基于Max2829的2.4G無線通信系統設計*

江 尚 張曙霞 蔣宇中

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

基于Max2829的2.4G無線通信系統設計*

江 尚 張曙霞 蔣宇中

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

提出了一種基于Max2829射頻收發芯片,以STC89C51單片機為控制單元的2.4G無線通信可行性方案。給出了系統設計方案,詳述了器件選型的原因,介紹了硬件電路設計流程,并給出了軟件控制的部分代碼,為構建較遠距離的視距無線通信系統打下基礎。

2.4GHZ; Max2829; Wi-Fi

Class Number TP183

1 引言

近年來,隨著通信技術的飛速發展,無線數據傳輸技術已經滲透到人類社會的各個角落,當ITU-R開放了ISM頻段后,更給Wi-Fi、ZigBee、藍牙等無線傳輸技術提供了廣泛的平臺[1]。這些技術中,Wi-Fi又憑借其覆蓋范圍最大,傳輸速度最快,應用門檻最低的優勢成為各大廠商爭先研究的寵兒。為了滿足因為時代進步而日益增長的用戶體驗,軍事工業需求,本文提出了一種基于Max2829的2.4GHz Wi-Fi可調制基帶射頻傳輸系統可行性設計。

2 系統方案

本方案主要是圍繞Max2829全波段收發器IC,搭建外圍去耦、時鐘和偏置電路支持芯片工作,再使用單片機設定模式和參數,以手動復位電路提供單片機信號復位,最終達到無線數據傳輸的目的。系統框圖如圖1所示。

圖1 基于Max2829的無線通信系統框圖

3 硬件選型

Max2829是美國美信公司(Maxim)專為OFDM 802.11 WLAN應用設計的單芯片射頻收發器芯片,覆蓋2.4GHz～2.5GHz以及4.9GHz～5.875GHz全波段范圍。芯片內包括了實現射頻收、發功能所需要的全部模塊,即收發通道、壓控振蕩器、頻率合成器以及基帶接口和控制接口。僅需功率放大器、射頻開關、帶通濾波器、巴倫平衡電路以及少量的無源器件便可構建完整的射頻前端方案。其特殊工藝和設計使之滿足覆蓋全范圍的數據速率要求。此外還獨有可編程基帶低通濾波器、三線串行接口的集成鎖相環、串行并行增益控制。在比較理想的環境下于54Mbps速率時接收靈敏度為-75dBm,比802.11a/g標準提高10dB,

接收器增益控制范圍為93dB。芯片由單電源供電,額定工作電壓為+2.7V～+3.6V。小尺寸、56引腳的薄型QFN封裝(7mm×7mm)也更加便于植入模塊當中,圖2為Max2829引腳圖[2]。

圖2 Max2829封裝引腳圖

圖3 Max2829內部功能圖

在待機或關斷模式下,Max2829需要使用控制芯片通過SPI接口配置對其進行參數設置才能正常工作。宏晶STC89C51RD+系列芯片有四個8位并行端口外加P4.0～P4.3四個I/O端口,能夠滿足對Max2829的控制需要。此外,該芯片(STC89C51LE58RD+)工作電壓為3V低電壓,與Max2829相同,方便電源電路設計。

4 硬件電路設計

為了提高射頻電路靈敏度需要盡量減少電源紋波干擾,理論上應使用性能較好的線性穩壓電源,但由于其效率低,發熱高,元件配備較多,本設計采用了相對易得的正負5V雙端輸出開關電源,具體型號為鴻海JMD20-55T 5V-3A,再在輸出端連接直流電源濾波器和π型濾波電路,也能控制紋波在可接受的范圍內(均方根值約為7mv)。正負5V電壓供給單端至差分線驅動、接收器后,還需要通過低壓差線性穩壓器件(LDO)將電壓降低至3.3V供給Max2829以及STC單片機,考慮到Max2829 2.5W的工作功率,及其對應的工作電流,在5V轉3.3V的穩壓上采用具有3A負載驅動能力的LM2576,完全可以保證各元件的正常工作。

電源接入后,IC還需要獲得穩定的高頻時鐘,對單片機配備11MHz的無源晶振,并對應datasheet列表在晶振兩腳分別放置容值為25pf的諧振電容。另一方面。Max2829的ROSC口也需要接入20MHz的4腳有源晶振和對應電阻電容。晶振電路的放置應盡量靠近芯片,理想距離應不超過1cm。電容短、開路后對時鐘輸出都會產生明顯的影響,上電后,必須通過示波器或萬用表測量后及時更換整理。

為了減少電源電壓噪聲、本底噪聲、電磁干擾和諧波干擾,收發線路均采用了差分輸入輸出,發送端使用差分至單端線驅動器Max4447接入兩路IQ信號,經Max2829內部集成器件濾波變頻后,用非平衡變壓器(Balun)芯片HHM1711d1送入2.4GHz槳狀天線發出,接收端類似如上逆過程。Max2829同時具有收發功能,所以通信時即可采用兩塊電路分別收發,也可使用開關轉換僅用單板就完成收發功能。

