TWI573404B - 具有資料獲得能力之獨立射頻無線裝置 - Google Patents

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TWI573404B TW101119845A TW101119845A TWI573404B TW I573404 B TWI573404 B TW I573404B TW 101119845 A TW101119845 A TW 101119845A TW 101119845 A TW101119845 A TW 101119845A TW I573404 B TWI573404 B TW I573404B
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Description

具有資料獲得能力之獨立射頻無線裝置
本發明係關於射頻中繼器及無線節點，且更特定而言，係關於獨立射頻無線中繼器及資料獲得節點。
本申請案主張由Michael Simmons、Yifeng Yang、Steven R.Bible及Péter Szilveszter Kovács等於2011年6月2日提出申請且標題為「Standalone Radio Frequency Transceiver Having Data Acquisition Capabilities」之序號為61/492,535之共同擁有美國臨時專利申請案之優先權；出於所有目的，該美國臨時專利申請案特此以引用方式併入本文中。
一典型無線節點包含一射頻(RF)收發器及一主機微控制器單元(MCU)或可程式化邏輯以控制該RF收發器。需要與RF收發器結合之一MCU或可程式化邏輯增加製造裝置板或晶粒空間之成本，且由於與RF收發器結合之該MCU(或可程式化邏輯)之增加功率需求而縮短電池使用壽命。
所需的是一種可在不需要一MCU之情況下用於諸如一獨立中繼器或一獨立資料獲得節點之簡單應用之具有資料獲得能力之廉價且低功率需求之RF無線裝置。
根據一實施例，一無線資料獲得裝置可包括：一射頻收發器；一感測器外部連接；一接收類比轉數位轉換器(ADC)；一類比信號多工器，其具有耦合至該感測器外部連接之一第一輸入、耦合至該射頻收發器之一類比輸出之 一第二輸入及耦合至該接收ADC之一輸出；一傳輸數位轉類比轉換器(DAC)，其耦合至該射頻收發器之一類比輸入；基頻信號解碼及編碼邏輯，其分別耦合至該接收ADC之一輸出及該傳輸DAC之一輸入；媒體存取控制(MAC)邏輯，其耦合至該基頻信號解碼及編碼邏輯；一通信介面，其耦合至該MAC邏輯及複數個外部連接中之一者；一狀態機，其耦合至該射頻收發器、基頻信號解碼及編碼邏輯、該MAC邏輯及該類比信號多工器之一控制輸入；及組態儲存器，其耦合至該狀態機及該複數個外部連接中之另一者；其中該狀態機使用儲存於該組態儲存器中之組態資訊來組態該射頻收發器、基頻信號解碼及編碼邏輯及該MAC邏輯之操作。
根據又一實施例，一計時器可耦合至該狀態機。根據又一實施例，該組態儲存器係選自由以下各項組成之群組：非揮發性記憶體、可單次程式化(OTP)記憶體及電可抹除可程式化唯讀記憶體(EEPROM)。根據又一實施例，該通信介面包括一串列周邊介面(SPI)。根據又一實施例，該通信介面係選自由以下各項組成之群組：一積體電路間(I2C)介面及一通用異步接收器/傳輸器(UART)。根據又一實施例，當在該感測器外部連接處偵測到一信號時，該狀態機將該射頻收發器自一低功率睡眠模式喚醒。根據又一實施例，當自該計時器確證一喚醒信號時，該狀態機將該射頻收發器自一低功率睡眠模式喚醒。
