CN104868935A - 一种基于IEEE802.15.4c标准的780MHz无线收发系统 - Google Patents
一种基于IEEE802.15.4c标准的780MHz无线收发系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于IEEE802.15.4c标准的780MHz无线收发系统。该无线收发系统发送模块由微控制器芯片处理后的数据通过SPI通信传递给射频芯片然后以电磁波形式传递，接收模块将采集到的数据经过主控芯片分析处理数据后通过串口方式传递到上位机直观的显示，此频段的无线收发系统干扰少，主要用于物联网系统中的工业物联网现场中传感网节点、路由和网关。
Description
技术领域
本发明涉及工业无线通信领域，具体涉及一种基于IEEE802.15.4c标准的无线收发系统
背景技术
目前困扰物联网行业的一个致命问题就是同频段干扰太多，以往的网络节点设计通常采用2.4G频段，但由于在2.4GHz频段存在无线USB，WIFI，蓝牙，对讲机，无线鼠标等无线设备，使得在该频段传输干扰非常大，而433MHz目前使用的也比较多，干扰也非常大，而这两个频段抗干扰能力弱，而780MHz频段为779～787MHz频段内特定的一个频段，该频段又是专为中国IEEE.802.15.4c标准申请的频段，也是为物联网行业特意申请的一个国内免费使用频段，故此，此频段干扰少，本文采用780MHz频段来实现无线收发系统的通信。现有技术中存在较少的780MHz频率射频模块，采用的是BPSK(移相键控)调制方式通信，但是现有技术中由于平衡非平衡电路的匹配不好、射频信号出来设计不合理，导致发射功率不大及传输距离太短的不良效果。本文提出的方法有效的解决这类问题使780MHz无线收发系统的通信性能指标质量更良好。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种基于IEEE802.15.4c标准的780MHz无线收发系统。主要实现收发系统的发射功率，频率偏移，距离传输通信，可靠性通信，接收灵敏度，抗干扰性和功耗等方面的一系列技术指标的选择。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，设计一种基于IEEE802.15.4c标准的780MHz无线发射系统，包括：微控制器模块、射频模块、数字-模拟转换器、低通滤波器、正交混合器、巴伦芯片、T型滤波器、天线，其中，微控制器模块获取传感器采集的工业现场数据，数据经解析处理后通过SPI(串行外设接口)通信发送给射频模块中数字发送器，生成调制信号的相内和正交部分，送入数字-模拟转换器形成模拟调制信号，通过低通滤波器减少高频干扰，再通过正交混合器电耦将模拟调制信号转换至RF(射频)域，传递给功率放大器后，向差分天线输送信号功率，巴伦芯片把平衡电路转换成阻抗为50Ω的非平衡电路传递给T型滤波器，然后通过设计匹配50Ω天线的微带传输线传递给1/10λ天线长度和3.5dbi增益的天线，天线通过电磁波形式辐射信号。
其中，所述射频模块采用射频芯片AT86RF212芯片，数据通过射频芯片AT86RF212处理后通过差分走线使用平衡不平衡转换器将100Ω差分RF端口阻抗转换成50Ω单端RF信号。
一种基于IEEE802.15.4c标准的780MHz无线接收系统，包括：微控制器模块、射频模块、多相滤波器、集成带通滤波器、模拟-数字转换器、数字基带接收器、BBP(基带处理器)、SPI(串行外设接口)接口，射频模块接收信号后传递给低噪声放大器，多相滤波器将其分解为正交信号，两条混合器电路将正交信号降低至媒介频率，通过集成带通滤波器实现信道灵敏度，再通过模拟-数字转换器对接收信号进行抽样并再生成数字RSSI(接收的信号强度指示)信号，然后，由数字域的数字基带接收器、对数字RSSI(接收的信号强度指示)信号进行处理，BBP(基带处理器)执行进一步的过滤和信号处理，最后通过SPI(串行外设接口)接口传递给微控制器模块对数据进行解析处理。
