短距離ISM頻段無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽迷O計
摘 要： 給出ATA5428在ISM頻段短距離雙向無線數(shù)據(jù)通信中的應用。
關鍵詞： ATA5428；ISM；433MHz短距離雙向無線通信
引 言
近些年來，隨著集成電路技術的發(fā)展，ISM頻段單芯片的無線數(shù)據(jù)通信IC的性能日益提高，短距離無線應用領域也在不斷的擴大，其中包括家用電器，消費電子產(chǎn)品，工業(yè)控制，安防，自動抄表，汽車遙控控制等諸多領域。
本文介紹一種基于ATMEL公司的單芯片多頻點，工作于ISM頻段的收發(fā)芯片 ATA5428在無線數(shù)據(jù)傳輸中的應用。
ATA5428是ATMEL公司新推出的一款包含了射頻功能和邏輯控制功能的集成電路?？梢怨ぷ饔?31.5MHz～436.5MHz。ATA5428具有低功耗和高集成度，傳輸?shù)木嚯x遠，接收的靈敏度高等優(yōu)點，其內(nèi)部集成壓控振蕩器、鎖相環(huán)電路、功率放大電路、解調(diào)電路、變頻器、中放電路等。由于高度的集成化使復雜無線電路大大簡化，以往較難處理的射頻部分，被簡化到只需在IC外圍加上幾個免調(diào)試的分立元件。
ATA5428內(nèi)部含有自動定時接收喚醒數(shù)字邏輯控制電路，可以設定喚醒的周期，選擇這個功能后僅僅增加一些收發(fā)延遲，但會成倍的降低接收功耗。
ATA5428內(nèi)部含有7個控制寄存器，可以非常簡單的對頻率、收發(fā)速率、調(diào)制方式進行設置。 ATA5428內(nèi)部還包含一個16字節(jié)先進先出RAM緩沖器，利用這個功能減少對MCU的依賴，使MCU有更多的時間處理其它的事務。所以，MCU既使運行在比較低的頻率，在收發(fā)雙方不小于100ms響應下，依然能夠正常工作。
系統(tǒng)電路設計
本系統(tǒng)使用了AVR系列單片機ATmega88。ATA5428與ATmega88通訊采用SPI接口，與外部通信采用UART接口。由于高度集成化ATA5428外圍零件已經(jīng)很少，所以設計的關鍵是RF前端的匹配電路的設計。一般的RF芯片發(fā)射與接收端口的阻抗并不是標準的50Ω阻抗，而是在不同頻率下都可以等效為一個實部加一個虛部 ，例如ATA5428在433.92MHz的頻率下輸入阻抗可以等效為（32-j169）Ω，要達到最佳的接收效果必須將輸入阻抗通過外圍器件的補償使之與50Ω的天線匹配。
圖1 ATA5428應用電路
圖1中L4與C1的作用是補償輸入阻抗成為50Ω，同樣L2與C8的作用是用于補償使輸出阻抗為50Ω，同時L2還起到高頻扼流的作用。C9，L1，C10組成一個三階低通濾波電路，3dBm的截止頻率約為500MHz左右，低通濾波電路一方面可以抑制發(fā)射的高次諧波，另一方面可以衰減輸入噪音。必須注意，為了降低輸入輸出網(wǎng)絡的互相影響，在ATA5428 的內(nèi)部增加了一個天線開關，在發(fā)射狀態(tài)時開關閉合，輸入網(wǎng)絡前的20mm×0.4mm傳輸線由于長度遠遠小于1/4波長，所以等效與一個電容接地，而在接收時，等效一個電感，這部分的設計必須注意的是分布參數(shù)影響。另外高頻部分的走線盡量的短粗，元器件參數(shù)要根據(jù)線路板的實際情況作出適當?shù)恼{(diào)節(jié)，以抵消分布參數(shù)的影響。
ATA5428的靈敏度已經(jīng)相當理想，當有些特殊場合需較遠的通信距離的應用時，如雙向汽車遙控器等，可以在ATA5428的RF輸入端加一級低噪聲放大器LNA（見圖2），以進一步提高ATA5428的接收靈敏度。放大電路的輸入和輸出都采用了LC匹配網(wǎng)絡。放大器的實際增益高達近20dB,可以提高4dB到6dB的靈敏度，相當于增加30%～80%的距離。
圖2 LNA應用電路
軟件設計
