RFM60無線模塊在遙控器中的應用設計

遙控器有許多不同的尺寸和形狀，而且選擇的無線技術也不盡相同。作為產品配件，其廣泛用于消費類電子領域，如電視機、電子游戲機、音響系統(tǒng)、燈光控制以及家居自動化(包括車庫門/房門啟動器、空調設備、風扇和汽車RKE系統(tǒng))。

RF遙控器有其共有的特性，如圖1結構簡圖所示。RF遙控器的基本組件包括：為用戶提供輸入命令的按鍵；把用戶命令轉換成數字信息的MCU；用于調制和發(fā)射消息的RF發(fā)射器；天線；為遙控器提供動力的電池。制造商在設計RF遙控器時所面臨的共同挑戰(zhàn)，是如何提供穩(wěn)定的最大傳輸距離、確保更長的電池壽命和維持較低的系統(tǒng)成本。

圖1：RF遙控器結構簡圖

最大化傳輸距離涉及使用盡可能大的功率，同時提供一個高靈敏度的接收器，因為總發(fā)射距離是發(fā)射器輸出功率和接收器靈敏度共同作用的結果。從遙控器端來說，設計目標是構建符合法規(guī)限制的最大輸出功率，這也意味著所有遙控器應具有相同的輸出性能，因為它們都要符合相同法規(guī)限制。

RFM60發(fā)射器是深圳市惠貽華普電子有限公司無線產品線的最新成員，也是業(yè)界第一款單芯片(RF+MCU)遙控器IC，只需要一個外部旁路電容、一塊PCB、電池和一塊帶按鍵的外殼，即可構成一個完整的遙控器。RFM60包括一個專利天線調諧電路，能夠為每一個按鍵動作自動微調天線至最佳發(fā)射功率。傳統(tǒng)的遙控器設計中，RF發(fā)射器差異、組件和天線制造公差以及周圍環(huán)境導致天線效率較低、輸出能量浪費嚴重。圖2是RFM60功率放大器和天線調諧電路的結構簡圖。

圖2：RFM60天線調諧框圖

通過調整片上與天線自感產生共振的可變電容器，RFM60可以最大化發(fā)射天線效率。這些自動的電容器調整通過補償天線匹配電路的失諧使遙控器的發(fā)射功率最大化，并通過允許放寬PCB天線制造公差來降低設計成本。

功率放大器(PA)包含一個反饋回路，通過監(jiān)視PA輸出電壓、調整PA電流驅動(以補償天線阻抗的變化)，從而維持穩(wěn)定的輸出功率。盡管有溫度變化和“手效應”的影響，反饋回路有效維持穩(wěn)定輸出功率，正如上文所述，當一個人手持遙控器時將改變天線阻抗。天線調諧的最終結果，是為每個按鍵操作提供穩(wěn)定可靠和最佳的性能，同時降低符合RF匹配要求的設計成本和復雜性。使用RFM60自動天線調諧特性的遙控器能夠可靠和穩(wěn)定運行，在滿足政府發(fā)射限制下提供最大發(fā)射距離。

電池壽命是任何便攜式電子設備，特別是遙控器的重要考慮因素。當我們考慮典型的遙控器使用方式時發(fā)現(xiàn)，超過99%的時間里，遙控器處于等待用戶按鍵操作的狀態(tài)。在此期間，RFM60功耗小于10nA(室溫下)，這使其成為電池供電應用的理想選擇。此外，具有觸摸喚醒功能的GPIO特性進一步減少了遙控器的電流消耗，延長了電池壽命。

圖3 是典型遙控器應用中RFM60的功耗實例。使用CR2032電池，最大發(fā)射功率+10dBm。

圖3：RFM60電池壽命計算實例

在傳輸期間，輸出功率為+10dBm時，RFM60在OOK調制模式下耗電14.2mA或在FSK調制模式下耗電19.8mA。如果我們假設如下情形：1kBaud數據傳輸率、曼徹斯特編碼、每數據包100bit、每次按鍵重復發(fā)送3次，則我們得到如下結論：在每天50次按鍵、連續(xù)5年操作條件下，OOK調制模式下僅消耗220mAH CR2032電池電量的52%；FSK調制模式下消耗電池電量的71%。

所有遙控器設計的最重要考慮因素之一，是最大限度地減小系統(tǒng)設計成本，這受到除元件成本外許多因素的影響，包括勞動力成本、庫存、測試和制造產量。到目前為止，市場上占主導地位的低成本RF遙控器解決方案是使用MCU和基于表面聲波(SAW)的RF發(fā)射器，如圖4所示。

