CN206195769U - 基于sx127x芯片的spi接口物联网无线收发器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于SX127X芯片的SPI接口物联网无线收发器，它解决了现有技术通讯距离较短，抗干扰能力差等技术问题。包括能够对接收信号进行lora解调和/或对发送信号进行lora调制的SX127X芯片，SX127X芯片上设有SPI接口，且SX127X芯片分别与接收信号处理电路的输出端和发射信号处理电路的输入端相连，接收信号处理电路的输入端和发射信号处理电路的输出端分别与接收发射切换开关相连，接收发射切换开关与无线信号收发装置相连。本实用新型具有通讯距离长，电路简单，能与之连接的节点数量多，且能减少不同节点之间通信的干扰，能适应复杂环境，抗干扰能力强，功耗低，可靠性高等优点。

Description

基于SX127X芯片的SPI接口物联网无线收发器

技术领域

本实用新型属于收发器技术领域，尤其是涉及一种基于SX127X芯片的SPI接口物联网无线收发器。

背景技术

目前无线收发器硬件平台大多采用FSK和GFSK的通信方式及基于跳频的抗干扰技术，主要问题是其通讯距离较短，仅能实现1Km左右可视距离的收发数据，若环境有较强的干扰、收发的成功率及收发的距离等指标将会大大降低；而且还存在着使用模块多，电路复杂，出错率高，能与之连接的节点数量少，功耗高等问题。

为了解决现有技术存在的问题，人们进行了长期的探索，提出了各式各样的解决方案。例如，中国专利文献公开了一种用于物联网短距离无线互联无线节点的超低功耗收发机[申请号：201210517565.8]，包括发射机电路和接收机电路，所述发射机电路包括：LC压控振荡器和预分频器用于产生载频信号；信号调制器将方波基带信号调制到载频信号上形成发射信号；功率放大器用于放大发射信号；所述接收机电路包括：低噪声放大器和射频自动增益放大器用于放大收到的信号；用于将放大的信号解调出来；模数转换器将解调出的模拟信号转换为数字信号。

上述方案虽然在一定程度上解决了现有技术功耗高的问题，但是该方案依然存在着：通讯距离较短，使用模块多，电路复杂，出错率高，能与之连接的节点数量少，无法适应复杂环境，抗干扰能力差等问题。

发明内容

本实用新型的目的是针对上述问题，提供一种设计合理、结构简单，通讯距离长的基于SX127X芯片的SPI接口物联网无线收发器。

为达到上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：本基于SX127X芯片的SPI接口物联网无线收发器，包括能够对接收信号进行lora解调和/或对发送信号进行lora调制的SX127X芯片，所述的SX127X芯片上设有SPI接口，且所述的SX127X芯片分别与接收信号处理电路的输出端和发射信号处理电路的输入端相连，所述的接收信号处理电路的输入端和发射信号处理电路的输出端分别与接收发射切换开关相连，所述的接收发射切换开关与无线信号收发装置相连，且所述的接收发射切换开关能够选择无线信号收发装置与接收信号处理电路相连或者与发射信号处理电路相连。

在上述的基于SX127X芯片的SPI接口物联网无线收发器中，所述的SX127X芯片的引脚一和引脚二分别连接高电平或者低电平从而选择SX127X芯片的发射模式或者接收模式，当选择SX127X芯片的发射模式时，所述的接收发射切换开关将无线信号收发装置与发射信号处理电路相连；或者，当选择SX127X芯片的接收模式时，所述的接收发射切换开关将无线信号收发装置与接收信号处理电路相连。

在上述的基于SX127X芯片的SPI接口物联网无线收发器中，所述的接收发射切换开关与无线信号收发装置之间设有50欧姆匹配滤波电路。

在上述的基于SX127X芯片的SPI接口物联网无线收发器中，所述的无线信号收发装置为天线，所述的天线与50欧姆天线接口相连，所述的50欧姆天线接口与50欧姆匹配滤波电路相连，所述的50欧姆天线接口连接有天线检测电路，所述的天线检测电路在检测到天线与50欧姆天线接口的连接断开后切断发射信号处理电路与SX127X芯片的连接。

在上述的基于SX127X芯片的SPI接口物联网无线收发器中，所述的接收信号处理电路为接收匹配电路。

在上述的基于SX127X芯片的SPI接口物联网无线收发器中，所述的发射信号处理电路包括发射匹配电路和发射滤波电路，所述的发射匹配电路的输入端与SX127X芯片相连，且所述的发射匹配电路的输出端与发射滤波电路的输入端相连，所述的发射滤波电路的输出端与接收发射切换开关相连。