本发明还提出一种基于IEEE802.15.4c标准的780MHz无线收发系统，包括：发射模块、接收模块，其特征在于，发射模块包括：微控制器模块、射频模块、数字-模拟转换器、低通滤波器、正交混合器、巴伦芯片、T型滤波器、天线，微控制器模块获取传感器采集的工业现场数据，数据经解析处理后通过SPI(串行外设接口)通信发送给射频模块中数字发送器，生成调制信号的相内和正交部分，送入数字-模拟转换器形成模拟调制信号，通过低通滤波器减少高频干扰，再通过正交混合器电耦将模拟调制信号转换至RF(射频)域，传递给功率放大器后，向差分天线输送信号功率，巴伦芯片把平衡电路转换成阻抗为50Ω的非平衡电路传递给T型滤波器，再通过1/10λ天线长度和3.5dbi增益的天线通过电磁波形式辐射信号；接收模块包括：微控制器模块、射频模块、多相滤波器、集成带通滤波器、模拟-数字转换器、数字基带接收器、BBP(基带处理器)、SPI(串行外设接口)接口，射频模块接收信号后传递给低噪声放大器，多相滤波器将其分解为正交信号，两条混合器电路将正交信号降低至媒介频率，通过集成带通滤波器实现信道灵敏度，再通过模拟-数字转换器对接收信号进行抽样并再生成数字RSSI(接收的信号强度指示)信号，然后，由数字域的数字基带接收器、对数字RSSI(接收的信号强度指示)信号进行处理，BBP(基带处理器)执行进一步的过滤和信号处理，最后通过SPI(串行外设接口)接口传递给微控制器模块对数据进行解析处理。发送模块和接收模块的中心频点，波特率，信道设置为同一参数，两者进行通信的媒介是基于IEEE802.15.4c标准的无线数据报文。所述发送模块和接收模块首先配置同一个空闲的通信信道并清空缓存。
本发明780MHz收发系统对射频信号采用差分走线“等长”“等距”原则减少了信号发射，增加了抗干扰能力；采用专为780MHz频率设计的平衡非平衡转换器使阻抗匹配更好，避免现有技术中阻抗匹配未达到共轭匹配，减少了发射信号，实现了最大功率传输；设计微带传输线的宽度，更好的匹配到50Ω天线上，避免设计不当带来发射功率较小，传输距离非常近等不良后果，采用低通滤波器使波形更加平稳。在780MHz收发系统相互通信时还可以在上位机上配置发射功率，波特率，传输速率，发包数量，发包间隔时间，选择TX或RX模式，信道等相关系统参数。本收发系统不仅可以传送英文字母，数字，还可以传送汉字等数据。接收模块通过串口方式把数据上传给上位机将数据直观显示出来。通过接收模块在上位机显示的实时收包个数、接收信号强度RSSI测试发送和接收模块的通信质量，以便选择最合适的地点安装终端节点设备来实现通信。本发明克服现有技术780MHz模块中宽度设计不当，导致发射功率偏小，并且通信距离非常短。增大了发射功率，传输距离更远，超过现有模块的通信距离。
附图说明
图1为本发明780MHz收发系统的调试结构示意图；
图2780MHz收发系统的软件流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参照图1所示，一种基于IEEE802.15.4c标准的780MHz无线收发系统，包括，发射模块和接收模块。发射模块包括：微控制器模块、射频模块、数字-模拟转换器、低通滤波器、正交混合器、巴伦芯片、T型滤波器、天线，接收模块包括：微控制器模块、射频模块、多相滤波器、集成带通滤波器、模拟-数字转换器、数字基带接收器、BBP(基带处理器)、SPI(串行外设接口)接口。
传感器采集工业现场数据传递给发送模块的微控制器模块，数据经解析处理后通过SPI(串行外设接口)通信发送给射频芯片中数字发送器(TX BBP)，生成调制信号的相内(I)和正交(Q)部分，再通过数字-模拟转换器(DAC)形成模拟调制信号，通过低通滤波器减少高频干扰，再通过正交混合器电耦将模拟调制信号转换至RF(射频)域，再传递给功率放大器(PA)放大微弱的射频信号，向差分天线(RFP,RFN)输送信号功率，巴伦芯片把平衡电路转换成阻抗为50Ω的非平衡电路传递给T型滤波器，再通过1/10λ天线长度和3.5dbi增益的天线通过电磁波形式辐射出信号。
