无线发射芯片A7105在RF短距离通信的应用

只看该作者 · 2019-5-26 12:52

一：主流的三种RF方案及其优缺点比较

　　1）：蓝牙方案（IEEE802.15）

　　蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps.采用时分双工传输方案实现全双工传输。

　　信息时代最大的特点便是更加方便快速的信息传播，正是基于这一点，技术人员也在努力开发更加出色的信息数据传输方式。蓝牙，对于手机乃至整个 IT业而言已经不仅仅是一项简单的技术，而是一种概念。当蓝牙联盟信誓旦旦地对未来前景作着美好的憧憬时，整个业界都为之震动。抛开传统连线的束缚，彻底地享受无拘无束的乐趣，蓝牙给予我们的承诺足以让人精神振奋。

　　蓝牙协议允许数据在1个主设备和最多7个从设备，最高传输速率为723kbit/s.不过，实际实际的速率会比这个数值小。

　　高斯频移键控（GFSK）调制模式，在2.4G频段内使用83个1Mbps的频道。在送到载波之前，GFSK在基带信号上使用高斯过滤。可以平滑高电平（“1”）低电平（“0”）。与频移键控（FSK）的直接方法相比，可以给传输信号提供一个较狭和“更干净”的频谱。

　　蓝牙设备有三种基本功率电平：1级（100米线视距）、2级（10米）和3级（2-3米）。目前常用的设备为2级。

　　在蓝牙网络中的每一个设备都有一个独一无二的48比特识别号码。第一个识别设备（通常在2秒钟内）成为主设备，接着设定为在频段中每秒使用1600次，所有网络中的其他设备将与这个主设备锁定并与其同步。主设备以偶时隙传送，从设备以奇时隙响应。网络中的从设备将被分配一个地址，并收听属于自己的时隙和地址信息。

　　从设备也可以进入低功耗的可能进入功率“探测”，“保持”和“停止”模式。在探测模式中，设备仅仅在指定的探测时隙中静听，但是保持同步。在保持模式中，设备进行收听来确定自身是否需要激活。在停止模式中，设备放弃它的地址。虽然在保持和停止模式下可以延长电池寿命省电，但这也这意味着，设备失去同步，同时重新建链将需要等待时间，这将耗时几秒钟，如果用户要求快速响应，这无疑是一个缺点。

　　2）：ZigBee（IEEE802.15.4）

　　Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

　　在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化，对无线数据通信的需求越来越强烈，而且，对于工业现场，这种无线数据传输必须是高可靠的，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。因此，经过人们长期努力，ZigBee协议在2003年正式问世。另外，Zigbee使用了在它之前所研究过的面向家庭网络的通信协议Home RF Lite.

　　本标准定义为IEEE802.15.4，也是可靠性很高的一种简单数据协议。这包括通知每次传输的应答机制以及其他技术以保持信息的可靠性。ZigBee无须蓝牙的同步功能，因此在一定程度上降低功耗。

　　像蓝牙那样，ZigBee工作在ISM 2.4GHz频段（5MHz 16频道）内。本标准也提供在欧洲868MHz（单频道）和US915MHz（2MHz 10频道）频段的版本。它保证250kbit/s的最高速率。

　　3）：专有方案（A7105方案，与nRF方案类似）

　　专有方案采用蓝牙的信道模式。专有方案将2.400~2.483GHz之间频带分成166个500KHz带宽的频道，而蓝牙分成83个频道，ZigBee为16频道相比（参见图2），与蓝牙与ZigBee相比，这使A7105专有方案在遭遇从拥挤的频段带来的干扰的时候有更多可用频率。

　　干扰处理

　　所有三种无线技术，即蓝牙、ZigBee和专有方案，都有减少在相同频段工作的RF设备干扰的机制。

　　蓝牙具有频率跳跃扩频（FHSS）机制，能确保79个1MHz频道均匀覆盖以避免不断的频道干扰。

　　ZigBee利用它的16个频段对付窄带干扰，因此当如果有其他802.11b/g设备的存在时，就更容易受到干扰，这就可能需要等待其他设备终止发送。

　　专有方案采纳一种更灵活的混合做法。由于它的输出功率适度，干扰不太可能发生。为了最低限度减少电流消耗和复杂性，专有方案不采用扩频模式，碰到干扰，只是简单地以单一频率传送，直至数据包到达为止。如果在发射的过程中需改变频率，则只需简单地通过SPI发送一个单字节命令即可。

