嵌入式短程無(wú)線通信工程系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

摘要：在醫(yī)療、工業(yè)、智能建筑、消費(fèi)電子等領(lǐng)域，短程無(wú)線通信工程設(shè)備設(shè)備應(yīng)用日益廣泛，并呈現(xiàn)強(qiáng)的增長(zhǎng)勢(shì)頭。本文較為詳細(xì)地從元器件選擇、原理圖設(shè)計(jì)、PCB板設(shè)計(jì)、接口吸系統(tǒng)傳輸距離等方面介紹嵌入式短程無(wú)線通信工程系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

引言

在短程無(wú)線通信工程系統(tǒng)中，常見(jiàn)的有基于802.11的無(wú)線局域網(wǎng)WLAN、藍(lán)牙（blueTooth）、HomeRF及歐洲的HiperLAN(高性能無(wú)線局域網(wǎng))。但其硬件設(shè)計(jì)、接口方式、通信協(xié)議及軟件堆棧復(fù)雜，需專門(mén)的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)成本高、周期長(zhǎng)，最終產(chǎn)品成本也高。因此，這些技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中并未得到廣泛應(yīng)用相反，普通RF產(chǎn)品就不存在這些問(wèn)題，加之短距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)成熟，功能簡(jiǎn)單、攜帶方便，使得其在嵌入式短程無(wú)線產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，如醫(yī)療、工業(yè)、智能建筑、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。這些產(chǎn)品一般均工作在無(wú)執(zhí)照（Unlicensed）無(wú)線接入頻段，如出一轍15/433/868/915MHz頻段。本文討論的嵌入式短程無(wú)線通信系統(tǒng)，一般包括無(wú)線射頻RF前端、微控制器（MCU）、I/O接口電路及其它外圍設(shè)備等。

1 元器件選擇

（1）微控制器的選擇

嵌入式系統(tǒng)選擇處理器時(shí)主要需要考慮以下幾個(gè)方面：處理器性能，所支持的開(kāi)發(fā)工具，所支持的操作系統(tǒng)，過(guò)去的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，處理器成本、功耗、代碼兼容性及算法復(fù)雜性等。

（2） 射頻芯片的選擇

    通常，射頻芯片的功能框圖如圖形卡所示。隨著無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線收發(fā)芯片的集成度、性能都大幅度提供，芯片性能也各有特色。因而，無(wú)線收發(fā)芯片的選擇在設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的。正確的選擇可以減小開(kāi)發(fā)難度、縮短開(kāi)發(fā)周期、降低成本、更快地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。目前，生產(chǎn)此類芯片的廠家主要有Nordic、XEMICS、Chipcon、TI、Maxim等。選擇無(wú)線收發(fā)芯片時(shí)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素：功耗、發(fā)射功率、接收靈敏度、傳輸速度、從待機(jī)模式到工作模式的喚醒時(shí)間、收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量、芯片成本等；同時(shí)還須注意當(dāng)?shù)氐臒o(wú)線電管理規(guī)定。

（3） 分立元件的選擇

所有的RF芯片制造商都在努力提高芯片的集成度但仍然有一些元件很難或者根本無(wú)法集成到芯片中去。常將這些分立元件安放在芯片外部，如晶振、PLL環(huán)路濾波器、VCO的電感等。在射頻電路中，電磁波的波長(zhǎng)已可以與分立元件的尺寸相比擬，普通應(yīng)用于DC和低頻集總參數(shù)系統(tǒng)的基爾霍夫類型的電流、電壓定律已不再適用，須考慮這些分立元件的高頻特性及其分布參數(shù)。因此，在詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)多參考所選用芯片資料及相關(guān)元件的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

2 系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)

嵌入式短程無(wú)線通信系統(tǒng)硬件的關(guān)鍵在于其射頻電路。這里采用Maxim公司的MAX1472和MAX1473芯片進(jìn)行射頻電路設(shè)計(jì)。圖2是發(fā)射器射頻電路，圖3是接收器射頻電路。

MAX1472是一微型3mm×3mm的引腳SOT-23封裝的VHF/UHF基于鎖相環(huán)ASK發(fā)射機(jī)。當(dāng)工作電壓降至2.1V的脫離節(jié)鋰電池工作，待機(jī)模式時(shí)僅耗電100nA。在發(fā)射過(guò)程中，MAX1472發(fā)射功率為-10dBm～+10dBm。工作電壓3.3V；發(fā)射功率+10dbm時(shí)，工作電流僅9.1mA。最高數(shù)據(jù)速率達(dá)100kbps。

