根據RF2.4GHz的超低功耗無線數傳系統設計策略

引言
??? 目前，無線通信技術已經成為一大熱點，而系統設計的微型化、低功耗成為發展的必然趨勢。在保證系統工作可靠性的前提下，如何實現系統低功耗是無線數據傳輸系統亟待解決的一個主要問題。本文利用MSP430超低功耗單片機和2．4 GHz ISM頻段的射頻芯片EMl98810設計了一種低功耗的無線數據傳輸系統。該系統使用干電池供電，可廣泛應用于電池供電的自動化數據采集系統、無線遙控、無線鼠標、無線鍵盤、無線電子標簽、遙控玩具，以及水、氣、熱、電等居民計量表具無線遠傳自動抄表。

1 系統概述
??? 目前在2．4 GHz頻段的集成射頻芯片有多種，性能各有差異，表1列出了幾種常用芯片的性能特點。

??? 本系統采用MSP430F247單片機和EMC公司的EMl98810芯片進行設計。MSP430系列單片機是一個16位精簡指令集(RISC)微處理器。它具有豐富的尋址方式(7種源操作數尋址，4種目的操作數尋址)，簡潔的27條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算；具有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在8 MHz晶振驅動下指令周期為125 ns；中斷源較多，并且可以任意嵌套；當系統處于省電的備用狀態時，用中斷請求喚醒只用6μs。MSP430系列單片機的電源電壓采用1．8～3．6 V，其在1 MHz的時鐘條件下運行時，芯片的電流為200～400μA左右，時鐘關斷模式最低只有O．1 μA。
??? EMl98810芯片內建2．4 GHz GFSK射頻收發器，帶有8位數據幀無線收發功能，前導區可以設置為1～8字節，支持1～4個字地址(最多可達64位)，最大數據傳輸速率為1 Mbps，允許長數據包傳送；頻率范圍為2 400～2 482 MHz(81信道)，傳輸距離100 m(PCB天線)，RF輸出功率2 dBm，接收靈敏度在-85 dBm以上，采用SPI數字編程接口，接口電壓為2．5～3．7 V。該芯片發射功率可數字編程調節，通過寄存器的設置很容易實現低功耗模式；內建多種糾檢錯功能，采用各種有效載荷數據格式來消除直流漂移量；支持FEC的1／3、2／3糾檢錯功能和CRC16檢錯功能。內部具有FIFO和DIRECT兩種工作模式：FIFO模式簡單易用，對MCU要求不高，發射和接收各有64字節的緩沖區，一次發送、接收可以最多處理64字節數據；DIRECT模式對MCU要求較高，需要MCU處理各種糾檢錯功能。

2 系統設計
2．1 系統硬件設計
??? 圖1是MSP430F247單片機和EMl98810的連接示意圖，通過SPI總線與RF芯片相連。實際電路連接如圖2所示。

2．2 系統軟件設計
??? 數據包格式如下：

??? 其中，前導區可配置為1～8字節，同步字可配置為16、32、48或64位；前導尾區可配置為4、6、8……18位；數據區可為NRZ碼、Manch-ester碼、8／10位碼、帶FEC的數據4種格式。
??? 系統上電后，先使EMl98810的RESET_n引腳為低電平，以保證芯片有效復位；再使此引腳為高電平，BRCLK腳會產生12 MHz的時鐘；然后進行相關寄存器初始化。初始化程序流程如圖3所示。

??? 其中，Reg48為數據幀格式配置寄存器，需要設置前導區的長度(默認為3字節)，同步字長度默認為64位，前導尾默認長度為4位，數據默認為NRZ格式。該寄存器的第2位為1則配置為睡眠模式，第3位為1則配置為待機模式。Reg49～51用于設置發射和接收的延遲時間。Reg52～55用于設置同步控制字，默認全部為0000H。Reg57用于配置是否啟用CRC校驗、包長度控制方式等。Reg48～57詳細配置數據如下：

Reg0～28主要是配置發射功率、VCO、RSSI、接收延時、通道選擇與控制、AMS測試及控制、BPF和AGC控制、發射與接收數據控制、直流漂移控制、PLL同步控制、數據收發的時序控制、N／VCO參數控制、時鐘等。Reg0～28詳細配置數據如下：

