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本文主要是關(guān)于nrf401/CC1000/nrf903的相關(guān)介紹，并著重對(duì)nrf401/CC1000/nrf903進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析。
CC1000
CC1000是根據(jù)Chipcon公司的SmartRF技術(shù)，在0.35μm CMOS 工藝下制造的一種理想的超高頻單片收發(fā)通信芯片。它的工作頻帶在315、868及915MHz，但CC1000很容易通過(guò)編程使其工作在300～1000MHz范圍內(nèi)。它具有低電壓（2.3～3.6V），極低的功耗，可編程輸出功率（-20～10dBm），高靈敏度（一般-109dBm），小尺寸（TSSOP-28封裝），集成了位同步器等特點(diǎn)。其FSK數(shù)傳可達(dá)72.8Kbps，具有250Hz步長(zhǎng)可編程頻率能力，適用于跳頻協(xié)議；主要工作參數(shù)能通過(guò)串行總線接口編程改變，使用非常靈活。
nrf401/CC1000/nrf903對(duì)比
1.前言
目前許多應(yīng)用領(lǐng)域都采用無(wú)線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這些領(lǐng)域涉及小型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線遙控系統(tǒng)、無(wú)線標(biāo)簽身份識(shí)別、非接觸RF智能卡等。
由于無(wú)線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比較多，無(wú)線收發(fā)芯片的選擇在設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的，正確的選擇可以減小開(kāi)發(fā)難度，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低成本，更快地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。選擇無(wú)線收發(fā)芯片時(shí)應(yīng)考慮需要以下幾點(diǎn)因素：功耗、發(fā)射功率、接收靈敏度、收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量、芯片成本、數(shù)據(jù)傳輸是否需要進(jìn)行曼徹斯特編碼等。
在本文中筆者就所了解的RF短距數(shù)據(jù)通信芯片nRF401、nRF903和CC1000作一個(gè)對(duì)比描述，給出了它們的結(jié)構(gòu)原理、特性及應(yīng)用電路。
2. nRF401無(wú)線收發(fā)芯片
nRF401是Nordic公司研制的單片UHF無(wú)線收發(fā)芯片，工作在433MHz ISM（Industrial， Scientific and Medical）頻段。它采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，并采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好，發(fā)射功率最大可達(dá)10dBm，接收靈敏度最大為－105dBm，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)20Kbps，工作電壓在+3～5V之間。nRF401無(wú)線收發(fā)芯片所需外圍元件較少，并可直接接單片機(jī)串口。
nRF401芯片內(nèi)包含有發(fā)射功率放大器（PA）、低噪聲接收放大器（LNA）、晶體振蕩器（OSC）、鎖相環(huán)（PLL）、壓控振蕩器（VCO）、混頻器（MIXFR）、解調(diào)器（DEM）等電路。在接收模式中，nRF401被配置成傳統(tǒng)的外差式接收機(jī)，所接收的射頻調(diào)制的數(shù)字信號(hào)被低噪聲效大器放大，經(jīng)混頻器變換成中頻，放大、濾波后進(jìn)入解調(diào)器，解調(diào)后變換成數(shù)字信號(hào)輸出（DOUT端）。在發(fā)射模式中，數(shù)字信號(hào)經(jīng)DIN端輸入，經(jīng)鎖相環(huán)和壓控振蕩器處理后進(jìn)入到發(fā)射功率放大器射頻輸出。由于采用了晶體振蕩和PLL合成技木，頻率穩(wěn)定性極好；采用FSK調(diào)制和解調(diào)，抗干擾能力強(qiáng)。
nRF401的ANT1和ANT2引腳是接收時(shí)低噪聲接收放大器LNA的輸入，以及發(fā)送時(shí)發(fā)射功率放大器PA的輸出。連接nRF401的天線可以以差分方式連接到nRF401，一個(gè)50Ω的單端天線也可以通過(guò)一個(gè)差分轉(zhuǎn)換匹配網(wǎng)絡(luò)連接到nRF401。