MAX1473是一個(gè)300～450MHz，采用28引腳，SSOP封裝的超外差A(yù)SK接收機(jī)；具有-114dBm的高靈敏度，高于50dB的用戶可選擇中心頻率鏡像抑制并可選擇3.3V或5V電源工作電壓。在關(guān)斷模式下電流低于1.5mA,接收時(shí)電流為5.2mA；數(shù)據(jù)速率達(dá)100kbps；從關(guān)斷模式到有效數(shù)據(jù)輸出的過(guò)渡時(shí)間小于250μs 。

MAX1473包含一個(gè)一級(jí)自動(dòng)增益控制（AGC）電路，在射頻輸入信號(hào)功率大于-57dBm時(shí)，可降低低哭聲放大器（LNA）35dB的增益。接收機(jī)使用帶有接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）的10.7MHz中頻濾波器，內(nèi)置片上集成的鎖相環(huán)與VCO、基帶數(shù)據(jù)恢復(fù)電路。

在原理圖設(shè)計(jì)時(shí)，為提高系統(tǒng)的靈敏度，要特別注意天線、低哭聲放大器（LNA）和晶振的適配，如圖3中標(biāo)有1、2、3的三處。

3 PCB板設(shè)計(jì)

高頻信號(hào)很容易由于幅射而產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致振鈴（ringing）、反射（reflection）串?dāng)_(crosstalk)等；而RF電路對(duì)此又特別敏感，因此在PCB板設(shè)計(jì)時(shí)，必須加以重視。為此電源設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在條件許可下采用多層板，提供專用的電源層和地線層。如采用電源總線方式，應(yīng)盡可能地加粗電源線和地線；盡量減少板上的通孔（包括插件元件的引腳、過(guò)孔等）；多增加一些地線；分開(kāi)模擬電源與數(shù)字電源；隔離敏感元件；在信號(hào)線邊上可放置電源線，以最小化信號(hào)環(huán)路面積，減少環(huán)路數(shù)量。傳輸互布線應(yīng)盡量滿足以下規(guī)則：避免傳輸線阻抗不連續(xù)（阻抗不連續(xù)點(diǎn)是傳輸先突變點(diǎn)，如直拐角、過(guò)孔等，它將產(chǎn)生信號(hào)的反射。為此，布線時(shí)應(yīng)避免走線的直拐角，可采用45°角或弧線走線，盡可能地少用孔）；不要用樁線。其次，要減少串?dāng)_。串?dāng)_是信號(hào)間產(chǎn)生的耦合，分容性串?dāng)_和感性串?dāng)_兩種，通常感性串?dāng)_遠(yuǎn)大于容性串?dāng)_。串?dāng)_可通過(guò)一些簡(jiǎn)單的辦法抑制：①由于容性串?dāng)_和感性串?dāng)_的大小隨負(fù)載阻抗的增大而增大，所以應(yīng)對(duì)串?dāng)_引起的干擾敏感信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩私印＂谠龃笮盘?hào)線間的距離，以減小容性串?dāng)_。③為減小容性串?dāng)_，可在相鄰信號(hào)線間插入1根地線；但須注意，此地線每1/4波長(zhǎng)要接入線層。④對(duì)感性串?dāng)_，應(yīng)盡量減小環(huán)路面積，如允許，應(yīng)消除次環(huán)路。⑤避免信號(hào)共用回路。最后，隨著電路速度的提高，電磁干擾（EMI）越發(fā)嚴(yán)重，還須減小EMI。減小EMI的途徑通常有：屏蔽、濾波、消除電流環(huán)路和盡量降低器件速度。濾波通常有三種選擇：去耦電容、EMI濾波器、磁性元件。最常見(jiàn)的是去耦電容，去耦電容用于電源線路濾波。通常在電源接入電路板處放置一個(gè)1μF～10μF的去耦電容，以濾除低頻噪聲；在板上每個(gè)源器件的電源引腳處放置0.01μF～0.1μF的去耦電容，以濾除高頻噪聲。對(duì)去耦電容，要注意其放置位置。

4 RF芯片與MCU接口

通過(guò)RF芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。接收端MCU采集RF芯片輸出信號(hào)通常有三種辦法：重復(fù)采樣（over sampling）、脈沖邊沿檢測(cè)（edge detection）、使用MCU的通用串行通信口（UART）。

重復(fù)采樣時(shí)，用一個(gè)三倍于比特率的速率對(duì)RF芯片輸出信號(hào)復(fù)復(fù)采樣，采用采樣加權(quán)表。對(duì)噪音有抑制作用的，適合適應(yīng)于距離要求較長(zhǎng)、可靠性要求較高的場(chǎng)合；但時(shí)序要求嚴(yán)格，軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)較為復(fù)雜。RF芯片與MCU接口可采用MCU的輸入輸出口。

