CN105871387A - 基于单芯片的双频（433/470MHz）无线通信设备合成方式 - Google Patents

基于单芯片的双频（433/470MHz）无线通信设备合成方式 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于单芯片的双频(433/470MHz)无线通信设备合成方式，属于无线通信技术领域。该无线通信设备支持IEEE802.15.4g标准，并可在433MHz和470MHz两种频段切换工作；该无线通信设备包括发送模块和接收模块，主要由微控制器和射频芯片两大部分组成；其中，发送模块的工作模式为：微控制器将数据处理后通过SPI通信方式传递给射频芯片，然后再把数据以电磁波形式辐射到自由空间中；接收模块的工作模式为：天线接收到的数据通过微带线及匹配电路传到射频芯片中，射频芯片再通过SPI的通信方式将数据传入微控制器，微控制器在将数据处理后通过串口传递到上位机。本发明能够实现通信模块的发射功率，频率偏移，传输通信距离，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。

Description

基于单芯片的双频(433/470MHz)无线通信设备合成方式
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于单芯片的双频(433/470MHz)无线通信设备合成方式。
背景技术
无线通信是利用电磁波信号在空中自由传播的特性进行信息交换的一种通信方式，随着射频技术和集成电路技术的高速发展，人们对无线通信的要求越来越高，短程、便捷、廉价的无线通信技术正在引起越来越多的关注。因此设计一种数据传输快捷，抗干扰能力强，能耗低的无线通信模块具有重大的意义。
目前国内外无线通信应用中最常用的频段为2.4GHz，但由于该频段应用较为广泛导致同频干扰较多，且波长较短，因此绕射能力差，容易受到干扰大量的同频。
相比于2.4GHz，433MHz和470MHz频段的信号传播更远，绕射能力更强，提高了通信的覆盖范围。由此，本发明提供了一种基于单芯片的双频(433/470MHz)无线通信设备合成方式，在实际应用中可以通过频段切换开关来切换工作频段，实现无线通信，同时，芯片支持IEEE802.15.4g标准。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于单芯片的双频(433/470MHz)无线通信设备合成方式，能够实现通信模块的发射功率，频率偏移，传输通信距离，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。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于单芯片的双频(433/470MHz)无线通信设备合成方式，该无线通信设备支持IEEE802.15.4g标准，并可在433MHz和470MHz两种频段切换工作；该无线通信设备包括发送模块和接收模块，发送模块和接收模块在硬件上完全一致，主要由微控制器和射频芯片两大部分组成；其中，发送模块的工作模式为：微控制器将数据处理后通过SPI通信方式传递给射频芯片，然后再把数据以电磁波形式辐射到自由空间中；接收模块的工作模式为：天线接收到的数据通过微带线及匹配电路传到射频芯片中，射频芯片再通过SPI的通信方式将数据传入微控制器，微控制器在将数据处理后通过串口传递到上位机。无线发送模块和无线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频段为4330MHz或470MHz的电磁波。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。
进一步，所述发射模块包括：单片机模块、射频模块、电源管理模块、LED模块、频段切换模块、在线调试模块及天线；单片机模块获取数据，并将获取的数据经解析处理后采用SPI串行通信接口发送至射频模块中的数字发送器，生成调制信号，然后送入数模转换器形成模拟调制信号，通过低通滤波器减少高频干扰，再通过正交混合器将模拟调制信号与载波信号叠加调制到433MHz或470MHz射频频段，信号传递给功率放大器后，通过负载阻抗为50Ω的阻抗匹配电路传递给低通滤波器，最后经过工作频段为433MHz或470MHz，增益为3.5dbi的全向天线以电磁波的形式发射信号。
进一步，所述射频模块采用CC1120射频芯片，工作频段可以通过手动切换至433MHz或470MHz，单片机中的数据通过射频芯片CC1120处理后通过外围阻抗匹配电路和输入阻抗为50Ω的天线发射出去。
