短距離ＩＳＭ頻段無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用設(shè)計(jì)

摘要：給出ATA5428在ISM頻段短距離雙向無線數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：ATA5428；ISM；433MHz短距離雙向無線通信

引言

近些年來，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，ISM頻段單芯片的無線數(shù)據(jù)通信IC的性能日益提高，短距離無線應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷的擴(kuò)大，其中包括家用電器，消費(fèi)電子產(chǎn)品，工業(yè)控制，安防，自動(dòng)抄表，汽車遙控控制等諸多領(lǐng)域。

本文介紹一種基于ATMEL公司的單芯片多頻點(diǎn)，工作于ISM頻段的收發(fā)芯片ATA5428在無線數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用。

ATA5428是ATMEL：公司新推出的一款包含了射頻功能和邏輯控制功能的集成電路。可以工作于431.5MHz～436.5MHz。ATA5428具有低功耗和高集成度，傳輸?shù)木嚯x遠(yuǎn)，接收的靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，其內(nèi)部集成壓控振蕩器、鎖相環(huán)電路、功率放大電路、解調(diào)電路、變頻器、中放電路等。由于高度的集成化使復(fù)雜無線電路大大簡(jiǎn)化，以往較難處理的射頻部分，被簡(jiǎn)化到只需在IC外圍加上幾個(gè)免調(diào)試的分立元件。

ATA5428內(nèi)部含有自動(dòng)定時(shí)接收喚醒數(shù)字邏輯控制電路，可以設(shè)定喚醒的周期，選擇這個(gè)功能后僅僅增加一些收發(fā)延遲，但會(huì)成倍的降低接收功耗。ATA5428內(nèi)部含有7個(gè)控制寄存器，可以非常簡(jiǎn)單的對(duì)頻率、收發(fā)速率、調(diào)制方式進(jìn)行設(shè)置。ATA5428內(nèi)部還包含一個(gè)16字節(jié)先進(jìn)先出RAM緩沖器，利用這個(gè)功能減少對(duì)MCU的依賴，使MCU有更多的時(shí)間處理其它的事務(wù)。所以，MCU既使運(yùn)行在比較低的頻率，在收發(fā)雙方不小于100ms響應(yīng)下，依然能夠正常工作。

系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用了AVR系列單片機(jī)ATmega88。ATA5428與ATmega88通訊采用SPI接口，與外部通信采用UART接口。由于高度集成化ATA5428外圍零件已經(jīng)很少，所以設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是RF前端的匹配電路的設(shè)計(jì)。一般的RF芯片發(fā)射與接收端口的阻抗并不是標(biāo)準(zhǔn)的50 Q阻抗，而是在不同頻率下都可以等效為一個(gè)實(shí)部加一個(gè)虛部，例如ATA5428在433.92MHz的頻率下輸入阻抗可以等效為(32-i169)Q，要達(dá)到最佳的接收效果必須將輸入阻抗通過外圍器件的補(bǔ)償使之與50Ω的天線匹配，圖1中L4與C1的作用是補(bǔ)償輸入阻抗成為50Ω，同樣L2與C8的作用是用于補(bǔ)償使輸出阻抗為50Ω，同時(shí)L2還起到高頻扼流的作用。C9，L1，C10組成一個(gè)三階低通濾波電路，3dBm的截止頻率約為500MHz左右，低通濾波電路一方面可以抑制發(fā)射的高次諧波，另一方面可以衰減輸入噪音。必須注意，為了降低輸入輸出網(wǎng)絡(luò)的互相影響，在ATA5428的內(nèi)部增加了一個(gè)天線開關(guān)，在發(fā)射狀態(tài)時(shí)開關(guān)閉合，輸入網(wǎng)絡(luò)前的20mm×0.4mm傳輸線由于長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1/4波長(zhǎng)，所以等效與一個(gè)電容接地，而在接收時(shí)，等效一個(gè)電感，這部分的設(shè)計(jì)必須注意的是分布參數(shù)影響。另外高頻部分的走線盡量的短粗，元器件參數(shù)要根據(jù)線路板的實(shí)際情況作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，以抵消分布參數(shù)的影響。

ATA5428的靈敏度已經(jīng)相當(dāng)理想，當(dāng)有些特殊場(chǎng)合需較遠(yuǎn)的通信距離的應(yīng)用時(shí)，如雙向汽車遙控器等，可以在ATA5428的RF輸入端加一級(jí)低噪聲放大器LNA(見圖2)，以進(jìn)一步提高ATA5428的接收靈敏度。放大電路的輸入和輸出都采用了LC匹配網(wǎng)絡(luò)。放大器的實(shí)際增益高達(dá)近20dB，可以提高4dB到6dB的靈敏度，相當(dāng)于增加30％～80％的距離。

軟件設(shè)計(jì)

眾所周知，一般無線數(shù)字接收機(jī)在接收有效數(shù)據(jù)之前，必須要識(shí)別數(shù)據(jù)開始的標(biāo)志信息及前導(dǎo)碼PREAMBLE和同步頭SYNCWORD(見圖3)。前導(dǎo)碼是由若干01010……數(shù)據(jù)組成主要是用于恢復(fù)與同步無線接收機(jī)的時(shí)鐘，同步頭可以是若干特定的數(shù)據(jù)，它標(biāo)志著數(shù)據(jù)的開始，ID FIELD是個(gè)可選項(xiàng)，用于識(shí)別接收機(jī)的地址。數(shù)據(jù)域DATA FIELD是真正的數(shù)據(jù)區(qū)，數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度通常是可變的，CRC是對(duì)ID FIELD和DATA FIELD的效驗(yàn)，可以選擇CRC16或CRC32。ATA5428推薦用Manchester編碼以區(qū)別與其他同類IC，ATA5428檢測(cè)前導(dǎo)碼采用比較每個(gè)比特的脈沖寬度，并有一個(gè)可設(shè)置比特?cái)?shù)據(jù)的長(zhǎng)度的范圍窗口，其他同類IC則采用識(shí)別是否有01010…數(shù)據(jù)來識(shí)別前導(dǎo)碼，ATA5428這種比較前導(dǎo)碼的方式，顯然具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，抗干擾能力大大增強(qiáng)。

ATA5428有2種接收工作模式，普通模式和透明模式。我們這個(gè)應(yīng)用采用的是普通模式。在普通模式下，接收的過程是當(dāng)檢測(cè)到前導(dǎo)碼和同步頭后，激活收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖控制邏輯，并且把數(shù)據(jù)寫入收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，如圖4所示。這里需注意的是ATA5428只有16字節(jié)的緩沖區(qū)。如果數(shù)據(jù)隊(duì)列長(zhǎng)度超過16個(gè)字節(jié)，那么會(huì)發(fā)生緩沖溢出，所以數(shù)據(jù)的及時(shí)讀入非常重要，這樣可以避免數(shù)據(jù)的溢出。ATA5428有一個(gè)顯示接收數(shù)據(jù)的計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值到達(dá)了某一個(gè)值后，可以通過中斷的方式與MCU進(jìn)行通信。

ATA5428在工作之前需要對(duì)其初始化，下面僅給出在普通接收模式下的初始化函數(shù)與發(fā)送的初始化函數(shù)。