基于ＴＨ７１２２．１芯片的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

摘 要：TH7122.1芯片是一款由比利時(shí)Melexis公司開(kāi)發(fā)的低功耗單片集成無(wú)線收發(fā)芯片。主要介紹該芯片的功能特點(diǎn)，并以該芯片為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一種低成本的半雙工無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊。調(diào)試結(jié)果表明，所實(shí)現(xiàn)的模塊無(wú)線數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定可靠。利用該模塊可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的無(wú)線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，在某些短距離無(wú)線應(yīng)用場(chǎng)合具有實(shí)用價(jià)值，對(duì)其他無(wú)線應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：無(wú)線收發(fā)芯片；數(shù)據(jù)傳輸模塊；數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)；FSK

中圖分類號(hào)：TN914.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)06-149-04

Design of Wireless Data Transmission Module Based on TH7122.1 Chip

ZHANG Dongbin ZHU Wenzhang2，GUO Donghui1

(1.Xiamen University，Xiamen，361005，China；2.Xiamen University of Technology，Xiamen，361005，China)

Abstract：TH7122.1 is a wireless transceiver chip with low power consumption designed by Melexis Corporation in Belgium.This paper introduces its functions based on which gives the design of half-duplex wireless data transmission module.Debugging result shows that the module works stability and reliability.This module can be used to achieve wireless data communication systems with simple structure and stable performance.It has practical value in some short-range wireless application，also has reference value to the design of other wireless application system.

Keywords：wireless transceiver chip；data transmission module；data communication system；FSK

基金項(xiàng)目：福建省自然科學(xué)基金計(jì)劃資助項(xiàng)目(A0410007)、福建省科技重點(diǎn)項(xiàng)目和國(guó)家教育部新世紀(jì)人才計(jì)劃項(xiàng)目的聯(lián)合資助

目前，短距離無(wú)線通信已經(jīng)越來(lái)越普遍，應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越多，包括：無(wú)線抄表、車輛監(jiān)控、機(jī)器人控制、數(shù)字音頻及圖像傳輸，還有無(wú)線耳機(jī)，無(wú)線鼠標(biāo)鍵盤等。凡是布線繁雜或不允許布線的場(chǎng)合都希望能通過(guò)無(wú)線方案來(lái)解決。大量射頻IC芯片的開(kāi)發(fā)使得無(wú)線通信系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期縮短，成本也越來(lái)越低。基于各種射頻IC芯片如Nordic公司的nRF系列射頻IC，Chipcon公司的CC系列射頻IC，Integration公司的IA系列射頻IC以及其他的射頻IC等的設(shè)計(jì)都為無(wú)線傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)提供了各式的方案^[1]。本文中無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計(jì)是基于Melexis公司的TH系列無(wú)線收發(fā)芯片TH7122.1，是實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸?shù)牧硪环N方案。該設(shè)計(jì)通過(guò)兩PC的串口實(shí)現(xiàn)兩邊數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，具有功耗低、軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單與通信穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。

1 芯片功能

1.1 主要特性

TH7122.1^[2，3]是全集成FSK/FM/ASK收發(fā)芯片；可應(yīng)用于低功耗多通道或單通道半雙工數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可工作在ISM頻段及SRD頻段；具有2種使用模式：?jiǎn)螜C(jī)用戶模式(Stand-alone User Mode)和可編程用戶模式(Programmable User Mode)；在單機(jī)用戶模式下，工作于4個(gè)固定的頻點(diǎn)之一：315/433.92/868.30/915 MHz；在可編程用戶模式下，工作頻率范圍可設(shè)定在300～930 MHz之間，還可以通過(guò)使用一個(gè)外部壓控振蕩變?nèi)荻O管使他的最低工作頻率降至27 MHz，利用芯片集成的串行控制接口(SCI)對(duì)其進(jìn)行配置；4種不同的工作狀態(tài)(Standby/Receive/Transmit/Idle)；極低的電流消耗(待機(jī)狀態(tài)下電流50 nA)；寬的工作電壓范圍(2.2～5.5 V)；最高FSK數(shù)據(jù)傳輸速率為115 kb/s，ASK數(shù)據(jù)傳輸速率為40 kb/s；接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)輸出；可變RF功率范圍為-20～+10 dBm；接收靈敏度達(dá)-105 dBm(@FSK with 180 kHz IF filter BW)/-107dBm(@ASK with 180 kHz IF filter BW )。