根據又一實施例，提供一所接收信號強度指標類比轉數 位轉換器(RSSI ADC)。根據又一實施例，提供耦合於該RSSI ADC與另一感測器外部連接之間的一第二類比信號多工器。根據又一實施例，組態資料係儲存於該組態儲存器中。根據又一實施例，該組態資料係選自由以下各項組成之群組中之一或多者：一頻道頻率、一資料速率、一資料獲取週期、一識別及一喚醒間隔。根據又一實施例，提供一中繼器功能，其中該射頻收發器接收資料且然後重新傳輸所接收資料。
根據又一實施例，該狀態機之一中斷輸入耦合至該複數個外部連接中之另一者，其中當在該中斷輸入處接收到一中斷信號時，該類比信號多工器將該感測器外部連接耦合至該接收ADC之該輸入，該接收ADC將來自該感測器外部連接之一信號之一樣本轉換為表示其之一數位值，且然後該射頻收發器傳輸該數位值。
根據另一實施例，一無線資料中繼器裝置可包括：一射頻收發器；一接收類比轉數位轉換器(ADC)，其耦合至該射頻收發器之一類比輸出；一傳輸數位轉類比轉換器(DAC)，其耦合至該射頻收發器之一類比輸入；基頻信號解碼及編碼邏輯，其分別耦合至該接收ADC之一輸出及該傳輸DAC之一輸入；媒體存取控制(MAC)邏輯，其耦合至該基頻信號解碼及編碼邏輯；一通信介面，其耦合至該MAC邏輯及複數個外部連接中之一者；一狀態機，其耦合至該射頻收發器、基頻信號解碼及編碼邏輯、該MAC邏輯及該類比信號多工器之一控制輸入；及組態儲存器，其耦 合至該狀態機及該複數個外部連接中之另一者；其中該狀態機使用儲存於組態儲存器中之組態資訊來組態該射頻收發器、基頻信號解碼及編碼邏輯及該MAC邏輯之操作。
根據又一實施例，該組態儲存器係選自由以下各項組成之群組：非揮發性記憶體、可單次程式化(OTP)記憶體、以及電可抹除可程式化唯讀記憶體(EEPROM)。根據又一實施例，該狀態機在接收到一資料信號時將該射頻收發機自一低功率睡眠模式喚醒且然後該射頻收發機重新傳輸所收到資料信號。根據又一實施例，組態資料係儲存於該組態儲存器中。根據又一實施例，該組態資料係選自由以下各項組成之群組中一或多者：一頻道頻率、一資料速率、一識別及一喚醒間隔。
藉由參考結合附圖所進行之以下說明可獲得對本發明之更全面地理解。
雖然本發明易於作出各種修改及替代形式，但在圖式中已展示並在本文中詳細闡述其特定實例性實施例。然而，應理解，本文中對特定實例性實施例之闡述並非意欲將本發明限制於本文中所揭示之特定形式，而係相反，本發明欲涵蓋如由隨附申請專利範圍所界定之所有修改及等效形式。
一微控制器單元(MCU)可定義為具有非揮發性程式記憶體之一主機微控制器或可程式化邏輯。根據本發明之教示，可藉由實施成RF收發器邏輯之邏輯之一最少添加而接 管MCU之任務。藉由消除MCU，可降低能量消耗，例如，一MCU可消耗一典型無線節點中之總能量之30%至50%。一獨立RF無線裝置可在無由MCU控制之附加項之情況下較快操作。所有此等因素有益於電池壽命(例如，電池壽命可增加一倍)。
獨立RF無線裝置亦可用作獨立中繼器以轉發一所接收訊息以擴展一無線網路之範圍，且係諸如獨立中繼器之一成本敏感應用。一無線感測器網路(WSN)之葉節點(例如，WSN中之最大數目個節點)亦係一成本敏感應用。一葉節點用於週期性地傳輸所獲得感測器資料。
現在參考圖式，示意性圖解說明一特定實例性實施例之細節。圖式中，相同之元件將由相同之編號表示，且相似之元件將由帶有一不同小寫字母後綴之相同編號表示。