　　有了166个500KHz频道，就可以避开其他设备应用上的传送频率而重新分配频率，即使在机场那样的“热点”，在几分钟乃至几个小时内，频率的重新分配频率也并不频繁。

　　专有方案与其它两种方案的比较

　　首先，采用蓝牙方案与ZigBee方案的缺点：第一，为了符合标准，您得达到标准，这将使您付出高昂的NRE费用，用来开始设计和测试兼容性。第二，由于它的特性，标准必须是“一个尺码天下通用”的解决方法--在竞争日益激烈的全球化市场上，您的竞争者拥有与您一样的技术，很难分辨您的产品的优势。最后，标准提供的设计灵活性很小；例如在在您的RF产品上进行降低功耗的工作将会受到限制。

　　专有方案的优点：成本低，在要求一种产品需要电池寿命长和通信可靠以及实现低占空比方面，nRF专有方案比蓝牙和ZigBee做得更好。

　　有关的名词的解释：

　　FSK（Frequency-shift keying）是信息传输中使用得较早的一种调制方式，它的主要优点是：实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好。在中低速数据传输中得到了广泛的应用。最常见的是用两个频率承载二进制1和0的双频FSK系统。技术上的FSK有两个分类，非相干和相干的FSK 。在非相干的FSK ，瞬时频率之间的转移是两个分立的价值观命名为马克和空间频率，分别为。在另一方面，在相干频移键控或二进制的FSK ，是没有间断期在输出信号。

　　高斯频移键控 GFSK - Gauss frequency Shift Keying ，是在调制之前通过一个高斯低通滤波器来限制信号的频谱宽度。GFSK 高斯频移键控调制是把输入数据经高斯低通滤波器预调制滤波后，再进行FSK调制的数字调制方式。它在保持恒定幅度的同时，能够通过改变高斯低通滤波器的3dB带宽对已调信号的频谱进行控制，具有恒幅包络、功率谱集中、频谱较窄等无线通信系统所希望的特性。因此，GFSK调制解调技术被广泛地应用在移动通信、航空与航海通信等诸多领域中。

　　二：RF IC（A7105）的主要性能

　　工作频率：2400~2483MHz ISM频段（全球免许可申请频段）。工作距离：10m内；

　　频道距离： 500KHz，一共可存在的频道数：~160个，即可以有效设定的频率范围是2400~2483MHz，每500KHz间隔可以设定一个频道，在同一空间里的不同RF设备，可以通过跳频来设定让其不在一个频道工作，以减少干扰。

　　低接收功耗：500Kbps@16mA; 低发送功耗：0dBm@19mA; 休眠电流：《1μA;输出功率：0dBm; 灵敏度：-110dBm@2.5KBPS， -104dBm@25KBPS，-97dBm@250KBPS，-93dBm@500KBPS，数据传输速率：最高500Kbps; 基本应用：鼠标，键盘，玩具等。

　　数据传输速率：最高500Kbps;

　　基本应用：鼠标，键盘，玩具等。

　　三：RF系统示意图及与MCU的接口定义

　　对于RF IC-A7015，其控制是通过SPI（3或4线）串介面操作读出或写入资料（SCS，SCK，DIO或GIOx）。如果想使用4线串列介面时，先确定要使用GIO1或GIO2 pin，做SPI data out.