眾所周知，一般無線數(shù)字接收機在接收有效數(shù)據(jù)之前，必須要識別數(shù)據(jù)開始的標志信息及前導碼PREAMBLE和同步頭SYNCWORD（見圖3）。前導碼是由若干01010…數(shù)據(jù)組成主要是用于恢復與同步無線接收機的時鐘，同步頭可以是若干特定的數(shù)據(jù)，它標志著數(shù)據(jù)的開始，ID FIELD是個可選項，用于識別接收機的地址。 數(shù)據(jù)域DATA FIELD是真正的數(shù)據(jù)區(qū)，數(shù)據(jù)的長度通常是可變的，CRC是對ID FIELD和DATA FIELD的效驗，可以選擇CRC16或CRC32。ATA5428推薦用Manchester 編碼以區(qū)別與其他同類IC，ATA5428檢測前導碼采用比較每個比特的脈沖寬度，并有一個可設置比特數(shù)據(jù)的長度的范圍窗口，其他同類IC則采用識別是否有01010…數(shù)據(jù)來識別前導碼，ATA5428這種比較前導碼的方式，顯然具有明顯的優(yōu)點，抗干擾能力大大增強。
圖3 ATA5428接收示意圖
ATA5428有2種接收工作模式，普通模式和透明模式。我們這個應用采用的是普通模式。在普通模式下，接收的過程是當檢測到前導碼和同步頭后，激活收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖控制邏輯，并且把數(shù)據(jù)寫入收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，如圖3所示。這里需注意的是ATA5428只有16字節(jié)的緩沖區(qū)。如果數(shù)據(jù)隊列長度超過16個字節(jié)，那么會發(fā)生緩沖溢出，所以數(shù)據(jù)的及時讀入非常重要，這樣可以避免數(shù)據(jù)的溢出。ATA5428有一個顯示接收數(shù)據(jù)的計數(shù)器，當計數(shù)器的值到達了某一個值后，可以通過中斷的方式與MCU進行通信。
ATA5428在工作之前需要對其初始化，下面僅給出在普通接收模式下的初始化函數(shù)與發(fā)送的初始化函數(shù)。
void receive_init（）
｛
__disable_interrupt（）; //disable all
interrupts
SETBIT（PORTD,CS_5428）; //CS___/————
spi（write_ctr_reg|5）; //0xa5——->ctr6
spi（write_ctr_reg|4）; //0x50——->ctr5
spi（0x90）; //6 bits check, lim_min:
16,4b
spi（write_ctr_reg|3）; //0x80——->ctr4
spi（0x00）;
//FREQ = （frf/fxto-32.5）＊16384-20.5,3928
spi（write_ctr_reg|2）; //0x7b——->ctr3
spi（0x7b）; //vsout on, clock out on
spi（write_ctr_reg|1）; //0xb0——->ctr2
spi（0xb1）; //manchester modulator on
spi（write_ctr_reg|0）; //0x42——->ctr1
spi（0x26）; //tx mode.send 1data
every time
CLRBIT（PORTD,CS_5428）;//close 5428
spi interface
SETBIT（PORTD,CS_5428）;
spi（cancel_IRQ）;
CLRBIT（PORTD,CS_5428）;//close 5428
發(fā)送的過程首先是初始化，然后從SPI口送出2-3字節(jié)的01010…前導碼，由于設置的是Manchester，發(fā)送幾個0XFF即可，后面的格式可以參照圖3的數(shù)據(jù)的傳輸格式。
void transfer_data（）
｛
SETBIT（PORTD,CS_5428）;//CS_5428
___/————
spi（write_TRX_buffer）;//write writing
buffer command
spi（0xFF）;//send 0xFF ,for bit check
spi（0xFF）;//send 0xFF ,for bit check
spi（0x55）; //for SYNCWORD
spi（‘T‘）;//send ‘T‘
.
.
ID FIELD和DATA FIELD
CRC16
.
.