1.2 引腳及內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

芯片采用LQFP封裝，引腳結(jié)構(gòu)如圖1所示，pin9～25為發(fā)射部分相關(guān)引腳，pin1～8及pin26～32為接收部分相關(guān)引腳。

其中TE/SDTA，RE/SCLK，F(xiàn)S0/SDEN，F(xiàn)S1/LD這4個(gè)引腳帶有復(fù)用功能，在SUM模式下啟用第1個(gè)功能，TE和RE用于設(shè)置工作狀態(tài)，F(xiàn)S0和FS1則用于選擇工作頻率；在PUM模式下啟用第2個(gè)功能，SDTA，SCLK和SDEN組成串行控制接口(SCI)，用于寫入控制字；LD用于相位一致性檢測(cè)。

芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括：可變?cè)鲆娴牡驮肼暦糯笃?LNA)、混頻器(MIX)、中頻放大器(IF)、FSK解調(diào)器、運(yùn)算放大器(OA1，OA2)、ASK解調(diào)器、數(shù)字邏輯串行控制接口(SCI)、功率放大器(PA)、鎖相環(huán)合成器(PLL Synthesizer)等。其主要模塊是1個(gè)可編程的鎖相環(huán)合成器，他由參考基準(zhǔn)振蕩器(RO)、N/R頻率字寄存器、電荷泵(CP)、相位/頻率檢測(cè)器(PFD)及壓控振蕩器(VCO)組成，在發(fā)射模式下產(chǎn)生載波頻率；在接收模式下產(chǎn)生本地振蕩信號(hào)，采用超外差接收方式。

工作過(guò)程：接收時(shí)，從天線感應(yīng)到的RF信號(hào)經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)后由LNA放大，之后經(jīng)MIX下變頻到10.7 MHz的中頻再放大、濾波，最后解調(diào)輸出，ASK與FSK的解調(diào)輸出取自O(shè)UT_DTA，F(xiàn)M的解調(diào)輸出取自O(shè)UT_DEM。發(fā)射時(shí)，基帶調(diào)制數(shù)據(jù)有2種輸入方式，一是由IN_DTA端輸入的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制方式，二是經(jīng)由LF端輸入的稱為直接VCO調(diào)制的方式；VCO的輸出信號(hào)經(jīng)PA功率放大后，再經(jīng)過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)由天線發(fā)射出去。

1.3 控制字

任何可編程器件，只有正確設(shè)定芯片的控制字后才能保證按預(yù)期的正常工作，TH7122.1也不例外。他有4個(gè)控制字Aword～Dword，對(duì)應(yīng)內(nèi)部4個(gè)寄存器，每個(gè)24位，其中包含2位地址標(biāo)志位。這些控制字用于配置芯片的工作條件，如頻率字計(jì)數(shù)值設(shè)置、工作狀態(tài)設(shè)置、增益控制、調(diào)制方式設(shè)置、電流和功耗控制、輸入數(shù)據(jù)極性設(shè)置以及使能設(shè)置等。向芯片寫入控制字的時(shí)序如圖3所示，其中tCS最小值為150 ns，tCH最小值為50 ns，其余的最小時(shí)間為100 ns。

2 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)模塊的硬件由TH7122.1無(wú)線收發(fā)芯片及其外圍支撐元件電路、單片機(jī)STC12C5052及其與PC的接口電平轉(zhuǎn)換電路組成，采用標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制的連接方式，如圖4所示。收發(fā)雙方采用對(duì)等通信的方式，故該電路對(duì)收發(fā)兩端是通用的。

