基于T5743的傳感器數(shù)據(jù)無線通信設計 - 全文

　　摘要：無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點是一個微型嵌入式系統(tǒng)，有采集、發(fā)送、接收數(shù)據(jù)等功能，本文以無線通信技術為基礎設計網(wǎng)絡接收節(jié)點，采用RF 射頻接收芯片T5743 的網(wǎng)絡接收節(jié)點，達到了網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)據(jù)的短距離接收，并降低接收數(shù)據(jù)的誤碼率，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)無線通信。

　　一、引言

　　在無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，對采集數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)等的功能要求各有兼顧，其處理能力、存儲能力和通信能力都是對采集的數(shù)據(jù)進行管理和協(xié)同工作，因此傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的軟硬件技術是傳感器網(wǎng)絡研究的重點。本文主要是對無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)據(jù)的短距離接收進行設計探討。

　　二、接收節(jié)點工作原理

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　　無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)接收節(jié)點模塊主要由接收芯片T5743 和MCU 微處理器PIC18F6620 構成，如圖1，發(fā)射端采用ATMEL 公司的的T5754 做為數(shù)據(jù)發(fā)射芯片，與接收芯片T5743 相匹配，以一定的發(fā)射接收頻率和數(shù)據(jù)傳輸速率協(xié)同工作。接收芯片T5743 通過DATA 串行雙向數(shù)據(jù)線與MCU微處理器PIC18F6620 的I/O 口進行通訊，MCU 微處理器接收數(shù)據(jù)時，用DATA_CLK 作為同步時鐘，微處理器PIC18F6620 向接收芯片T5743 發(fā)送指令時依靠特殊時序來達成數(shù)據(jù)接收和處理。接收過程用軟件控制的方式來進行數(shù)據(jù)傳送和實現(xiàn)對接收芯片T5743 的控制，在接收數(shù)據(jù)之前，微處理器PIC18F6620 通過DATA 線將MUC 內的程序寫入接收芯片的配置寄存器里，對接收芯片進行配置，隨后等待接收數(shù)據(jù);當有數(shù)據(jù)來時，由接收芯片T5743 的LNA_IN 端接入，經(jīng)低噪聲放大器放大后送入混頻器，使其變換成中頻;在中頻級，經(jīng)變換的信號在送入解調器之前被放大和濾波。

　　三、接收節(jié)點芯片

　　ATMEL的T5743芯片是集成UHF 無線電接收模塊，帶有PLL 鎖相環(huán)結構的接收芯片，采用SO20 封裝[2]。T5743芯片是為滿足低數(shù)據(jù)率、低成本RF 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的要求而開發(fā)出來的，其數(shù)據(jù)傳輸速度為1～10kB/s，編碼方式為曼切斯特或雙相位方式，可用于接收頻率范圍為300MHz～450MHz(433.92MHz 和315MHz)的ASK 數(shù)據(jù)傳輸;高靈敏度，全集成VCO，可實現(xiàn)低功耗功能，電源電壓4.5V~5.5V;單端RF 輸出容易與天線或PCB 版的印制天線相適配;

　　工作溫度范圍為-40℃～105℃。

　　T5743 芯片帶有一雙向串行數(shù)據(jù)接口DATA，通過DATA 芯片可與MCU 進行串行通訊，交換信息。它可以工作在2 種典型頻率433.92MHz 和315MHz，由MODE 引腳來選擇，置高為433.92MHz，置低為315MHz，接收頻率在1kB～10kB 之間可選，由軟件設定。設計中由于采用1MHz 中頻與前端SAW濾波器相配合實現(xiàn)了高鏡像抑制，基于使新型SAW 器件，達到了40dB 抑制，并能用簡單的雙向數(shù)據(jù)線實現(xiàn)與微控制器的通信，利用單獨引腳經(jīng)微控制器實現(xiàn)電源管理。

　　T5743 芯片的RF 前端是一個超外差結構，將射頻輸入信號變換成1MHz IF 信號。RF 前端由低噪聲放大器LNA，

　　本地振蕩器LO、混頻器和RF 放大器組成。LO 是由PLL 鎖相環(huán)產(chǎn)生的載波頻率，供混頻器使用。RF 信號經(jīng)RF 輸入腳LNA-IN 輸入，在433.92MHz 時輸入阻抗為1000Ω/pF，在設計輸入網(wǎng)絡時首先考慮噪聲匹配，適當調整元件值和印制板的分布電感電容與輸入端的匹配，達到T5743 在高信噪比時靈敏度最高。這樣，從RF 前端來的信號經(jīng)全集成4 階IF 濾波器濾波，達到334.92MHz 的應用，中頻的中心頻率為l MHz。

　　設計中解調器的工作方式由寄存器OPMODE 設置，邏輯“L”設置解調器為FSK 方式;邏輯“H”設置解調器為ASK方式。在ASK 方式使用了自動門限控制電路，它將檢測參考電壓設置在一個能獲得好信噪比的適當值上，這個電路也能有效抑制任何類型的帶內噪聲信號或競爭發(fā)射，如果S/N 超過10dB 即能很好檢測出數(shù)據(jù)信號。在FSK 方式下，如果S/N超過2dB 就能檢測出數(shù)字信號。

