CN109639334B - 一种中继器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种中继器，包括：处理器，用于控制射频芯片的RF信号收发；射频芯片，使用SPI协议与处理器通信连接由其控制，并向第一放大器发送差分RF信号，或接收来自第二放大器的差分RF信号；第一放大器，设于发射传输线路中并工作于中继器的发射状态，将射频芯片的差分RF信号进行放大后通过RF天线发送出去；第二放大器，设于接收传输线路中并工作于中继器的接收状态，将RF天线接收的RF信号进行放大后传输至射频芯片；RF天线；电源。本发明的系统架构性能更好，处理更加高效，处理速度超快，超低功耗，超远距离传输，在保证处理速度的基础上最大可能地避免帧丢失的现象，避免中继器出现故障，系统结构简单造价低，体积小便于安装。

Description

一种中继器

技术领域

本发明属于射频技术领域，具体涉及一种中继器。

背景技术

中继器(RP repeater)是工作在物理层上的连接设备。适用于完全相同的两类网络的互连，主要功能是通过对数据信号的重新发送或者转发，来扩大网络传输的距离。中继器是对信号进行再生和还原的网络设备：OSI模型的物理层设备。

中继器是局域网环境下用来延长网络距离的最简单最廉价的网络互联设备，操作在OSI的物理层，是局域网上所有节点的中心，中继器对在线路上的信号具有放大再生的功能，用于扩展局域网网段的长度(仅用于连接相同的局域网网段)。

中继器(RP repeater)是连接网络线路的一种装置，常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作。中继器主要完成物理层的功能，负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。中继器就是为解决这一问题而设计的。它完成物理线路的连接，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同。一般情况下，中继器的两端连接的是相同的媒体，但有的中继器也可以完成不同媒体的转接工作。

中继器具有优点：扩大了通信距离，增加了节点的最大数目，各个网段可使用不同的通信速率，提高了可靠性，当网络出现故障时，一般只影响个别网段，性能得到改善。中继器的主要优点是安装简单、使用方便、价格相对低廉。它不仅起到网络距离的作用，还可以将不同传输介质的网络连接在一起。中继器工作在物理层，对于高层协议完全透明。

从理论上讲中继器的使用是无限的，网络也因此可以无限延长，事实上，中继器对收到被衰减的信号再生(恢复)到发送时的状态并转发出去，增加了延时，然而网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，中继器只能在此规定范围内进行有效的工作，否则会引起网络故障；CAN总线的MAC子层并没有流量控制功能，当网络上的负荷很重时，可能因中继器中缓冲区的存储空间不够而发生溢出，以致产生帧丢失的现象；中继器若出现故障，对相邻两个子网的工作都将产生影响。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种中继器。

本发明所采用的技术方案为：

一种中继器，包括；

处理器，用于控制射频芯片的RF信号收发；

射频芯片，使用SPI协议与处理器通信连接由其控制，并向第一放大器发送差分RF信号，或接收来自第二放大器的差分RF信号；

第一放大器，设于发射传输线路中并工作于中继器的发射状态，将射频芯片的差分RF信号进行放大后通过RF天线发送出去；

第二放大器，设于接收传输线路中并工作于中继器的接收状态，将RF天线接收的RF信号进行放大后传输至射频芯片；

RF天线，用于收发RF信号；

电源，为处理器、射频芯片、第一放大器和第二放大器供电。

本发明的系统架构性能更好，处理更加高效，处理速度超快，超低功耗，超远距离传输，处理器内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，因此在保证处理速度的基础上最大可能地避免帧丢失的现象，避免中继器出现故障。

作为优选，所述处理器及其外围电路组成最小系统，处理器的型号为ATMEGA8。ATMEGA8具有性能更好、处理更加高效、处理速度超快、超低功耗、超低成本的特点。

作为优选，所述射频芯片及其外围电路构成射频最小系统，所述射频芯片的型号为CYRF693640LFXC。CYRF693640LFXC增加工作电压范围，降低供电电流，所有工作模式，更高的数据速率选项，更少的晶振启动，合成器稳定和链路周转时间短。

