Sub-GHz Radio雙向鏈接演示套件的介紹

隨著2.4 GHz ISM頻段變得越來越擁擠，sub-GHz 868 MHz頻段已經(jīng)開始受到很多關(guān)注 - 提供更大的范圍和更少的干擾。適用于868 MHz的相同論點(diǎn)在頻率的一半時更具吸引力。 Silicon Labs EZR-LEDK2W雙向鏈接演示套件使得在較低頻段上的測試設(shè)計(jì)變得容易。

該套件以Silicon Labs的EZRadio?Si4455收發(fā)器為基礎(chǔ)，包含兩個電池供電的RF收發(fā)器板（RFStick）和用于編程的ToolStick基本適配器。該套件有三個版本：用于434 MHz操作的EZR-LEDK2W-434，用于868 MHz的EZR-LEDK2W-868和用于915 MHz的EZR-LEDK2W-915。本文包括對434 MHz套件的實(shí)際審查，其中包括一個范圍測試，用于檢查不同距離的數(shù)據(jù)包錯誤率。

Silicon Labs Si4455 EZRadio雙向鏈接演示套件（見圖1）包含兩個帶印刷定向天線的完整收發(fā)器板，兩個用于編程電路板的ToolStick基本適配器，兩個USB擴(kuò)展器電纜和四個AAA電池。這些電路板預(yù)編程了一個范圍測試演示，與2.4 GHz的Wi-Fi?或Bluetooth?相比，您可以快速查看在sub-GHz頻率下傳輸數(shù)據(jù)的距離。使用434 GHz版本的套件，差異 - 甚至允許使用內(nèi)置定向天線 - 非常引人注目。

圖1：Si4455 RFSticks和ToolStick基本適配器。

收發(fā)器板分為兩部分，可以輕松拆分。 Silicon Labs甚至鼓勵您將它們分開并直接在您自己的設(shè)計(jì)中使用收發(fā)器模塊。為此，您需要移除“零歐姆電阻”，然后繞過PCB天線并將PA的輸出路由到F連接器，以便與外部天線一起使用。

電路板的收發(fā)器部分是圍繞Silicon Labs的“下一代EZRadio”芯片Si4455構(gòu)建的（見圖2）。該芯片是一個完整的sub-GHz RF收發(fā)器，包括PA和SPI MCU接口。 Si4455涵蓋了從283到960 MHz的所有主要sub-GHz頻段。在TX模式下，芯片在+10 dBm輸出（最大+13 dBm）下從1.8至3.6 V電源消耗18 mA。它可以使用FSK，GFSK和OOK調(diào)制進(jìn)行傳輸，最大數(shù)據(jù)速率為500 kbps。

圖2：Si4455框圖（由Silicon Labs提供）。

在RX模式下，芯片消耗10 mA并在待機(jī)模式下降至50 nA，這是大多數(shù)低功耗協(xié)議將花費(fèi)大部分時間的地方。接收器包含AFC和AGC，接收靈敏度為-116 dBm。分組處理包括前同步碼，同步字檢測和CRC校驗(yàn)。唯一不足以使其成為完整的RF模塊的是晶體，一些L/C組件和天線，所有這些都在套件的PCB上提供（參見圖3）。

圖3：Si4455應(yīng)用電路（由Silicon Labs提供）。

如果您不熟悉Silicon Labs的EZRadio技術(shù)，Digi-Key帶有一個EZRadio概述產(chǎn)品培訓(xùn)模塊，可以幫助您加快速度。

電路板的處理器端基于Silicon Labs的C8051F930 MCU（參見圖4）。該芯片設(shè)計(jì)用于超低功耗單節(jié)電池供電設(shè)備;它可以在低至0.9伏的電壓下工作，此時集成的DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器開始工作。核心是單周期8051 CPU，25 MHz時峰值吞吐量為25 MIPS。它在工作模式下吸收4.1 mA，在RTC開啟的睡眠模式下為0.6μA，在RTC關(guān)閉時為50 nA。 C8051F930包括一個高達(dá)300 ksps的10位ADC，兩個可編程比較器，4352字節(jié)RAM（256 + 4 K），64 kB閃存，24個I/O端口，片上調(diào)試，四個可編程16-位計(jì)數(shù)器/定時器，以及16位可編程計(jì)數(shù)器陣列。流水線架構(gòu)在一個或兩個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行70％的指令。這不是Gen 1 8051.

