【導(dǎo)讀】本文設(shè)計(jì)了一種基于NRF403收發(fā)一體芯片的傳感器數(shù)據(jù)的無(wú)線接收電路。要求接收頻率為315MHZ，超外差結(jié)構(gòu)，并且接收靈敏度要高，并對(duì)傳輸距離進(jìn)行了分析。最后通過(guò)連接功率放大器和MSP430單片機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量，達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
1引言
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種由傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)、感知和采集節(jié)點(diǎn)部署區(qū)的觀察者感興趣的感知對(duì)象的各種信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理后以無(wú)線的方式發(fā)送出去，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給觀察者。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療護(hù)理、智能家居、工業(yè)生產(chǎn)控制以及商業(yè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。例如它在水利方面的應(yīng)用：一般的水利設(shè)施都在野外，環(huán)境比較惡劣，基礎(chǔ)設(shè)施比較缺乏，供電困難。因此若要在這樣的環(huán)境下架設(shè)明線，電纜是非常困難的。因?yàn)樗枰╇娫O(shè)備，而在那樣的野外環(huán)境提供滿足它的電源是極為困難的，再加上空曠野外如果遇到閃電，明線很容易遭到雷劈，而使整套設(shè)備毀壞，因此我們研究無(wú)線傳輸是十分必要的。
2 實(shí)驗(yàn)的硬件設(shè)計(jì)
我們選擇了挪威Nordic公司開(kāi)發(fā)的一款新型集成無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片NRF403。它是一款真正單芯片ISM頻段雙頻點(diǎn)（433MHZ和315MHZ）免調(diào)試無(wú)線收發(fā)芯片。它具有FSK調(diào)制和解調(diào)能力，抗干擾能力強(qiáng)，適合工業(yè)控制應(yīng)用；采用PLL頻率合成技術(shù)，靈敏度高達(dá)-105dbm完全滿足實(shí)驗(yàn)要求，最大發(fā)射功率達(dá)+10dbm；具有2個(gè)信號(hào)通道，適合需要多信道工作的特殊場(chǎng)合；可直接與微控制器接口；低工作電壓只需2.7V，數(shù)據(jù)速率可達(dá)20KB/S；功耗低，接收待機(jī)狀態(tài)僅為8uA；僅需外接一個(gè)晶體和幾個(gè)阻容，電感元件即可構(gòu)成一個(gè)完整的射頻收發(fā)器，電路模塊尺寸為30mm*22mm*6mm，可以方便地嵌入各種測(cè)量系統(tǒng)當(dāng)中。而且使用無(wú)需申請(qǐng)，理論上開(kāi)闊地的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000米。
2.1芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)介紹
芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是我們需要分析的，因?yàn)楫?dāng)我們研究設(shè)計(jì)它的外圍電路時(shí)需要知道每個(gè)引腳對(duì)應(yīng)的內(nèi)部器件來(lái)確定外圍元器件的選取。下面是它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖：
圖1 NRF403的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
在這個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖中芯片包含功率放大器（PA），低噪聲接收放大器（LNA），晶體振蕩器（OSC），鎖相環(huán)（PLL），壓控振蕩器（VCO），在LNA與相乘器之間接有混頻器（MIXER）等電路。在接收模式中，輸入信號(hào)被低噪聲放大器放大，經(jīng)由混頻器變換，這個(gè)被變換的信號(hào)在送入解調(diào)器（DEM）之前被放大和濾波，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)，解調(diào)后的數(shù)字信號(hào)在DOUT端輸出。而在發(fā)射模式中，壓控振蕩器的輸出信號(hào)是直接送入到功率放大器，DIN端輸入的數(shù)字信號(hào)被頻移鍵控后饋送到功率放大器輸出。由于采用了晶體振蕩和PLL合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好。
2.2天線端的分析