进一步，所述接收模块包括：单片机模块、射频模块、频段切换开关、巴伦电路、低噪声放大器、混频器、模数转换器、数字基带接收器、基带处理器、串行通信接口及天线；天线接收到信号通过一个巴伦电路将单端射频信号转换为两个正交信号后传递给CC1120射频芯片，然后信号通过低噪声放大器将信号功率放大，到了混频器后，高频信号的频谱会被搬移到合适调制的频段，再通过模数转换器对接收信号进行抽样并再生成数字信号，然后，由数字域的数字基带接收器对数字信号进行处理，基带处理器执行进一步的过滤和信号处理后，最后通过串行通信接口传递给微控制器模块对数据进行解析处理。
本发明的有益效果在于：能够实现通信模块的发射功率，频率偏移，传输通信距离，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。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明的模块的结构示意图；
图2为软件系统示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1为本发明的模块的结构示意图，如图所示，本发明提供的一种支持IEEE802.15.4g标准的433MHz、470MHz无线双频通信模块，包括：微控制器模块、射频通信模块、频段切换开关、串行通信接口、数模转换器、低通滤波器、正交混合器、阻抗匹配电路、低通滤波器、天线；微控制器模块获取数据，数据经解析处理后通过串行通信接口发送给射频模块中的数字发送器，生成调制信号，然后送入数模转换器形成模拟调制信号，通过低通滤波器减少高频干扰，再通过正交混合器将模拟调制信号与载波信号叠加调制到433MHz或470MHz射频频段，信号传递给功率放大器后，通过负载阻抗为50Ω的阻抗匹配电路传递给低通滤波器，最后经过增益为2.5dbi的全向天线以电磁波的形式发射信号；无线接收模块包括：微控制器模块、射频模块、频段切换开关、巴伦电路、低噪声放大器、混频器、模数转换器、数字基带接收器、基带处理器、串行通信接口，天线，其特征在于，天线接收到信号通过一个巴伦电路将单端射频信号转换为两个正交信号后传递给CC1120射频芯片，然后信号通过低噪声放大器将信号功率放大，到了混频器后，高频信号的频谱会被搬移到合适调制的频段，再通过模数转换器对接收信号进行抽样并再生成数字信号，然后，由数字域的数字基带接收器对数字信号进行处理，基带处理器执行进一步的过滤和信号处理后，最后通过串行通信接口传递给单片机模块对数据进行解析处理。
无线接收模块的433MHz或470MHz天线接收到信号通过一个巴伦电路将单端射频信号转换为两个正交信号后传递给CC1120射频芯片，然后信号通过低噪声放大器(LNA)将信号功率放大，到了混频器后，高频信号的频谱会被搬移到合适调制的频段，再通过模数转换器(ADC)对接收信号进行抽样并再生成数字信号，然后，由数字域的数字基带接收器(RXBBP)对数字信号进行处理，基带处理器执行进一步的过滤和信号处理后，最后通过串行通信接口传递给微控制器模块对数据进行解析处理。通过上位机可以观察到通信的质量。
所述数据发送模块包括微控制器模块、射频模块、频段切换开关、电源管理模块、状态指示模块、调试模块和接口模块。所述数据接收模块包括：微控制器模块、射频模块、频段切换模块、电源管理模块、LED模块、调试模块和接口模块。当测试当前信道无线收发系统性能时，通过软件配置CC1120射频芯片的寄存器，将发送模块(1)和接收模块(2)的设置为同样的中心频点，同样的波特率，同样的信道才能进行通信。
发送模块(1)和接收模块(2)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433MHz或470MHz频段的电磁波。
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，串行接口通信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)存储器为空闲状态，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、LED模块、调试模块和接口模块。
以下以一具体实例对本发明的实施作详细描述。
所述微控制器采用意法半导体公司的STM32F103RBT6芯片，它主要用来接收、存储和转发433MHz或470MHz频段的数据，并将其中需要的数据信息转发到上位机；
所述射频模块采用了TI公司推出的CC1120无线射频收发芯片，CC1120的RF射频收发器集成了一个高度可配置的调制解调器。通过软件可以配置CC1120射频芯片的寄存器参数，包括中心频率、发射功率、频率偏移、工作模式、调制/编码、波特率、数据包格式等；