STC12C5052是一款低功耗及寬電壓設(shè)計(jì)的增強(qiáng)型1T 8051單片機(jī)^[4]，速度為普通8051單片機(jī)的8～12倍，可兼容普通8051單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的使用。在由該模塊構(gòu)成的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試系統(tǒng)中，利用串口調(diào)試工具將要發(fā)送的數(shù)據(jù)由PC的串口送到單片機(jī)，再由單片機(jī)送入TH7122.1調(diào)制后發(fā)射出去；接收端解調(diào)后由單片機(jī)讀取再傳送給PC用以顯示對(duì)比。TH7122.1的SCI接口、數(shù)據(jù)輸入輸出端、增益控制端與單片機(jī)I/O口相連接，單片機(jī)的收發(fā)數(shù)據(jù)端RXD，TXD通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路后與PC機(jī)RS 232串口相連。開(kāi)關(guān)S用于對(duì)單片機(jī)手動(dòng)復(fù)位。

單片機(jī)所用晶振頻率選為11.059 2 MHz，可得到相對(duì)準(zhǔn)確的波特率定時(shí)；對(duì)于TH7122.1，采用PUM使用模式及FSK標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試方式，晶振頻率選用8 MHz，發(fā)射的載波頻率采用315 MHz，相應(yīng)地，超外差接收時(shí)本振頻率為304.3 MHz，外圍元件的取值如原理圖中所示。

現(xiàn)在的收發(fā)芯片大多有多個(gè)工作頻段和多種調(diào)制方式，這樣不僅跟芯片本身內(nèi)部電路的設(shè)計(jì)有關(guān)，比如需要可工作于多頻段下的低噪聲放大器LNA^[5]，還跟其外圍元件的取值有關(guān)。不同頻段下，其外圍支撐元件的取值會(huì)有差別；同一頻段下的不同調(diào)制方式，其外圍支撐元件取值也會(huì)不同，乃至不同的外圍電路形式。同一頻段內(nèi)的相同調(diào)制方式，如果信道間距不過(guò)大，用同樣的外圍支撐元件在多信道情況下是可以良好工作的。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件編程采用C語(yǔ)言，用Keil-C51^[6，7]進(jìn)行編譯，程序流程如圖5所示：

PC與單片機(jī)之間及單片機(jī)與收發(fā)芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸都是采用串行方式，故傳輸過(guò)程中要設(shè)置起始標(biāo)志位(低電平)，并且與要設(shè)定傳輸波特率定時(shí)，數(shù)據(jù)校驗(yàn)采用偶校驗(yàn)方式。TH7122.1采用透明數(shù)據(jù)傳輸，內(nèi)部沒(méi)編碼轉(zhuǎn)換，沒(méi)有數(shù)據(jù)寄存器，所以不像nRF2401那樣具有突發(fā)模式(ShockBurstTM Mode)^[8]，即不是先存儲(chǔ)接收數(shù)據(jù)，然后再由某種觸發(fā)才一次性發(fā)射，而是對(duì)接收到的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行調(diào)制并發(fā)射；如果需要，可以通過(guò)在單片機(jī)內(nèi)定義數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)空間實(shí)現(xiàn)突發(fā)模式。在上電后，TH7122.1默認(rèn)處于SUM模式，為進(jìn)入PUM模式以配置芯片的工作方式，只需改變FS0/SDEN引腳的狀態(tài)，如設(shè)置其從高電平躍變?yōu)榈碗娖剑缶桶碨CI接口的時(shí)序要求寫入4個(gè)控制字。由于每個(gè)字有自己的地址標(biāo)志，所以可以在任何需要的時(shí)候只更改其中一個(gè)字，如在沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)可重寫Aword使之從收發(fā)狀態(tài)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)或空閑狀態(tài)以降低功耗，而在待機(jī)狀態(tài)下，可再次重寫Aword進(jìn)入收發(fā)狀態(tài)。此外，F(xiàn)SK調(diào)制方式下，待機(jī)狀態(tài)到發(fā)射或接收狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)間最大為1.5 ms，發(fā)射狀態(tài)和接收狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間為1 ms，所以為保證工作正常，應(yīng)在相應(yīng)的延時(shí)時(shí)間后才發(fā)送接收數(shù)據(jù)。結(jié)合系統(tǒng)的信道頻率，此處發(fā)射端的A～D控制字為：0x09F817，0x5EE815，0xA4036B，0xE8033B；接收端的A～D控制字為：0x09F417，0x5FE815，0xA4036B，0xE8033B。