圖1所示為使用單端天線的nRF401的電路圖，50Ω的單端天線通過(guò)差分轉(zhuǎn)換匹配網(wǎng)絡(luò)連接到nRF401的ANT1和ANT2引腳。
圖2所示為使用環(huán)形天線的nRF401的電路圖，整個(gè)環(huán)形天線可以做在PCB上，對(duì)比傳統(tǒng)的鞭狀天線或單端天線，不僅節(jié)省空間和生產(chǎn)成本，機(jī)構(gòu)上也更穩(wěn)固可靠。
nRF9E5是Nordic VLSI公司于2004年2月5日推出的系統(tǒng)級(jí)RF芯片，其內(nèi)置nRF905 433/868/915MHz收發(fā)器、8051兼容微控制器和4輸入10位80ksps A/D轉(zhuǎn)換器，是真正的系統(tǒng)級(jí)芯片，內(nèi)置nRF905收發(fā)器與nRF905芯片的收發(fā)器一樣，可以工作于ShockBurst（自動(dòng)處理前綴、地址和CRC）方式。內(nèi)置電壓調(diào)整模塊，最大限度地抑制噪音，為系統(tǒng)提供1.9-3.6V的工作電壓，QFN5×5mm封裝，載波檢測(cè)。nRF9E5符合美國(guó)通信委員會(huì)和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。由于nRF905功耗低，工作可靠，因此很適用于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
3. nRF903無(wú)線收發(fā)芯片
nRF903是Nordic公司為433/868/915MHz ISM頻段設(shè)計(jì)的單片UHF多段無(wú)線收發(fā)芯片，它采用優(yōu)化的GFSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，采用DDS＋PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好，靈敏度高達(dá)－104dBm，發(fā)射功率可以調(diào)整，最大發(fā)射功率是+10dBm，可在155.6kHz的有效帶寬下傳輸最高76.8Kbps的數(shù)據(jù)。
nRF903的工作電壓范圍可以從2.7～3.3V，接收待機(jī)狀電流消耗為600μA，低功耗模式電流消耗僅為1μA，可滿足低功耗設(shè)備的要求。nRF903具有多個(gè)頻道（最多170個(gè)以上），特別滿足需要多信道工作的特殊場(chǎng)合，適合采用跳頻協(xié)議。
nRF903的天線接口設(shè)計(jì)為差分天線，以便于使用低成本的PCB天線，所有的參數(shù)包括工作頻率和發(fā)射功率都可以通過(guò)一個(gè)14位的配置寄存器用串行線（CS、CFG_CLK和CFG_DATA）進(jìn)行設(shè)置。圖3所示為使用環(huán)形天線的nRF903的應(yīng)用電路圖。
nRF903內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為發(fā)射電路、接收電路、模式和低功耗控制邏輯電路及串行接口幾個(gè)部分。發(fā)射電路含有：射頻功率放大器、鎖相環(huán)（PLL）、壓控振蕩器（VCO）、頻率合成器等電路?；鶞?zhǔn)振蕩器采用外接晶體振蕩器產(chǎn)生電路所需的基準(zhǔn)頻率。振蕩電路采用鎖相環(huán)（PLL）方式，由在DDS基礎(chǔ)上的頻率合成器、外接的無(wú)源回路濾波器和壓控振蕩器組成。壓控振蕩器由片內(nèi)的振蕩電路和外接的LC諧振回路組成。要發(fā)射的數(shù)據(jù)通過(guò)DATA端輸入。
接收電路包含有：低噪聲放大器、混頻器、中頻放大器、GFSK解調(diào)器、濾波器等電路。低噪聲放大器放大輸入的射頻信號(hào)；混頻器采用2級(jí)混頻結(jié)構(gòu)，第一級(jí)中頻10.7136MHz，第二級(jí)中頻345.6kHz。中頻放大器用來(lái)放大從混頻器來(lái)的輸出信號(hào)；中頻放大器的輸出信號(hào)經(jīng)中頻濾波器濾波后送入GFSK解調(diào)器解調(diào)，解調(diào)后的數(shù)字信號(hào)在DATA端出。
4. CC1000無(wú)線收發(fā)芯片
CC1000是Chipcon公司推出的單片可編程RF收發(fā)芯片，它基于Chipcon IS Smart RF技術(shù)，可工作在ISM頻段（300-1000MHz）。CC1000集成了射頻發(fā)射、射頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制解調(diào)、可編程控制等多種功能。
CC1000采用鎖相環(huán)技術(shù)，發(fā)射頻率是通過(guò)內(nèi)部的頻率合成器來(lái)配置的，可配置的范圍為300～1000MHz，適合應(yīng)用跳頻協(xié)議，一般可配出10或20個(gè)頻點(diǎn)，該芯片靈敏度為－109dBm，并可自動(dòng)校準(zhǔn)，可編程輸出功率為－20dBm～+10dBm，通信速率可達(dá)78.6Kbps。
