基于MC33591/MC33592的315MHz/434MHz OOK/FSK接收电路设计

摘要：给出了一种基于MC33591/MC33592设计的315MHz/434MHz OOK/FSK接收电路，该电路的数据速率为１～11kbaud,OOK/FSK灵敏度为－105dBm，最快唤醒时间为１ｍｓ，电源电压为：VGND-0.3～5.5V，在运行和配置模式时的电源电流为7.4mA，待机模式时的电流消耗为250μＡ，此外，该接收电路还具有三线SPI接口，可以直接与微控制器进行接口。 关键词：无线电接收；OOK/FSK解调；MC33591/MC33592 ＭＣ３３５９１／ＭＣ３３５９２是一个单片集成接收器，该芯片内含６６０ｋＨｚ的中频带通滤波器、完整的ＶＣＯ、可消除镜像的混频器、曼彻斯特编码时钟再生电路以及完整的ＳＰＩ接口。可用于设计３１５ＭＨｚ／４３４ＭＨｚ ＯＯＫ／ＦＳＫ接收电路。 １　ＭＣ３３５９１／ ＭＣ３３５９２的引脚功能 ＭＣ３３５９１采用ＬＱＦＰ２４封装形式，其引脚排列如图１所示，各引脚功能如表１所列。 表1 MC33591/MC33592引脚功能描述 引 脚 符 号 描 述 1，2 VCC 5V电源 3 VCCLNA 5V LNA电源 4 RFIN RF输入 5 GNDLNA LNA接地端 6 GNDSUB 辅助接地端 7 PFD 连接到VCO控制电压 8 GNDVCO VCO接地端 9 GND 芯片接地 10 XTAL1 基准晶振 11 XTAL2 基准晶振 12 CAGC OKK IF AGC（自动增益控制）电容接入端，FSK基准 13 DMDAT 数据解频（OKK和FSK解调） 14 RESETB 状态机复位 15，16 MISO，MOSI SPI输入/输出接口 17 SCLK SPI接口时钟 18 VCCDIG 5V数学电源 19 GNDDIG 数字接地 20 RCBGAP 参考电压输出 21 STROBE 选通振荡器控制输入或待机/工作控制信号外部输入 22 CAFC 自动频率控制电容接入端 23 MIXOUT 混频输出 24 CMIXAGC 混频AGC(自动增益控制）电容端 ２　内部结构与工作原理 ＭＣ３３５９１／ ＭＣ３３５９２的射频部分由能消除镜像干扰的混频器、６６０ｋＨｚ的中频带通滤波器、自动增益控制级和ＯＯＫ／ＦＳＫ解调器组成。控制部分则包含有数据管理器、配置寄存器、串行接口、状态控制器等。其ＳＰＩ接口可对调制方式进行编程选择。电路的数据可以从比较器输出，或者在数据管理器使能时从ＳＰＩ端口输出。 ２．１ 本机振荡器 由于ＰＬＬ环路滤波器已被集成在ＩＣ中，因此实际应用中的元器件数值可以根据本振参数在ＰＦＤ引脚通过一个外部滤波器作略微的改进。使用者可以通过附加外部滤波器来选择最佳工作状况。锁相环电路增益可以由ＰＧ位编程设置，该位置为１时，环路为低增益状态。 ２．２ 通信协议 用ＭＣ３３５９１／ＭＣ３３５９２进行通信时，数据通过曼彻斯特编码后的占空系数：在ＯＯＫ模式为４８％～５２％，而在 ＦＳＫ模式时为４５％～５５％。此外，该通信协议编码还包括前同步（Ｐｒｅａｍｂｌｅ）、ＩＤ（识别）、报头（Ｈｅａｄｅｒ）字和数据等。其中ＩＤ（识别）字的内容是按曼彻斯特编码，并被预先装入电路中的配置寄存器２。识别字传输速率与数值传输速率一致。 为了与识别或报头字编码不同，前同步字的内容必须仔细定义。 报头字应当是４位曼彻斯特编码“０１１０”或者是它的补码。 一般数据（Ｄａｔａ）应紧跟报头而没有任何延迟。数据由一个信息结束命令Ｅｎｄ－ｏｆ－Ｍｅｓｓａｇｅ ＥＯＭ结束，ＥＯＭ由２个ＮＲＺ连续的１或０组成。当采用ＦＳＫ调制时，数据由一个ＥＯＭ结束，而不能简单地被射频信号终止。 图２给出了一个带有前同步字、识别字、报头字并跟随２数据位及结束字的完整信号，前同步通常放在识别和报头两个字的前面。 