單片機(jī)無線串行接口電路設(shè)計(jì)

　　1 概 述

　　單片機(jī)無線串行接口電路由MICRF102單片發(fā)射器芯片、MICRF007單片接收器芯片組成，工作在300~440 MHz ISM頻段;具有ASK調(diào)制和解調(diào)能力，抗干擾能力強(qiáng)，適合工業(yè)控制應(yīng)用;采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好;接收靈敏度高達(dá) -96 dBm，最大發(fā)射功率達(dá)-2.5 dBm;數(shù)據(jù)速率可達(dá)2 Kb/s;低工作電壓：4.75~5.5 V;功耗低，接收時(shí)電流3 mA，發(fā)射時(shí)電流7.75 mA，接收待機(jī)狀態(tài)僅為0.5μA，發(fā)射待機(jī)狀態(tài)僅為1.0μA;可用于單片機(jī)之間的串行數(shù)據(jù)無線傳輸，也可在單片機(jī)數(shù)據(jù)采集、遙測遙控等系統(tǒng)中應(yīng)用。

　　2 電路組成及工作原理

　　2.1 無線發(fā)射電路

　　無線發(fā)射電路如圖1所示，電路以MICRF102為核心。MICRF102是Micrel公司推出的一個(gè)單片UHF ASK發(fā)射器，采用SOP(M)-8封裝，芯片內(nèi)包含有：由基準(zhǔn)振蕩器、相位檢波器、分頻器、帶通濾波器、壓控振蕩器構(gòu)成的合成器，發(fā)射偏置控制，RF功率放大器，天線調(diào)諧控制和變?nèi)荻O管等電路，是一個(gè)真正的"數(shù)據(jù)輸入-無線輸出"的單片無線發(fā)射器件。UHF合成器產(chǎn)生載頻和正交信號輸出。輸入相位信號(I)用來驅(qū)動RF功率放大器。天線調(diào)諧正交信號(Q)用來比較天線信號相位。天線調(diào)諧控制部分檢測天線通道中發(fā)射信號的相位和控制變?nèi)荻O管的電容，以調(diào)諧天線，實(shí)現(xiàn)天線自動調(diào)諧。功率放大器輸出受發(fā)射偏置控制單元控制。ASK/OOK調(diào)制，提供低功耗模式，數(shù)據(jù)傳輸速率為20 kb/s。

　　使用中應(yīng)注意的問題是：(1)REFOSC(引腳4)是基準(zhǔn)振蕩端，連接晶振到地，或采用AC耦合方式輸入峰-峰值為0.5 V的時(shí)鐘脈沖。發(fā)射頻率是基準(zhǔn)振蕩器頻率的32倍：基準(zhǔn)振蕩頻率×32=發(fā)射頻率。如果使用外接時(shí)鐘信號，須采用AC耦合方式，輸入信號幅度峰-峰值為200~500 mV。(2)MICRF102使用差分輸出去驅(qū)動天線負(fù)載。功率放大器輸出級包含有一個(gè)變?nèi)荻O管，它自動與天線的電感調(diào)諧，以保證諧振在發(fā)射頻率上。典型的PCB導(dǎo)線天線的電感與回路的尺寸、天線導(dǎo)線的寬度、PCB銅泊的厚度和接地板的位置有關(guān)。設(shè)計(jì)時(shí)一般選擇變?nèi)荻O管的電容值為6.5 pF。天線電感L由公式L=1/(4π2f2C)計(jì)算。(3)功率放大器的輸出功率與PC端(引腳1)上的電壓有關(guān)。正常工作時(shí)，該引腳端上的電壓被設(shè)置在0.2~0.4 V之間。PC端上的電壓上升，輸出功率加大;但是，如果PC端上的電壓超過0.4 V，功率放大器被限流，輸出功率不再增加。減少PC端的電壓可降低電源功率消耗，同時(shí)也會減少RF輸出功率。(4)STBY端(引腳5)是待機(jī)模式控制。接VDD為發(fā)射方式，接VSS為待機(jī)模式。(5)MICRF102芯片對電源紋波敏感，正確地電源旁路是必需的，一般使用4.7μF、 0.1μF、100 pF 3個(gè)電容并聯(lián)在VDD和VSS之間。

