CN114785375B - 一种射频双载波唤醒系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种射频双载波唤醒系统及方法,系统包括发射装置和接收装置;发射装置包括键控制器、微控制单元MCU、锁相环PLL、第一、第二射频电路;两路射频电路均由天线ANT、功放PA、声表面滤波器SAW、高Q值带通滤波器LRC顺序电连接构成;键控制器、MCU和PLL顺序电连接后,分别与两路射频电路电连接;MCU还分别与两路PA电连接;接收装置包括第一接收电路、第二接收电路、或门电路和远程测控终端RTU;两路接收电路均由天线ANT、高Q值带通滤波器LRC和比较器顺序电连接组成;两路接收电路的比较器与或门电路和远程测控终端RTU顺序电连接。本发明能够使用低功耗接收机,能够远程通过射频的方式,将测控终端唤醒,同时考虑抗干扰能力并易于布置天线。
Description
技术领域
本发明属于物联网技术领域,涉及一种射频双载波唤醒系统及方法,具体涉及一种基于射频双载波唤醒水利远程测控终端的系统及方法。
背景技术
远程测控终端(RTU)是一种可部署在远离数据采集与监视控制系统(SCADA)或恶劣工业现场环境的智能单元。具有远程数据采集、控制和通信功能。
在水利应用中,RTU的安装位置一般设计在井下,立杆上,或者桥梁结构中央等,不易被触碰或破坏的位置,保证了安全性的同时,也为设备维护带来了极大的不便。而且由于RTU设备经常处于休眠模式下,常用的远程维护手段如蓝牙、WIFI等并不能一直处于在线或者广播的状态,所以需要一种能够远程将水利远程终端唤醒的手段。
目前市面上有一些射频唤醒方案,但都有其适用范围和局限性,某些设计采用射频调制解调的方式进行通信,例如用AS3903解调信号(龚冰青,王缓缓.低功耗射频触发唤醒电路设计[J].电子科技,2013,26(10):151-155),其优势是功耗低,由特征码解调,抗干扰能力强,但缺点也恰恰是解调的复杂性,使得其唤醒成功率不高,而且AS3903仅支持150kHz的信号频率,其天线波长过长,不容易布置天线。还有些设计使用了TLV24X系列芯片(唐云建,梁山,冯会伟等.低功耗射频唤醒无线传感器网络设计[J].传感技术学报,2007,20(10):2328-2332)作为接收信号放大器,其带宽仅5kHz,并不适用于射频信号的放大。在射频FSK应用中,TI的CC11XX系列是目前使用率比较高的芯片(于飞,曹炳尧,张俊杰.基于CC1101的智能门锁无线低功耗休眠唤醒机制设计[J].电子测量技术,2019,42(17):142-147),但是待机功耗在10mA左右,并不适合低功耗的应用环境。
综上,唤醒远程测控终端,尤其是水利应用中,需要一种能够使用低功耗接收机,能够远程(10m)通过射频的方式,将测控终端唤醒,同时考虑抗干扰能力并易于布置天线的方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够使用低功耗接收机,能够远程(10m)通过射频的方式,将测控终端唤醒,同时考虑抗干扰能力并易于布置天线的射频双载波唤醒系统及方法。
本发明的系统所采用的技术方案是:一种射频双载波唤醒系统,包括发射装置和接收装置;
所述发射装置包括发射按键、微控制单元MCU、锁相环控制器PLL、第一射频电路和第二射频电路;所述第一射频电路和第二射频电路均由第一射频放大器PA、高Q值带通滤波电路LRC、第二射频放大器PA和天线元件ANT顺序电连接构成;所述发射按键、微控制单元MCU和锁相环控制器PLL顺序电连接后,分别与所述第一射频电路和第二射频电路电连接;所述微控制单元MCU还分别与所述第一射频电路的第一射频放大器PA电连接,与所述第二射频电路的第一射频放大器PA电连接;
所述接收装置包括第一接收电路、第二接收电路、或门电路和远程测控终端RTU;所述第一接收电路和第二接收电路均由天线元件ANT、高Q值带通滤波电路LRC和比较器顺序电连接组成;所述第一接收电路、第二接收电路并联连接后与所述或门电路和远程测控终端RTU顺序电连接。