圖4：C8051F930框圖（由Silicon Labs提供）。

Digi-Key不是一個，而是兩個產(chǎn)品培訓(xùn)模塊，進(jìn)一步解釋了C8051F930：C8051F9xx低功耗MCU和使用C8051F9xx系列進(jìn)行低功耗操作設(shè)計(jì)。

范圍測試演示

開箱即用，您可以快速運(yùn)行預(yù)先閃存到MCU上的范圍測試演示。為此，您只需插入電池，打開電路板，按下右側(cè)按鈕，然后學(xué)會讀取閃爍LED的模式，以查看數(shù)據(jù)包的傳輸和接收時間。 LED1和L2指示分組的發(fā)送和接收。 LED 3和4與蜂鳴器組合指示分組錯誤率（PER）。 PER 《1％，PER》 1％，PER》 5％，PER》 20％存在不同的模式。還有不同的模式來指示電路板是發(fā)送還是接收。我最初發(fā)現(xiàn)這令人困惑，但設(shè)法弄明白了，它的工作方式與廣告一樣。實(shí)際上，對于室外測試 - 當(dāng)在明亮的陽光下難以讀取LED時 - 蜂鳴器結(jié)果是個好主意。

通過按正確順序按下電路板上四個按鈕的正確組合，您可以更改節(jié)點(diǎn)地址，頻率，調(diào)制類型和每個收發(fā)器的數(shù)據(jù)速率。 OOK模式下的數(shù)據(jù)速率為2.4，9.6和20 kbps，GFSK模式下的數(shù)據(jù)速率為9.6，38.4和128 kbps。您也可以設(shè)置自定義速率并切換到簡單的FSK，但只能使用Silicon Labs無線開發(fā)套件（WDS）或Silicon Labs IDE對電路板進(jìn)行編程 - 但稍后會詳細(xì)介紹。我選擇了BER測試的默認(rèn)設(shè)置：433.92 MHz，高精度GFSK，9.6 kbps。

我將一塊電路板設(shè)置為傳輸并將其安裝在三腳架上，將另一塊電路板設(shè)置為接收，拾取后者并開始行走。 BER在100米左右超過百分之一;百分之五十五米;和約400米的20％。在他們自己的測試范圍內(nèi)，Silicon Labs做得更好，但結(jié)果不能直接比較。在他們的測試中，Silicon Labs使用2級FSK調(diào)制運(yùn)行兩個相同的434 MHz電路板，偏差為30 kHz，數(shù)據(jù)速率為2.4 kbps，+ 11 dBm PA輸出，并且有效各向同性輻射的天線增益為-9 dB功率（EIRP）為+1.7 dBm。使用這種設(shè)置，他們能夠保持兩塊板之間的通信超過1公里。嘗試2.4 GHz。

我發(fā)現(xiàn)PCB天線是高度定向的。當(dāng)他們沒有瞄準(zhǔn)對方時，在不失去連接的情況下，我無法達(dá)到50英尺。它們看起來像是八木天線，但它們實(shí)際上是一種平衡的倒F型天線（BIFA）配置（見圖5）。天線的遠(yuǎn)端基本上是折疊式偶極子，厚PCB走線為其提供饋電，在單端PA輸出，印刷平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器和天線之間形成90歐姆差分帶線，它們共同形成50歐姆系列諧振電路匹配PA的阻抗。天線的卷曲臂 - 我最初認(rèn)為是反射器 - 可以減小天線的尺寸并調(diào)節(jié)其阻抗。典型的偶極子，最大增益垂直于天線（在這種情況下為-10 dB），并迅速向側(cè)面下降。

圖5：Si4455射頻棒上的PCB天線（由Silicon Labs提供）。

差分天線或偶極子通常比手持設(shè)備中常見的單極天線具有一個主要優(yōu)勢 - 地平面對輻射特性影響不大，使其更容易布局且不易受影響對環(huán)境的影響。這些天線通常用于車庫門開啟器，鑰匙鏈RKE加密狗和其他遠(yuǎn)程控制應(yīng)用。

獲取程序

超越范圍測試演示涉及使用Silicon Labs的無線開發(fā)套件（WDS）重新編程電路板。您可以在模擬模式下運(yùn)行WDS，以測試不同的通信參數(shù)在實(shí)踐中可以為您提供的服務(wù);或者您可以通過ToolStick基礎(chǔ)適配器和USB延長線將其中一個RFSticks連接到您的計(jì)算機(jī)，并直接在Si4555中配置RF參數(shù)。在嘗試使用模擬器后，我選擇了后者。

