ADI實(shí)驗(yàn)室電路:低功耗、長(zhǎng)距離ISM無(wú)線測(cè)量節(jié)點(diǎn)

電路功能與優(yōu)勢(shì)

理想情況下，無(wú)線測(cè)量節(jié)點(diǎn)具有低功耗、長(zhǎng)距離特點(diǎn)，易于與不同傳感器接口。通過(guò)配合使用ADI公司的三款器件，可以實(shí)現(xiàn)平均電流消耗《70 μA、距離接近1 km（無(wú)障礙）、數(shù)據(jù)速率達(dá)到每分鐘一次傳輸?shù)?a target="_blank">智能測(cè)量節(jié)點(diǎn)，同時(shí)維持16位ADC性能（見(jiàn)圖1），使電路適合電池供電和自動(dòng)化、遠(yuǎn)程檢測(cè)等應(yīng)用。

系統(tǒng)內(nèi)包含的低功耗溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)每分鐘喚醒一次，測(cè)量溫度并將結(jié)果以10 kbps速率發(fā)送到基節(jié)點(diǎn)，然后返回睡眠狀態(tài)?；?jié)點(diǎn)不斷接收來(lái)自測(cè)量節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，并通過(guò)UART將信息發(fā)送到PC，以便在“超級(jí)終端”內(nèi)顯示。

ADuC7060精密模擬微控制器采用低功耗ARM7內(nèi)核，擁有多種精密模擬功能。由于內(nèi)置片上多路復(fù)用器、數(shù)字可編程增益放大器（PGA）、基準(zhǔn)電壓源、可編程電流源和24位Σ-Δ型ADC，該器件幾乎可直接連接任何溫度和橋式傳感器。本例中選擇的是4線式Pt100（100 Ω鉑RTD）溫度傳感器。有關(guān)測(cè)量電路的詳情請(qǐng)參閱應(yīng)用筆記應(yīng)用筆記 AN-0970

本應(yīng)用選擇的無(wú)線頻段是低于1GHz的免執(zhí)照ISM（工業(yè)、科研和醫(yī)用）頻段。 ADF7021 收發(fā)器支持431 MHz至478 MHz及862 MHz至956 MHz范圍內(nèi)的頻段，因此是必然選擇。該低功耗收發(fā)器所需的外部元件極少，可以輕松連接ADuC7060精密模擬微控制器，性能卓越。

ADP121 穩(wěn)壓器利用兩節(jié)1.5 V電池提供2.5 V電源電壓。該穩(wěn)壓器的極低靜態(tài)電流（無(wú)負(fù)載時(shí)為11 μA）對(duì)盡可能延長(zhǎng)電池壽命至關(guān)重要。

圖1. 低功耗遠(yuǎn)程ISM無(wú)線測(cè)量節(jié)點(diǎn)（簡(jiǎn)化示意圖：未顯示去耦和所有連接）

電路描述

連接 ADF7020 ISM收發(fā)器和ADuC7060精密微控制器的是兩條總線。兩者均為串行雙向總線：其中一條總線負(fù)責(zé)配置收發(fā)器，需要四個(gè)微處理器端口；另一條總線是數(shù)據(jù)總線，用于在控制器與收發(fā)器之間傳輸數(shù)據(jù)，該總線至少需要三個(gè)微處理器端口。在該應(yīng)用中，使用的是兩個(gè)端口，而非具有兩個(gè)中斷的單個(gè)雙向端口。這樣雖然簡(jiǎn)化了軟件，但必須使用額外的二極管和電阻器，以分離輸入和輸出數(shù)據(jù)流。兩個(gè)肖特基二極管的并聯(lián)組合確保了低于200 mV的邏輯低電平。在相同封裝中BAT54C有兩個(gè)二極管（連接引腳1和引腳2從而得到并聯(lián)配置）。ADuC7060上的所有數(shù)字端口均具有可編程上拉電阻；但也需要外部上拉電阻。對(duì)于10 kbps的數(shù)據(jù)速率，4.7 kΩ的電阻效果不錯(cuò)。

電路汲取的總電流取決于三個(gè)因素：個(gè)別元件在睡眠和活動(dòng)模式中的要求、系統(tǒng)活動(dòng)的時(shí)間以及收發(fā)器本身活動(dòng)的時(shí)間。

第一個(gè)因素通過(guò)選擇低功耗元件來(lái)解決，例如ADuC7060和ADF7020。第二個(gè)因素即最大程度地減少系統(tǒng)活動(dòng)，可通過(guò)讓系統(tǒng)盡可能長(zhǎng)地處于非活動(dòng)狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。可以考慮在整數(shù)與浮點(diǎn)算法間進(jìn)行折衷，許多情況下整數(shù)就足夠了，其執(zhí)行時(shí)間更短，因此更省電。最后一個(gè)因素即縮短傳送時(shí)間，可部分通過(guò)使用開(kāi)銷最小的協(xié)議實(shí)現(xiàn)，但更主要的是使用ADF7020，該器件具有極高的接收器靈敏度和出色的帶外抑制性能，最大程度地提高數(shù)據(jù)包含有正確數(shù)據(jù)的概率。

代碼說(shuō)明－概述

系統(tǒng)大部分時(shí)間處于深度睡眠模式中，功耗為50 μA至60 μA（取決于環(huán)境溫度）。定時(shí)器2每秒將系統(tǒng)喚醒一次。每60秒執(zhí)行一次ADC測(cè)量，將結(jié)果線性化并發(fā)送出去。定時(shí)器2可將系統(tǒng)從深度睡眠中喚醒；其他三個(gè)定時(shí)器無(wú)此功能。定時(shí)器2是16位器件，表示它采用32 kHz時(shí)鐘運(yùn)行時(shí)每秒喚醒一次（睡眠模式內(nèi)）。啟動(dòng)ADC后，系統(tǒng)進(jìn)入暫停模式（參見(jiàn)ADuC7060數(shù)據(jù)手冊(cè)）。這也是一個(gè)低功耗模式，盡管未低至深度睡眠水平。完成后ADC將系統(tǒng)喚醒。根據(jù)ADC結(jié)果計(jì)算溫度值，將數(shù)據(jù)打包后發(fā)送。

打包其實(shí)就是將適當(dāng)數(shù)據(jù)放置在緩沖器內(nèi)。此時(shí)數(shù)據(jù)包含一個(gè)4字節(jié)浮點(diǎn)溫度值和一個(gè)2字節(jié)CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）。在更復(fù)雜的系統(tǒng)中，該數(shù)據(jù)之前還會(huì)添加節(jié)點(diǎn)地址標(biāo)頭、接收信號(hào)強(qiáng)度和其他信息。在將該緩沖數(shù)據(jù)發(fā)送至ADF7020收發(fā)器前，先發(fā)送一個(gè)8字節(jié)前導(dǎo)碼（用于幫助同步接收節(jié)點(diǎn)）和一個(gè)3字節(jié)同步字。后者是一個(gè)唯一的3字節(jié)數(shù)字，接收節(jié)點(diǎn)在接收數(shù)據(jù)包前會(huì)進(jìn)行匹配檢查。

接收端上的硬件非常相似；配置一個(gè)ADF7020收發(fā)器隨時(shí)接收唯一的同步字。收到同步字后便接收數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)通過(guò)UART發(fā)送至PC。

圖2中顯示的是測(cè)量節(jié)點(diǎn)和基礎(chǔ)接收節(jié)點(diǎn)主環(huán)路的流程圖。

圖2. 測(cè)量和接收節(jié)點(diǎn)主環(huán)路流程圖