CN105207694B - 一种基于IEEE802.15.4g协议标准的433MHz无线通信模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于IEEE802.15.4g协议标准的433MHz无线通信模块，包括主控电路模块、射频电路模块、调试接口模块和电源管理模块，所述主控电路模块通过SPI与射频电路模块通信，将信号发送给射频电路模块进行调制、低噪声放大、频率变换、功率放大、滤波处理，最后由天线将处理后的信号辐射出去；所述调试接口模块用于实现主控电路模块与外部串口通信与调试，所述电源管理模块分别与主控电路各模块、射频电路模块和调试接口模块连接，为整个通信模块提供稳定的电压。本发明主要针对智能电网等要求低成本、低功耗、远距离传输和上佳抗噪声性能的新型应用，解决工业监测系统中使用有线设备时存在的布线困难、抗电磁能力弱、监测范围小、无法及时传输信息等问题。

Description

一种基于IEEE802.15.4g协议标准的433MHz无线通信模块

技术领域

本发明涉及工业无线物联网通信领域，具体涉及一种基于IEEE802.15.4g协议标准的无线通信模块。

背景技术

IEEE802.15.4g标准作为IEEE802.15.4标准的补充，其制定旨在应对像智能电网、环境监测、工业生产等要求有较远的通信距离、上佳的抗噪声性能、超低功耗等复杂工业现场控制场合。相对于IEEE802.15.4标准，IEEE802.15.4g标准新增了三种可选的物理层解决方案，很好的支持了要求具有超低功耗、较低的传输速率、较远的通信距离的无线传感器网络。目前IEEE802.15.4g的传输规格较多的采用了像东京燃气、富士电机及NICT（信息通信研究机构）等日本企业提交的技术方案。东京燃气联合本国内的燃气运营商成立的业界团体“Telemetering推进协议会”共同主导了符合IEEE802.15.4g无线系统定位与智能仪表的相关规格的制定。

从国内外的研究现状来看，支持IEEE802.15.4g协议的芯片以及相关的协议栈都陆续的开发出来了。然而，支持IEEE802.15.4g的无线传感网通信模块相关研究设计还比较少。目前国内可查的相关资料是基于MSP430为主控制器和CC1120为射频芯片设计开发的无线通信系统。从其测试结果来看，其通信距离、稳定性、可靠性、抗干扰性等等性能并不是很理想，当应用在电网、水库、垃圾场、厂房等复杂现场环境时通信效果不是很理想。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供了提出一种基于IEEE802.15.4g协议标准的433MHz无线通信模块。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，

一种基于IEEE802.15.4g协议标准的433MHz无线通信模块，包括主控电路模块、射频电路模块、调试接口模块和电源管理模块，所述主控电路模块通过SPI与射频电路模块通信，将信号发送给射频电路模块进行调制、低噪声放大、频率变换、功率放大、滤波处理，最后由天线将处理后的信号辐射出去；所述调试接口模块用于实现主控电路模块与外部串口通信与调试，所述电源管理模块分别与主控电路各模块、射频电路模块和调试接口模块连接，为整个通信模块提供稳定的电压。

优选的，所述射频电路模块包括TX发射路径匹配网络、RX接收路径匹配网络、射频开关、时钟电路和射频控制模块；所述TX发射路径匹配网络的一端与射频控制模块的射频信号发射端连接，另一端与射频开关的其中一个输出端连接；所述RX接收路径匹配网络的一端与射频控制模块的射频信号接收端连接，另一端与射频开关的另一个输出端连接，所述射频开关的输出端经滤波器与射频天线连接，所述射频开关与射频控制模块连接，所述时钟电路与射频控制模块连接，为射频控制模块提供稳定的时钟源。

优选的，所述TX发射路径匹配网络包括电感L1~L4、电容C6_1、电容C7_1、电容C8、电容C11和电容C13，所述电感L1的一端、电感L2的一端分别与射频控制模块的射频信号发射端连接，电感L1的另一端分别与电源端、电容C6_1的一端连接，电容C6_1的另一端接地；所述电感L2的另一端与电容C7_1的一端连接，电容C7_1的另一端分别与电容C13的一端、电感L3的一端连接，电容C13的另一端接地，电感L3的另一端分别与电容C11的一端、电感L4的一端连接，电容C11的另一端接地，电感L4的另一端经电容C8与射频开关的其中一个输出端连接；所述RX接收路径匹配网络包括电感L6、电感L7、电容C14~C16，所述射频控制模块的射频信号接收端包括两个差分引脚，所述电感L6并联与两个差分引脚之间，所述电容C14的一端分别与电感L6的一端、其中一个差分引脚连接，所述电感L7的一端分别与电容C16的一端、电感L6的另一端、另一个差分引脚连接，所述电容C14的另一端、电感L7的另一端连接后与电容C15的一端连接，电容C15的另一端与射频开关的另一个输出端连接。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明主要针对智能电网等要求低成本、低功耗、远距离传输和上佳抗噪声性能的新型应用，解决工业监测系统中使用有线设备时存在的布线困难、抗电磁能力弱、监测范围小、无法及时传输信息等问题。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1 为433MHz无线通信模块的硬件结构框图；

