短距离ISM频段无线数据传输的应用设计

引言

近些年来，随着集成电路技术的发展，ISM频段单芯片的无线数据通信IC的性能日益提高，短距离无线应用领域也在不断的扩大，其中包括家用电器，消费电子产品，工业控制，安防，自动抄表，汽车遥控控制等诸多领域。

本文介绍一种基于ATMEL公司的单芯片多频点，工作于ISM频段的收发芯片 ATA5428在无线数据传输中的应用。

ATA5428是ATMEL公司新推出的一款包含了射频功能和逻辑控制功能的集成电路。可以工作于431.5MHz~436.5MHz。ATA5428具有低功耗和高集成度，传输的距离远，接收的灵敏度高等优点，其内部集成压控振荡器、锁相环电路、功率放大电路、解调电路、变频器、中放电路等。由于高度的集成化使复杂无线电路大大简化，以往较难处理的射频部分，被简化到只需在IC外围加上几个免调试的分立元件。

ATA5428内部含有自动定时接收唤醒数字逻辑控制电路，可以设定唤醒的周期，选择这个功能后仅仅增加一些收发延迟，但会成倍的降低接收功耗。

ATA5428内部含有7个控制寄存器，可以非常简单的对频率、收发速率、调制方式进行设置。 ATA5428内部还包含一个16字节先进先出RAM缓冲器，利用这个功能减少对MCU的依赖，使MCU有更多的时间处理其它的事务。所以，MCU既使运行在比较低的频率，在收发双方不小于100ms响应下，依然能够正常工作。
  
系统电路设计

本系统使用了AVR系列单片机ATmega88。ATA5428与ATmega88通讯采用SPI接口，与外部通信采用UART接口。由于高度集成化ATA5428外围零件已经很少，所以设计的关键是RF前端的匹配电路的设计。一般的RF芯片发射与接收端口的阻抗并不是标准的50Ω阻抗，而是在不同频率下都可以等效为一个实部加一个虚部 ，例如ATA5428在433.92MHz的频率下输入阻抗可以等效为(32-j169)Ω，要达到最佳的接收效果必须将输入阻抗通过外围器件的补偿使之与50Ω的天线匹配，

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图1中L4与C1的作用是补偿输入阻抗成为50Ω，同样L2与C8的作用是用于补偿使输出阻抗为50Ω，同时L2还起到高频扼流的作用。C9，L1，C10组成一个三阶低通滤波电路，3dBm的截止频率约为500MHz左右，低通滤波电路一方面可以抑制发射的高次谐波，另一方面可以衰减输入噪音。必须注意，为了降低输入输出网络的互相影响，在ATA5428 的内部增加了一个天线开关，在发射状态时开关闭合，输入网络前的20mm×0.4mm传输线由于长度远远小于1/4波长，所以等效与一个电容接地，而在接收时，等效一个电感，这部分的设计必须注意的是分布参数影响。另外高频部分的走线尽量的短粗，元器件参数要根据线路板的实际情况作出适当的调节，以抵消分布参数的影响。

ATA5428的灵敏度已经相当理想，当有些特殊场合需较远的通信距离的应用时，如双向汽车遥控器等，可以在ATA5428的RF输入端加一级低噪声放大器LNA(见图2)，以进一步提高ATA5428的接收灵敏度。放大电路的输入和输出都采用了LC匹配网络。放大器的实际增益高达近20dB,可以提高4dB到6dB的灵敏度，相当于增加30%~80%的距离。

图2  LNA应用电路

软件设计

众所周知，一般无线数字接收机在接收有效数据之前，必须要识别数据开始的标志信息及前导码PREAMBLE和同步头SYNCWORD(见图3)。前导码是由若干01010…数据组成主要是用于恢复与同步无线接收机的时钟，同步头可以是若干特定的数据，它标志着数据的开始，ID FIELD是个可选项，用于识别接收机的地址。 数据域DATA FIELD是真正的数据区，数据的长度通常是可变的，CRC是对ID FIELD和DATA FIELD的效验，可以选择CRC16或CRC32。ATA5428推荐用Manchester 编码以区别与其他同类IC，ATA5428检测前导码采用比较每个比特的脉冲宽度，并有一个可设置比特数据的长度的范围窗口，其他同类IC则采用识别是否有01010…数据来识别前导码，ATA5428这种比较前导码的方式，显然具有明显的优点，抗干扰能力大大增强。