在上述的基于SX127X芯片的SPI接口物联网无线收发器中，所述的SX127X芯片、接收信号处理电路、发射信号处理电路、接收发射切换开关和50欧姆匹配滤波电路均设置在屏蔽罩内。

在上述的基于SX127X芯片的SPI接口物联网无线收发器中，所述的SX127X芯片上设有DIO0-DIO4引脚和RESET引脚。

与现有的技术相比，本基于SX127X芯片的SPI接口物联网无线收发器的优点在于：传输距离远，可靠性为工业级，抗干扰能力强，中心频率稳定，接收灵敏度高，二次谐波低，通信距离远，功耗低；具有简单的外部控制接口，可直接与外部MCU相连；应用范围广，适用于低功耗广域网的各种应用终端节点；工作电压宽，在1.8-3.7V的工作电压下都能正常稳定工作；支持LORA调试模式通信以及GFSK、FSK、MSK、GMSK、OOK等调制模式通信，具有前导码探测、自动射频感知、无线唤醒、CRC校验等通信手段；工作频带宽，在433MHz-443MHz、470-510MHz、510-518MHz、859-871MHz、900-930MHz的频段内各项性能指标都能可靠保证；最大发射功率为100mW；链路预算最高可达168dbm；接收灵敏度最高可达-148dBm；发射电流≤120mA，接收电流≤13mA，睡眠电流≤2uA；同外部MCU数据通信采用SPI接口，可直接与外部MCU相连，软件编程非常方便；无线传输最大通信速率能达到300Kbps；可靠传输大于10Km；体积小，不含天线的外观尺寸为25×17mm。

附图说明

图1提供了本实用新型实施例的结构示意图。

图中，电源输入端6、50欧姆天线接口7、天线检测电路8、天线9、供电电路10、晶振及匹配电路11、发射匹配电路12、发射滤波电路13、接收发射切换开关14、50欧姆匹配滤波电路15、接收匹配电路16、SX127X芯片17、SPI接口18、DIO0-DIO4引脚20、RESET引脚21。

具体实施方式

如图1所示，本基于SX127X芯片的SPI接口物联网无线收发器，包括能够对接收信号进行lora解调和/或对发送信号进行lora调制的SX127X芯片17，SX127X芯片17上设有SPI接口18，且SX127X芯片17分别与接收信号处理电路的输出端和发射信号处理电路的输入端相连，接收信号处理电路的输入端和发射信号处理电路的输出端分别与接收发射切换开关14相连，接收发射切换开关14与无线信号收发装置相连，且接收发射切换开关14能够选择无线信号收发装置与接收信号处理电路相连或者与发射信号处理电路相连。电源输入端6为3.3V直流电源，采用合理的电容去耦合技术，减小了外部输入电源的纹波影响；供电电路1采用合理的电感、电容去耦合技术，减小了外部输入电源的纹波影响；晶振及匹配电路11保证了模块中心频率的稳定性和生产中频率的一致性，从而间接提高了模块的通信性能。

具体地，SX127X芯片17的引脚一和引脚二分别连接高电平或者低电平从而选择SX127X芯片17的发射模式或者接收模式，当选择SX127X芯片17的发射模式时，接收发射切换开关14将无线信号收发装置与发射信号处理电路相连；或者，当选择SX127X芯片17的接收模式时，接收发射切换开关14将无线信号收发装置与接收信号处理电路相连，SX127X芯片17上设有DIO0-DIO4引脚2和RESET引脚21。SX127X芯片17的引脚一和引脚二可以与外部MCU相连，则外部MCU通过简单的IO口操作即可选择SX127X芯片17的发射模式或者接收模式；外部MCU可通过RESET引脚21对模块进行复位；外部MCU可通过DIO0-DIO4引脚2获得SX127X芯片17的各种信息；外部MCU可通过SPI接口18对SX127X芯片17进行操作；使用者通过外部MCU对本无线收发器进行接收、发射、睡眠、速率、功率等符合模块性能的多种操作，从而避免在模块有效通信范围之内需要通信的两个或多个产品间由外设设备直接连接时可能产生的线路配置上的问题，同时提高整套产品的综合竞争能力。