射频芯片的SPI使能端口、SPI时钟、SPI数据输入端口、SPI数据输出端口和中断输出端口分别与处理器的SPI总线主从选择端口、SPI总线主时钟输入、SPI总线主输出/从输入端口、SPI总线主输入/从输出端口和外部中断0输入端口连接处理器用于控制射频芯片的RF信号收发。

作为优选，所述第一放大器为功率放大器，第二放大器为低噪声放大器。

通过第一放大器和第二放大器实现RF信号的发射和接收相互不干扰，并且第一放大器为功率放大器，功率增益高，可以匹配以获得最佳效率和输出功率水平的性能，效率高，稳定性强，精度高；第二放大器为低噪声放大器，降低信号噪声，并且成本低

作为优选，所述第一放大器的型号为MAX2247，第二放大器的型号为MAX2644。

在中继器处于发射状态时，差分RF信号通过第一放大器的RF输入端口进入第一放大器进行放大，然后通过第一放大器的RF输出端口传输至RF天线，通过RF天线发送出去；在中继器处于接收状态时，RF天线接收的RF信号通过第二放大器的RF输入端口进入第二放大器进行放大，然后通过第二放大器的RF输出端口传输至射频芯片。

作为优选，所述中继器还包括设于发射传输线路和接收传输线路中且切换二者的第一IC FET单刀双掷开关、第二IC FET单刀双掷开关，以及与射频芯片电连接并控制第一IC FET单刀双掷开关和第二IC FET单刀双掷开关执行切换动作的N&P沟道PowerTrenchMOSFET。

作为优选，所述第一IC FET单刀双掷开关设于射频芯片与第一放大器和第二放大器之间，第二IC FET单刀双掷开关设于第一放大器和第二放大器与RF天线之间。

具体的工作过程是：

射频芯片的外部PA T/R开关端口输出TX信号，当TX＝H时，N&P沟道PowerTrenchMOSFET中的N沟道MOSFET1导通，N沟道MOSFET1的漏极D1输出RX＝L的信号，P沟道MOSFET2截止；当TX＝L时，N&P沟道PowerTrench MOSFET中的P沟道MOSFET2导通，P沟道MOSFET2的漏极D2输出RX＝H的信号，N沟道MOSFET1导通；

第一IC FET单刀双掷开关的5端口与射频芯片电连接传输差分RF信号，4端口连接TX信号，6端口连接RX信号，3端口连接第二放大器，1端口连接第一放大器，第二IC FET单刀双掷开关的5端口通过天线接口连接RF天线，4端口连接连接RX信号，6端口连接TX信号，3端口连接第一放大器，1端口连接第二放大器，当RX＝L时，第一IC FET单刀双掷开关自动拨到1端口、第二IC FET单刀双掷开关自动拨到3端口，进而连通发射传输线路，射频芯片的差分RF信号传输至第一放大器进行放大，然后通过RF天线发送出去；当TX＝L时，第一IC FET单刀双掷开关自动拨到3端口、第二IC FET单刀双掷开关自动拨到1端口，进而连通接收传输线路，RF天线接收RF信号，然后进入第二放大器进行放大后传输至射频芯片。

作为优选，所述第一IC FET单刀双掷开关和第二IC FET单刀双掷开关的型号为AS179-92，N&P沟道PowerTrench MOSFET的型号为FDG6332C_085。

作为优选，所述处理器还连接有扩展接口，扩展接口连接有LED灯或/和蜂鸣器，以及传感器。

作为优选，所述传感器包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器、PM2.5传感器、CO₂传感器、压力传感器、烟雾传感器的一种或多种。

通过LED灯或/和蜂鸣器在物资查找过程中，直接作出应答，实现直观快速的查找功能，通过传感器的设置感应环境的变化，当环境的温度、湿度、光照、PM2.5、压力或烟雾发生变化时，及时上报给上一级管理设备作出相应处理。