4 調(diào) 試

采用STC單片機(jī)PC端ISP程序下載控制軟件Ver3.1(可從STC單片機(jī)主頁(yè)www.mcu-memory.com下載得到)將程序編譯后生成的16進(jìn)制代碼載入單片機(jī)中，同時(shí)通過(guò)該串口調(diào)試工具，從PC1端發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)無(wú)線傳輸后在PC2端接收顯示。由于基帶數(shù)據(jù)輸入的硬件連接采用FSK標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制方式，根據(jù)建議的最大傳輸速率為20 kb/s(在采用直接VCO調(diào)試的硬件連接方式時(shí)，最大傳輸速率為115 kb/s)，設(shè)定基帶數(shù)據(jù)的波特率為19.2 kb/s，調(diào)試成功后，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸。此外，在基帶數(shù)據(jù)輸入改用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的方波替代時(shí)，觀察接收端的解調(diào)輸出，從1～20 kHz的范圍(相當(dāng)于數(shù)據(jù)速率為2～40 kb/s)，兩端的信號(hào)在示波器上呈現(xiàn)出一樣的波形。改變方波的頻率，接收端波形同步變化，但在頻率較高時(shí)波形出現(xiàn)毛點(diǎn)且隨頻率的升高而增多，說(shuō)明波形失真已比較嚴(yán)重，因此最好在所建議的最大傳輸速率范圍內(nèi)使用。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文在對(duì)TH7122.1芯片性能及原理分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了一種無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，進(jìn)而利用該模塊構(gòu)建一個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試系統(tǒng)，其工作的信道頻率為315 MHz，經(jīng)調(diào)試表明采用該模塊的測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸。模塊的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有節(jié)能模式，對(duì)于短距離無(wú)線應(yīng)用如工業(yè)無(wú)線控制，生物信號(hào)采集等具有實(shí)用價(jià)值，也可嵌入于其他應(yīng)用系統(tǒng)如無(wú)線警報(bào)安防系統(tǒng)、車輛監(jiān)控系統(tǒng)、低功耗遙測(cè)系統(tǒng)等。

參考文獻(xiàn)

[1]黃智偉.單片無(wú)線數(shù)據(jù)通信IC原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[2]Melexis Corporation.TH7122 Datasheet[EB/OL].http：//www.melexis.com/ProdMain.aspx?nID=121，2006-10-13.

[3]Melexis Corporation.TH7122 Product Information[EB/OL].http：//www.melexis.com/ProdMain.aspx?nID=121，2007-02-27.

[4]宏晶科技有限公司.STC12C2052AD系列單片機(jī)用戶手冊(cè)[EB/OL].http：//www.mcu-memory.com，2006-08-07.

[5]Hashemi H.Concurrent Multiband Low-Noise Amplifiers-Theory，Design and Applications\\[J\\].IEEE Transactions on Microwave Theory and techniques，2002，50(1)：288-301.

[6]尹勇，李宇.μVision2 單片機(jī)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)指南[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[7]于京，張景璐.51系列單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用案例[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.

[8]Nordic VLSI ASA .nRF2401 Datasheet [EB/OL].http：//www.nvlsi.no.2003-03.

作者簡(jiǎn)介 張東彬 男，1984年出生，泉州人，廈門大學(xué)碩士研究生。研究方向?yàn)槟M集成電路設(shè)計(jì)。