对于本无线收发器的电路部分，接收发射切换开关14与无线信号收发装置之间设有50欧姆匹配滤波电路15；接收信号处理电路为接收匹配电路16；发射信号处理电路包括发射匹配电路12和发射滤波电路13，发射匹配电路12的输入端与SX127X芯片17相连，且发射匹配电路12的输出端与发射滤波电路13的输入端相连，发射滤波电路13的输出端与接收发射切换开关14相连。50Ω匹配滤波电路提高了接收和发射时模块相对天线9的匹配性，从而有效地增加了发射功率、天线9对功率的辐射效率和接收灵敏度；接收匹配电路16能够有效地过滤谐波，抑制衰减，接收端灵敏度为-148dBm；发射匹配电路12能够有效地抑制二次谐波，提高传输效率，发射功率最高可达20dbm，各项性能指标更加符合相关认证要求；发射滤波电路13对通带内的频率信号呈现匹配传输，对阻带频率信号失配而进行发射衰减，并能有效地过滤谐波和抑制衰减。

进一步地，无线信号收发装置为天线9，天线9与50欧姆天线接口7相连，50欧姆天线接口7与50欧姆匹配滤波电路15相连，50欧姆天线接口7连接有天线检测电路8，天线检测电路8在检测到天线9与50欧姆天线接口7的连接断开后切断发射信号处理电路与SX127X芯片17的连接，SX127X芯片17、接收信号处理电路、发射信号处理电路、接收发射切换开关14和50欧姆匹配滤波电路15均设置在屏蔽罩内。50欧姆天线接口7支持PCB天线9、弹簧天线9、胶棒天线9、吸盘天线9、铜棒天线9、钢化天线9等各种形式天线9；本无线收发器主要的射频部分用屏蔽罩全方位覆盖，并做良好接地处理，大大减小外界高频噪声对模块性能的影响。

本基于SX127X芯片的SPI接口物联网无线收发器的主要工作机制是：需要通信的数据通过SPI接口18，以SPI数据格式发送给本无线收发器，本无线收发器将数字信号通过lora、2-FSK、GFSK、OOK等调试方式调制后加载到所需频段上，以电磁波的形式发送出去。当本无线收发器接收到有效的无线信号后，经过模拟部分的解调处理，再进过数字部分的处理，最后通过SPI接口18将接收到的数据输出。

LoRa调制模式能够在低功耗情况下实现超长距离无线通信及高抗干扰能力。完美解决了小数据量在复杂环境中的超远距通信问题。无线模块信号灵敏度超过-148dBm这种高灵敏度结合+20dBm的功率放大器使工业链路预算达到最优，能够满足所有应用要求的范围与可靠性。在集成化和选择性能上也有很大意义改进，与传统调制技术相比解决了传统设计需要在通信范围、抗干扰能力以及功耗上需要作出妥协的问题，也就是说它具有通信范围大、抗干扰能力强、功耗低的优越性能。LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，拥有前所未有的性能。此前，只有那些高等级的工业无线电通信会融合这些技术，采用源自军用战术通信系统的LoRa调制技术设计，嵌入式无线通信领域的局面发生了彻底的改变。前向纠错编码技术是给待传输数据序列中增加了一些冗余信息，这样，数据传输进程中注入的错误码元在接收端就会被及时纠正。这一技术减少了以往创建"自修复"数据包来重发的需求，且在解决由多径衰落引发的突发性误码中表现良好。一旦数据包分组建立起来且注入前向纠错编码以保障可靠性，这些数据包将被送到数字扩频调制器中。这一调制器将分组数据包中每一比特馈入一个"展扩器"中，将每一比特时间划分为众多码片。LoRa调制解调器经配置后，可划分的范围为64-4096码片/比特。AngelBlocks配置调制解调器可使用4096码片/比特中的最高扩频因子。相对而言，ZigBee仅能划分的范围为10-12码片/比特。通过使用高扩频因子，LoRa技术可将小容量数据通过大范围的无线电频谱传输出去。实际上，当你通过频谱分析仪测量时，这些数据看上去像噪音，但区别在于噪音是不相关的，而数据具有相关性，基于此，数据实际上可以从噪音中被提取出来。其实，扩频因子越高，越多数据可从噪音中提取出来。在一个运转良好的GFSK接收端，8dB的最小信噪比(SNR)需要可靠地解调信号，采用配置AngelBlocks的方式，LoRa可解调一个信号，其信噪比为-20dB，GFSK方式与这一结果差距为28dB，这相当于范围和距离扩大了很多。在户外环境下，6dB的差距就可以实现2倍于原来的传输距离。为了有效地对比不同技术之间传输范围的表现，我们使用一个叫做"链路预算"的定量指标。链路预算包括影响接收端信号强度的每一变量，在其简化体系中包括发射功率加上接收端灵敏度。AngelBlocks的发射功率为100mW(20dBm)，接收端灵敏度为-129dBm，总的链路预算为149dB。比较而言，拥有灵敏度-110dBm(这已是其极好的数据)的GFSK无线技术，需要5W的功率(37dBm)才能达到相同的链路预算值。在实践中，大多GFSK无线技术接收端灵敏度可达到-103dBm，在此状况下，发射端发射频率必须为46dBm或者大约36W，才能达到与LoRa类似的链路预算值。因此，使用LoRa技术我们能够以低发射功率获得更广的传输范围和距离，这种低功耗广域技术正是我们所需的。与FSK系统相比，使用同样低成本的晶体时这种新的扩频方式在灵敏度上改善了30dB，理论上相当于增加了5倍的传输距离。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了电源输入端6、50欧姆天线接口7、天线检测电路8、天线9、供电电路10、晶振及匹配电路11、发射匹配电路12、发射滤波电路13、接收发射切换开关14、50欧姆匹配滤波电路15、接收匹配电路16、SX127X芯片17、SPI接口18、DIO0-DIO4引脚20、RESET引脚21等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

