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低功耗2.4GHz无线通信系统的设计与实现
作者：RFID世界网 收编
来源：网络
日期：2011-05-26 15:52:19
摘要：低功耗、微型化是当前无线通信产品尤其是便携产品的迫切要求。本文提出了一种工作在2.4GHz ISM 频段的无线传输系统的设计方案。该方案主要采用Nordic公司最新推出的射频芯片nRF24E1，设计并实现了一种近距离、低功耗的无线通信收/发系统。
1 引言
近距离无线通信正逐渐引起越来越广泛的注意。飞利浦公司最近联合诺基亚和索尼成立了近距离无线通信论坛，以实现各种移动设备、消费电子、智能检测等设备的交互式通信。低功耗、微型化是当前无线通信产品尤其是便携产品的迫切要求和关键问题。无线通信的另一个关键问题是数据传输的可靠性，这取决于诸多因素，如频率选择、同频干扰、传输距离、天线选择等，这些在设计无线通信系统时都要认真考虑和比较。
本文描述了一种基于nRF24E1 收发芯片的2.4GHz无线收发系统，采用存储转发的数据传输格式和固定式跳频的抗干扰模式，数据输出速率达1Mbps，输出功率1mW, 视距传输距离超过100米，可应用在工业传感网络、远距离遥控、停车场智能管理等领域。
2 系统方案设计
本系统采用通用的2.4GHz ISM频段，输出功率为1mW且带外辐射较小，无需申请频率许可证。此外，选择2. 4GHz频段的另外一个优点是波长较短，天线的尺寸较小，可以缩小系统的体积，甚至可以将天线设计在PCB板上实现天线内置，这样可以同时降低系统的成本。
RF收/发器芯片选择Nordic公司的nRF24E1，其最大的特点就是可以满足低功耗和小型化的要求。该芯片体积小、外围器件少、易于设计和调试；内嵌兼容8051的微处理器，指令周期从标准的12～48个时钟周期缩短到4～20个时钟周期，XRAM数据存取采用双指针，提高了CPU 的处理和运算速度。采用16MHz的晶体可同时为CPU和收发单元内部频率合成器提供参考时钟，节省了印制板的空间，缩小了系统的体积。该芯片提供POWER DOWN模式。此工作模式下CPU处理中止、时钟和电源整流电路关闭，RF收/发单元停止工作，整个芯片内部只有RC振荡器、看门狗和RTC定时器工作，系统电流损耗只有2uA，只有外部中断和看门狗复位才能使系统退出省电模式。合理设计通信协议，该系统适于电池长时间供电的无线通信系统。
3 系统的软件设计
系统的软件开发基于Keil 51 uVision2开发平台，所用程序都是用标准C语言及开发工具支持的扩展C语言编写的。代码编译及仿真通过后利用芯片第三方开发商开发的双USB下载电缆将程序下载到外部的4KB EEPROM中。系统启动时将自动从外部导入程序到内部RAM中并开始运行。采用SPI总线可以完成对RF收发相关寄存器的设置和操作，通过144比特的特殊功能寄存器可以设置系统工作模式和地址码。
系统的RF收发工作于ShockBurst 无线发送模式。本模式下CPU内部开辟FIFO缓存区，将要发送数据送入该区并组帧以1Mbps的高数据速率输出，这样做缩短了发射机的发射时间，减少了发射机的切换次数，降低了发射电流损耗，减少了系统的总耗电。
工作在 ShockBurst模式下，帧过长会增加出错重发的时间，采用的最大帧长不宜超过256bits，帧头插入相应的地址等信息，帧尾采用16bitsCRC校验，数据长度最多可达200bits，实际应用中综合考虑帧出错概率和发送机发射时间，采用每帧8字节的数据格式。测试证明该系统在误码率很低的情况下可减少发射占空比从而大大降低系统功耗。