CC1000的主要工作參數(shù)可由一個(gè)串行接口編程設(shè)定，使用非常方便并且具有靈活性。CC1000芯片的外圍元件較少，且對(duì)精度要求不高，并提供三種編碼方式與微控制器接口。所以CC1000與一個(gè)微控制器和少數(shù)幾個(gè)外接元件便可組成一個(gè)完整的RF收發(fā)系統(tǒng)。
CC1000無(wú)線收發(fā)芯片信息采集
隨著我國(guó)城市化進(jìn)程和城市的現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加快，對(duì)路燈這個(gè)城市交通道路安全必不可少的照明工具的照明狀況實(shí)施快捷而簡(jiǎn)單地自動(dòng)化采集，以便于更好更快的維護(hù)就提上了日程。如果全部采用GPRSMODEM則成本太高，本系統(tǒng)采用相對(duì)成本較低的短距離無(wú)線收發(fā)芯片通過(guò)程序處理把大量的路燈信息傳輸?shù)揭粋€(gè)路燈上通過(guò)GPRSMODEM發(fā)送出去，相對(duì)于傳統(tǒng)方式這樣既節(jié)省了成本，也達(dá)到了實(shí)時(shí)可靠監(jiān)控的效果。
1 系統(tǒng)構(gòu)成
系統(tǒng)的主要實(shí)現(xiàn)對(duì)本節(jié)點(diǎn)路燈運(yùn)行信息進(jìn)行采集上傳，并對(duì)短距離無(wú)線收發(fā)芯片接收到的報(bào)文進(jìn)行單向過(guò)濾、逐級(jí)傳輸，使一條道路上的任意路燈的異常信息能及時(shí)到達(dá)擁有GPRS節(jié)點(diǎn)的主站點(diǎn)，由無(wú)線調(diào)制解調(diào)器通過(guò)GPRS方式連接到INTERNET上告到數(shù)據(jù)采集中心，從而能夠方便迅速維護(hù)，節(jié)省人力成本。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
單個(gè)的采集板，需要一個(gè)微控制器和其控制的CC1000芯片以及其他外圍器件組成。每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要完成對(duì)本節(jié)點(diǎn)路燈的信息進(jìn)行采集，對(duì)其他路燈信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的功能，主節(jié)點(diǎn)還需完成建立GPRS連接傳輸數(shù)據(jù)的功能。芯片的選型需要綜合成本、可維護(hù)性等發(fā)面進(jìn)行考慮。
2.1微處理器選型
由于路燈信息采集由另外的微控制器完成，本系統(tǒng)需要對(duì)路燈供電，照明等運(yùn)行信息進(jìn)行采集，并且需要至少4個(gè)I/O口，以及一個(gè)外部中斷管腳對(duì)CC1000用SPI總線配置寄存器CLK中斷和DIO輸入輸出腳收發(fā)數(shù)據(jù)，另外可以通過(guò)10位撥碼開(kāi)關(guān)控制I/O口設(shè)置站點(diǎn)編碼，本系統(tǒng)硬件接口需求不大，故可選用AVR公司的MEGA8單片機(jī)。
MEGA8具有8K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash（具有同時(shí)讀寫(xiě)的能力，即RWW），512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個(gè)通用I/O口線，32個(gè)通用工作寄存器，三個(gè)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（T/C），片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART。具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI串行端口，是很常用的廉價(jià)工業(yè)控制芯片。
2.2無(wú)線收發(fā)芯片選型
本設(shè)計(jì)采用了Chipcon公司用SmartRF技術(shù)在0.35μmCMOS工藝下制造的CC1000短距離RF單片收發(fā)通信芯片。CC1000可以通過(guò)編程使其工作在300～1000MHz范圍的頻點(diǎn)，最大輸出功率10dBm，而且需要匹配的外圍元器件很少，完全可以滿足本系統(tǒng)的需求。
2.3硬件構(gòu)成
顯示主控單片機(jī)和無(wú)線收發(fā)芯片之間的連接，三線串行接口PCLK和PALE、PDATA（雙向）以及CC1000輸出的時(shí)鐘型號(hào)DCLK，雙向數(shù)據(jù)接口DIO，晶振和外圍匹配電路省略未列出。
3 軟件編程
3.1CC1000編程