　　解調器的輸出信號，經(jīng)數(shù)字濾波器濾波后送到數(shù)字信號處理電路，數(shù)字濾波器的通帶與數(shù)據(jù)信號的特性相匹配。數(shù)字濾波器由1階高通和3 階低通濾波器組成。高通濾波器的截止頻率fcu _ DF 由公式(1)決定。低通濾波器的截止頻率由所選波特率范圍(BR-Range)決定，BR-Range 在OPMODE 寄存器中設定，BR-Range 的設置必須與波特率相適應。

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　　無線傳感器網(wǎng)絡接收節(jié)點的數(shù)字電路和模擬濾波器的全部定時都是來自一個時鐘。這一時鐘周期TCLK 是從晶體振蕩器經(jīng)分頻器得到的，分頻次數(shù)由MODE 引腳端的邏輯狀態(tài)控制[3]。晶體振蕩器的頻率是由RF 輸入信號決定的，它也同時決定了本地振蕩器的頻率(fLO)。T5743 芯片的工作狀態(tài)是由OPMODE 和LIMIT 的兩個15 位RAM 寄存器進行設置的，寄存器可由雙向DATA 口編程。如果寄存器內容由于掉電而改變，這一狀態(tài)由一個稱為復位標識(RM)的輸出表示出來，在這種情況下的接收電路必須重新編程。在加電復位(POR)后，寄存器被置為默認模式，如果接收機工作默認模式，不需對寄存器編程。同樣，如果接收電路不是在復位方式，就會啟動相應的OFF 指令編程;如果接收電路處在復位方式，相應的OFF 指令編程不會被啟動，在DATA 腳仍呈現(xiàn)復位標志。

　　四、接收節(jié)點電路

　　無線傳感器網(wǎng)絡接收節(jié)點芯片T5743 是一個高度集成的PLL 無線接收模塊，能夠接收并解調FSK 調制的曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)，同時通過一個雙向數(shù)據(jù)口將其發(fā)送出去[4]。該無線接收芯片通過一個智能的輪詢方式使接收節(jié)點在大部分時間處于休眠模式，只有在監(jiān)測到有效傳輸時，才會結束休眠模式轉換為接收模式，并將數(shù)據(jù)流傳送給控制器。這樣，可以最大限度地減少能量消耗。圖2 為無線接收節(jié)點電路原理圖。

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　　圖2 中接收芯片的T5743 的XTO 是參考晶振的出入端，引腳LNA_IN 提供RF 到LNA 輸入，設計采用的接收頻率為433.92MHz，所以fXTO=6.76438MHz，將MODE 引腳設置為高電平，數(shù)據(jù)時鐘周期TCLK 為2.0697μs。DATA 引腳接到RB0 引腳，DATA_CLK 引腳接到RB2 引腳，POLLING 引腳接到RC7 引腳，IC_ACTIVE 引腳接到RF1 引腳，至此完成T5743 與MCU 微處理器PIC18F6620 的連接。

　　接收芯片的T5743 的LF 引腳連接一個帶寬為100kHz 的無源環(huán)路濾波器。LNA_GND 引腳的電感L 為25nH，L 是饋電電感，以建立供電DC 通路。C7 與L 一起形成串聯(lián)諧振電路。LNA_IN 引腳連接天線，中間部分為T 型匹配網(wǎng)絡。

　　五、數(shù)據(jù)傳輸誤碼率測試

　　對無線傳感器網(wǎng)絡接收節(jié)點接收數(shù)據(jù)有效性的測試，必須通過驗證系統(tǒng)的性能進行，在一定距離內進行系統(tǒng)通信測試時，判斷數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院陀行訹5]。在對網(wǎng)絡接收節(jié)點的T5743 芯片完成輸入輸出波形和電路邏輯的時序檢測后，將無線網(wǎng)絡接收節(jié)點與PC 機相連，改變發(fā)射端與接收端之間的距離，測試通訊距離及相應的誤碼率。設計中將發(fā)射端以5kB 的數(shù)據(jù)速率發(fā)送20062120133～20062240266 均勻遞增的測試數(shù)據(jù)，誤碼測試程序將接收到的數(shù)據(jù)與自己生成的數(shù)據(jù)序列(20062120133～20062240266)同步、對比測得誤碼率。表1 為接收節(jié)點的數(shù)據(jù)誤碼率測試結果。

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　　在通信距離及通信誤碼率測試過程中，5m～10m 通信距離中外界干擾對系統(tǒng)的影響較小，甚至人為制造的電磁干擾對其通信誤碼率影響也較小，接收節(jié)點能夠穩(wěn)定有效的工作;10m～30m 的通信距離，外界的干擾對系統(tǒng)的影響較大，接收節(jié)點通信誤碼率上升，但仍能滿足通訊要求，接收節(jié)點工作性能出現(xiàn)間或不穩(wěn)定;大于30m 以上系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，通信誤碼率上升很快，接收節(jié)點已不能滿足通信數(shù)據(jù)傳輸要求。

　　六、結論

　　本設計實現(xiàn)了對傳感器采集數(shù)據(jù)的無線接收，在短距離無線通信中能夠有效、準確的接收數(shù)據(jù)，減少誤碼率的發(fā)生。