图2为433MHz无线通信模块主控电路原理图；

图3为射频模块电路；

图4为E类板级直连匹配网络图；

图5为四元件匹配网络结构图；

图6为电源供电模块电路；

图7为软件结构框图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图1所示，基于IEEE802.15.4g标准的433MHz无线通信模块主要由主控模块、射频模块、调试接口模块和供电模块构成。所述主控电路模块通过SPI与射频电路模块通信，将信号发送给射频电路模块进行调制、低噪声放大、频率变换、功率放大、滤波处理，最后由天线将处理后的信号辐射出去；所述调试接口模块用于实现主控电路模块与外部串口通信与调试，所述电源管理模块分别与主控电路各模块、射频电路模块和调试接口模块连接，为整个通信模块提供稳定的电压。

图2为主控模块电路图，主控电路模块作为整个无线通信模块的核心部分，主控电路模块不当会引起整个电路工作不稳定甚至不能正常工作。前边介绍433MHz无线通信模块中的主控用的是STM32F203RBT6，因此整个主控电路模块主要是STM32F103RBT6的最小系统，其中包含了晶振电路、复位电路、外围接口和下载调试电路。

晶振电路：晶振电路采用的是两个外部晶振为系统提供稳定的时钟源，一个为32.768KHz的外部低速时钟源(Low-Speed External Clock，LSE)，另一个为8MHz的高速外部时钟源(High-Speed External Clock，HSE)。高速时钟源可为系统提供准确的主时钟（外接22PF的负载电容，其作用是为了稳定振荡频率），低速外部时钟源的作用是在低功耗的模式下提供精准的时钟源（同样外接10PF负载电容）。

复位电路：STM32F103RBT6的启动方式为上电复位。这里来熟悉下STM32F103系列芯片的三种启动方式，三种方式是通过设置BOOT0和BOOT1引脚来选择具体的启动方式。STM32芯片上有BOOT0、BOOT1引脚，复位时的电平状态决定了从何处执行程序。当BOOT1=X，BOOT0=0时，用户闪存存储器被选为启动区域；当BOOT1=0，BOOT0=1时，系统存储器被选为启动区域；当BOOT1=1，BOOT0=1时，系统从内置SRAM启动，一般不用此种启动方式。本发明采用的是第一种启动方式，即分别将BOOT0和BOOT1引脚通过电阻进行下拉处理。

外围电路：PA9和PA10引脚外接串口，实现外部系统与模块之间的串口通信。主控电路模块和射频电路模块的通信方式是通过SPI来进行的，具体的就是通过PA4、PA5、PA6、PA7这4个引脚实现STM32F103RBT6与Si4463之间的通信。

下载调试电路：由于STM32F103RBT6使用的是Cortex-M3内核，Cortex-M3内核集成了两个调试端口，分别为JTAG（JTAG-DP）提供基于JTAG(Joint Test Action Group联合测试行动小组)协议的5线标准接口，SWD调试接口（SWD-DP）提供的基于SWD（Serial WireDebug串行线调试）协议2线标准接口。为用户提供了串行SWD-DP下载调试口以及JTAG下载调试口。为了节约宝贵的PCB布局空间使得模块尽量小型化本实用新型采用的是SWD-DP的下载调试方式。该下载调制方式只需4个引脚（时钟、数据、电源、地）便可对主控芯片进行代码的烧录或在线调试。

