短间隔 ISM频段无线数据传输的应用设计.docx

短间隔ISM频段无线数据传输的应用设计摘要：给出ATA5428在ISM频段短间隔双向无线数据通讯中的应用。关键词：ATA5428；ISM；433MHz短间隔双向无线通讯近些年来，随着集成电路技术的开展，ISM频段单芯片的无线数据通讯IC的性能日益进步，短间隔无线应用领域也在不断的扩大，其中包括家用电器，消费电子产品，工业控制，安防，自动抄表，汽车遥控控制等众多领域。本文介绍一种基于ATMEL公司的单芯片多频点，工作于ISM频段的收发芯片ATA5428在无线数据传输中的应用。ATA5428是ATMEL公司新推出的一款包含了射频功能和逻辑控制功能的集成电路。可以工作于431.5MHz436.5MHz。ATA5428具有低功耗和高集成度，传输的间隔远，接收的灵敏度高等优点，其内部集成压控振荡器、锁相环电路、功率放大电路、解调电路、变频器、中放电路等。由于高度的集成化使复杂无线电路大大简化，以往较难处理的射频局部，被简化到只需在IC外围加上几个免调试的分立元件。ATA5428内部含有自动定时接收唤醒数字逻辑控制电路，可以设定唤醒的周期，选择这个功能后仅仅增加一些收发延迟，但会成倍的降低接收功耗。ATA5428内部含有7个控制存放器，可以非常简单的对频率、收发速率、调制方式进展设置。ATA5428内部还包含一个16字节先进先出RAM缓冲器，利用这个功能减少对MCU的依靠，使MCU有更多的时间处理其它的事务。所以，MCU既使运行在比拟低的频率，在收发双方不小于100ms响应下，仍然可以正常工作。系统电路设计本系统使用了AVR系列单片机ATmega88。ATA5428与ATmega88通讯采用SPI接口，与外部通讯采用UART接口。由于高度集成化ATA5428外围零件已经很少，所以设计的关键是RF前端的匹配电路的设计。一般的RF芯片发射与接收端口的阻抗并不是标准的50阻抗，而是在不同频率下都可以等效为一个实部加一个虚部，例如ATA5428在433.92MHz的频率下输入阻抗可以等效为32-j169，要到达最正确的接收效果必须将输入阻抗通过外围器件的补偿使之与50的天线匹配。align=center图1ATA5428应用电路/align图1中L4与C1的作用是补偿输入阻抗成为50，同样L2与C8的作用是用于补偿使输出阻抗为50，同时L2还起到高频扼流的作用。C9，L1，C10组成一个三阶低通滤波电路，3dBm的截止频率约为500MHz左右，低通滤波电路一方面可以抑制发射的高次谐波，另一方面可以衰减输入噪音。必须留意，为了降低输入输出网络的相互影响，在ATA5428的内部增加了一个天线开关，在发射状态时开关闭合，输入网络前的20mm×0.4mm传输线由于长度远远小于1/4波长，所以等效与一个电容接地，而在接收时，等效一个电感，这局部的设计必须留意的是分布参数影响。另外高频局部的走线尽量的短粗，元器件参数要根据线路板的实际情况作出适当的调节，以抵消分布参数的影响。ATA5428的灵敏度已经相当理想，当有些特殊场合需较远的通讯间隔的应用时，如双向汽车遥控器等，可以在ATA5428的RF输入端加一级低噪声放大器LNA见图2，以进一步进步ATA5428的接收灵敏度。放大电路的输入和输出都采用了LC匹配网络。放大器的实际增益高达近20dB,可以进步4dB到6dB的灵敏度，相当于增加30%80%的间隔。align=center图2LNA应用电路/align众所周知，一般无线数字接收机在接收有效数据之前，必需要识别数据开场的标志信息及前导码PREAMBLE和同步头SYNCWORD见图3。前导码是由假设干01010数据组成主要是用于恢复与同步无线接收机的时钟，同步头可以是假设干特定的数据，它标志着数据的开场，IDFIELD是个可选项，用于识别接收机的地址。数据域DATAFIELD是真正的数据区，数据的长度通常是可变的，CRC是对IDFIELD和DATAFIELD的效验，可以选择CRC16或者CRC32。ATA5428推荐用Manchester编码以区别与其他同类IC，ATA5428检测前导码采用比拟每个比特的脉冲宽度，并有一个可设置比特数据的长度的范围窗口，其他同类IC那么采用识别是否有01010数据来识别前导码，ATA5428这种比拟前导码的方式，显然具有明显的优点，抗干扰才能大大增强。align=center图3ATA5428接收示意图/alignATA5428有2种接收工作形式，普通形式和透明形式。我们这个应用采用的是普通形式。在普通形式下，接收的经过是当检测到前导码和同步头后，激活收发数据缓冲控制逻辑，并且把数据写入收发数据缓冲区，如图3所示。这里需留意的是ATA5428只有16字节的缓冲区。假如数据队列长度超过16个字节，那么会发生缓冲溢出，所以数据的及时读入非常重要，这样可以防止数据的溢出。ATA5428有一个显示接收数据的计数器，当计数器的值到达了某一个值后，可以通过中断的方式与MCU进展通讯。ATA5428在工作之前需要对其初始化，下面仅给出在普通接收形式下的初始化函数与发送的初始化函数。voidreceive_init_disable_interrupt;/disableallinterruptsSETBITPORTD,CS_5428;/CS_/spiwrite_ctr_reg|5;/0xa5->ctr6spiwrite_ctr_reg|4;/0x50->ctr5spi0x90;/6bitscheck,lim_min:16,4bspiwrite_ctr_reg|3;/0x80->ctr4spi0x00;/FREQ=frf/fxto-32.516384-20.5,3928spiwrite_ctr_reg|2;/0x7b->ctr3spi0x7b;/vsouton,clockoutonspiwrite_ctr_reg|1;/0xb0->ctr2spi0xb1;/manchestermodulatoronspiwrite_ctr_reg|0;/0x42->ctr1spi0x26;/txmode.send1dataeverytimeCLRBITPORTD,CS_5428;/close5428spiinterfaceSETBITPORTD,CS_5428;spicancel_IRQ;CLRBITPORTD,CS_5428;/close5428发送的经过首先是初始化，然后从SPI口送出2-3字节的01010前导码，由于设置的是Manchester，发送几个0XFF即可，后面的格式可以参照图3的数据的传输格式。voidtransfer_dataSETBITPORTD,CS_5428;/CS_5428_/spiwrite_TRX_buffer;/writewritingbuffercommandspi0xFF;/send0xFF,forbitcheckspi0xFF;/send0xFF,forbitcheckspi0x55;/forSYNCWORDspiT;/sendTIDFIELD和DATAFIELDCRC16CLRBITPORTD,CS_5428;/CS_5428-_SETBITPORTD,CS_5428;/CS_5428_/spiwrite_ctr_reg|0;/0x00->ctr1spi0x00;/gotoIDLEmodeCLRBITPORTD,CS_5428;/CS_5428-_ATA5428收到数据后，主动发出中断恳求，MCU响应中断，并且调用接收函数，接收经过首先是判定同步码是否正确，然后将数据域和CRC效验接收下来，假设效验通过那么输出到UART口。实验说明本设计具有本钱低，功耗小，通讯间隔远等特点，经过实际的运行测量，开阔地通讯间隔超过500m。十分在应用环境较为复杂，数据信号轻易受到各种噪声干扰的情况下，该方案的可靠性明显优于超再生的数据传输方案。参考文献：ATA5428datasheet,ATMEL公司0