电源模块使用了MAX1555充电芯片，可以根据需要为模块充电，并采用MAX8881稳压芯片为整个电路提供稳定的3.3V电源，并且MAX8881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。LED模块控制LED灯，指示射频通信的状态。
频段切换开关为一点动开关，可根据具体需要手动切换通信模块的频段，同时会有相关频段的指示灯显示。
参照图2，发送模块的主控部分首先进行串口初始化和SPI初始化，然后判定已选择的频段，通过SPI控制CC1120射频模块，对其进行初始化。初始化包括设置其中心频率为433MHz或470MHz、发射功率为+15dBm、滤波器带宽为25kHz、2-FSK调制、编码速率为1.2kbps等，初始化完成以后，主控模块将数据通过SPI传输给射频模块，射频模块把数据处理后，将数据从天线发射出来，载波为433MHz或470MHz的电磁波，发送成功后LED会有提示。接收模块也会经过串口,SPI,射频初始化，然后接收模块会清除中断后检验是否空闲，接收模块接收到相同信道发送模块发送的数据后对数据进行字节数检验和CRC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。最后把数据打印到上位机。最后我们从上位机可以读出433MHz或470MHz频段的信号强度RSSI，丢包率等数据以了解当前信道的通信质量。
按照上述结构，本发明可以配置相关参数，包括选择TX或RX模式。接收和发送模块通信时，如果模块的在相同的信道上就能接收到数据并把相应的信息通过上位机显示。比如，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和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通信节点。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种基于单芯片的双频(433/470MHz)无线通信设备合成方式，其特征在于：该无线通信设备支持IEEE802.15.4g标准，并可在433MHz和470MHz两种频段切换工作；该无线通信设备包括发送模块和接收模块，发送模块和接收模块在硬件上完全一致，主要由微控制器和射频芯片两大部分组成；其中，发送模块的工作模式为：微控制器将数据处理后通过SPI通信方式传递给射频芯片，然后再把数据以电磁波形式辐射到自由空间中；接收模块的工作模式为：天线接收到的数据通过微带线及匹配电路传到射频芯片中，射频芯片再通过SPI的通信方式将数据传入微控制器，微控制器在将数据处理后通过串口传递到上位机。
2.根据权利要求1所述的一种基于单芯片的双频(433/470MHz)无线通信设备合成方式，其特征在于：所述发射模块包括：单片机模块、射频模块、电源管理模块、LED模块、频段切换模块、在线调试模块及天线；单片机模块获取数据，并将获取的数据经解析处理后采用SPI串行通信接口发送至射频模块中的数字发送器，生成调制信号，然后送入数模转换器形成模拟调制信号，通过低通滤波器减少高频干扰，再通过正交混合器将模拟调制信号与载波信号叠加调制到433MHz或470MHz射频频段，信号传递给功率放大器后，通过负载阻抗为50Ω的阻抗匹配电路传递给低通滤波器，最后经过工作频段为433MHz或470MHz，增益为3.5dbi的全向天线以电磁波的形式发射信号。
3.根据权利要求2所述的一种基于单芯片的双频(433/470MHz)无线通信设备合成方式，其特征在于：所述射频模块采用CC1120射频芯片，工作频段可以通过手动切换至433MHz或470MHz，单片机中的数据通过射频芯片CC1120处理后通过外围阻抗匹配电路和输入阻抗为50Ω的天线发射出去。
4.根据权利要求1所述的一种基于单芯片的双频(433/470MHz)无线通信设备合成方式，其特征在于：所述接收模块包括：单片机模块、射频模块、频段切换开关、巴伦电路、低噪声放大器、混频器、模数转换器、数字基带接收器、基带处理器、串行通信接口及天线；天线接收到信号通过一个巴伦电路将单端射频信号转换为两个正交信号后传递给CC1120射频芯片，然后信号通过低噪声放大器将信号功率放大，到了混频器后，高频信号的频谱会被搬移到合适调制的频段，再通过模数转换器对接收信号进行抽样并再生成数字信号，然后，由数字域的数字基带接收器对数字信号进行处理，基带处理器执行进一步的过滤和信号处理后，最后通过串行通信接口传递给微控制器模块对数据进行解析处理。
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