由接收模块的射频模块通过天线接收发射端发射的信号传递给低噪声放大器(LNA)放大，并由多相滤波器(PPF)分为正交信号，后由两条混合器电路将正交信号降低至媒介频率，然后通过集成带通滤波器(BPF)实现信道灵敏度，再通过模拟-数字转换器(ADC)对接收信号进行抽样并再生成数字RSSI(接收的信号强度指示)信号，然后，由数字域的数字基带接收器(RX BBP)对ADC(模拟-数字转换器)输出进行处理。BBP(基带处理器)执行进一步的过滤和信号处理，最后通过SPI(串行外设接口)接口传递给微控制器模块解析处理数据后，通过串口方式传递给上位机，通过上位机直观的显示出工业现场的现状，再由上位机控制工业现场的状态使之达到合理状况。
当测试当前信道无线收发系统性能时，发送模块(1)和接收模块(2)的中心频点、波特率、信道、频率偏移等参数，该各项参数在发送模块、和接收模块、对应的各项参数中相同才能进行通信。
发送模块、和接收模块、建立起无线通信连接，进行数据的发送与接收。进行通信的媒介是基于IEEE802.15.4c标准的无线数据报文。
发送模块和接收模块首先配置同一个空闲的通信信道并清空缓存。发送模块首先经过串口初始化，SPI通信口初始化及射频芯片初始化后将数据帧发送给接收模块，接收模块首先清空中断，然后等待FIFO(先入先出队列)空闲状态，再对数据进行CRC(循环冗余校验码)校验，若校验未通过，则丢弃数据帧，若校验通过，则对该数据帧进行解析接收，再通过串口方式传递给上位机直观的打印出数据。
以下参照图1，以一具体实例对本发明的实施作进一步描述，该无线收发系统，包括，微控制器模块、射频模块、电源管理模块、状态指示模块、调试模块和接口模块。
所述微控制器模块中微控制器可选用意法半导体公司的STM32F103RBT6芯片为核心控制芯片。微控制器模块主要进行收发系统数据的处理，按照既定协议进行装载，并协调整个收发系统各部分的工作，控制射频模块的收发工作，它是收发系统的核心控制部分。射频模块采用工作频率在780MHz频段由ATMEL公司生产的AT86RF212芯片，射频模块中将数据通过射频芯片AT86RF212数字-模拟DAC、滤波、放大等处理后将射频信号通过差分走线传递给平衡不平衡转换器B1(078315A0100)，将100Ω差分RF端口阻抗转换成50Ω单端RF信号，达到功率最大传输效果，该转换器专为780MHz频段设计，该转换器优于现有模块中的阻抗匹配，然后通过低通滤波器T型滤波器减少频段干扰，增加系统抗干扰能力，使波形杂散更少平稳性更好。再次根据配置中心频率、PCB材质、PCB厚度等参数来设计微带传输线的宽度，使微带传输线输出阻抗匹配到50Ω时得到的宽度即是微带传输线的宽度。最后传递给天线以电磁波信号辐射出去。射频模块主要进行为网络传输提供物理支撑，发送和接收数据，它是决定780MHz收发系统性能的核心部分，这部分的合理性关系着780MHz收发系统的性能指标质量。
所述电源管理模块中电源接口为采用5V适配器电源和电池两种供电方式，电池充电模块中使用MAX1555芯片，该芯片是USB或AC适配器电源两种输入为单节电池提供充电，片上温度限制电路简化了PC板的布局，并允许优化充电速率，使其在电池状况最差、输入电压最高的情况下不会达到温度限制值，而当达到温度限制的门限时，充电器不会关断，而是逐步减小充电电流。该模块将5V适配器电源为电池充电，这样方式携带和测试。转压稳压模块中采用MAX881芯片，该芯片是超低电源电流,低压差线性稳压器,能够提供高达200mA的输出，支持2.5V到12V输入电压转换成1.8V，2.5V，3.3V和5V输出电压。该模块作用是将5V直流电源转换成稳定的3.3V电源，为整个电路提供电源。
参照图2所示为780MHz收发系统的软件流程示意图，底层驱动基于IAR(指令地址寄存器)环境，发送模块发送数据时，先对串口初始化，再对SPI(串行外设接口)通信口初始化，再对射频模块射频芯片初始化，然后再发送数据，数据发送完毕后自动进入休眠状态。接收模块接收数据时，先对串口初始化，然后清空中断，询问射频芯片是否处于空闲状态，通过CC_CTR0与CC_CTR1这两个寄存器配置发送模块与接收模块的信道选择，通过TX_Power寄存器配置发射功率，判断字节数是否正常，将数据加入FIFO，通过CRC校验，将接收的数据通过串口方式到上位机。本设计可以克服现有780MHz模块无法改变最大传输功率及无法传递汉字等问题。从上位机显示出的数据分析出780MHz收发系统的性能指标质量。