图3为射频模块的电路图，该部分电路也是整个发明的核心。本实用新型采用的是Silicon Labs公司推出的Si4463芯片作为RFIC。Si4463内部集成了射频收发电路，包括从内部的低噪声放大器（LNA）出来的两个引脚为差分信号连接射频网络的接收路径，从功率放大器（PA）出来的引脚连接射频网络的发射路径。从图中可以看出该部分电路主要包括TX（发射）路径匹配网络、RX（接收）路径匹配网络和时钟电路三大部分，发射电路部分要完成的功能主要是调制、低噪声放大、频率变换、功率放大。发射机端先将信源进行调制和放大，变为中频信号，通过上变频器，将中频信号转移到发射信道上，经过功率放大由天线将信号传播出去。接收电路部分要完成的功能主要是滤波、低噪声放大、频率变换、功率放大和解调。由于天线接收所得到的信号比较微弱，因此首先需要滤去杂波，然后对得到的信号进行低噪音放大，到了混频器后，高频信号的频谱被搬移到合适调制的相应频段，这时信号已从高频变成中频信号，经过中频放大器的放大就进入解调器，解调器在中频信号中提取调制信号，最终将信号发送到信宿。下面分别对其进行详解。

TX路径匹配网络：数字电路中只关心如何传输状态0和1，也就是说数字电路传输的是数字信号的状态而非功率，而RF电路的主要功能是实现功率的传送，所以这里的匹配网络最终目的是使用阻抗匹配原则来实现信号功率在传输线上的最大传输的目的。而本实用新型对于无线模块射频匹配的要求是在完成匹配网络的同时实现以下目标：（1）.射频模块的额定输出功率达到IC射频芯片标称的最大输出功率+20dBm；（2）.在标称电源电压VDD为3.3V的条件下获得额定的输出功率；（3）.减小电流消耗，即效率最大化；（4）.限制设备漏极输出的峰值电压。在实现上述几个目标的过程中有两种不同类型的匹配网络：一种是TX和RX路径分离并且不同的路径上有各自的天线；另一种是TX和RX路径共用一根天线（此类型又可以细分为两种模式：一种是TX和RX路径板级路径直接相连共用一根天线，另外一种是TX和RX路径通过一个射频开关隔离开来然后共用一根天线）。在本实用新型中，采用的是用一个射频开关来隔离TX和RX路径然后共用一根天线，这里射频开关的应用中有一个关键技术将在后文中提到。Si446x系列射频芯片的功率放大器输出设备的共源共栅级允许E类操作，并且不会超过峰值漏极电压摆幅的安全水平。为了达到更高的效率，这里选择E类板级匹配方法，E类板级直连匹配网络图如图4所示。

RX路径匹配网络：接收端的两个差分引脚RXN和RXP连接的是射频芯片内部的低噪声放大器(LNA,Low Noise Amplifier)，所以这部分电路要做的阻抗匹配主要是针对芯片内部的LNA进行外围的阻抗匹配。这部分电路要实现两个目标：①完成LNA输入端到天线源端的典型50Ω阻抗匹配；②完成单端到差分转换的巴伦电路。为了获得最优性能，本实用新型中使用的是四元件匹配网络，这种匹配网络能提供理论上完美的相位平衡，即输入引脚RXN和RXP相位相差180°，能实现相位图的幅度完全相等并且相位完全相反。从而优化了低噪声放大器转换增益和接收灵敏度。四元件匹配网络结构图如图5所示。由于任何器件芯片加入到电路中都会有一定的阻抗损耗，这里通过Silicon Labs 提供的资料可以得知Si4463在433MHz频段接收模式下测量的芯片差分LNA在中心频点对应的输入阻抗为RLNA=480Ω，CLNA=0.97pF。

时钟电路：Si4463使用的是30MHz晶体振荡器作为时钟源，Si4463对于晶体振荡器的误差要求在20ppm以下，否则射频信号输出时会产生严重的频率偏移，影响无线模块的通信质量。

射频开关的应用：本实用新型采用的是TX和RX直连型方案，但是模块本身的可编程输出的最大的发射功率高达+20dBm。一般性的规约中当发射功率超过50mW(即+17dBm)时，就要对发射路径和接收路径进行隔离处理，否则发射路径的能量会反窜入接收路径从而对射频芯片造成损坏。本实用新型中采用UPG2179TB射频电子开关来解决这个问题。但是，射频开关本身并不是一个完美的理想元件。将它插入匹配电路中会产生一定量的谐波能量，不管从TX低通滤波器过来的信号是多么的干净总是会叠加上射频开关产生的谐波能量。因此在射频开关之后天线之前放置一个低通滤波器是很有必要的。这里采用把一个五阶滤波器分离成为两部分截止频率相近的“半滤波器”，将射频开关放置在这两个“半滤波器”中间位置。以这种形式，在射频开关里重新生成的谐波能量就被“半滤波器”滤除掉了。