參考圖1，其繪示與一微控制器單元(MCU)一起使用之一典型先前技術無線裝置架構之一示意性方塊圖。該無線裝置可包括：一射頻收發器102、一接收類比轉數位轉換器(ADC)104、一所接收信號強度指標(RSSI)ADC 106、傳輸數位轉類比轉換器(DAC)108、一狀態機110、基頻(BB)解碼(接收)及編碼(傳輸)邏輯112、媒體存取控制(MAC)邏輯114、一通信介面116(例如，串列周邊介面(SPI)及/或一(若干)積體電路間(I2C)介面)以及複數個輸入/輸出(I/O)連接118。MCU 120耦合至該收發器在一I/O連接118處且透過通信介面116與該收發器通信。MCU 120藉助儲存於MCU 120之一非揮發性記憶體(未展示)中之一程式 控制該無線收發器之操作。該無線裝置可製作於一積體電路124上且RF收發器102耦合至一天線122。使用MCU 120及非揮發性記憶體(未展示)需要功率且因此減少原本可用於延長該無線收發器之操作之電池使用壽命。
現在參考圖2，其繪示根據本發明之一特定實例性實施例之無需一微控制單元(MCU)之一獨立無線裝置架構之一示意性方塊圖。該獨立無線裝置可包括：一射頻收發器102、一接收類比轉數位轉換器(ADC)104、一所接收信號強度指標(RSSI)ADC 106、傳輸數位轉類比轉換器(DAC)108、一狀態機210、基頻(BB)解碼(接收)及編碼(傳輸)邏輯112、媒體存取控制(MAC)邏輯114、一通信介面116(例如，串列周邊介面(SPI)及/或一(若干)積體電路間(I2C)介面)以及複數個輸入/輸出(I/O)連接118。另外，可將一類比多工器238、一無MCU狀態機232及一計時器234添加至該無線收發器之上述諸功能以使其成為MCU獨立。類比多工器238具有耦合至無MCU狀態機232且由其控制之一控制輸入。組態儲存器230可在無線收發器之製造期間或在現場經程式化且針對特定應用經程式化。無MCU狀態機232可使用經程式化至組態儲存器230中之組態。
透過使用外部連接118、晶片上非揮發性記憶體(未展示)等，無MCU無線收發器之一組態可儲存於組態儲存器230中且可係(舉例而言，但不限於)各種無線電參數，例如，頻道頻率，資料速率，資料獲得週期，識別，喚醒間隔等。無MCU RF裝置可使用以下中之任何一或多者：輸入/ 輸出(I/O)連接118(硬體組態)、晶片上可單次程式化(OTP)記憶體(未展示)及/或具有一SPI/I2C/等通信主裝置(未展示)之晶片外電可抹除可程式化唯讀記憶體(EEPROM)(未展示)。
外部感測器/傳感器/等之資料獲得可係藉由以下中之任一者或兩者完成：接收ADC 104及/或RSSI ADC 106(中繼器應用不需要)。透過多工器238使用ADC(接收或RSSI ADC)將增加RF收發器積體電路內部之一現有晶片上ADC之準確度及效能且增加自一外部連接236取樣之能力。由於傳輸所獲得資料係主要關注點，再次使用接收ADC 104及/或RSSI ADC 106將不對本文中所闡述之該無MCU RF收發器之應用及操作造成一問題。
計時器234之功能可係簡單或複雜的且出於自一外部(晶片外)源之資料獲得及隨後自該無線收發器之資料傳輸之目的，其提供週期性喚醒無MCU RF收發器之晶片上邏輯(例如，狀態機210及/或232)之能力。此表示資料獲得之一「輪詢」模式，對於獲得可週期性取樣之溫度、壓力、流體位準等之量測及其經廣播至WSN之值(中繼器應用不需要)係有用的。RF收發器一般而言具有亦可用於對一外部感測器取樣(類比或數位)之一睡眠定時器。
外部喚醒輸入(在圖2中未明確展示但涵蓋於本文中且可係無MCU狀態機232之一部分)將允許一晶片外源指定何時資料準備好被獲得而非依賴於喚醒計時器234。此表示資料獲得之一「中斷」模式，對於基於一事件(例如在一門 打開時喚醒並獲得資料)之資料獲得係有用的。