Claims (8)

1.一种基于SX127X芯片的SPI接口物联网无线收发器，其特征在于，包括能够对接收信号进行lora解调和/或对发送信号进行lora调制的SX127X芯片(17)，所述的SX127X芯片(17)上设有SPI接口(18)，且所述的SX127X芯片(17)分别与接收信号处理电路的输出端和发射信号处理电路的输入端相连，所述的接收信号处理电路的输入端和发射信号处理电路的输出端分别与接收发射切换开关(14)相连，所述的接收发射切换开关(14)与无线信号收发装置相连，且所述的接收发射切换开关(14)能够选择无线信号收发装置与接收信号处理电路相连或者与发射信号处理电路相连。

2.根据权利要求1所述的基于SX127X芯片的SPI接口物联网无线收发器，其特征在于，所述的SX127X芯片(17)的引脚一和引脚二分别连接高电平或者低电平从而选择SX127X芯片(17)的发射模式或者接收模式，当选择SX127X芯片(17)的发射模式时，所述的接收发射切换开关(14)将无线信号收发装置与发射信号处理电路相连；或者，当选择SX127X芯片(17)的接收模式时，所述的接收发射切换开关(14)将无线信号收发装置与接收信号处理电路相连。

3.根据权利要求2所述的基于SX127X芯片的SPI接口物联网无线收发器，其特征在于，所述的接收发射切换开关(14)与无线信号收发装置之间设有50欧姆匹配滤波电路(15)。

4.根据权利要求3所述的基于SX127X芯片的SPI接口物联网无线收发器，其特征在于，所述的无线信号收发装置为天线(9)，所述的天线(9)与50欧姆天线接口(7)相连，所述的50欧姆天线接口(7)与50欧姆匹配滤波电路(15)相连，所述的50欧姆天线接口(7)连接有天线检测电路(8)，所述的天线检测电路(8)在检测到天线(9)与50欧姆天线接口(7)的连接断开后切断发射信号处理电路与SX127X芯片(17)的连接。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的基于SX127X芯片的SPI接口物联网无线收发器，其特征在于，所述的接收信号处理电路为接收匹配电路(16)。

6.根据权利要求5所述的基于SX127X芯片的SPI接口物联网无线收发器，其特征在于，所述的发射信号处理电路包括发射匹配电路(12)和发射滤波电路(13)，所述的发射匹配电路(12)的输入端与SX127X芯片(17)相连，且所述的发射匹配电路(12)的输出端与发射滤波电路(13)的输入端相连，所述的发射滤波电路(13)的输出端与接收发射切换开关(14)相连。

7.根据权利要求3或4所述的基于SX127X芯片的SPI接口物联网无线收发器，其特征在于，所述的SX127X芯片(17)、接收信号处理电路、发射信号处理电路、接收发射切换开关(14)和50欧姆匹配滤波电路(15)均设置在屏蔽罩内。

8.根据权利要求1或2或3或4所述的基于SX127X芯片的SPI接口物联网无线收发器，其特征在于，所述的SX127X芯片(17)上设有DIO0-DIO4引脚(20)和RESET引脚(21)。