图6为电源供电模块电路图。根据便携式微型化的原则，无线传感网通信模块中采用1020mAh的锂离子充电电池供电，方便携带，可以应用于比较复杂的工业环境中。根据无线传感网通信模块的实际工作电压需求，选择MAX1555及MAX8881两种芯片为稳压芯片。充电芯片仍采用MAX1555。MAX8881为433MHz频段射频模块提供稳定的3.3V直流电压(将电池供应的3.7V电压转化成稳定的3.3V直流电压)。该款芯片具有微功耗、负载能力强等优点。

图7为433MHz无线通信模块的软件结构框图。主控制器通过串行外设SPI总线以及其他六根线实现对无线射频芯片Si4463的控制，因此能够通过SPI总线获得射频芯片的应用程序接口API。SPI处理主控芯片发送的命令以及从射频芯片获取信息的整个过程主要包括以下四步：

（1）传输命令到射频

（2）监测射频是否准备接收新命令

（3）读取射频的命令响应

（4）读写FIFO

射频初始化中，通过Silicon Labs公司提供的WDS3配置工具对射频芯片寄存器进行配置。按照需求可以设置需要操作的频段、发射功率、调制方式、RF参数、数据包格式、中断、GPIO引脚、快速响应寄存器等等。配置完成后生成一个名为radio_config_Si4463.h的头文件，将此头文件加载到工程中编译通过后烧录到主控芯片中，主控通过SPI对射频芯片相关的寄存器进行写入就可以完成操作频段、额定功率以及数据传输率等相关参数的配置。

另外为了达到的最初目标，考虑功耗因素是必不可少的。在软件编写方面，这里加入了低功耗休眠模式。在发送模式下，模块消耗的能量是最大的，其次是接收模式，其次是空闲模式，最后是掉电模式。当需要发送数据时，可以通过增加发包的时间间隔，降低发送速率以及在可接受的范围内减小发射功率，达到减小功耗的目的。当不需要射频发送或者接收数据时，可以根据实际情况，通过软件编程，将射频模块设置到相应的低功耗模式，以节约能量。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (1)

1.一种基于IEEE802.15.4g协议标准的433MHz无线通信模块，其特征在于：包括主控电路模块、射频电路模块、调试接口模块和电源管理模块，所述主控电路模块通过SPI与射频电路模块通信，将信号发送给射频电路模块进行调制、低噪声放大、频率变换、功率放大、滤波处理，最后由天线将处理后的信号辐射出去；所述调试接口模块用于实现主控电路模块与外部串口通信与调试，所述电源管理模块分别与主控电路各模块、射频电路模块和调试接口模块连接，为整个通信模块提供稳定的电压；所述射频电路模块包括TX发射路径匹配网络、RX接收路径匹配网络、射频开关、时钟电路和射频控制模块；所述TX发射路径匹配网络的一端与射频控制模块的射频信号发射端连接，另一端与射频开关的其中一个输出端连接；所述RX接收路径匹配网络的一端与射频控制模块的射频信号接收端连接，另一端与射频开关的另一个输出端连接，所述射频开关的输出端经滤波器与射频天线连接，所述射频开关与射频控制模块连接，所述时钟电路与射频控制模块连接，为射频控制模块提供稳定的时钟源；所述TX发射路径匹配网络包括电感L1~L4、电容C6_1、电容C7_1、电容C8、电容C11和电容C13，所述电感L1的一端、电感L2的一端分别与射频控制模块的射频信号发射端连接，电感L1的另一端分别与电源端、电容C6_1的一端连接，电容C6_1的另一端接地；所述电感L2的另一端与电容C7_1的一端连接，电容C7_1的另一端分别与电容C13的一端、电感L3的一端连接，电容C13的另一端接地，电感L3的另一端分别与电容C11的一端、电感L4的一端连接，电容C11的另一端接地，电感L4的另一端经电容C8与射频开关的其中一个输出端连接；所述RX接收路径匹配网络包括电感L6、电感L7、电容C14~C16，所述射频控制模块的射频信号接收端包括两个差分引脚，所述电感L6并联与两个差分引脚之间，所述电容C14的一端分别与电感L6的一端、其中一个差分引脚连接，所述电感L7的一端分别与电容C16的一端、电感L6的另一端、另一个差分引脚连接，所述电容C14的另一端、电感L7的另一端连接后与电容C15的一端连接，电容C15的另一端与射频开关的另一个输出端连接；

所述射频电路模块还包括电感L5和电容C9~电容C12，所述电容C9的一端连接射频开关的输入端，电容C9的另一端分别连接电感L5的一端、电容C10的一端，电容C10的另一端接地，所述电感L5的另一端分别与射频天线、电容C12的一端连接，电容C12的另一端接地。