天線的輸入/輸出，當(dāng)NRF403是接收模式時(shí)，ANT1和ANT2引腳端提供射頻輸入到低噪聲放大器；當(dāng)NRF403為發(fā)射模式時(shí)，從功率放大器提供射頻輸出到天線。天線連接到nRF403是差動(dòng)形式，天線通道推薦的負(fù)載阻抗是400歐姆。功率放大器輸出級(jí)有差動(dòng)結(jié)構(gòu)的2個(gè)集電極開(kāi)路的晶體管組成，電源VDD到功率放大器必須通過(guò)集電極負(fù)載供電。當(dāng)連接差動(dòng)回路天線到ANT1/ANT2引腳端，電源將通過(guò)回路天線的中心供電。
單端天線連接到NRF403時(shí)，使用差動(dòng)到單端匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示：
單端天線也可以使用8：1射頻變壓器連接到NRF403，工作在315MHZ上。射頻變壓器必須有一個(gè)中心抽頭，用于電源供電。
2.3基于NRF403的無(wú)線接收電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)選定NRE403作為要用的芯片后，我們要
2.3.1濾波器部分的分析
首先我們先研究本電路的濾波器部分。濾波器是一種能夠選擇通過(guò)或阻止某頻段信號(hào)的電路。根據(jù)其通過(guò)信號(hào)的頻率可分為低通濾波器，高通濾波器，帶通濾波器和帶阻濾波器。
濾波器一般采用LC，RC，LCR，LR元件構(gòu)成。本電路中從第4引腳接出的便是一個(gè)濾波網(wǎng)絡(luò)，它與芯片內(nèi)部的鎖相環(huán)相連，從它的電容，電阻的連接方式我們可以簡(jiǎn)單看做是一個(gè)無(wú)源比例積分濾波器。
2.3.2晶體振蕩器部分的分析
3 無(wú)線傳輸距離的分析
芯片的無(wú)線傳輸距離同樣是我們所必須考慮的一個(gè)問(wèn)題。所謂無(wú)線傳輸距離就是信號(hào)從發(fā)射端被發(fā)出到目的地被接收中間所經(jīng)過(guò)的距離，它是現(xiàn)實(shí)的工程設(shè)計(jì)很重要的一個(gè)參數(shù)。在工作頻率固定的前提下，影響工作距離的主要因素包括發(fā)射功率、發(fā)射天線增益、傳播損耗、接收天線增益、接收機(jī)靈敏度等，通過(guò)加大發(fā)射功率，提高天線增益，提高接收機(jī)靈敏度均起到提高通信距離的作用。
在影響無(wú)線通信距離的以上幾個(gè)因素中，作為設(shè)計(jì)者可以控制的因素有：發(fā)射輸出功率，RX-天線增益，TX-天線增益和接收靈敏度四個(gè)因素。而設(shè)計(jì)者不能控制的因素：傳輸損耗，路徑損耗，多徑損耗，周?chē)h(huán)境的吸收幾個(gè)因素，因?yàn)檫@些因素是由無(wú)線電波的特點(diǎn)所決定的，無(wú)法由設(shè)計(jì)者所改變。為了可以滿足所需要的無(wú)線傳輸距離，作為設(shè)計(jì)者必須采取一定的措施來(lái)增加芯片的傳輸距離。
上面提到的幾個(gè)設(shè)計(jì)者可以控制的因素有提高發(fā)射輸出功率，提高天線的增益和提高靈敏度，它們都可以提高無(wú)線傳輸?shù)木嚯x。通常設(shè)計(jì)者會(huì)考慮采用加大發(fā)射功率的方式來(lái)提高通信距離，但這不是一個(gè)好的辦法。因?yàn)槭褂霉β史糯笃鲿?huì)很大程度的增加系統(tǒng)的成本，功放本身的價(jià)格就很昂貴，而且是易損耗的器件，再加上要與發(fā)射網(wǎng)絡(luò)匹配和自身所需要的數(shù)量很多的外圍元器件，這些都會(huì)增大系統(tǒng)的成本。最后，雖然功放可以在一定程度上增加輸出功率，可它也同時(shí)放大了信號(hào)中的噪聲，而且會(huì)產(chǎn)生諧波干擾，使有用信號(hào)的可靠性和信噪比下降，可能影響通信的距離。
由于功放的種種不足，在實(shí)際中使用提高天線增益的方法更為科學(xué)。下面具體研究如何增加傳輸距離。由于無(wú)線通信環(huán)境的不確定性，預(yù)測(cè)各種環(huán)境下的傳輸效果是不可能的，取決于以下因素的影響：路徑損耗，建筑物影響，人體影響，外界干擾，多徑現(xiàn)象，周?chē)h(huán)境的吸收等。我們只能在一個(gè)給定的條件下進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估。
同樣這是在假設(shè)發(fā)射功率為最大10dbm時(shí)，而且天線的增益為0db時(shí)的傳輸距離，而在我們實(shí)驗(yàn)時(shí)由于各種損耗和電源電壓的原因，發(fā)射功率并不能達(dá)到10dbm，而且我們使用的天線也不是很好的定向高增益天線，可能達(dá)不到0db，在實(shí)際的測(cè)試中，在開(kāi)闊地帶的傳輸距離只有300m到500m，而在阻擋物較多的辦公樓中只有100m左右。
4 結(jié)論
最后將設(shè)計(jì)好的無(wú)線數(shù)據(jù)接收電路與MSP430單片機(jī)所構(gòu)成的處理器模塊相連接，接收發(fā)射電路發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，解調(diào)以后數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤率低于我們的應(yīng)用要求，而且由于功耗較低，更換一次電池可以使用半年之久；傳輸距離也滿足我們要求的1公里。綜上所述有很好的應(yīng)用效果。
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