电源包括电池和电源转换模块，电源转换模块包括将电池电压通过保险丝转换为VIN的第一电源转换模块，和将VIN转换为3.3V的第二电源转换模块。

第二电源转换模块采用型号为TPS79501的芯片，第二电源转换模块的关断控制输入(低电平有效)端口与处理器的I/O端口连接。

本发明的有益效果为：

1、本发明的系统架构性能更好，处理更加高效，处理速度超快，超低功耗，超远距离传输，处理器内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，因此在保证处理速度的基础上最大可能地避免帧丢失的现象，避免中继器出现故障。

2、本发明通过第一放大器和第二放大器实现RF信号的发射和接收相互不干扰，并且第一放大器为功率放大器，功率增益高，可以匹配以获得最佳效率和输出功率水平的性能，效率高，稳定性强，精度高；第二放大器为低噪声放大器，降低信号噪声，并且成本低。

3、本发明通过LED灯或/和蜂鸣器在物资查找过程中，直接作出应答，实现直观快速的查找功能。

4、本发明通过传感器的设置感应环境的变化，当环境的温度、湿度、光照、PM2.5、压力或烟雾发生变化时，及时上报给上一级管理设备作出相应处理。

5、本发明系统结构简单造价低，体积小便于安装，非常适合大规模使用。

附图说明

图1是本发明-实施例的电路原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。

实施例：

如图1所示，本实施例的一种中继器，包括电源、处理器U1、射频芯片U4、第一放大器U6、第二放大器U7和RF天线。

电源包括电池和电源转换模块，电源转换模块包括将电池电压通过保险丝转换为VIN的第一电源转换模块，和将VIN转换为3.3V的第二电源转换模块。

本实施例中，第二电源转换模块采用型号为TPS79501的芯片U8，第二电源转换模块的关断控制输入(低电平有效)端口与处理器U1的I/O端口连接。

处理器U1及其外围电路(晶振、复位等)组成最小系统，处理器U1的型号为ATMEGA8。

ATMEGA8是ATMEL公司推出的一款新型AVR高档单片机，采用了小引脚封装。ATMEGA8有2个具有比较模式的带预分频器(Separate Prescale)的8位定时/计数器，1个带预分频器(SeParat Prescale)，具有比较和捕获模式的16位定时/计数器，它的芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具备AVR高档单片机MEGE系列的全部性能和特点，但由于采用了小引脚封装(为DIP28和TQFP/MLF32)，所以其价格仅与低档单片机相当，再加上AVR单片机的系统内可编程特性，使得无需购买昂贵的仿真器和编程器也可进行单片机嵌入式系统的设计和开发，具有更好的省电性能、稳定性、抗干扰性以及灵活性。ATMEGA8是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVR RISC结构的8位单片机。AVR单片机的核心是将32个工作寄存器和丰富的指令集联结在一起，所有的工作寄存器都与ALU(算术逻辑单元)直接相连，实现了在一个时钟周期内执行的一条指令同时访问(读写)两个独立寄存器的操作，这种结构提高了代码效率，使得大部分指令的执行时间仅为一个时钟周期，因此，ATMEGA8可以达到接近1MIPS/MHz的性能，运行速度比普通CISC单片机高出10倍。

ATMEGA8的主要特性如下：

1、内部特点：高性能、低功耗的8位AVR微处理器，先进的RISC结构，130条指令——大多数指令执行时间为单个时钟周期，32个8位通用工作寄存器，全静态工作，工作于16MHz时性能高达16MIPS，只需两个时钟周期的硬件乘法器，非易失性程序和数据存储器，8K字节的系统内可编程Flash，擦写寿命：10,000次，具有独立锁定位的可选Boot代码区，通过片上Boot程序实现系统内编程，真正的同时读写操作，512字节的EEPROM，1K字节的片内SRAM，可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密。