CLRBIT（PORTD,CS_5428）;//CS_5428 ——-
-\____
SETBIT（PORTD,CS_5428）;//CS_5428
___/————
spi（write_ctr_reg|0）;//0x00 -> ctr1
spi（0x00）;//go to IDLE mode
CLRBIT（PORTD,CS_5428）;//CS_5428 ——-
-\____
｝
ATA5428收到數(shù)據(jù)后，主動發(fā)出中斷請求，MCU響應中斷，并且調(diào)用接收函數(shù)，接收過程首先是判斷同步碼是否正確，然后將數(shù)據(jù)域和CRC效驗接收下來，若效驗通過則輸出到UART口。
結(jié) 語
實驗表明本設計具有成本低，功耗小，通信距離遠等特點，經(jīng)過實際的運行測量，開闊地通信距離超過500m。特別在應用環(huán)境較為復雜，數(shù)據(jù)信號容易受到各種噪聲干擾的情況下，該方案的可靠性明顯優(yōu)于超再生的數(shù)據(jù)傳輸方案。
參考文獻：
ATA 5428 datasheet, ATMEL公司
關鍵詞： ATA5428；ISM；433MHz短距離雙向無線通信
引 言
近些年來，隨著集成電路技術的發(fā)展，ISM頻段單芯片的無線數(shù)據(jù)通信IC的性能日益提高，短距離無線應用領域也在不斷的擴大，其中包括家用電器，消費電子產(chǎn)品，工業(yè)控制，安防，自動抄表，汽車遙控控制等諸多領域。
本文介紹一種基于ATMEL公司的單芯片多頻點，工作于ISM頻段的收發(fā)芯片 ATA5428在無線數(shù)據(jù)傳輸中的應用。
ATA5428是ATMEL公司新推出的一款包含了射頻功能和邏輯控制功能的集成電路?？梢怨ぷ饔?31.5MHz～436.5MHz。ATA5428具有低功耗和高集成度，傳輸?shù)木嚯x遠，接收的靈敏度高等優(yōu)點，其內(nèi)部集成壓控振蕩器、鎖相環(huán)電路、功率放大電路、解調(diào)電路、變頻器、中放電路等。由于高度的集成化使復雜無線電路大大簡化，以往較難處理的射頻部分，被簡化到只需在IC外圍加上幾個免調(diào)試的分立元件。
ATA5428內(nèi)部含有自動定時接收喚醒數(shù)字邏輯控制電路，可以設定喚醒的周期，選擇這個功能后僅僅增加一些收發(fā)延遲，但會成倍的降低接收功耗。
ATA5428內(nèi)部含有7個控制寄存器，可以非常簡單的對頻率、收發(fā)速率、調(diào)制方式進行設置。 ATA5428內(nèi)部還包含一個16字節(jié)先進先出RAM緩沖器，利用這個功能減少對MCU的依賴，使MCU有更多的時間處理其它的事務。所以，MCU既使運行在比較低的頻率，在收發(fā)雙方不小于100ms響應下，依然能夠正常工作。
系統(tǒng)電路設計
本系統(tǒng)使用了AVR系列單片機ATmega88。ATA5428與ATmega88通訊采用SPI接口，與外部通信采用UART接口。由于高度集成化ATA5428外圍零件已經(jīng)很少，所以設計的關鍵是RF前端的匹配電路的設計。一般的RF芯片發(fā)射與接收端口的阻抗并不是標準的50Ω阻抗，而是在不同頻率下都可以等效為一個實部加一個虛部 ，例如ATA5428在433.92MHz的頻率下輸入阻抗可以等效為（32-j169）Ω，要達到最佳的接收效果必須將輸入阻抗通過外圍器件的補償使之與50Ω的天線匹配。
圖1 ATA5428應用電路
圖1中L4與C1的作用是補償輸入阻抗成為50Ω，同樣L2與C8的作用是用于補償使輸出阻抗為50Ω，同時L2還起到高頻扼流的作用。C9，L1，C10組成一個三階低通濾波電路，3dBm的截止頻率約為500MHz左右，低通濾波電路一方面可以抑制發(fā)射的高次諧波，另一方面可以衰減輸入噪音。必須注意，為了降低輸入輸出網(wǎng)絡的互相影響，在ATA5428 的內(nèi)部增加了一個天線開關，在發(fā)射狀態(tài)時開關閉合，輸入網(wǎng)絡前的20mm×0.4mm傳輸線由于長度遠遠小于1/4波長，所以等效與一個電容接地，而在接收時，等效一個電感，這部分的設計必須注意的是分布參數(shù)影響。另外高頻部分的走線盡量的短粗，元器件參數(shù)要根據(jù)線路板的實際情況作出適當?shù)恼{(diào)節(jié)，以抵消分布參數(shù)的影響。
ATA5428的靈敏度已經(jīng)相當理想，當有些特殊場合需較遠的通信距離的應用時，如雙向汽車遙控器等，可以在ATA5428的RF輸入端加一級低噪聲放大器LNA（見圖2），以進一步提高ATA5428的接收靈敏度。放大電路的輸入和輸出都采用了LC匹配網(wǎng)絡。放大器的實際增益高達近20dB,可以提高4dB到6dB的靈敏度，相當于增加30%～80%的距離。
圖2 LNA應用電路
軟件設計
眾所周知，一般無線數(shù)字接收機在接收有效數(shù)據(jù)之前，必須要識別數(shù)據(jù)開始的標志信息及前導碼PREAMBLE和同步頭SYNCWORD（見圖3）。前導碼是由若干01010…數(shù)據(jù)組成主要是用于恢復與同步無線接收機的時鐘，同步頭可以是若干特定的數(shù)據(jù)，它標志著數(shù)據(jù)的開始，ID FIELD是個可選項，用于識別接收機的地址。 數(shù)據(jù)域DATA FIELD是真正的數(shù)據(jù)區(qū)，數(shù)據(jù)的長度通常是可變的，CRC是對ID FIELD和DATA FIELD的效驗，可以選擇CRC16或CRC32。ATA5428推薦用Manchester 編碼以區(qū)別與其他同類IC，ATA5428檢測前導碼采用比較每個比特的脈沖寬度，并有一個可設置比特數(shù)據(jù)的長度的范圍窗口，其他同類IC則采用識別是否有01010…數(shù)據(jù)來識別前導碼，ATA5428這種比較前導碼的方式，顯然具有明顯的優(yōu)點，抗干擾能力大大增強。
