无线通信电路设计

无线通信电路设计

随着电子技术的发展，基于射频技术的无线收发芯片的集成度、性能都大幅度提高，芯片的种类和数量比较多，性能也各有特色。目前，世界各大芯片制造商研制开发出了各种新型射频芯片，使短距离无线通信装置的设计开发趋于容易、便捷、周期短、成本低。

此类芯片收发合一，工作频率一般为国际通用的ISM频段，无需申请许可证，采用低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用时对周围干扰很小，调制方式大多为ASK，FSK，传输速率为几K到几百K bit/s，传输距离受环境影响，一般在几十米到数百米。

选择无线收发芯片时，应考虑以下几个因素：

(1)芯片所需的外围元件数量

芯片外围元件的数量的直接决定设计的成本，因此应该选择外围元件少的收发芯片。有些芯片似乎比较便宜，可是外围元件使用很多昂贵的元件；有些芯片收发分别需要两根天线，会大大加大成本。

(2)功耗

大多数无线收发芯片是应用在便携式产品上的，因此功耗也非常重要，应该根据需要选择综合功耗较小的产品。

(3)发射功率

在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射功率较高的产品。但是也应该注意，有些产品标称的发射功率虽然较高，但是由于其外围元件多，调试复杂，往往实际的发射功率远远达不到标称值。

(4)芯片的封装和管脚数

较少的管脚以及较小的封装，有利于减少PCB而积降低成本，适合便携式产品的设计，也有利于开发和生产。此外，接收灵敏度、从待机模式到工作模式的唤醒时间等因素也要考虑。

nRF905芯片体积小，功耗低，内置数据协议和CRC检错，无须在软件设计中另加CRC校验，简化了软件设计，提高了数据传输的可靠性，因此本次设计直接采用以nRF905为核心芯片的PTR8000无线数传模块。

1)nRF905介绍

nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.9～3.6V，32引脚QFN 封装(5×5mm)，工作于433/868/915MHz 三个ISM 频道，频道之间的转换时间小于650us。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器，ShockBurstTM工作模式，自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，工作于接收模式时的电流为12.5mA，内建待机模式与关机模式，易于实现节能。

(1)芯片结构

nRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率放大器等模块，曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用方便，nRF905详细结构如图3-12所示。

(2)工作模式

nRF905有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM发送模式，两种节能模式分别是关机模

式和待机模式。与射频数据包有关的高速信号处理都在nRF905片内进行，数据速率由微控制器配置的SPI接口决定，数据在微控制器中低速处理，但在nRF905中高速发送，因此中间有很长时间的空闲，这很有利于节能。由于nRF905工作于ShockBurstTM模式，因此使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。在ShockBurstTM接收模式下，当一个包含正确地址和数据的数据包被接收到后，地址匹配(AM)和数据准备好(DR)两引脚通知微控制器。在ShockBurstTM 发送模式，nRF905自动产生字头和CRC校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。

由以上分析可知，nRF905的ShockBurstTM收发模式有利于节约存储器和微控制器资源，同时也减小了编写程序的时间。

关机模式时，nRF905的工作电流最小，一般为2.5uA，进入关机模式后，nRF905保持配置字中的内容，但不会接收或发送任何数据。待机模式有利于减小工作电流，其从待机模式到发送模式或接收模式的启动时间也比较短，在待机模式下，nRF905内部的部分晶体振荡器处于工作状态，nRF905在待机模式下的工作电流跟外部晶体振荡器的频率有关。图3-12 nRF905芯片内部结构

2) SPI接口配置

SPI接口由状态寄存器、射频配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器和接收数据寄存器5个寄存器组成。状态寄存器包含数据准备好引脚状态信息和地址匹配引脚状态信息；射频配置寄存器包含收发器配置信息，如频率和输出功能等；发送地址寄存器包含接收机的地址和数据的字节数；发送数据寄存器包含待发送的数据包的信息，如字节数等；接收数据寄存器包含要接收的数据的字节数等信息。

3) 以nRF905芯片为核心的PTR8000无线数传模块

基于无线收发芯片，加上少量的外围元件，构成了无线数传模块。信号的稳定性、传输距离、传输速率可以得到改善，还可以非常方便与单片机串口连接。无线数传模块的体积越来越小，功能越来越强，因此缩短了开发周期，降低了成本。

PTR8000无线模块以nRF905无线收发芯片为核心，内置433/868/915MHz天线，体积小巧，传输速率为20～76.8kbit/s，传输距离一般在几十米到数百米，标准DIP间距接口，成本低、功耗低、协议简单、便于嵌入式系统使用，因此很适合用于本系统中。以下是PTR8000的特点介绍：

(1)PTR8000无线数传模块的基本电气特性见表3-2。

表3-2 PTR8000无线数传模块的基本电气特性

参数数值单位

工作电压1.9～3.6 V

最大发射功率10 dBm

最大数据传输率100 Kbps

输出功率为-10dBm时工作电流11 mA

接受模式时工作电流12.5 mA

温度范围-40～+85℃

典型灵敏度-100 dBm

掉电模式时工作电流2.5 uA

(2)PTR8000无线数传模块引脚图如图3-13，模块硬件接口如图3-14，在表3-3