2、外设特点：1个具有独立振荡器的异步实时时钟(RTC)，3个PWM通道，可实现任意＜16位、相位和频率可调的PWM脉宽调制输出，8通道A/D转换(TQFP、MLF封装)，6路10位A/D+2路8位A/D，6通道A/D转换(PDIP封装)，4路10位A/D+2路8位A/D，1个I2C的串行接口，支持主/从、收/发四种工作方式，支持自动总线仲裁，1个可编程的串行USART接口，支持同步、异步以及多机通信自动地址识别，1个支持主/从(Master/Slave)、收/发的SPI同步串行接口，带片内RC振荡器的可编程看门狗定时器，片内模拟比较器。

3、特殊的处理器特点：上电复位以及可编程的欠电压检测电路，内部集成了可选择频率(l/2/4/8MHZ)、可校准的RC振荡器，外部和内部的中断源18个，五种睡眠模式：空闲模式(Idle)、ADC噪声抑制模式(ADC Noise Reduction)、省电模式(Power－save)、掉电模式(Power－down)、待命模式(Standby)。

4、I/O和封装：最多23个可编程I/O口，可任意定义I/O的输入/输出方向；输出时为推挽输出，驱动能力强，可直接驱动LED等大电流负载：输入口可定义为三态输入，可以设定带内部上拉电阻，省去外接上拉电阻，28脚PDIP封装，32脚TQFP封装和32脚MLF封装。

5、工作电压：2.7-5.5V(ATMEGA8L)；速度等级：0-8MHz(ATMEGA8L)；4Mhz时功耗,3V,25℃：工作模式：3.6mA，空闲模式：1.0mA，掉电模式：0.5μA。

本实施例中，射频芯片U4及其外围电路构成射频最小系统，射频芯片U4的型号为CYRF693640LFXC。

CYRF693640LFXC具有如下特征：

1、2.4GHz直接序列扩频(DSSS)无线电收发器。频段(2.400GHz-2.483GHz)，21mA工作电流(发射@-5dBm)，发射功率高达+4dBm，接收灵敏度高达-97dBm，休眠电流＜1μA。

2、工作范围：10米+。DSSS数据速率高达250kbps，GFSK数据速率高达1Mbps，外部元件数量少。

3、自动事务序列发生器(ATS)，无需MCU干预。帧，长度，CRC16和自动ACK，MCU/传感器的电源管理单元(PMU)、快速启动和快速通道更改，独立的16字节发送和接收FIFO，AutoRate^TM-动态数据速率接收，接收信号强度指示(RSSI)，处于睡眠模式时的串行外设接口(SPI)控制，4MHz SPI微控制器接口。

4、电池电压监测电路，支持币形电池操作应用，工作电压范围为1.8V至3.6V，工作温度为0至70℃，节省空间的40引脚QFN 6x6mm封装。

CYRF693640LFXC增加工作电压范围，降低供电电流，所有工作模式，更高的数据速率选项，更少的晶振启动，合成器稳定和链路周转时间短。

处理器U1与射频芯片U4使用SPI协议通信连接，具体是：射频芯片U4的SPI使能端口、SPI时钟、SPI数据输入端口、SPI数据输出端口和中断输出端口分别与处理器U1的SPI总线主从选择端口、SPI总线主时钟输入、SPI总线主输出/从输入端口、SPI总线主输入/从输出端口和外部中断0输入端口连接处理器U1用于控制射频芯片U4的RF信号收发。

采用以上处理器U1和射频芯片U4使本发明的系统架构性能更好，处理更加高效，处理速度超快，超低功耗，超远距离传输。处理器U1的芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，因此在保证处理速度的基础上最大可能地避免帧丢失的现象，避免中继器出现故障。

第一放大器U6为中继器处于发射状态时工作的功率放大器，第二放大器U7为中继器处于接收状态时工作的低功耗放大器。

在中继器处于发射状态时，射频芯片U4的差分RF信号传输至发射传输线路中的第一放大器U6进行放大，然后通过RF天线发送出去；

在中继器处于接收状态时，RF天线接收RF信号，然后进入接收传输线路中的第二放大器U7进行放大后传输至射频芯片U4。

具体的传输过程是：第一放大器U6的型号为MAX2247，第二放大器U7的型号为MAX2644。在中继器处于发射状态时，差分RF信号通过第一放大器U6的RF输入端口进入第一放大器U6进行放大，然后通过第一放大器U6的RF输出端口传输至RF天线，通过RF天线发送出去；在中继器处于接收状态时，RF天线接收的RF信号通过第二放大器U7的RF输入端口进入第二放大器U7进行放大，然后通过第二放大器U7的RF输出端口传输至射频芯片U4。