作为优选,所述锁相环控制器PLL与所述第一射频电路的第一射频放大器PA之间设置有声表面波滤波电路SAW。
作为优选,所述锁相环控制器PLL与所述第二射频电路的第一射频放大器PA之间设置有声表面波滤波电路SAW。
作为优选,所述比较器具有1.6~6.5V的宽供电范围,且消耗待机电流不高于1uA的器件。
作为优选,所述天线元件ANT为12dBi以上的鞭状天线,保证系统总增益在55dB以上。
作为优选,所述或门电路是具有集电极开漏特征,且待机功耗仅小于0.5uA的器件。
作为优选,所述高Q值带通滤波电路LRC包括电感L4、L5、L52,电阻R33、R34、R348、R35、电容C32、C17、C19、C21;其中电感L4的一端接输出口ANT,另一端接电阻R33的一端;电阻R33的另一端与电容C17的一端、电阻R348的一端、电感L52的一端、电容C19的一端电性连接;电容C19的另一端与电阻R35的一端电性连接,同时作为输出端RF;电阻R35的另一端与C21的一端电性连接,且接地;电容C17、C23、电阻R348、电感L52并联连接;电容C21的另一端与电感L52另一端、电阻R348的另一端、电容C17的另一端、电容C23的另一端、电阻R34的一端电性连接;电阻R34的另一端与电感L5的一端电性连接;电感L5的另一端接地。
作为优选,所述高Q值带通滤波电路LRC电路板板厚1mm,板材为FR4基板,介电常数4.2,线宽底部0.9mm,顶部0.8mm,铺铜T1为1盎司,R33和R34为0.5Ω。
本发明的方法所采用的技术方案是:一种射频双载波唤醒方法,采用所述的射频双载波唤醒系统;包括以下步骤:
步骤1:维护人员手持发射装置接近待唤醒接收装置,触发发射按键,微控制单元MCU检测到触发信号后,控制锁相环控制器PLL分别倍频本振到275MHz和600MHz;
步骤2:所述微控制单元MCU通过控制所述第一射频放大器PA和第二射频放大器PA的供电和直流偏置,使其放大和断开载波,实现OOK调制;
步骤3:OOK调制信号通过低通滤波电路LRC将高频的直流分量过滤成比较器可识别的比较电平,实现翻转;
步骤4:默认情况下,比较器输出级集电极开路,输出高电平,此时不影响远程测控终端RTU休眠;当射频载波信号出现时,逐渐高于比较参考电平VREF,此时比较器翻转,产生一个下降沿,触发RTU的中断,唤醒远程测控终端RTU。
相对于现有技术,本发明的有益效果是:
(1)本发明使用275MHz和600MHz作为两种射频载波,可有效避免外界单一干扰;275MHz和600MHz同为25MHz本振的整数倍,可使用低成本锁相环;275MHz和600MHz分别是25MHz的11倍和24倍,其同频谐波至少为11次谐波,没有低倍数谐波,相关性低,互扰小;同时这两个频率避开了低频的广播FM/AM频段,也避开了315/433MHz商用频段,以及890MHz的GSM频段,抗干扰能力强。
(2)本发明因为唤醒功能不需要传递数据,所以不调制有效数据,仅将载波发射即可,极大的降低了接收链路的参数要求。
附图说明
图1为本发明实施例的系统结构图;
图2为本发明实施例的低通滤波电路LRC电路图;
图3为本发明实施例的电阻低通滤波电路LRC中R对Q值的影响波形示意图;
图4为本发明实施例的OOK调制波形示意图;
图5为本发明实施例的低通滤波电路LRC加入直流分量后波形示意图;
图6为本发明实施例的双载波触发唤醒波形示意图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明,下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述,应当理解,此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