　　2.2 無線接收電路

　　無線接收電路如圖2所示，電路以MICRF007為核心。MICRF007是Micrel公司推出的單片UHF ASK/OOK(導(dǎo)通-關(guān)斷鍵控)超外差無線電接收芯片。MICRF007采用SOP(M)-8封裝，芯片內(nèi)電路可分為UHF下變換器、OOK解調(diào)器和基準(zhǔn)控制三部分。UHF下變換器包含RF放大器、混頻器、中頻放大器、帶通濾波器、峰值檢波器、合成器、AGC控制電路;OOK解調(diào)器包含低通濾波器、比較器;基準(zhǔn)控制電路包含基準(zhǔn)振蕩器和控制邏輯電路。僅需外接2個(gè)電容器CAGC和CTH，1個(gè)晶振以及電源去耦電容即可構(gòu)成1個(gè)UHF ASK接收器，所有的RF和IF調(diào)諧都在芯片內(nèi)自動完成，是一個(gè)真正"無線輸入-數(shù)據(jù)輸出"的單片器件。

　　MICRF007是標(biāo)準(zhǔn)的窄RF帶寬的超外差接收器，窄帶寬接收器對RF干擾信號不敏感。RF中心頻率由完全集成的PLL/VCO頻率合成器控制，與基準(zhǔn)振蕩器外接晶振有關(guān)。中頻帶通濾波器的帶寬為430 kHz，基帶解調(diào)器的低通濾波器帶寬為2.1 kHz。接收數(shù)字ASK信號，接收器數(shù)據(jù)傳輸率為2 Kb/s。

　　使用中應(yīng)注意的是：(1)MICRF007是一個(gè)窄帶寬接收器，要求發(fā)射電路必須使用SAW或晶振穩(wěn)頻。(2)如果接收器處于高噪聲環(huán)境，在天線ANT端和VSS之間可以連接一個(gè)固定數(shù)值的帶通網(wǎng)絡(luò)，以提供接收選擇性和輸入過載保護(hù)。(3)基準(zhǔn)振蕩器可通過REFOSC端(引腳8)外接晶振或輸入時(shí)鐘信號?；鶞?zhǔn)振蕩器的頻率fT是外接晶振頻率的64.5倍。對于超外差接收器本機(jī)振蕩頻率fLO和發(fā)射頻率fTX的差值必須等于中頻的中心頻率。因此，發(fā)射器的頻率fTX(即接收器接收頻率)、基準(zhǔn)振蕩器頻率fT和本機(jī)振蕩器頻率fLO的關(guān)系為：fT = fLO/64.5，fLO = fTX±(1.064fTX/390)。(4)SHUT端(引腳6)控制接收器使能，當(dāng)SHUT端電壓VSHUT為高電平時(shí)，芯片進(jìn)入低功耗待機(jī)模式，電流消耗僅為0.5μA;當(dāng)VSHUT為低電平(下拉到地)時(shí)，芯片使能，為接收狀態(tài)。(5)CTH端(引腳4)上的解調(diào)信號的直流值作為比較器的基準(zhǔn)閥值。CAGC端(引腳7)外接電容C2可增加輸入動態(tài)范圍。(6)MICRF007芯片對電源紋波敏感，正確地電源旁路是必需的。一般使用4.7μF、0.1μF、100 pF 3個(gè)電容并聯(lián)在VDD和VSS之間。

　　2.3 單片機(jī)串行接口電路

　　無線收發(fā)電路可以直接與常用的單片機(jī)如8051、68HC05、PIC16C5X等連接，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與單片機(jī)之間的串行數(shù)據(jù)無線傳輸，連接電路如圖3所示。

　　結(jié)束語

　　實(shí)驗(yàn)表明：所設(shè)計(jì)的單片機(jī)串行接口無線收發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，可方便地在單片機(jī)與單片機(jī)之間，構(gòu)成一個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)的無線串行數(shù)據(jù)傳輸通道。

　　使用中應(yīng)注意的問題是：① 在發(fā)射模式下，通信速率最高為2 Kb/s;發(fā)送數(shù)據(jù)之前須將電路置于發(fā)射模式(MICRF102的第5腳STBY = 1);接收模式轉(zhuǎn)換為發(fā)射模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少5 ms;可以發(fā)送任意長度的數(shù)據(jù);發(fā)送結(jié)束后應(yīng)將電路置于接收模式(MICRF007的第6腳SHUT = 0);發(fā)射模式轉(zhuǎn)換為接收模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少5 ms。② 在待機(jī)模式(MICRF102的STBY= 0，MICRF007的SHUT = 1)下，電路不發(fā)射/接收數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)串行通信程序應(yīng)考慮：雙方通信的協(xié)議，有效數(shù)據(jù)識別標(biāo)志，數(shù)據(jù)的檢錯(cuò)、糾錯(cuò)和校驗(yàn)。