单位文秘网 2021-10-05 08:31:27 点击: 次
摘 要:TH7122.1芯片是一款由比利时Melexis公司开发的低功耗单片集成无线收发芯片。主要介绍该芯片的功能特点,并以该芯片为基础设计一种低成本的半双工无线数据传输模块。调试结果表明,所实现的模块无线数据通信稳定可靠。利用该模块可以实现结构简单、性能稳定的无线数据通信系统,在某些短距离无线应用场合具有实用价值,对其他无线应用系统的设计具有参考价值。
关键词:无线收发芯片;数据传输模块;数据通讯系统;FSK
中图分类号:TN914.3 文献标识码:B
文章编号:1004-373X(2008)06-149-04
Design of Wireless Data Transmission Module Based on TH7122.1 Chip
ZHANG Dongbin ZHU Wenzhang2,GUO Donghui1
(1.Xiamen University,Xiamen,361005,China;2.Xiamen University of Technology,Xiamen,361005,China)
Abstract:TH7122.1 is a wireless transceiver chip with low power consumption designed by Melexis Corporation in Belgium.This paper introduces its functions based on which gives the design of half-duplex wireless data transmission module.Debugging result shows that the module works stability and reliability.This module can be used to achieve wireless data communication systems with simple structure and stable performance.It has practical value in some short-range wireless application,also has reference value to the design of other wireless application system.
Keywords:wireless transceiver chip;data transmission module;data communication system;FSK
基金项目:福建省自然科学基金计划资助项目(A0410007)、福建省科技重点项目和国家教育部新世纪人才计划项目的联合资助
目前,短距离无线通信已经越来越普遍,应用领域也越来越多,包括:无线抄表、车辆监控、机器人控制、数字音频及图像传输,还有无线耳机,无线鼠标键盘等。凡是布线繁杂或不允许布线的场合都希望能通过无线方案来解决。大量射频IC芯片的开发使得无线通信系统的开发周期缩短,成本也越来越低。基于各种射频IC芯片如Nordic公司的nRF系列射频IC,Chipcon公司的CC系列射频IC,Integration公司的IA系列射频IC以及其他的射频IC等的设计都为无线传输的实现提供了各式的方案[1]。本文中无线数据传输模块的设计是基于Melexis公司的TH系列无线收发芯片TH7122.1,是实现无线传输的另一种方案。该设计通过两PC的串口实现两边数据的无线传输,具有功耗低、软件设计简单与通信稳定可靠的特点。
1 芯片功能
1.1 主要特性
TH7122.1[2,3]是全集成FSK/FM/ASK收发芯片;可应用于低功耗多通道或单通道半双工数据传输系统,可工作在ISM频段及SRD频段;具有2种使用模式:单机用户模式(Stand-alone User Mode)和可编程用户模式(Programmable User Mode);在单机用户模式下,工作于4个固定的频点之一:315/433.92/868.30/915 MHz;在可编程用户模式下,工作频率范围可设定在300~930 MHz之间,还可以通过使用一个外部压控振荡变容二极管使他的最低工作频率降至27 MHz,利用芯片集成的串行控制接口(SCI)对其进行配置;4种不同的工作状态(Standby/Receive/Transmit/Idle);极低的电流消耗(待机状态下电流50 nA);宽的工作电压范围(2.2~5.5 V);最高FSK数据传输速率为115 kb/s,ASK数据传输速率为40 kb/s;接收信号强度指示(RSSI)输出;可变RF功率范围为-20~+10 dBm;接收灵敏度达-105 dBm(@FSK with 180 kHz IF filter BW)/-107dBm(@ASK with 180 kHz IF filter BW )。