图4  ATA5428接收示意图[page]

ATA5428有2种接收工作模式，普通模式和透明模式。我们这个应用采用的是普通模式。在普通模式下，接收的过程是当检测到前导码和同步头后，激活收发数据缓冲控制逻辑，并且把数据写入收发数据缓冲区，如图4所示。这里需注意的是ATA5428只有16字节的缓冲区。如果数据队列长度超过16个字节，那么会发生缓冲溢出，所以数据的及时读入非常重要，这样可以避免数据的溢出。ATA5428有一个显示接收数据的计数器，当计数器的值到达了某一个值后，可以通过中断的方式与MCU进行通信。

ATA5428在工作之前需要对其初始化，下面仅给出在普通接收模式下的初始化函数与发送的初始化函数。
void receive_init()
{
 __disable_interrupt(); //disable all
   interrupts
 SETBIT(PORTD,CS_5428);  //CS___/----
     spi(write_ctr_reg|5); //0xa5--->ctr6
 spi(write_ctr_reg|4); //0x50--->ctr5
spi(0x90);  //6 bits check,  lim_min:
       16,4b
spi(write_ctr_reg|3); //0x80--->ctr4
spi(0x00);
   //FREQ = (frf/fxto-32.5)*16384-20.5,3928
spi(write_ctr_reg|2); //0x7b--->ctr3
spi(0x7b);  //vsout on, clock out on
spi(write_ctr_reg|1); //0xb0--->ctr2
spi(0xb1);          //manchester modulator on
spi(write_ctr_reg|0); //0x42--->ctr1
spi(0x26);  //tx mode.send 1data
        every time
 CLRBIT(PORTD,CS_5428);//close 5428
     spi interface
   SETBIT(PORTD,CS_5428);
   spi(cancel_IRQ);
   CLRBIT(PORTD,CS_5428);//close 5428
        spi interface
   send.sum_value = 0;
 }

发送的过程首先是初始化，然后从SPI口送出2-3字节的01010…前导码，由于设置的是Manchester，发送几个0XFF即可，后面的格式可以参照图4的数据的传输格式。发送函数如下。
void transfer_data()
{
 SETBIT(PORTD,CS_5428);//CS_5428
       ___/----
 spi(write_TRX_buffer);//write writing
           buffer command
 spi(0xFF);//send 0xFF ,for bit check
 spi(0xFF);//send 0xFF ,for bit check
 spi(0x55);  //for SYNCWORD
 spi('T');//send 'T'
 .
 .
 ID FIELD和DATA FIELD
 CRC16
 .
 .
 CLRBIT(PORTD,CS_5428);//CS_5428 ---
          -\____
 SETBIT(PORTD,CS_5428);//CS_5428
             ___/----
 spi(write_ctr_reg|0);//0x00 -> ctr1
 spi(0x00);//go to IDLE mode
 CLRBIT(PORTD,CS_5428);//CS_5428 ---
         -\____
}

ATA5428收到数据后，主动发出中断请求，MCU响应中断，并且调用接收函数，接收过程首先是判断同步码是否正确，然后将数据域和CRC效验接收下来，若效验通过则输出到UART口。

结语

实验表明本设计具有成本低，功耗小，通信距离远等特点，经过实际的运行测量，开阔地通信距离超过500m。特别在应用环境较为复杂，数据信号容易受到各种噪声干扰的情况下，该方案的可靠性明显优于超再生的数据传输方案。

参考文献：

1.  ATA 5428 datasheet, ATMEL公司