?。?）CC1000寄存器配置CC1000需要通過(guò)三線SPI接口（PDATA、PCLK和PALE）進(jìn)行編程，配置寄存器來(lái)決定芯片的工作中心頻點(diǎn)，和輸出功率等等，使其能進(jìn)入正確的工作狀態(tài)。CC1000有28個(gè)8位配置寄存器每個(gè)由7位地址尋址讀/寫(xiě)位初始化讀或?qū)懙牟僮?，一個(gè)完整的配置要求發(fā)送22個(gè)數(shù)據(jù)幀每個(gè)16位7個(gè)地址位1個(gè)讀/寫(xiě)位和8個(gè)數(shù)據(jù)位。通過(guò)配置工作頻率寄存器A、B可以設(shè)置發(fā)送（傳輸頻率）和接收（本振頻率）的工作頻率，使CC1000工作在一定的頻率上。
?。?）收發(fā)數(shù)據(jù)在接收模式下CC1000可看成是一個(gè)傳統(tǒng)的超外差接收器，射頻輸入信號(hào)經(jīng)低噪聲放大器放大后翻轉(zhuǎn)進(jìn)入混頻器，通過(guò)混頻器混頻產(chǎn)生中頻信號(hào)。該信號(hào)在送入解調(diào)器解調(diào)之前被放大和濾波，解調(diào)后CC1000從管腳DIO輸出解調(diào)數(shù)字信號(hào)。解調(diào)信號(hào)的同步性由芯片上的PCLK提供的時(shí)鐘信號(hào)完成。信號(hào)接口由DIO和DCLK口組成，編碼格式采用同步曼徹斯特編碼模式，在曼徹斯特編碼中，以一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)從高到低跳變表示“0”，從低到高跳變表示“1”。DCLK接收到中斷信號(hào)后，開(kāi)始尋找?guī)^、幀尾以及鑒別報(bào)文。在發(fā)送模式下CC1100在DCLK上提供時(shí)鐘信號(hào)，微控制器根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)在DIO輸出曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)，CC1000完成調(diào)制發(fā)送。
3.2軟件流程
軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和信息處理兩塊功能，兩者獨(dú)立運(yùn)行，并通過(guò)消息進(jìn)行交互，數(shù)據(jù)采集是通過(guò)溫度，電源檢測(cè)，發(fā)光檢測(cè)等傳感器接收、采集到路燈信息并把異常信息組成報(bào)文傳輸?shù)叫畔⑻幚砟K。信息處理模塊則負(fù)責(zé)報(bào)文接收檢測(cè)、鑒別、發(fā)送以及重新封裝轉(zhuǎn)發(fā)?？紤]到單片機(jī)處理效率問(wèn)題，消息隊(duì)列可以開(kāi)辟環(huán)形緩存來(lái)存放，按照先入先出的原則，來(lái)避免存取的瓶頸、減少內(nèi)存的使用率，使通訊能通暢地進(jìn)行。
為確保無(wú)線通信的通暢，信息處理模塊需要定期檢查鏈路確定下一站的狀態(tài)。軟件狀態(tài)機(jī)如圖3所示：
因?yàn)镃C1000最大傳輸距離可以達(dá)到2公里，而實(shí)際路燈的間距只有幾十米，所以某個(gè)環(huán)節(jié)的路燈采集可能接收到若干個(gè)路燈的信息以及其他干擾信息，這時(shí)候就應(yīng)該根據(jù)報(bào)文格式和地址進(jìn)行過(guò)濾，只接收前一環(huán)節(jié)所發(fā)出及轉(zhuǎn)發(fā)的信息單向過(guò)濾傳輸，為防止誤碼，可以對(duì)報(bào)文進(jìn)行CRC16循環(huán)冗余校驗(yàn)。
為了防止某個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)芯片損壞導(dǎo)致后面的路燈信息無(wú)法傳輸，需要每隔一段時(shí)間對(duì)下一個(gè)編號(hào)的路燈進(jìn)行查詢，數(shù)次不通后則上報(bào)故障給監(jiān)控中心，并且接收和轉(zhuǎn)發(fā)下下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，依次類推，保持后面的信息能及時(shí)暢通地傳輸?shù)奖O(jiān)控維護(hù)中心。而監(jiān)控維護(hù)中心也能監(jiān)測(cè)到某個(gè)節(jié)點(diǎn)的好壞，以便及時(shí)的維護(hù)。
最后所有信息都匯集到連接有GPRS調(diào)制解調(diào)器的采集板上，采集板把采集到的信息通過(guò)建立GPRS鏈路用TCP/IP協(xié)議上傳至數(shù)據(jù)采集中心，由于篇幅限制，這里就暫不作詳細(xì)介紹。
結(jié)語(yǔ)
關(guān)于nrf401/CC1000/nrf903的相關(guān)介紹就到這了，如有不足之處歡迎指正。
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論