MAX2247为低电压，三级线性电源放大器(PA)，针对802.11b/g无线LAN进行了优化，2.4GHz ISM频段的(WLAN)应用。该器件集成了可调偏置控制器，功率检测器和关机模式。MAX2247具有29dB的功率增益，可提供高达+24dBm的线性输出功率，效率为24％，单+3.3V电源。它实现了小于-32dBc的第一次波瓣抑制和低于-55dBc的第二侧802.11b调制下的波瓣抑制。在此外，该设备可以匹配以获得最佳效率和输出功率水平的性能，+10dBm至+24dBm。甚至高至+28dBm饱和输出，电源还允许设备满足要求802.11g OFDM调制。MAX2247具有外部偏置控制引脚，允许设备的供电电流动态，因此，在较低的输出功率水平下节流，提高效率，同时保持足够的旁瓣抑制。专有的内部偏置电路，保持稳定的器件性能和电压供应变化。额外省电功能是一个逻辑电平关闭引脚，减少供电电流为0.5μA，无需使用外部电源开关。集成的关机功能还允许保证器件斜坡上升和斜坡下降倍。MAX2247集成了20dB的功率检测器，动态范围和最高±0.8dB精度输出功率水平。探测器提供缓冲直流电压与输出功率成正比设备，通过消除耦合器节省成本和空间。

MAX2644为低成本，高三阶交调截点(IP3)低噪声放大器(LNA)应用在2.4GHzWLAN，ISM和蓝牙无线电系统中。具有可编程偏置，允许输入IP3和电源电流，以针对特定情况进行优化应用。LNA提供高达+1dBm的输入IP3，同时保持2.0dB的低噪声系数和a典型增益为16dB。MAX2644采用低噪声硅锗(SiGe)技术。工作在+2.7V至+5.5V，可提供超小型6引脚SC70封装。

中继器的发射状态和接收状态通过第一IC FET单刀双掷开关、第二IC FET单刀双掷开关和N&P沟道PowerTrench MOSFET来切换。

第一IC FET单刀双掷开关和第二IC FET单刀双掷开关的型号为AS179-92，N&P沟道PowerTrench MOSFET的型号为FDG6332C_085。

AS179-92是一款低成本的IC FET单刀双掷开关，微型SC-70 6引线塑料封装。AS179-92具有低插入损耗和正电压操作，具有极低的直流功耗。

FDG6332C_085具有切换性能优越的特点，并且占地面积小、功耗低。

第一IC FET单刀双掷开关设于射频芯片U4与第一放大器U6和第二放大器U7之间，对发射传输线路和接收传输线路进行切换，第二IC FET单刀双掷开关设于第一放大器U6和第二放大器U7与天线之间，对发射传输线路和接收传输线路进行切换。

具体的工作过程是：

射频芯片U4的外部PA T/R开关端口输出TX信号，当TX＝H时，N&P沟道PowerTrenchMOSFET中的N沟道MOSFET1导通，N沟道MOSFET1的漏极D1输出RX＝L的信号，P沟道MOSFET2截止；当TX＝L时，N&P沟道PowerTrench MOSFET中的P沟道MOSFET2导通，P沟道MOSFET2的漏极D2输出RX＝H的信号，N沟道MOSFET1导通；