??? Reg0～28初始化完成后再延時2 ms，就可以直接進行數據的收發了。特別要注意的是，幀寄存器Reg48～57必須在RFIC寄存器Reg0～28之前初始化。所有寄存器讀寫和收發的數據都是通過SPI接口進行的，并且只支持從模式，SPI操作時序如圖4所示。在芯片第28腳LDO_TUNE接地時(R1斷開，R2接O Ω電阻)，其數據在SPI_CLK時鐘的上升沿有效；當LDO_TUNE接VDD時(R2斷開，R1接0 Ω電阻)，數據在SPI_CLK時鐘的下降沿有效。只要SPI_SS為高電平，寄存器中的數據就保持不變；只有SPI_SS為低電平時，才能重新改寫寄存器中的內容。

??? EMl98810有兩種檢測收發數據包長度的方法：一種是自動在數據幀內檢測出來，最大幀長度不能超過255字節。先設置Reg57的第13位為1，則發送或接收數據區中的第1個字節就代表數據的長度，幀控制器會自動控制收發開始與停止。另外一種是保持發射或接收的狀態不變，通過外接MSP430F247來控制數據包的正確發送與接收。
??? 發送數據流程如圖5所示。在發射數據時，先設置Reg7的第8位為1，允許在內部狀態機控制下進入數據發射狀態，再設置Reg7的O～6位為所選通道。在發送前導尾區數據前，MSP430F247必須將數據放人FIFO中，如果數據長度超過63字節，應該分多次寫入。FIFO_flag=1表示FIFO為空，MSP430F247利用此信號作為中斷請求，保證發送數據寫入FIF0的實時性，在數據發送完成后PKT_flag=1。

??? 如果設置Reg7[7]=1和Reg7[O～6]為與發射相同的通道，則芯片進入自動接收狀態，接收數據流程如圖6所示。當檢測到同步字后會自動進行數據包的接收解碼，接收完成后進入待機模式。如果接收數據超過63字節，則有FIFO_flag=1，MSP430F247利用此信號作中斷請求以保證讀出數據的實時性。

??? 在進行超低功耗設計時，MSP430F247可以設置定時器中斷。平常處于LPM3或LPM4模式，要發送數據時產生定時器中斷，同時控制EMl98-810處于待機或睡眠模式。MSP430F247工作在LPM3模式下電流為O．8μA左右，LPM4模式下電流為0．1μA左右。EMl98810正常情況下發射電流26 mA，接收電流25 mA，待機電流1．9mA；睡眠模式下為3．5μA。若將EMl98810設置為睡眠模式，將MSP430F247設置為LPM3模式，則系統耗電僅為4．3μA，使用干電池供電完全可行。
??? MSP430F247通過SPI接口與EMl98810相連，進入LPM3模式和退出LPM3模式的程序如下：

??? 將EMl98810的Reg48的第2位設置為1，并將SPI_SS設為高電平，則進入睡眠模式；如再將SPI_SS設為低電平，則EMl98810會自動喚醒，退出睡眠模式。

結語
??? 經過實際電路連接后測試，數據發送端在進行500kbps速率下連續發送數據時，整個系統電流為28．2 mA，接收數據端的電流為26．1 mA；當發射端進入到睡眠模式時電流為5．2μA；當接收端進入待機狀態LPM3后，整個系統電流為l．9 mA。按照2節干電池容量1 300 mAh計算，間隔1 min發送100字節數據，考慮單片機模式切換時間，則在500 kbps速率下：
??? 發送數據所需時間為5 ms，1小時耗能：
??? 28．2mA×5ms×60次=8460(mA·ms)
??? 睡眠模式下1小時耗能：
??? 5．2μA×3600S×1000ms=18720(mA·ms)
??? 發送狀態下可以工作的時間為：
??? (1300mA×3600S×1000ms)／(18720+8460)=172185h
??? 即2節干電池供電時可以工作20年。同樣，可以計算出接收狀態下可以工作683小時(大約28天)。因此本設計可以適合長期進行低功耗無線數據采集方面的應用。