單片高性能UHF收發(fā)器CC900的工作原理、性能特點(diǎn)及應(yīng)用

1 概述

CC900是美國(guó)Chipcon Component公司生產(chǎn)的單片高性能UHF收發(fā)器，適用于低功率、低電壓的無(wú)線通訊，是一種高集成、高靈敏、高性能的RF收發(fā)芯片。該芯征主要應(yīng)用于工科醫(yī)用頻段ISM和短距離儀器SRD應(yīng)用方面，工作頻率范圍在800～1000MHz，載波頻率和發(fā)射輸出功率均可通過(guò)編程確定，其范圍為-20～4dBm。CC900的主要性能參數(shù)如下：

●工作頻率可編程設(shè)置，范圍為800～1000MHz；

●編程設(shè)置的工作頻率步長(zhǎng)為250Hz；

●輸出功率可編程設(shè)備，范圍為-20～4dBm；

●接收靈敏度為-110dBm；

●采用2.7～3.3V單電源電壓供電；

●帶有FSK調(diào)制功能，速率為0.3～9.6kbit/s；

●發(fā)射電流為91mA/4dBm；

●待機(jī)電流為0.2μA/3V；

●平均工作電流230μA/3V；

●采用單口天線，內(nèi)含T/R轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)；

●采用SSOP-28封裝。

2 工作原理與引腳功能

2.1 工作原理

CC900 的內(nèi)部原理框圖如圖1所示。在接收模式，RF輸入信號(hào)被低噪聲放大器（LNA）放大，并被混頻器（MIXER）轉(zhuǎn)換為中頻（IF）信號(hào)。在中頻段（IF STAGE），該IF信號(hào)被放大和濾波，最后送解調(diào)器（DEMOD）。設(shè)計(jì)時(shí)可在外部增加一個(gè)IF濾波器。信號(hào)經(jīng)CC900解調(diào)后，未經(jīng)處理的數(shù)據(jù)通過(guò) DID腳輸出。而外部微控制器則通過(guò)接口來(lái)控制已解調(diào)輸出數(shù)據(jù)的同步和數(shù)值。

在發(fā)射模式，壓控振蕩器（VCO）的輸出信號(hào)直接加到功率放大器（PH）。RF輸出采用頻移鍵控（FSK）調(diào)制方式，從管腳DIO輸入的數(shù)字位流可用來(lái)控制RF信號(hào)的頻率。而器件內(nèi)部的T/R轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)則可使天線的接口和匹配變得非常容易。

頻率合成器用于產(chǎn)生本地振蕩信號(hào)，該信號(hào)在接收模式時(shí)加到混頻器（MIXER），在發(fā)射模式時(shí)加到功放（PA）。頻率合成器由晶體振蕩器、相位檢測(cè)器、充電電路（CHARGE PUMP）、壓控振蕩器（VCO）和頻率除法器（/R和/N）組成。需要說(shuō)明的是：外部晶振必須連接到XOSC管腳。而VCO則需要外接一個(gè)帶變?nèi)?a target="_blank">二極管的LC電路。外接的環(huán)路濾波器可以提高CC900的使用靈活性。另外，CC900內(nèi)部速帶有一個(gè)3線的數(shù)字串行接口（CONTROL）。

2.2 引腳排列及功能

圖2所示是CC900的引腳排列示意圖。其引腳功能說(shuō)明如表1所示。

表1 引腳功能

3 與微控制器的串行接口

CC900通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的3線接口實(shí)現(xiàn)編程（STROBE、PDATA和CLOCK）。每次完成全部設(shè)置需要發(fā)送8個(gè)16位的數(shù)據(jù)幀。在時(shí)鐘為2MHz時(shí)，全部設(shè)備需要的時(shí)間小于100μs。

在功率降低模式時(shí)， 設(shè)置CC900只需發(fā)送1個(gè)數(shù)據(jù)幀，因此花費(fèi)的時(shí)間小于10μs。

圖3所示是CC900在傳送串行數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)序圖，在每個(gè)寫(xiě)周期，16位數(shù)據(jù)發(fā)送到PDATA腳，每個(gè)數(shù)據(jù)幀的三個(gè)最高有效位（位15、位14、位13）是地址位，位15是地址的最高有效位，被首先發(fā)送。

圖4為CC900的編程時(shí)序圖，圖中：Tsp≥5ns；THP≥5ns；TCLOW≥50ns；TCHIGH≥50ns；TSPD≥50ns；Tsc≥5ns，CLOCK、STROBE脈沖的上升與下降沿必須小于100ns。