第一IC FET单刀双掷开关的5端口与射频芯片U4电连接传输差分RF信号，4端口连接TX信号，6端口连接RX信号，3端口连接第二放大器U7，1端口连接第一放大器U6，第二ICFET单刀双掷开关的5端口通过天线接口连接RF天线，4端口连接连接RX信号，6端口连接TX信号，3端口连接第一放大器U6，1端口连接第二放大器U7，当RX＝L时，第一IC FET单刀双掷开关自动拨到1端口、第二IC FET单刀双掷开关自动拨到3端口，进而连通发射传输线路，射频芯片U4的差分RF信号传输至第一放大器U6进行放大，然后通过RF天线发送出去；当TX＝L时，第一IC FET单刀双掷开关自动拨到3端口、第二IC FET单刀双掷开关自动拨到1端口，进而连通接收传输线路，RF天线接收RF信号，然后进入第二放大器U7进行放大后传输至射频芯片U4。

在本实施例中，第一放大器U6的关断控制信号端口连接TX信号，当TX＝L时，接收传输线路连通，发送传输线路断开；第二放大器U7的电阻偏置控制端口连接TX信号。

在本实施例中，处理器U1还连接有第一扩展接口J1和第二扩展接口J2，第二扩展接口J2连接有LED灯或/和蜂鸣器，以及传感器。

说明A或/和B包括以下理解：A或B，A和B。

通过LED灯或/和蜂鸣器在物资查找过程中，直接作出应答，实现直观快速的查找功能。

传感器为温度传感器、湿度传感器、光照传感器、PM2.5传感器、CO₂传感器、压力传感器、烟雾传感器的一种或多种，用于感应环境的变化。

通过传感器的设置感应环境的变化，当环境的温度、湿度、光照、PM2.5、压力或烟雾发生变化时，及时上报给上一级管理设备作出相应处理。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种中继器，其特征在于：包括：

处理器，用于控制射频芯片的RF信号收发；

射频芯片，使用SPI协议与处理器通信连接由其控制，并向第一放大器发送差分RF信号，或接收来自第二放大器的差分RF信号；

第一放大器，设于发射传输线路中并工作于中继器的发射状态，将射频芯片的差分RF信号进行放大后通过RF天线发送出去；

第二放大器，设于接收传输线路中并工作于中继器的接收状态，将RF天线接收的RF信号进行放大后传输至射频芯片；

RF天线，用于收发RF信号；

电源，为处理器、射频芯片、第一放大器和第二放大器供电；

所述中继器还包括设于发射传输线路和接收传输线路中且切换二者的第一IC FET单刀双掷开关、第二IC FET单刀双掷开关，以及与射频芯片电连接并控制第一IC FET单刀双掷开关和第二IC FET单刀双掷开关执行切换动作的N&P沟道PowerTrench MOSFET；

所述第一IC FET单刀双掷开关设于射频芯片与第一放大器和第二放大器之间，第二ICFET单刀双掷开关设于第一放大器和第二放大器与RF天线之间；

所述第一IC FET单刀双掷开关和第二IC FET单刀双掷开关的型号为AS179-92，N&P沟道PowerTrench MOSFET的型号为FDG6332C_085；

第一IC FET单刀双掷开关的5端口与射频芯片U4电连接传输差分RF信号，4端口连接TX信号，6端口连接RX信号，3端口连接第二放大器U7，1端口连接第一放大器U6，第二IC FET单刀双掷开关的5端口通过天线接口连接RF天线，4端口连接连接RX信号，6端口连接TX信号，3端口连接第一放大器U6，1端口连接第二放大器U7；

所述处理器及其外围电路组成最小系统，处理器的型号为ATMEGA8；

所述射频芯片及其外围电路构成射频最小系统，所述射频芯片的型号为CYRF693640LFXC。

2.根据权利要求1所述的一种中继器，其特征在于：所述第一放大器为功率放大器，第二放大器为低噪声放大器。

3.根据权利要求2所述的一种中继器，其特征在于：所述第一放大器的型号为MAX2247，第二放大器的型号为MAX2644。

4.根据权利要求1所述的一种中继器，其特征在于：所述处理器还连接有扩展接口，扩展接口连接有LED灯或/和蜂鸣器，以及传感器。

5.根据权利要求4所述的一种中继器，其特征在于：所述传感器包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器、PM2.5传感器、CO₂传感器、压力传感器、烟雾传感器的一种或多种。

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