無MCU狀態機232執行可係一無線電協定所特有之一預定義步驟集合，諸如，喚醒，然後獲得資料，然後將該資料格式化成一訊框格式，然後傳輸含有該資料之訊框，然後返回至睡眠(低功率模式)。該(等)封包格式係在該RF收發器之硬體邏輯中判定且一旦該邏輯經設計即該(等)封包格式不容易修改。
資料獲得介面(例如，圖2中所示之RX ADC 104)可包括至晶片外資源之一或多個「標準」介面，諸如例如但不限於，一類比介面(ADC)及/或一數位介面(I2C、SPI、通用異步接收器/傳輸器(UART)等)。對資料獲得介面之控制可係由無MCU狀態機232執行。如圖2中所示，一現有ADC(接收ADC 104或RSSI ADC 106)之再使用可用於藉由僅在ADC 104或106與連接236處之外部類比輸入之間添加多工器238來實施一類比獲得介面而不必實施額外硬體。
圖2中所示之獨立無線裝置可製作於一積體電路晶粒224上且經封裝於一積體電路封裝(未展示)中。一天線122耦合至RF接收器102。
雖然已參考本發明之實例性實施例來繪示、闡述及界定本發明之實施例，但此參考並不暗示對本發明之限制，且不應推斷出存在此限制。所揭示之標的物能夠在形式及功能上具有大量修改、變更及等效形式，如熟習相關技術並受益於本發明者將想到。所繪示及所闡述之本發明之實施例僅作為實例，而並非是對本發明之範疇的窮盡性說明。
102‧‧‧射頻收發器
104‧‧‧接收類比轉數位轉換器
106‧‧‧所接收信號強度指標類比轉數位轉換器
108‧‧‧傳輸數位轉類比轉換器
110‧‧‧狀態機
112‧‧‧基頻解碼及編碼邏輯
114‧‧‧媒體存取控制邏輯
116‧‧‧通信介面
118‧‧‧輸入/輸出連接/外部連接
120‧‧‧微控制器單元
122‧‧‧天線
124‧‧‧積體電路
210‧‧‧狀態機
224‧‧‧積體電路晶粒
230‧‧‧組態儲存器
232‧‧‧無微控制器單元狀態機/狀態機
234‧‧‧計時器/喚醒計時器
236‧‧‧外部連接/連接
238‧‧‧多工器/類比多工器
圖1圖解說明與一微控制器單元(MCU)一起使用之一典型先前技術無線裝置架構之一示意性方塊圖；且圖2圖解說明根據本發明之一特定實例性實施例之無需一微控制器單元(MCU)之一獨立無線裝置架構之一示意性方塊圖。
102‧‧‧射頻收發器
104‧‧‧接收類比轉數位轉換器
106‧‧‧所接收信號強度指標類比轉數位轉換器
108‧‧‧傳輸數位轉類比轉換器
112‧‧‧基頻解碼及編碼邏輯
114‧‧‧媒體存取控制邏輯
116‧‧‧通信介面
118‧‧‧輸入/輸出連接/外部連接
122‧‧‧天線
210‧‧‧狀態機
224‧‧‧積體電路晶粒
230‧‧‧組態儲存器
232‧‧‧無微控制器單元狀態機/狀態機
234‧‧‧計時器/喚醒計時器
236‧‧‧外部連接/連接
238‧‧‧多工器/類比多工器

Claims (17)

  1. 一種無線資料獲得裝置，其包括：一射頻收發器；一感測器外部連接；一接收類比轉數位轉換器(ADC)；一類比信號多工器，其具有耦合至該感測器外部連接之一第一輸入、耦合至該射頻收發器之一類比輸出之一第二輸入及耦合至該接收ADC之一輸出；一傳輸數位轉類比轉換器(DAC)，其耦合至該射頻收發器之一類比輸入；基頻信號解碼及編碼邏輯，其分別耦合至該接收ADC之一輸出及該傳輸DAC之一輸入；媒體存取控制(MAC)邏輯，其耦合至該基頻信號解碼及編碼邏輯；一通信介面，其耦合至該MAC邏輯及複數個外部連接中之一者；一狀態機，其耦合至該射頻收發器、基頻信號解碼及編碼邏輯、該MAC邏輯及該類比信號多工器之一控制輸入；組態儲存器，其耦合至該狀態機及該複數個外部連接中之另一者；其中該狀態機使用儲存於該組態儲存器中之組態資訊來組態該射頻收發器、基頻信號解碼及編碼邏輯、類比信號多工器及該MAC邏輯之操作，該狀態機被用以代替 一微控制器；及一計時器，其耦合至該狀態機。