圖3 ATA5428接收示意圖
ATA5428有2種接收工作模式，普通模式和透明模式。我們這個應用采用的是普通模式。在普通模式下，接收的過程是當檢測到前導碼和同步頭后，激活收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖控制邏輯，并且把數(shù)據(jù)寫入收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，如圖3所示。這里需注意的是ATA5428只有16字節(jié)的緩沖區(qū)。如果數(shù)據(jù)隊列長度超過16個字節(jié)，那么會發(fā)生緩沖溢出，所以數(shù)據(jù)的及時讀入非常重要，這樣可以避免數(shù)據(jù)的溢出。ATA5428有一個顯示接收數(shù)據(jù)的計數(shù)器，當計數(shù)器的值到達了某一個值后，可以通過中斷的方式與MCU進行通信。
ATA5428在工作之前需要對其初始化，下面僅給出在普通接收模式下的初始化函數(shù)與發(fā)送的初始化函數(shù)。
void receive_init（）
｛
__disable_interrupt（）; //disable all
interrupts
SETBIT（PORTD,CS_5428）; //CS___/————
spi（write_ctr_reg|5）; //0xa5——->ctr6
spi（write_ctr_reg|4）; //0x50——->ctr5
spi（0x90）; //6 bits check, lim_min:
16,4b
spi（write_ctr_reg|3）; //0x80——->ctr4
spi（0x00）;
//FREQ = （frf/fxto-32.5）＊16384-20.5,3928
spi（write_ctr_reg|2）; //0x7b——->ctr3
spi（0x7b）; //vsout on, clock out on
spi（write_ctr_reg|1）; //0xb0——->ctr2
spi（0xb1）; //manchester modulator on
spi（write_ctr_reg|0）; //0x42——->ctr1
spi（0x26）; //tx mode.send 1data
every time
CLRBIT（PORTD,CS_5428）;//close 5428
spi interface
SETBIT（PORTD,CS_5428）;
spi（cancel_IRQ）;
CLRBIT（PORTD,CS_5428）;//close 5428
發(fā)送的過程首先是初始化，然后從SPI口送出2-3字節(jié)的01010…前導碼，由于設置的是Manchester，發(fā)送幾個0XFF即可，后面的格式可以參照圖3的數(shù)據(jù)的傳輸格式。
void transfer_data（）
｛
SETBIT（PORTD,CS_5428）;//CS_5428
___/————
spi（write_TRX_buffer）;//write writing
buffer command
spi（0xFF）;//send 0xFF ,for bit check
spi（0xFF）;//send 0xFF ,for bit check
spi（0x55）; //for SYNCWORD
spi（‘T‘）;//send ‘T‘
.
.
ID FIELD和DATA FIELD
CRC16
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CLRBIT（PORTD,CS_5428）;//CS_5428 ——-
-\____
SETBIT（PORTD,CS_5428）;//CS_5428
___/————
spi（write_ctr_reg|0）;//0x00 -> ctr1
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CLRBIT（PORTD,CS_5428）;//CS_5428 ——-
-\____
｝
ATA5428收到數(shù)據(jù)后，主動發(fā)出中斷請求，MCU響應中斷，并且調(diào)用接收函數(shù)，接收過程首先是判斷同步碼是否正確，然后將數(shù)據(jù)域和CRC效驗接收下來，若效驗通過則輸出到UART口。
結(jié) 語
實驗表明本設計具有成本低，功耗小，通信距離遠等特點，經(jīng)過實際的運行測量，開闊地通信距離超過500m。特別在應用環(huán)境較為復雜，數(shù)據(jù)信號容易受到各種噪聲干擾的情況下，該方案的可靠性明顯優(yōu)于超再生的數(shù)據(jù)傳輸方案。
參考文獻：
ATA 5428 datasheet, ATMEL公司
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