CC900上PDATA腳的數(shù)據(jù)加載在時(shí)鐘CLOCK的下降沿。當(dāng)16位數(shù)據(jù)的最后1位（位0）加載時(shí)，STROBE脈沖必須從低電平變?yōu)楦唠娖?，然后再變?yōu)榈碗娖讲拍芗虞d該數(shù)據(jù)。在已編程為功率降低模式葉，數(shù)據(jù)設(shè)置有效，但在電流關(guān)斷時(shí)無(wú)效。

通常在CC900與微控制器一起使用時(shí)，除通過(guò)3線串行接口與微控制器相連以完成芯片設(shè)置以外，微控制器還需提供1個(gè)雙向輸入/輸出腳來(lái)與CC900的 DIO腳相連，以完成發(fā)射數(shù)據(jù)的輸出和接收數(shù)據(jù)的輸入。通常微控制器輸入LOCK信號(hào)，用于監(jiān)測(cè)CC900的工作狀態(tài)，當(dāng)PLL鎖定時(shí)，LOCK為高電平。

4 數(shù)據(jù)的發(fā)射與接收

4.1 數(shù)據(jù)發(fā)射

發(fā)射數(shù)據(jù)應(yīng)采用曼徹斯特碼（即雙向電平碼bi-phase-level），以保護(hù)編碼信號(hào)有一個(gè)恒定的直流分量，該直流分量是FSK解調(diào)所必需的。曼徹斯特編碼變換方式為：“0”編碼為從低到高的變換，“1”編碼為從高到低的變換，如圖5所示。其它具有相同直流分量的編碼也可以在此使用。

4.2 數(shù)據(jù)接收

解調(diào)器輸出（DIO）是一個(gè)在0V和VDD間變化的數(shù)字信號(hào)。對(duì)于較小的輸入信號(hào)，可能會(huì)有一些噪聲疊加其上。用數(shù)字信號(hào)的邊沿進(jìn)行數(shù)據(jù)定位時(shí)，數(shù)據(jù)速率可高達(dá)9.6kbit/s。對(duì)于曼徹斯特碼，信號(hào)的基本頻率也是9.6kHz。推薦使用比解調(diào)器輸出頻率高10到20倍的過(guò)采樣頻率。對(duì)于9.6kbit /s的數(shù)據(jù)速率，采樣頻率至少應(yīng)為100～200kHz。對(duì)于較低的數(shù)據(jù)速率，采樣頻率也可降低。

通常，數(shù)據(jù)接收由微控制器進(jìn)行采樣，并存儲(chǔ)在累加器中，累加器的長(zhǎng)度取決于采樣速率，一般為10到20位，輸入數(shù)據(jù)值的判別（該信號(hào)是“0”還是“1”）基于0和1數(shù)目的比較。

5 實(shí)際應(yīng)用電路

CC900 使用時(shí)只需要少量的外部元件，圖6所示為其在水表無(wú)線抄表系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用電路，圖中L51和C51用于接收器的輸入阻抗匹配，L61用于發(fā)射器的直流隔離。PLL環(huán)路濾波器由C121～C123、R121～R123組成；VCO儲(chǔ)能元件由C91～C93、L91和變?nèi)荻O管（VAR）組成；C10～C12、C210和C211為電源去耦電容，這些電容應(yīng)盡可能地*近CC900的電源管腳。在筆者開(kāi)發(fā)的水表無(wú)線抄表系統(tǒng)中，單片機(jī)選用的是 AT89C2051，它是單睛機(jī)8031的簡(jiǎn)化型，具有兩個(gè)并行I/O口（P1和P3）。

利用Chipcom公司為用戶提供的應(yīng)用軟件SmartRF可根據(jù)應(yīng)用時(shí)的工作頻率計(jì)算出圖6電路上的元件值；此外，SmartRF還可根據(jù)用戶使用 CC900時(shí)的不同工作參數(shù)選擇生成CC900的全部8個(gè)16進(jìn)制設(shè)置數(shù)據(jù)，并可初始化時(shí)由單片機(jī)把設(shè)置數(shù)據(jù)傳送到CC900，以使其按用戶要求正常工作。

CC900的天線可以采用單極天線、螺旋天線和環(huán)形天線，最常用的是單極天線，其長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)于電磁波長(zhǎng)的四分之一（λ/4），簡(jiǎn)單的天線可用一段導(dǎo)線來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可集成到PCB板上；如考慮尺寸和成本，比λ/4短的非諧振單極天線也可以使用，這種天線便宜，也可以集成到PCB板上。天線應(yīng)盡可能緊密地連接到CC900芯片，如果天線遠(yuǎn)離輸入腳，則應(yīng)使其與發(fā)射饋線相匹配。

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