　　MCU与A7105的接口引脚说明：

　　SCS:SPI使能；

　　SCK:SPI clock信号；

　　SDIO:SPI data信号；

　　GIO1：多工信号输入/输出1，SPI data1;

　　GIO2：多工信号输入/输出2:SPI data2;

　　四：RF IC（A7105）的两种数据传送模式

　　RF IC的工作模式：共有两种工作模式，一是direct mode，二是FIFO模式，不同的工作模式可由初始化时相应的寄存器设定。

　　Direct mode：提供使用者一个RF通道，在Tx端系统将资料传送给RF DATA IO PIN，RF仅将资料做调制，然后发射出去。RX端采用数位解调方式，还原资料。

　　FIFO mode：时序如下：

　　1）：Tx数据的传送时序：先用SPI将data写入Tx FIFO（最大可以写入64bytes），写入命令，使RF IC进入到Rx模式，开始传送数据，直到传送完成后，回到原先的状态。

　　2）：Rx数据的传送时序：写入命令，使RF IC进入到Rx状态，当接收到相同的ID CODE后PIN RX_SYN会置为1，此时，接收到的data开始写入Rx FIFO，完成一资料包接收后，自动脱离Rx，回到原先的状态。

五：A7105与MCU进行RF通信的实现方法

　　1.如何进行两个RF IC的配对（link）：

　　在两个RF IC进行通信前，必须先进行配对（Link），两个RF IC在发射与接收数据时，使用相同的ID与频道，这样才能够进行正常通信。

　　在对码时，通常情况下Master与Slave应用一个相同的频率，例如Master用做Tx时设定的频率为2.405GHz，Slave用做Rx时设频率为2.4055MHz.即Tx应比Rx高一个带宽（500KHz）。

　　Link的步骤如下：

　　主机（Key/mouse端）

　　在从机端，只有进入对码模式时，则进入rx_mode，检测是否有接收到ID码，如果接收到后，将工作状态转换至Tx_mode，向主机发送默认的数据，表示对码OK，同时将接收到的RF ID进行保存。

　　2.RF抗干扰的相关处理

　　1）：跳频与扩频的区别

　　跳频的STEP为20MHz.

　　直扩频：直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum）工作方式，简称直扩方式（DS方式）。就是用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。

　　直接序列扩频方式是直接用伪噪声序列对载波进行调制，要传送的数据信息需要经过信道编码后，与伪噪声序列进行模2和生成复合码去调制载波。接受机在收到发射信号后，首先通过伪码同步捕获电路来捕获发送来到伪码精确相位，并由次产生跟发送端的伪码相位完全一致的伪码相位，作为本地解扩信号，以便能够及时恢复出数据信息，完成整个直扩通信系统的信号接收。

　　跳频：跳频技术与直序扩频技术完全不同，是另一种意义上的扩频。跳频的载频受一个伪随机码的控制，在其工作带宽范围内，其频率合成器按PN码的随机规律不断改变频率。在接收端，接收机频率合成器受伪随机码控制，并保持与发射端变化规律相同。

　　跳频是载波频率在一定范围内不断跳变意义上扩频，而不是对被传送信息进行扩谱，不会得到直序扩频的处理增益。跳频相当于瞬时的窄带通信系统，基本等同于常规通信系统，由于不能抗多径，同时发射效率低，同样发射功率的跳频系统在有效传输距离上小于直扩系统。跳频的优点是抗干扰，定频干扰只会干扰部分频点。用于语音信息的传输，当定频干扰只占一部分时不会对语音通信造成很大的影响。

　　跳速的高低直接反映跳频系统的性能，跳速越高抗干扰的性能越好，军事上的跳频系统可以达到每秒上万跳。实际上移动通信GSM系统也是跳频系统，其规定的跳速为每秒217跳。出于成本的考虑，商用跳频系统跳速都很慢，一般在50跳/秒以下。由于慢跳跳频系统可以简单的实现，因此低速无线局域网产品常常采用这种技术。

　　2）：RF IC在通信中实现抗干扰的两种种方法

　　通常情况下，严格意义上的跳频只用在军用与高端的GSM等无线通信系统中，对于成本低的RF通信系统，因为其本身的传输距离近（10M内），相互之间的干扰就小，所以可以采取让Tx多次发射直到Rx收到并返回接收标志位为止。另外一种采用的是有限跳频的工作方式，即在传送完成数据后，判断Rx是否接收到，如果没有接收到，则改变传送的频率（例如增加20MHz），再向Rx发一个同步信号，然后继续传送。这种方式实现简单，但是抗干扰性比严格意义上的跳频方式差。