1.2 引脚及内部系统结构
芯片采用LQFP封装,引脚结构如图1所示,pin9~25为发射部分相关引脚,pin1~8及pin26~32为接收部分相关引脚。
其中TE/SDTA,RE/SCLK,FS0/SDEN,FS1/LD这4个引脚带有复用功能,在SUM模式下启用第1个功能,TE和RE用于设置工作状态,FS0和FS1则用于选择工作频率;在PUM模式下启用第2个功能,SDTA,SCLK和SDEN组成串行控制接口(SCI),用于写入控制字;LD用于相位一致性检测。
芯片内部结构如图2所示,包括:可变增益的低噪声放大器(LNA)、混频器(MIX)、中频放大器(IF)、FSK解调器、运算放大器(OA1,OA2)、ASK解调器、数字逻辑串行控制接口(SCI)、功率放大器(PA)、锁相环合成器(PLL Synthesizer)等。其主要模块是1个可编程的锁相环合成器,他由参考基准振荡器(RO)、N/R频率字寄存器、电荷泵(CP)、相位/频率检测器(PFD)及压控振荡器(VCO)组成,在发射模式下产生载波频率;在接收模式下产生本地振荡信号,采用超外差接收方式。
工作过程:接收时,从天线感应到的RF信号经匹配网络后由LNA放大,之后经MIX下变频到10.7 MHz的中频再放大、滤波,最后解调输出,ASK与FSK的解调输出取自OUT_DTA,FM的解调输出取自OUT_DEM。发射时,基带调制数据有2种输入方式,一是由IN_DTA端输入的标准调制方式,二是经由LF端输入的称为直接VCO调制的方式;VCO的输出信号经PA功率放大后,再经过匹配网络由天线发射出去。
1.3 控制字
任何可编程器件,只有正确设定芯片的控制字后才能保证按预期的正常工作,TH7122.1也不例外。他有4个控制字Aword~Dword,对应内部4个寄存器,每个24位,其中包含2位地址标志位。这些控制字用于配置芯片的工作条件,如频率字计数值设置、工作状态设置、增益控制、调制方式设置、电流和功耗控制、输入数据极性设置以及使能设置等。向芯片写入控制字的时序如图3所示,其中tCS最小值为150 ns,tCH最小值为50 ns,其余的最小时间为100 ns。
2 硬件设计
整个模块的硬件由TH7122.1无线收发芯片及其外围支撑元件电路、单片机STC12C5052及其与PC的接口电平转换电路组成,采用标准调制的连接方式,如图4所示。收发双方采用对等通信的方式,故该电路对收发两端是通用的。
STC12C5052是一款低功耗及宽电压设计的增强型1T 8051单片机[4],速度为普通8051单片机的8~12倍,可兼容普通8051单片机开发系统的使用。在由该模块构成的无线数据传输测试系统中,利用串口调试工具将要发送的数据由PC的串口送到单片机,再由单片机送入TH7122.1调制后发射出去;接收端解调后由单片机读取再传送给PC用以显示对比。TH7122.1的SCI接口、数据输入输出端、增益控制端与单片机I/O口相连接,单片机的收发数据端RXD,TXD通过电平转换电路后与PC机RS 232串口相连。开关S用于对单片机手动复位。
单片机所用晶振频率选为11.059 2 MHz,可得到相对准确的波特率定时;对于TH7122.1,采用PUM使用模式及FSK标准调试方式,晶振频率选用8 MHz,发射的载波频率采用315 MHz,相应地,超外差接收时本振频率为304.3 MHz,外围元件的取值如原理图中所示。
现在的收发芯片大多有多个工作频段和多种调制方式,这样不仅跟芯片本身内部电路的设计有关,比如需要可工作于多频段下的低噪声放大器LNA[5],还跟其外围元件的取值有关。不同频段下,其外围支撑元件的取值会有差别;同一频段下的不同调制方式,其外围支撑元件取值也会不同,乃至不同的外围电路形式。同一频段内的相同调制方式,如果信道间距不过大,用同样的外围支撑元件在多信道情况下是可以良好工作的。
3 软件设计
软件编程采用C语言,用Keil-C51[6,7]进行编译,程序流程如图5所示:
PC与单片机之间及单片机与收发芯片之间的数据传输都是采用串行方式,故传输过程中要设置起始标志位(低电平),并且与要设定传输波特率定时,数据校验采用偶校验方式。TH7122.1采用透明数据传输,内部没编码转换,没有数据寄存器,所以不像nRF2401那样具有突发模式(ShockBurstTM Mode)[8],即不是先存储接收数据,然后再由某种触发才一次性发射,而是对接收到的数据直接进行调制并发射;如果需要,可以通过在单片机内定义数据块存储空间实现突发模式。在上电后,TH7122.1默认处于SUM模式,为进入PUM模式以配置芯片的工作方式,只需改变FS0/SDEN引脚的状态,如设置其从高电平跃变为低电平,之后就按SCI接口的时序要求写入4个控制字。由于每个字有自己的地址标志,所以可以在任何需要的时候只更改其中一个字,如在没有数据传输时可重写Aword使之从收发状态进入待机状态或空闲状态以降低功耗,而在待机状态下,可再次重写Aword进入收发状态。此外,FSK调制方式下,待机状态到发射或接收状态的转换时间最大为1.5 ms,发射状态和接收状态之间的转换时间为1 ms,所以为保证工作正常,应在相应的延时时间后才发送接收数据。结合系统的信道频率,此处发射端的A~D控制字为:0x09F817,0x5EE815,0xA4036B,0xE8033B;接收端的A~D控制字为:0x09F417,0x5FE815,0xA4036B,0xE8033B。
4 调 试
采用STC单片机PC端ISP程序下载控制软件Ver3.1(可从STC单片机主页下载得到)将程序编译后生成的16进制代码载入单片机中,同时通过该串口调试工具,从PC1端发送数据,经无线传输后在PC2端接收显示。由于基带数据输入的硬件连接采用FSK标准调制方式,根据建议的最大传输速率为20 kb/s(在采用直接VCO调试的硬件连接方式时,最大传输速率为115 kb/s),设定基带数据的波特率为19.2 kb/s,调试成功后,可以实现稳定可靠的数据传输。此外,在基带数据输入改用函数信号发生器产生的方波替代时,观察接收端的解调输出,从1~20 kHz的范围(相当于数据速率为2~40 kb/s),两端的信号在示波器上呈现出一样的波形。改变方波的频率,接收端波形同步变化,但在频率较高时波形出现毛点且随频率的升高而增多,说明波形失真已比较严重,因此最好在所建议的最大传输速率范围内使用。
5 结 语
本文在对TH7122.1芯片性能及原理分析的基础上,实现了一种无线数据传输模块,进而利用该模块构建一个无线数据传输测试系统,其工作的信道频率为315 MHz,经调试表明采用该模块的测试系统可实现稳定可靠的数据传输。模块的结构简单,具有节能模式,对于短距离无线应用如工业无线控制,生物信号采集等具有实用价值,也可嵌入于其他应用系统如无线警报安防系统、车辆监控系统、低功耗遥测系统等。
参考文献
[1]黄智伟.单片无线数据通信IC原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.
[2]Melexis Corporation.TH7122 Datasheet[EB/OL].http:///ProdMain.aspx?nID=121,2006-10-13.
[3]Melexis Corporation.TH7122 Product Information[EB/OL].http:///ProdMain.aspx?nID=121,2007-02-27.
[4]宏晶科技有限公司.STC12C2052AD系列单片机用户手册[EB/OL].http://,2006-08-07.
[5]Hashemi H.Concurrent Multiband Low-Noise Amplifiers-Theory,Design and Applications\[J\].IEEE Transactions on Microwave Theory and techniques,2002,50(1):288-301.
[6]尹勇,李宇.μVision2 单片机应用程序开发指南[M].北京:科学出版社,2005.
[7]于京,张景璐.51系列单片机C程序设计与应用案例[M].北京:中国电力出版社,2006.
[8]Nordic VLSI ASA .nRF2401 Datasheet [EB/OL].http://www.nvlsi.no.2003-03.
作者简介 张东彬 男,1984年出生,泉州人,厦门大学硕士研究生。研究方向为模拟集成电路设计。
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