请见图1,本发明提供的一种射频双载波唤醒系统,包括发射装置和接收装置;发射装置包括发射按键、微控制单元MCU、锁相环控制器PLL、第一射频电路和第二射频电路;第一射频电路和第二射频电路均由第一射频放大器PA、高Q值带通滤波电路LRC、第二射频放大器PA和天线元件ANT顺序电连接构成;发射按键、微控制单元MCU和锁相环控制器PLL顺序电连接后,分别与第一射频电路和第二射频电路电连接;微控制单元MCU还分别与第一射频电路的第一射频放大器PA电连接,与第二射频电路的第一射频放大器PA电连接;接收装置包括第一接收电路、第二接收电路、或门电路和远程测控终端RTU;第一接收电路和第二接收电路均由天线元件ANT、高Q值带通滤波电路LRC和比较器顺序电连接组成;第一接收电路、第二接收电路并联连接后与或门电路和远程测控终端RTU顺序电连接。
请见图2,本实施例采用的高Q值带通滤波电路LRC包括电感L4、L5、L52,电阻R33、R34、R348、R35、电容C32、C17、C19、C21;其中电感L4的一端接输出口ANT,另一端接电阻R33的一端;电阻R33的另一端与电容C17的一端、电阻R348的一端、电感L52的一端、电容C19的一端电性连接;电容C19的另一端与电阻R35的一端电性连接,同时作为输出端RF;电阻R35的另一端与C21的一端电性连接,且接地;电容C17、C23、电阻R348、电感L52并联连接;电容C21的另一端与电感L52另一端、电阻R348的另一端、电容C17的另一端、电容C23的另一端、电阻R34的一端电性连接;电阻R34的另一端与电感L5的一端电性连接;电感L5的另一端接地。
本实施例采用的高Q值带通滤波电路LRC,主要起作用的器件为L4、L5、C17和L52。其中L4、L5为串联关系,C17和L52为并联关系,然后再与L4和L5串联。C19和C21起隔直和区分地信号的作用,由于后面100K电阻R35的原因,不参与选频。传递函数可表达如下:
其中Z Li 表达为jωLi,Z Ci 表达为1/jωCi,分别代表第i个器件电感和电容的阻抗。j是虚数,ω是角度,Li是电感量,Ci是电容量。将Z Li 和Z Ci 带入具体值后,得到:
通过计算,此电路在频率为275MHz(此处以275MHz载波为例,600MHz载波同理)时增益最高,约为32倍。由于电感和电容的取值受限于市面上主流的电感与电容值,所以很难取到想要的电容或电感值,这里增加的C23就是为了进行微调的预留位,其容值并没有设计成固定的值,需根据实际调试情况试错。
本实施例采用的高Q值带通滤波电路LRC中的R33和R34是为了调整滤波电路的Q值,单纯的LC滤波电路,其Q值极高,带宽极窄,通过调节电阻的阻值,可以实现对Q值的平滑处理,增加响应带宽,减小通带内增益波动。图3为R取0.01Ω和0.5Ω的频率响应曲线,通过增益和频响的取舍,本发明最终选择0.5Ω。
此外,与传统射频电路的50Ω阻抗匹配不同,接收装置的高频阻抗匹配取75Ω,因为一般常用的50Ω匹配是为了综合电流敏感和电压敏感的不同应用,但是此处的接收装置从电路原理上可以看出,对射频功率并不敏感,仅对电压敏感,所以此处可以进行75Ω匹配,以增大接收增益。利用Polar Si9000可以计算出匹配值。
本实施例的高Q值带通滤波电路LRC电路板板厚1mm,板材为FR4基板,介电常数4.2,线宽底部0.9mm,顶部0.8mm,铺铜T1为1盎司,R33和R34为0.5Ω。
本实施例的系统工作流程是:首先,维护人员手持发射装置接近接收装置(待唤醒设备),按发射按键,微控制单元MCU检测到按键信息后,配置锁相环控制器PLL倍频本振到275MHz和600MHz;然后微控制单元MCU通过控制第一射频放大器PA的供电和直流偏置,同时控制两路PA,使其放大和断开载波,实现OOK调制方式。因为唤醒功能不需要传递数据,所以不调制有效数据,仅将载波发射即可,极大的降低了接收链路的参数要求。OOK调制的数据速率应符合最后一级比较器的频率响应范围,本实施例设置为100KHz。如图4,载波频率275MHz,OOK调制的频率为100KHz,所以每段载波时长5us。
