内嵌微控制器的无线数据发射器的特性及应用

概 述

AT86RF401是单片机集成内嵌AVR RISC微控制器的RF无线数据发射器,输出频率范围为250～450MHz,最大输出功率+6dBm,发射率10Kband。芯片内嵌AVR RISC微控制器、2KB（1K×16b）的Flash程序存储器、128B（字节）的可下载的EEPROM数据存储器、128B的RISC SRAM、看门狗定时器、6个通用I/O、在系统可编程。工作电压2.0～3.5V。待机电流0.1～0.5μA,发射电流17mA,可用CR20332/CR201B LiMnO2电源供电。可用于遥控无键入口（RKE）发射器、车库门开门器、遥测(轮胎压力,水、电、气表,贵重物品跟踪)、无线安防系统、无线电遥控等应用领域。

一、引脚排列及功能

AT86RF401采用20脚TSSOP封装,各引脚功能如表1所列。

表1 AT86RF401引脚功能

引 脚	符 号	功 能
1	ANTB	天线输出
2	LOOPFIL	外接VCO回路滤波器
3	L1	外接VCO电感
4	L2	外接VCO电感
5	RESETB	SPI复位输入
6	NC	空脚
7	SDI/IO0	SPI数据输入、输出/输出0
8	SDO/IO1	SPI数据输入、输入/输出1
9	SCK/IO2	SPI时钟输出、输入/输出2
10	XTAL	晶振输入
11	XTALB/CLK	晶振/时钟输入
12	IO3	输入/输出3
13	IO4	输入/输出4
14	IO5	输入/输出5
15	DGND	数字地
16	AGND	模拟地
17	DVDD	数字电源
18	AVDD	模拟电源
19	CFIL	外接数据滤波器
20	ANT	天线输出

二、基本结构和特性

AT86RF401内部结构框图如图1所示,包括一个完整的发射器电路和微控制器电路。

1.发射器

晶体振荡器振荡频率范围是6～20MHz,为整个芯片提供主时钟,并使用一个可编程的分频器为AVR系统提供时钟。PLL输出信号经RF功率放大器产生一个适合驱动在片调谐回路天线的差动输出（即RF发射）。PLL输出信号在发射前被选通（导通一截止ASK）或被调幅,使用RF载波发射数据流。RF功率放大器输出功率能够使用软件调节。

2.AVR微控制器结构

I/O和控制寄存器：I/O空间地址和功能如表2所列。AT86RF401 I/O和外设被设置在I/O空间内。各I/O存储单元利用输入和输出指令在32个通用工作寄存器和I/O空间之间传送数据。地址范围$00～$1F内的I/O寄存器,使用SBI和CBI指令,可直接进行存取。在这些寄存器中的每位数值都能够使用SBIS和SBIC指令检验。

表2 AT86RF401 I/O空间地址和功能

地 址	名 称	功 能
$3F	SREG	状态寄存器
$3E	SP	堆栈指针高位寄存器
$3D	SPL	堆栈指针低位寄存器
$35 	B_CONFIG	低电池组低寄存器
$34 	B_DET	按键检测寄存器
$33 	PWR_CTL	功能控制寄存器
$32 	IO_DATIN	I/O DATA输入寄存器
$31 	I_DATOUT	I/O DATA输出寄存器
$30 	IO_ENAB	I/O使能寄存器
$22 	WDTCR	看门狗定时控制寄存器
$21 	BTCR	位定时控制寄存器
$20 	BTCNT	位定时控制寄存器
$1E	DEEAR	数据EEPROM地址寄存器
$1D	DEEDR	数据EEPROM数据寄存器
$1C	DEE	数据EEPROM控制寄存器
$17 	TXCR7	发射组态寄存器7
$16 	TXCR6	发射组态寄存器6
$15 	TXCR5	发射组态寄存器5
$14 	TXCR4	发射组态寄存器4
$13 	TXCR3	发射组态寄存器3
$12 	CTL0	
$11 	TXCR2	发射组态寄存器2
$10 	TXCR1	发射组态寄存器1

AVR状态寄存器SREG为8位,包括：总中断使能、位复制存储、半进位标志、符号位、溢出标志、负数标志、零标志和进位标志。可读可写,初始值为00H。复位和中断处理,必须设置SREG中的中断控制使能位。

对于位定时器,AT86RF401使用2个中断。这些中断和复位在程序存储器空间有各自的编程向量。复位和中断向量如表3所列。

对于复位中断处理,最典型和通用的程序设置是：

地址表 编码 注释

$000 jmp RESET ;复位处理

$002 jmp BT_F2_ISR ;位定时器2中断服务程序

$004 jmp BT_F0_ISR ;位定时器0中断服务程序

$006 MAIN：XXXX;主程序开始

AT86RF401复位源有：①上电复位。当电源电压加到VDD和GND端时,AT86RF401复位。②外复位。当逻辑低电平加在RESETB端时,AT86RF401复位。这个复位复位所有的I/O寄存器和置通道进入SPI模式。在2个AVR系统时钟脉冲后,I/O寄存器可通过SPI接口读和写。③看门狗复位。类似上电复位,由看门狗定时器引起。④按键复位（软件复位）。是由软件设置的专门复位,在按键复位时大多数的I/O寄存器不被复位。⑤电压下降复位。当电池电压低于设定值时,产生复位。在上电复位和看门狗复位时,所有I/O寄存器是被设置在初始状态,程序开始执行的地址是$000。设置在$000单元的指令必须是RJMP或JMP转向复位处理程序。

存储器编程：AT86RF401 MCU提供2个程序存储器允许编程/不允许编程锁定位。锁定位保护模式如表4所列。AT86RF401提供2KB（字节）的可反复编程的Flash程序存储器和1Kb(位)的EEPROM数据存储器。存储器可由串行SPI接口编程。当RESETB端接地时,程序存储器和数据存储器可使用串行SPI总线编程。串行接口由SCK、SDI（输入）和SDO（输出）组成。在RESETB被设置为低后,在编程/擦除操作执行前,必须首先执行编程命名能指令。

表3 AT86RF401复位和中断向量

向量编号	编程地址	源	中断定义
1	$0 	复位、看门狗、按键	硬件端、看门狗或按键复位
2	$2 	位定时器	位定时器标志2中断
4	$4 	IO3	位定时器标志0中断
5	$6 	TBD	未使用

表4 AT86RF401锁定位保护模式

编程锁定位			保护类型
模式	LB1	LB2	
1	1	1	无编程锁定<可编程>
2	0	1	EEPROM不可编程
3	0	0	EEPROM不可编程也不可校验

AT86RF401包括一个128B EEPROM。这个存储器利用在I/O存储器中的3个寄存器DEECR、DEEDR、器利用在I/O存储器中的3个寄存器DEECR、DEEDR、DEEAR访问。

串行编程和校验电路如图2所示。串行编程时序波形如图3所示。当写数据到AT86RF401时,数据在CLK的上沿被选通;当从AT86RF401读数据时,数据在CLK的下沿被选通。

三、应用电路

典型的应用电路如图4所示。图4中芯片工作频率为315MHz,如需工作在433.92MHz,则电路中元件参数R1为9.0kΩ,C3为6.5pF,C8为120pF,Y1为18.08MHz。发射天线可印制在PCB上。