圖4：基于SAW遙控發(fā)射器的簡化原理圖

這種設計的拓撲結構被廣泛接受，主要是因為其低成本和簡單。SAW設備與振蕩器結構中的晶體管Q1產生共振形成載波頻率，晶體管Q2提供輸出功率放大和穩(wěn)定運行所需的隔離功能。來自MCU的數據直接應用于SAW諧振器，形成OOK調制信號，來自MCU的GPIO6提供電壓(VCC)到基于SAW的發(fā)射器。整個解決方案使用24個外部元件，包括MCU、一個旁路電容、為MCU提供時鐘的石英晶體，帶板內天線的PCB板和電容器。傳統(tǒng)上，這已經成為最低分離元件成本的可靠射頻傳輸解決方案。從系統(tǒng)成本的角度來看，較多的BOM數量增加了其他成本，如勞動力成本、庫存和測試等費用，并降低了產量。

雖然基于SAW的發(fā)射器被廣泛應用于遙控器(由于其較低的分離元件成本)，但是舊有技術有許多缺點。除了大量RF組件所帶來的較高系統(tǒng)成本外，基于SAW的發(fā)射器還有如下缺點：載波頻率精度低、單頻操作、僅支持OOK調制、性能穩(wěn)定性差、對器件容差敏感、產量低。

與此相反，RFM60是一款完整的SoC遙控器IC，可在27-960MHz的連續(xù)頻率范圍內工作，并且包括最大輸出功率高達+10dBm的可編程PA，自動天線調諧和為滿足FCC、ETSI和ARIB無線電頻率法規(guī)要求的PA邊沿速率控制。嵌入式8051 MCU為進行快速處理而進行了指令優(yōu)化，具有512B內部RAM、4kB RAM，8kB OTP NVM、128b EEPORM, 12kB 函數庫ROM和硬件加速的128b AES加密邏輯。1.8-3.6V供電范圍、比超低功耗(10nA)還少的待機電流以及觸摸喚醒操作，使得RFM60成為紐扣電池應用的理想選擇。圖5是RFM60 SoC 發(fā)射器框圖。

圖5：RFM60框圖

圖6是一個使用RFM60的遙控器原理圖，帶有一個可選的LED燈用于按鍵操作時的指示。遙控器總的BOM(不包括可選的LED燈)包括一顆RFM60 IC、一顆旁路電容、帶板載天線和電容的PCB。RFM60不僅總BOM數量少于基于SAW的發(fā)射器(3比24)，而且RFM60也無需任何RF元件，因為所有元件都集成在了芯片內部。此外，RFM60器件的自動天線調諧功能保證了穩(wěn)定可靠的輸出功率，并且通過放寬制造工藝中的公差范圍(因為高精確的天線匹配不再需要)，降低了系統(tǒng)成本。

圖6：使用RFM60的遙控器簡圖

使用RFM60設計的遙控器克服了傳統(tǒng)RF發(fā)射器所面臨的許多問題。RFM60利用天線調諧特性消除了困難且繁瑣的RF匹配問題，同時也降低了高成本的RF設計費用，縮短了上市時間。

使用集成在12kB ROM中的RFM60發(fā)射器函數庫進行遙控器軟件開發(fā)是非常容易的。該庫包括按鍵服務、AES加密、編碼模塊、電池電壓檢測和其他有用的遙控功能，從而降低代碼大小，加速上市。

圖7：RFM60遙控器控制流程圖

圖7是遙控器應用中RFM60控制流程圖。安裝電池或通過按鍵從待機模式喚醒后，RFM60自動啟動引導過程，它從非易失性存儲器中復制用戶代碼到RAM中，然后運行用戶代碼。引導完成后，設備的數字部分，首先初始化(MCU、中斷、定時器、外設等)，然后模擬部分使用ROM庫中的函數進行初始化。例如調制類型(OOK或FSK)、數據率、PA發(fā)射等級、載波頻率等都在這個階段設定。

當初始化完成后，程序進入主循環(huán)并監(jiān)視按鍵操作，進行事件處理。依賴于哪一個按鍵被按下，程序決定做什么，并根據按鍵構建適合的數據包。然后，RFM60微調頻率并發(fā)射數據包。一旦信息發(fā)射完成，RFM60完全關閉并轉入超低功耗待機狀態(tài)。在待機模式，芯片耗電少于10nA(25°C溫度下)，并能夠從任意GPIO按鍵按下中喚醒，重新開始處理。