會自動控制收發(fā)開始與停止。另外一種是保持發(fā)射或接收的狀態(tài)不變,，通過外接MSP430F247來控制數(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O～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)放人FIFO中，如果數(shù)據(jù)長度超過63字節(jié),，應(yīng)該分多次寫入,。FIFO_flag=1表示FIFO為空，MSP430F247利用此信號作為中斷請求,，保證發(fā)送數(shù)據(jù)寫入FIF0的實(shí)時(shí)性,，在數(shù)據(jù)發(fā)送完成后PKT_flag=1。
如果設(shè)置Reg7[7]=1和Reg7[O～6]為與發(fā)射相同的通道,，則芯片進(jìn)入自動接收狀態(tài),，接收數(shù)據(jù)流程如圖6所示。當(dāng)檢測到同步字后會自動進(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63字節(jié)，則有FIFO_flag=1,，MSP430F247利用此信號作中斷請求以保證讀出數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。
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EMl98-810處于待機(jī)或睡眠模式,。MSP430F247工作在LPM3模式下電流為O．8μA左右，LPM4模式下電流為0．1μA左右,。EMl98810正常情況下發(fā)射電流26 mA,，接收電流25 mA，待機(jī)電流1．9mA,；睡眠模式下為3．5μA,。若將EMl98810設(shè)置為睡眠模式，將MSP430F247設(shè)置為LPM3模式,，則系統(tǒng)耗電僅為4．3μA,，使用干電池供電完全可行。
MSP430F247通過SPI接口與EMl98810相連，進(jìn)入LPM3模式和退出LPM3模式的程序如下：
將EMl98810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EMl98810會自動喚醒,，退出睡眠模式。
結(jié)語
經(jīng)過實(shí)際電路連接后測試,，數(shù)據(jù)發(fā)送端在進(jìn)行500kbps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5．2μA,；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l．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：
28．2mA×5ms×60次=8460(mA·ms)
睡眠模式下1小時(shí)耗能：
5．2μA×3600S×1000ms=18720(mA·ms)
發(fā)送狀態(tài)下可以工作的時(shí)間為：
(1300mA×3600S×1000ms)／(18720+8460)=172185h
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)可以適合長期進(jìn)行低功耗無線數(shù)據(jù)采集方面的應(yīng)用。