接收装置通过天线元件ANT接收到发射装置发射的射频信号,经过本发明专门设计的高Q值带通滤波电路LRC,将射频信号放大,并加入直流分量(直流分量的取值需要适配后级的峰值检波),结果如图5所示。
叠加了直流分量的信号还需要通过峰值检波,把射频部分的正半周尽量保留,最后通过高Q值带通滤波电路LRC将高频的直流分量过滤成比较器可识别的比较电平,实现翻转。最终效果如图6所示,实线箭头指示的是比较参考电平(VREF),其略高于射频回路的直流偏置电平,接入比较器正相输入端。虚线箭头为高频载波信号(VRF),接入比较器反相输入端。线段箭头标注的为比较器输出波形。可以看出,默认情况下,比较器输出级集电极开路,输出高电平,此时不影响远程测控终端RTU休眠。当射频载波出现时,逐渐高于比较参考电平(VREF),此时比较器翻转,产生一个下降沿,触发RTU的中断,唤醒远程测控终端RTU。
本实施例在低功耗接收机方面(即下半部分),天线元件ANT和高Q值带通滤波电路LRC部分都是无源的,不带来功耗负担;比较器选用低功耗芯片,按照水利遥测终端的应用环境,应选用至少具有1.6~6.5V的宽供电范围,且消耗待机电流不高于1uA的器件;与门是为了使双载波的射频比较信号共同作用,应选用具有集电极开漏特征,且待机功耗仅小于0.5uA的器件。
本实施例为了实现远程唤醒,即至少10m的有效距离,需要发射装置和接收装置的环路增益能够有效抵消空间衰减,并满足接收装置的最低接收灵敏度。由于接收装置的低功耗要求,其接收增益和灵敏度较低,为达到效果,就必须提高射频发射功率。因此设计的载波频率为晶体的整数倍,所以锁相环控制器PLL的要求并不高。将25MHz本振倍频到高频段后,需要射频放大,应选择具有高增益、高输出的射频功放。天线元件ANT可选用12dBi以上的鞭状天线,保证系统总增益在55dB以上。根据射频信号空间衰减公式:
最终化简得:
式中,d为传播距离,单位km;f为载波频率,单位GHz;l为载波波长,单位m。带入10m和275MHz可以得到最终Ls约为41dB,显然系统的增益大于距离衰减,即可以满足需求。
本发明天线元件ANT的长度取决有射频信号的频率,这里只需对最低频率即275MHz做考量。根据波长计算公式:L=V/f,V为无线电真空传播速度,f为电磁波频率,则计算出275MHz信号的波长为1.09m,接收天线一般取1/4或1/8波长,则本发明用到的最长天线为14cm,在可接受范围内。
本发明的射频双载波唤醒系统,值守电流仅由比较器以及分压电阻产生,总待机电流<10uA,符合水利远程测控终端RTU待机要求;天线采用16cm鞭状天线,增益12dBi,便于安装;有效距离>12m(无遮挡),满足场景需要;目前在常规环境中反复测试无干扰。综上所述,本发明的射频双载波唤醒水利远程测控终端的方案可以实现所有预期目标。
应当理解的是,除非另有明确的规定和限定,本说明书中采用的术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。“第一”“第二”“第三”“第四”不代表任何的序列关系,仅是为了方便描述进行的区分。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当理解的是,上述针对较佳实施例的描述较为详细,并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下,还可以做出替换或变形,均落入本发明的保护范围之内,本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种射频双载波唤醒系统,其特征在于:包括发射装置和接收装置;