脈沖邊沿檢測(cè)使用數(shù)字信號(hào)脈沖實(shí)現(xiàn)同步，用RF芯片輸出信號(hào)作為MCU的中斷請(qǐng)求信號(hào)。中斷程序計(jì)算每一比特的采樣時(shí)間，可處理各種速率的數(shù)據(jù)流；但每比特僅采樣一次，對(duì)噪音較敏感，實(shí)現(xiàn)算法比重復(fù)采樣方式更復(fù)雜。RF芯片與MCU接口可采用MCU的中斷系統(tǒng)及輸入輸出口。

為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，可使用MCU的通用串行通信接口（UART）。UART對(duì)噪聲較敏感，但可在軟件設(shè)計(jì)中加以解決，因此通常采用這種接口形式。

5 系統(tǒng)傳輸距離

（1） 無(wú)線通信距離計(jì)算

這里給出自由空間傳播時(shí)的無(wú)線通信距離的計(jì)算方法。所謂自由空間傳播系指天線周圍為無(wú)限大真空時(shí)的電波傳播，是理想傳播條件。電波在自由空間傳播時(shí)，其能量既不會(huì)被障礙物所吸收，也不會(huì)產(chǎn)生反射或散射。通信距離與發(fā)射功率、接收靈敏度和工作頻率有關(guān)。

自由空間下電波傳播的損耗：

Los=32.44+20lgd+20lgf

Los—傳播損耗，單位dB;d—距離，單位km;f—工作頻率，單位MHz。

如一個(gè)工作頻率為433。92MHz,發(fā)射功率為+10dBm(10mW),接收靈敏度為-105dBm的系統(tǒng)在自由空間的傳播距離：①由發(fā)射功率+10dBm，接收靈敏度為-105dBm，得Los=115dB。②由Los、f計(jì)算得出d=31km。

這是理想狀況下的傳輸距離，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)低于該值。這是因?yàn)闊o(wú)線通信要受到各種外界因素的影響，如大氣、阻擋物、多徑等造成的損耗。將上述損耗的參考值計(jì)入上式中，即可計(jì)算出近似通信距離。假定大氣、遮擋等造成的損耗為25dB，可以計(jì)算得出通信距離為：d=1.7km。

圖3

    （2） 增加無(wú)線通信距離

在工作頻率固定的情況下，影響通信距離的主要因素有：發(fā)射功率、接收/發(fā)射天線增益、傳播損耗、接收機(jī)靈敏度等。對(duì)設(shè)計(jì)者而言，有的因素是無(wú)法選擇、改變的，如傳播損耗、多徑損耗、路徑損耗、周圍環(huán)境吸收等；而有的因素是設(shè)計(jì)者可以控制的，如發(fā)射功率、接收/發(fā)射天線增益、接收機(jī)靈敏度等。通過(guò)調(diào)整這些因素，可增加無(wú)線通信系統(tǒng)的傳輸距離。為增加傳輸距離，設(shè)計(jì)者常會(huì)想到增加發(fā)射功率。但增加發(fā)射功率會(huì)帶來(lái)一些不利因素。如：由于功率放大器的轉(zhuǎn)換效率低，增加發(fā)射功率會(huì)大大增加系統(tǒng)的功耗，這對(duì)嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是很不利的；加大發(fā)射功率會(huì)產(chǎn)生較大的諧波干擾和噪聲，并對(duì)通信信道產(chǎn)生其它影響，有時(shí)反而會(huì)影響通信距離。因此，在嵌入式系統(tǒng)中并不提倡采用增加發(fā)射功率的辦法來(lái)增加傳輸距離。增加傳輸距離的比較好的辦法是，增加接收/發(fā)射天線增益一般是選用高增益天線。采用高增益天線具有集成天線、體積小、成本低，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，無(wú)需增加額外功耗和元器件等優(yōu)點(diǎn)。

結(jié)語(yǔ)

對(duì)一完整的無(wú)線系統(tǒng)而言，還有天線設(shè)計(jì)、MCU及外圍電路設(shè)計(jì)等。此外，由于射頻鏈路的可靠性、誤碼率（BER，Bit Error Rate）等都比常規(guī)有線系統(tǒng)高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，嵌入式短程無(wú)線通信系統(tǒng)一定要加強(qiáng)系統(tǒng)測(cè)試，特別是系統(tǒng)誤碼率（BER）的測(cè)試。要把贊成過(guò)多誤碼的背景哭聲點(diǎn)找出來(lái)，提高系統(tǒng)的性能。限于篇幅，本文不過(guò)夜此類問(wèn)題。