Claims (7)
1.一种基于IEEE802.15.4c标准的780MHz无线发射系统，包括：微控制器模块、射频模块、数字-模拟转换器、低通滤波器、正交混合器、巴伦芯片、T型滤波器、天线，其特征在于，微控制器模块获取传感器采集的工业现场数据，数据经解析处理后通过串行外设接口通信发送给射频模块中数字发送器，生成调制信号的相内和正交部分，送入数字-模拟转换器形成模拟调制信号，通过低通滤波器减少高频干扰，再通过正交混合器电耦将模拟调制信号转换至射频域，传递给功率放大器后，向差分天线输送信号功率，巴伦芯片把平衡电路转换成阻抗为50Ω的非平衡电路传递给T型滤波器，再通过1/10λ天线长度和3.5dbi增益的天线通过电磁波形式辐射信号。
2.根据权利要求1所述的发射系统，其特征在于，所述射频模块采用射频芯片AT86RF212芯片，数据通过射频芯片AT86RF212处理后通过差分走线使用平衡不平衡转换器将100Ω差分RF端口阻抗转换成50Ω单端RF信号。
3.一种基于IEEE802.15.4c标准的780MHz无线接收系统，包括：微控制器模块、射频模块、多相滤波器、集成带通滤波器、模拟-数字转换器、数字基带接收器、基带处理器、串行外设接口，其特征在于，射频模块接收信号后传递给低噪声放大器，多相滤波器将其分解为正交信号，两条混合器电路将正交信号降低至媒介频率，通过集成带通滤波器实现信道灵敏度，再通过模拟-数字转换器对接收信号进行抽样并再生成数字接收信号强度指示RSSI信号，由数字域的数字基带接收器对数字RSSI信号进行处理，基带处理器执行进一步过滤和信号处理，最后通过串行外设接口传递给微控制器模块对数据进行解析处理。
4.一种基于IEEE802.15.4c标准的780MHz无线收发系统，包括：发射模块、接收模块，其特征在于，发射模块包括：微控制器模块、射频模块、数字-模拟转换器、低通滤波器、正交混合器、巴伦芯片、T型滤波器、天线，微控制器模块获取传感器采集的工业现场数据，数据经解析处理后通过串行外设接口通信发送给射频模块中数字发送器，生成调制信号的相内和正交部分，送入数字-模拟转换器形成模拟调制信号，通过低通滤波器减少高频干扰，再通过正交混合器电耦将模拟调制信号转换至射频域，传递给功率放大器后，向差分天线输送信号功率，巴伦芯片把平衡电路转换成阻抗为50Ω的非平衡电路传递给T型滤波器，再通过1/10λ天线长度和3.5dbi增益的天线通过电磁波形式辐射信号；接收模块包括：微控制器模块、射频模块、多相滤波器、集成带通滤波器、模拟-数字转换器、数字基带接收器、基带处理器、串行外设接口，射频模块接收信号后传递给低噪声放大器，多相滤波器将其分解为正交信号，两条混合器电路将正交信号降低至媒介频率，通过集成带通滤波器实现信道灵敏度，再通过模拟-数字转换器对接收信号进行抽样并再生成数字RSSI信号，由数字域的数字基带接收器对数字RSSI信号进行处理，基带处理器执行进一步的过滤和信号处理，最后通过串行外设接口传递给微控制器模块对数据进行解析处理。
5.根据权利要求4所述的收发系统，其特征在于，发送模块和接收模块的中心频点，波特率，信道设置为同一参数，两者进行通信的媒介是基于IEEE802.15.4c标准的无线数据报文。
6.根据权利要求4所述的收发系统，其特征在于，所述发送模块和接收模块首先配置同一个空闲的通信信道并清空缓存。
7.根据权利要求4所述的收发系统，其特征在于，接收模块接收数据时，通过CC_CTR0与CC_CTR1两个寄存器配置发送模块与接收模块的信道选择，通过TX_Power寄存器配置发射功率，判断字节数是否正常，将数据加入存储器FIFO，通过CRC校验，将接收的数据通过串口方式到上位机。
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