ADI實驗室電路:低功耗、長距離ISM無線測量節(jié)點 - 全文

電路功能與優(yōu)勢

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

系統(tǒng)內(nèi)包含的低功耗溫度測量節(jié)點每分鐘喚醒一次，測量溫度并將結(jié)果以10 kbps速率發(fā)送到基節(jié)點，然后返回睡眠狀態(tài)?；?jié)點不斷接收來自測量節(jié)點的數(shù)據(jù)包，并通過UART將信息發(fā)送到PC，以便在“超級終端”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)測量電路的詳情請參閱應(yīng)用筆記應(yīng)用筆記 AN-0970

本應(yīng)用選擇的無線頻段是低于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（無負(fù)載時為11 μA）對盡可能延長電池壽命至關(guān)重要。

圖1. 低功耗遠(yuǎn)程ISM無線測量節(jié)點（簡化示意圖：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微處理器端口。在該應(yīng)用中，使用的是兩個端口，而非具有兩個中斷的單個雙向端口。這樣雖然簡化了軟件，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。對于10 kbps的數(shù)據(jù)速率，4.7 kΩ的電阻效果不錯。

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

第一個因素通過選擇低功耗元件來解決，例如ADuC7060和ADF7020。第二個因素即最大程度地減少系統(tǒng)活動，可通過讓系統(tǒng)盡可能長地處于非活動狀態(tài)來實現(xiàn)。可以考慮在整數(shù)與浮點算法間進(jìn)行折衷，許多情況下整數(shù)就足夠了，其執(zhí)行時間更短，因此更省電。最后一個因素即縮短傳送時間，可部分通過使用開銷最小的協(xié)議實現(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。

代碼說明－概述

系統(tǒng)大部分時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）。定時器2每秒將系統(tǒng)喚醒一次。每60秒執(zhí)行一次ADC測量，將結(jié)果線性化并發(fā)送出去。定時器2可將系統(tǒng)從深度睡眠中喚醒；其他三個定時器無此功能。定時器2是16位器件，表示它采用32 kHz時鐘運(yùn)行時每秒喚醒一次（睡眠模式內(nèi)）。啟動ADC后，系統(tǒng)進(jìn)入暫停模式（參見ADuC7060數(shù)據(jù)手冊）。這也是一個低功耗模式，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)果計算溫度值，將數(shù)據(jù)打包后發(fā)送。

打包其實就是將適當(dāng)數(shù)據(jù)放置在緩沖器內(nèi)。此時數(shù)據(jù)包含一個4字節(jié)浮點溫度值和一個2字節(jié)CRC（循環(huán)冗余校驗）。在更復(fù)雜的系統(tǒng)中，該數(shù)據(jù)之前還會添加節(jié)點地址標(biāo)頭、接收信號強(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8字節(jié)前導(dǎo)碼（用于幫助同步接收節(jié)點）和一個3字節(jié)同步字。后者是一個唯一的3字節(jié)數(shù)字，接收節(jié)點在接收數(shù)據(jù)包前會進(jìn)行匹配檢查。

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

圖2中顯示的是測量節(jié)點和基礎(chǔ)接收節(jié)點主環(huán)路的流程圖。

圖2. 測量和接收節(jié)點主環(huán)路流程圖

代碼說明－ADF7020驅(qū)動器

ADF7020支持多種調(diào)制方案。本例中使用GFSK（高斯頻移鍵控），該方案的優(yōu)點是頻譜效率極佳。在此模式中，ADF7020在發(fā)送和接收時均產(chǎn)生數(shù)據(jù)時鐘。時鐘上升沿（DATA CLK）產(chǎn)生一個中斷，使ADuC7060按圖3所示將數(shù)據(jù)逐位地放置在輸出端口上。輸出所有數(shù)據(jù)后，芯片選擇解除，ADuC7060重新進(jìn)入深度睡眠模式。

在接收端上，ADF7020在接收到匹配的同步字后產(chǎn)生一個中斷（INT/LOCK端口在九個時鐘周期內(nèi)保持高電平）。

該信號通知ADuC7060處理器準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)包。從數(shù)據(jù)包接收的每一位均在ADuC7060內(nèi)產(chǎn)生一個中斷。在中斷服務(wù)程序（ISR）中，讀取位流并存儲在緩沖器內(nèi)。接收到數(shù)據(jù)包內(nèi)的所有字節(jié)后，設(shè)置一個標(biāo)志，指示新數(shù)據(jù)包已經(jīng)收到。主環(huán)路現(xiàn)在可通過校驗和確認(rèn)數(shù)據(jù)包的有效性。然后處理正確和完整的數(shù)據(jù)包。本例中通過UART將以上信息發(fā)送至PC進(jìn)行顯示。如圖4所示，同一ISR既可接收來自ADF7020收發(fā)器的數(shù)據(jù)，也可向其發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖3. 數(shù)據(jù)I/O時序

圖4. 處理接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的中斷服務(wù)程序

常見變化

根據(jù)所需頻率，可使用許多其他產(chǎn)品來代替ADF7020。例如，對于2.4 GHz頻段， ADF7242 是很好的選擇。