配置向?qū)г试S您在將它們提交給芯片之前檢查可用選項(xiàng)的預(yù)計(jì)結(jié)果（參見圖6，右側(cè)）。例如，我選擇以FSK模式運(yùn)行電路板，數(shù)據(jù)速率為2.4 kbps，偏差為30 kHz，信道帶寬為114 kHz，功率輸出為-14 dBm，并使用PCB BIFA天線，電路板的最大室外范圍為870米;但FCC第15部分規(guī)定允許的最大范圍僅為215米。在歐洲（單擊ETSI按鈕）不再是問題 - 現(xiàn)在最大功率跳到3 dBm，允許的室外范圍是870米。

圖6：使用WDS配置向?qū)渲肧i4555。

改變頻段同樣具有指導(dǎo)意義。再次根據(jù)FCC規(guī)則，如果我從433頻段移至435 MHz頻段，則最大可能的室外范圍從870跳到1378米，但允許范圍僅從215增加到245，最大功率降至-20 dBm。如果您想要范圍，請轉(zhuǎn)到902-928 MHz頻段。在這里，您可以輸出30 dBm并達(dá)到1144米。

Silicon Labs表示，Si4455“完全符合大多數(shù)全球監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，如FCC，ETSI和ARIB。”這些規(guī)則內(nèi)置于WDF配置向?qū)е?，并顯示在向?qū)е小＠?，根?jù)FCC規(guī)則的第15.249部分（相同的TX-RX天線; TX-RX天線增益-3;最大TX EIRP~ + 9 dBm），900 MHz頻段內(nèi)的+30 dBm功率輸出是允許的。對于RF設(shè)計(jì)人員而言，這是一個嚴(yán)重的節(jié)省時間，使他們不必調(diào)整數(shù)百個不同的參數(shù)，同時傾注一套規(guī)則手冊。

完成配置向?qū)Ш螅梢越酉聛砼渲脩?yīng)用程序（參見圖6，左側(cè)），設(shè)置數(shù)十個RF參數(shù)（調(diào)制類型，數(shù)據(jù)速率，偏差，通道帶寬和間距等），數(shù)據(jù)包處理程序設(shè)置，中斷和GPIO設(shè)置。完成所有選擇后，可以單擊“加載固件”。 WDS將選項(xiàng)框中的一個示例項(xiàng)目與RF配置一起加載到開發(fā)板中，然后可以將其斷開連接并用于范圍和RF測試。此外，您可以單擊“啟動IDE”。 WDS在Silicon Labs IDE中啟動了選定的C項(xiàng)目，該公司認(rèn)為該項(xiàng)目是軟件開發(fā)的理想起點(diǎn)。

我選擇了Packet RX項(xiàng)目（FSK，4.8 kbps，30 kHz偏差和185 kHz信道帶寬），然后單擊Launch IDE。這帶來了IDE啟動器。它需要我選擇一個工具鏈 - Keil或SDCC - 我選擇了SDCC，此時填充了匯編器和編譯器命令行標(biāo)志。單擊OK啟動IDE，并將新配置數(shù)據(jù)預(yù)加載到項(xiàng)目中。

EZR-LEDK2W套件退后一步，提供了幾個帶有Keil和SDCC工作空間的示例程序。這些項(xiàng)目包括：

CW_Transmit

DirectRX

Empty_Project

EZRADIO_SI4X55_1W_KEYFOB_DEMO

PacketRX

PacketTRX

PacketTX

PN9_Transmit

這些完整的，文檔齊全的C項(xiàng)目允許您編譯，閃存到芯片，并在板上運(yùn)行。它們對于學(xué)習(xí)各種芯片功能和接口的工作方式也具有指導(dǎo)意義 - 當(dāng)然，它們也可以作為您自己項(xiàng)目的構(gòu)建塊。

為了啟動Silicon Labs IDE項(xiàng)目，我啟動了該軟件。它問我現(xiàn)在是否愿意聯(lián)系。我將RFStick板連接到ToolStick并將設(shè)備插入U(xiǎn)SB端口。該程序識別了該板并彈出了Open Workspace窗口。我選擇了CW_Transmit_SDCC.wsp工作區(qū)文件以及加載到IDE中的所有項(xiàng)目文件。在Project菜單中，我選擇了Tool Chain Integration，然后單擊了SDCC匯編器，編譯器和鏈接器程序。然后我重建了項(xiàng)目，將其下載到MCU，然后運(yùn)行生成的程序（參見圖7）。對于習(xí)慣使用SDCC或Keil工具的人來說，整個過程非常流暢，幾乎是直觀的。

圖7：Silicon Labs IDE的實(shí)際應(yīng)用。