　　3.MCU通过RF IC进行通信的方式

　　MCU按其存储器类型可分为无片内ROM型和带片内ROM型两种。对于无片内ROM型的芯片，必须外接EPROM才能应用（典型芯片为8031）。带片内ROM型的芯片又分为片内EPROM型（典型芯片为87C51）、MASK片内掩模ROM型（典型芯片为8051）、片内FLASH型（典型芯片为89C51）等类型，一些公司还推出带有片内一次性可编程ROM（One Time Programming， OTP）的芯片（典型芯片为97C51）。MASKROM的MCU价格便宜，但程序在出厂时已经固化，适合程序固定不变的应用场合；FALSHROM的MCU程序可以反复擦写，灵活性很强，但价格较高，适合对价格不敏感的应用场合或做开发用途；OTPROM的MCU价格介于前两者之间，同时又拥有一次性可编程能力，适合既要求一定灵活性，又要求低成本的应用场合，尤其是功能不断翻新、需要迅速量产的电子产品。

　　将两个RF芯片对码后，就可以用来传送数据了。Rx先将收到的信号解调出来，再与自身存的RF ID码进行确认，判断一致后，才开始存储接收到的数据，并根据相应的FEC或CRC位对数据进行校验。接收完成后，MCU读取Rx的FIFO，即可得到传送的数据。

　　两种传送数据的模式是：Direct mode与FIFO mode.

　　六：RF IC（A7105）的工作状态及相互转换

　　A7105 RF CHIP有6个主要的state，sleep state，STB state，WPLL state，TX state ，CAL state.

　　1. SLEEP state：当进入sleep state时，chip内部参考电压源（band gap）及crystal振荡电路会关闭。

　　2. STB state:STB state包含IDLE mode，Standby mode和PLL mode.RF IC依据strobe command来进到任一个mode.

　　1） IDLE mode时，IC内部参考电压源开启，而crystal及PLL关闭

　　2） Standby mode：当Power on或reset时，RF IC会进入standby mode，此时regulator，参考电源与crystal开启

　　3） PLL mode:IC内部参考电压源，振荡与PLL都开启。3. WPLL（waiting PLL）state：当任何state进入TX/TX state时，会依据目前的state或是控制暂存器PLL I，PLLII，PLL III，PLL IV设定值是否变动，而进入此state或是直接bypass该state，进入Tx/Rx state.

　　4. TX/RX state:RF IC会依照门控命令（strobe command）来决定进入TX或是RX state.

　　当使用RFO mode工作在TX STATE时，RF chip会自动将TX封包（Preamble+ID+TX FIFO payload）传送出去，若传送结束，RF chip会回到原先的state.

　　当使用FIFO mode工作在RX state时，RF chip会进入RX state等待Tx资料，若Tx端确实有发射资料，则当ID code判断正确后且收到设定的资料长度后，RF chip会自动回到原先的state.

　　5. CAL state：在CAL state中，有三个独立的校准项目，在STB state下，当相应的寄存器被使能时，会进入到IF filter校准，VCO band，VCO 电流校准程序。完成校准程序后，相应的标志位清零，且回到STB state.

　　七：RF IC（A7105）应用需注意的事项

　　1. A7105的工作电流与工作电压，以及如何进入省电模式

　　当IC工作在Rx状态时，最大耗电流：16mA;工作在Tx状态时，最大耗电流：19mA;

　　RF输出最大功率：0dbm;

　　在传送/接收完数据后，如果系统想达到省电之目地，可以进入SLEEP 模式，耗电流《1uA.

　　RF IC在完成工作后，可以直接由MCU发送Strobe命令使其进入SLEEP状态，但是应注意，在进入SLEEP状态之前，先进行TWOR或WOR的设定。

　　2. 省电模式的工作过程（TWOR与WOR简介）

　　TWOR（Wake up On Radio using Timer）： RF IC内建一个Timer与一个低速的RC OSC，当系统想要省电时，就可以让系统进入SLEEP状态，之后每间隔一定时间，发一个信号唤醒MCU重新回复工作状态，处理RF事件，这就是TWOR功能。