所述发射装置包括发射按键、微控制单元MCU、锁相环控制器PLL、第一射频电路和第二射频电路;所述第一射频电路和第二射频电路均由第一射频放大器PA、高Q值带通滤波电路LRC、第二射频放大器PA和天线元件ANT顺序电连接构成;所述发射按键、微控制单元MCU和锁相环控制器PLL顺序电连接后,分别与所述第一射频电路和第二射频电路电连接;所述微控制单元MCU还分别与所述第一射频电路的第一射频放大器PA电连接,与所述第二射频电路的第一射频放大器PA电连接;
所述接收装置包括第一接收电路、第二接收电路、或门电路和远程测控终端RTU;所述第一接收电路和第二接收电路均由天线元件ANT、高Q值带通滤波电路LRC和比较器顺序电连接组成;所述第一接收电路、第二接收电路并联连接后与所述或门电路和远程测控终端RTU顺序电连接。
2.根据权利要求1所述的射频双载波唤醒系统,其特征在于:所述锁相环控制器PLL与所述第一射频电路的第一射频放大器PA之间设置有声表面波滤波电路SAW。
3.根据权利要求1所述的射频双载波唤醒系统,其特征在于:所述锁相环控制器PLL与所述第二射频电路的第一射频放大器PA之间设置有声表面波滤波电路SAW。
4.根据权利要求1所述的射频双载波唤醒系统,其特征在于:所述比较器具有1.6~6.5V的宽供电范围,且消耗待机电流不高于1uA的器件。
5.根据权利要求1所述的射频双载波唤醒系统,其特征在于:所述天线元件ANT为12dBi以上的鞭状天线,保证系统总增益在55dB以上。
6.根据权利要求1所述的射频双载波唤醒系统,其特征在于:所述或门电路是具有集电极开漏特征,且待机功耗仅小于0.5uA的器件。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的射频双载波唤醒系统,其特征在于:所述高Q值带通滤波电路LRC包括电感L4、L5、L52,电阻R33、R34、R348、R35、电容C32、C17、C19、C21;其中电感L4的一端接输出口ANT,另一端接电阻R33的一端;电阻R33的另一端与电容C17的一端、电阻R348的一端、电感L52的一端、电容C19的一端电性连接;电容C19的另一端与电阻R35的一端电性连接,同时作为输出端RF;电阻R35的另一端与C21的一端电性连接,且接地;电容C17、C23、电阻R348、电感L52并联连接;电容C21的另一端与电感L52另一端、电阻R348的另一端、电容C17的另一端、电容C23的另一端、电阻R34的一端电性连接;电阻R34的另一端与电感L5的一端电性连接;电感L5的另一端接地。
8.根据权利要求7所述的射频双载波唤醒系统,其特征在于:所述高Q值带通滤波电路LRC电路板板厚1mm,板材为FR4基板,介电常数4.2,线宽底部0.9mm,顶部0.8mm,铺铜T1为1盎司,R33和R34为0.5Ω。
9.一种射频双载波唤醒方法,采用权利要求1-8任意一项所述的射频双载波唤醒系统;其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:维护人员手持发射装置接近待唤醒接收装置,触发发射按键,微控制单元MCU检测到触发信号后,控制锁相环控制器PLL分别倍频本振到275MHz和600MHz;
步骤2:锁相环控制器PLL输出波形通过SAW过滤干扰,在送入功放PA,微控制单元MCU通过控制所述第一射频放大器PA和第二射频放大器PA的供电和直流偏置,使其放大和断开载波,实现OOK调制;
步骤3:OOK调制信号通过高Q值带通滤波电路LRC滤掉带外干扰信号后,经由天线发射;
步骤4:默认情况下,比较器输出级集电极开路,输出高电平,此时不影响远程测控终端RTU休眠;当射频载波信号出现时,比较器反相输入端电平逐渐高于比较参考电平VREF,此时比较器翻转,产生一个下降沿;当两路射频信号同时出现时,比较器后级的或门才会输出低电平触发外部中断,唤醒远程测控终端RTU。
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