图３是一个使用ＩＤ检测的完整信号示意图。当接收机进入等待模式时，通常需要的设置时间一般为１ｍｓ。 ２．３ 数据管理器 数据管理器功能模块有五个用途，分别为ＩＤ（识别）字检测、 报头识别、时钟再生、ＳＰＩ通道上的数据输出和时钟再生、信息结束检测。 ２．４ 串行接口 接收机（ＲＯＭＥＯ２）和微控制器一般通过串行外部接口ＳＰＩ（Ｓｅｒｉａｌ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）进行通信。如果不用ＳＰＩ 接口，复位端ＰＯＲ Ｐｏｗｅｒ Ｏｎ Ｒｅｓｅｔ将设置接收机为默认结构来完成正确的操作。ＳＰＩ接口通过以下三个输入／输出端来实现操作： （１）串行时钟ＳＣＬＫ； （２）主控输出受控输入ＭＯＳＩ； （３）主控输入受控输出ＭＩＳＯ。 主设时钟通过ＭＯＳＩ和ＭＩＳＯ对数据输入／输出进行同步，主设备和从设备可在８个时钟周期内交换一个字节信息。操作时由主设备产生ＳＣＬＫ时钟并输入到从设备。ＭＯＳＩ在主设备中被配置为输入，而在从设备中则作为输出线；当主设备的ＭＩＳＩ线配置为输出时，它在从设备中又作为输入线。 ＭＩＳＯ和ＭＯＳＩ线一般向一个方向传输串行数据，并且最高位先发送。数据在ＳＣＬＫ的下降沿有效，在ＳＣＬＫ的上升沿移动。当没有数据输出时，ＳＣＬＫ和ＭＯＳＩ强制为低电平。使用Ｍｏｔｏｒｏｌａ的微控制器时，其时钟相位和极性控制位ＳＰＩ必须设置为ＣＰＯＬ＝０，ＣＰＨＡ＝１。 ２．５ 配置寄存器 在配置模式中，只要在复位端（ＲＥＳＥＴＢ）保持一个长时间的低电平，微控制器将作为主设在ＳＣＬＫ上提供时钟信号，并在ＭＯＳＩ线上提供控制和配置位。如果不用默认配置，微控制器（ＭＣＵ）将通过写入配置字到配置寄存器来改变配置。配置寄存器的内容可以返回到微控制器并进行检测。 当ＲＥＳＥＴＢ引脚为高电平时，如果数据管理器被使能（ＤＭＥ＝１），接收机将作为主设在ＭＯＳＩ线上发送接收到的数据，同时在ＳＣＬＫ上发送接收到的时钟信号。 图3 当接收机ＳＰＩ由主设（工作模式）变为从设（配置模式）或者由从设变为主设时，在模式转换前，ＭＣＵ中的ＳＰＩ推荐设置为从设。 在接通电源时，ＰＯＲ首先复位内部寄存器，以使接收机系统被设置在默认模式。在这个配置中，ＳＰＩ是不使能的，同时接收机将在ＭＯＳＩ线上发送原始数据。实际上，默认配置可使电路作为一个没有外部控制的独立接收机来运行。 ＭＣ３３５９１／ＭＣ３３５９２有三个配置寄存器ＣＲ１～ＣＲ３。其中配置寄存器１（ＣＲ１）控制３个寄存器的存取（读或写），主要用于选择载波频率、设置数据调制方式、控制选通振荡器使能、定义选通比、控制数据管理器使能、定义报头字等。配置寄存器２（ＣＲ２）用于定义识别字的内容。配置寄存器３（ＣＲ３）则用于定义数据速率、设置混频器增益、控制ＭＩＸＯＵＴ引脚的转换、设置相位比较器增益等。 ２．６ 接收机的模式 通电复位后，接收机一般有三种不同的模式，第一种是睡眠模式，也就是低功耗模式。第二种是配置模式，用于对内部寄存器进行读写操作，在这种模式中，ＳＰＩ处于从设位置并且接收机被使能。晶体振荡器振荡为ＳＰＩ产生时钟信号。解调的数据可由ＤＭＤＡＴ读出，但是不能通过ＳＰＩ发送。第三种为工作模式，处于该模式时，接收机可以等待射频信号或接收信息。 ３ ＭＣ３３５９１／５９２的应用电路 ＭＣ３３５９１／ＭＣ３３５９２的应用电路如图４所示。该电路在３１５ＭＨｚ时应选择９．８６４３７５ＭＨｚ晶振，而在４３４ＭＨｚ时则应选１３．５８０６２５ＭＨｚ的晶振。采用ＦＳＫ调制时，图４中的低通滤波电容Ｃ２的值与数据速率的关系如表２所列。 表2 采用FSK调制时C2与数据速率的关系 名 称 数据速率对应电容值 单 位 数据速率 1.2 2.4 4.8 9.6 kBaud C2 100 47 22 12/10 nF