為了對Max2829的運行參數進行設置,單片機除了與CS使能、SCK時鐘和DIN數據三線SPI端口連接外,還需要將并行端口P1.1、P2.5連接至R/TXENA收發使能端、P1.8連接至SHDN關斷輸入端、P0.1～P0.7連接至B1～B7收發增益控制位等進行連接才能有效控制芯片。

另外,調試時單片機經常需要手動復位,利用Max812T門檻電壓3.08V的高電平手動復位芯片與STC單片機Reset引腳進行連接,通過端的按鍵開關可即時控制單片機的復位和片內程序的重載,給調試工作減少了許多不便。

5 軟件設計

要使得系統工作首先需要配置芯片的工作模式,其七種工作模式如表1所示。

表1 Max2829工作模式圖

使用芯片時,首先進入復位模式,復位后,大部分常用參數自行置位完畢,只需要改動相應需要的寄存器,常用的如:頻段選擇和PLL、頻率規劃與分頻器比率、接收增益、發射VGA增益、PA偏執電流等。其中分頻比根據IEEE802.11g劃分的14各頻段中所需的頻段,查對datasheet中IEEE 802.11g頻率規劃和分頻比編程字表寫入相應字段,偏執電流和增益經相關調試后進行更改,且基帶增益可通過向內部寄存器地址0x9寫入控制字和直接向片外端口B7:B1輸入值兩種模式更改,后一種方法一定程度上能夠上縮短程序運行的時間。現給出設置Max2829為發射模式的部分程序如下:

…

sbit RXENA =P1^1;

sbit SHDNB =P1^6;

sbit TXENA =P2^5;

…

main( )

{

init_51( );

SHDNB=0; // SPI復位模式

TXENA=1;

RXENA=1;

delay(10);

SHDNB=1; //Tx發送模式

TXENA=1; //發射使能開

RXENA=0;//接收使能關

…

}

…

寫入SPI的部分程序如下:

…

void write_max2829(uchar addr,uint dat)

{

uchar i;

CSB=0;

for(i=0;i<13;i++)

{

SCLK=0;

if((dat<

DIN=1;

else

DIN=0;

SCLK=1;

}

for(i=0;i<3;i++)

{

SCLK=0;

if((addr<

)

DIN=1;

else

DIN=0;

SCLK=1;

}

SCLK=0;

CSB=1;

}

…

6 結語

本文提出了一種基于Max2829的無線通信傳輸系統的可行性方案,給出了硬件設計和分析,以及軟件控制編寫。該系統可靠性高,反應迅速,外圍電路少,模塊體積小,可應用于多數無線通信場合,之后會進一步提高系統的通信距離以達到遠程視距通信的要求。

[1] 王秀梅.低功耗2.4GHz無線通信系統的設計與實現[J].中國數據通信,2004(11):57-61.

[2] 胡鵬飛.基于Zigbee協議的無線網絡軟硬件研究與設計[D].成都:電子科技大學,2012:33-39.

[3] 秦國增,魏俊博.基于MAX2830的家用無線模塊設計[J].中國科技信息,2009(11):119-121.

[4] 楊將新,李華軍,劉東駿.單片機程序設計及應用[M].北京:電子工業出版社,2006:271-296.

[5] 周航慈.單片機應用程序設計技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2011:296-314.

[6] 塞爾,張之超.無線通信設備與系統設計大全[M].北京:人民郵電出版社,2004:385-402.

[7] 汪華章.基于MSP430的無線數據傳輸模塊設計[J].西南民族大學學報(自然科學版),2009(4):817-820.

[8] 張克彥.AVR單片機實用程序設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004:302-325.

[9] 齊虹,徐志.基于nRF905的短距離無線數據傳輸系統的設計[J].福州大學學報(自然科學版),2010(1):64-68.

[10] 王濤.基于nRF24L01的2.4GHz無線通信系統設計[J].無線電通信技術,2011:4-7.

A Wireless Communication System Design Based on Max2829

JIANG Shang ZHANG Shuxia JIANG Yuzhong

(College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

A wireless communication design based on RF chip Max2829 controlled by STC89C51 is presented. At the beginning, the constitution of the system is described, the reason of the components selection are elaborated. Then the hardware procedure, supplement with partial software coding are introduced, making prototype for further distance horizon communication.

2.4GHz; Max2829; Wi-Fi

2014年4月4日,

2014年5月19日

江尚,男,碩士研究生,研究方向:艦船通信網絡。張曙霞,女,碩士,副教授,研究方向:通信相關技術和通信信號處理。蔣宇中,男,博士,教授,研究方向:通信相關技術和通信信號處理。

TP183

10.3969/j.issn1672-9730.2014.10.018