  2. 如請求項1之無線資料獲得裝置，其中該組態儲存器係選自由以下各項組成之非暫態記憶體群組：非揮發性記憶體、可單次程式化(OTP)記憶體及電可抹除可程式化唯讀記憶體(EEPROM)。
  3. 如請求項1之無線資料獲得裝置，其中該通信介面包含一串列周邊介面(SPI)。
  4. 如請求項1之無線資料獲得裝置，其中該通信介面係選自由以下各項組成之群組：一積體電路間(I2C)介面及一通用異步接收器/傳輸器(UART)。
  5. 如請求項1之無線資料獲得裝置，其中當在該感測器外部連接處偵測到一信號時，該狀態機將該射頻收發器自一低功率睡眠模式喚醒。
  6. 如請求項1之無線資料獲得裝置，其中當自該計時器確證一喚醒信號時，該狀態機將該射頻收發器自一低功率睡眠模式喚醒。
  7. 如請求項1之無線資料獲得裝置，其進一步包括一所接收之信號強度指標類比轉數位轉換器(RSSI ADC)。
  8. 如請求項7之無線資料獲得裝置，其進一步包括耦合於該RSSI ADC與另一感測器外部連接之間的一第二類比信號多工器。
  9. 如請求項1之無線資料獲得裝置，其中組態資料係儲存於該組態儲存器中。
  10. 如請求項9之無線資料獲得裝置，其中該組態資料係選自由以下各項組成之群組中之一或多者：一頻道頻率、一資料速率、一資料獲得週期、一識別及一喚醒間隔。
  11. 如請求項1之無線資料獲得裝置，其進一步包括一中繼器功能，其中該射頻收發器接收資料且然後重新傳輸該所接收資料。
  12. 如請求項1之無線資料獲得裝置，其進一步包括耦合至該複數個外部連接中之另一者之該狀態機之一中斷輸入，其中當在該狀態機之該中斷輸入處接收到一中斷信號時，該類比信號多工器將該感測器外部連接耦合至該接收ADC之該輸入，該接收ADC將來自該感測器外部連接之一信號之一樣本轉換為表示其之一數位值，且然後該射頻收發器傳輸該數位值。
  13. 一種無線資料中繼器裝置，其包括：一射頻收發器；一接收類比轉數位轉換器(ADC)，其耦合至該射頻收發器之一類比輸出；一傳輸數位轉類比轉換器(DAC)，其耦合至該射頻收發器之一類比輸入；基頻信號解碼及編碼邏輯，其分別耦合至該接收ADC之一輸出及該傳輸DAC之一輸入；媒體存取控制(MAC)邏輯，其耦合至該基頻信號解碼及編碼邏輯；一通信介面，其耦合至該MAC邏輯及複數個外部連接 中之一者；一狀態機，其耦合至該射頻收發器、基頻信號解碼及編碼邏輯、該MAC邏輯及該類比信號多工器之一控制輸入；組態儲存器，其耦合至該狀態機及該複數個外部連接中之另一者；其中該狀態機使用儲存於該組態儲存器中之組態資訊來組態該射頻收發器、基頻信號解碼及編碼邏輯、類比信號多工器及該MAC邏輯之操作，該狀態機被用以代替一微控制器；及一計時器，其耦合至該狀態機。
  14. 如請求項13之無線資料中繼器裝置，其中該組態儲存器係選自由以下各項組成之非暫態記憶體群組：非揮發性記憶體、可單次程式化(OTP)記憶體及電可抹除可程式化唯讀記憶體(EEPROM)。
  15. 如請求項13之無線資料中繼器裝置，其中該狀態機在接收到一資料信號時將該射頻收發器自一低功率睡眠模式喚醒且然後該射頻收發器重新傳輸所接收資料信號。
  16. 如請求項13之無線資料中繼器裝置，其中組態資料係儲存於該組態儲存器中。
  17. 如請求項16之無線資料中繼器裝置，其中該組態資料係選自由以下各項組成之群組中之一或多者：一頻道頻率、一資料速率，一識別及一喚醒間隔。
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