基于2.4GHz 频段的通信设备越来越多，该系统与同频且大功率的通信系统处于同一环境时必受干扰，影响通信效果甚至不能正常通信。为解决此问题，我们引入跳频机制，采用频点躲避方式降低同频干扰的影响，不同于普通跳频方式的是该系统频率跳变不是由伪随机码控制的，而是采用固定跳变规律方式。通过芯片内频率合成器可产生128个频率间隔为1MHz的收发频道，频率范围为2400～2527MHz，其可发射的频率点为：ChannelR f = 2400 MHz +RF_CH * 1.0MHz。在此基础上设计的简单跳频模式，当发送机发射广播信号却收不到接收机返回的应答信号时，发射机可断定某信道被占用或被其他设备干扰，此时发射机将改变其发射频率，跳变至另一个频点。这些频点预先写入EEPROM中，排列顺序随机抽取，各相邻频点的间隔不宜太小以防止其旁瓣谱的干扰。系统通信频率的改变必须是双方同步进行的，接收机在某段时间内收不到发射机的广播信号而超时操作时，将采取频率扫描的方式以确定系统的工作频率，直到双方建立了良好的同步并可以进行双工通信为止。
实际运用中，一点对多点的无线通信网络变得越来越普遍。本系统采用了基于轮询机制的点对多点的通信协议，每个收发系统都具有码长为5字节的唯一地址码，理论上可轮询的节点数很多，可设地址数目可达N = 240。实测表明：节点为16个时系统很稳定。此地址码在收/发操作时通过软件设置，其结构如下所示：
const RFConfig tconf =
{15,0x08,0x08,0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01, //接收机地址位：40bits（5bytes）
0x83, 0x6f, 0x04};
4 系统的射频单元设计
nRF24E1收/发芯片的天线输入/输出为平衡差分方式，其输入阻抗为400Ω，设计中可通过设计阻抗匹配电路使输出匹配５０Ω的微带天线或ＳＭＡ天线，输出功率达０ｄＢｍ。天线的输出引脚需提供直流偏置，通过两电感将ＤＣ加到偶极子天线的中心点来实现。
值得注意的是，在设计PCB时，所有铜箔走线都要采用微带传输线的设计原理，以减少反射引起的传输损耗，获的比较大的输出功率和较高的接收灵敏度。射频电路中ＰＣＢ板的走线设计关系到整体的性能，本系统的ＰＣＢ采用厚１．６ｍｍ的ＦＲ－４板，２．４ＧＨｚ时电介质常数εｒ＝４．６～４．９，铜箔线的厚度为ｄ＞５０ｕｍ，匹配阻抗为５０Ω时，通过微带线的计算公式
Ｚ0=2）
（D：铜箔线厚度W：微带线宽度εr：介电常数ｈ：微带线与地距离。）
可算出铜箔线宽度。实际微波设计中采用软件仿真的方法来计算线宽，我们就是采用Ａｎｓｏｆｔ软件来设计射频电路的。
天线的设计可采用50Ω的SMA天线。考虑到尺寸和成本因素且射频波长短，可选用５０Ω的1/4波长偶极子微带印制板天线，改变铜箔线长度即可调节天线性能。为使其在2.4GHz更容易谐振，需将导线长度加长4～6mm。印制板上微带天线的形状就是一铜箔线长约为24mm的导线。也可采用天线制造商设计的微带天线，如GigaAnt公司的6dBi微带天线，体积小、成本不高但降低了设计难度，同时提高了系统的性能。
5 结束语
经谨慎设计、实现与调试，该2.4GHz无线收/发系统在视距传输时其稳定传输距离超过70米，并可实现点对多点无线组网；待机电流仅为20uA，使用锂铔电池可工作几年,适于电池供电的近距离无线传输系统，在环境监测、传感网络、RFID等领域可得到推广及应用。
近距离无线通信正逐渐引起越来越广泛的注意。飞利浦公司最近联合诺基亚和索尼成立了近距离无线通信论坛，以实现各种移动设备、消费电子、智能检测等设备的交互式通信。低功耗、微型化是当前无线通信产品尤其是便携产品的迫切要求和关键问题。无线通信的另一个关键问题是数据传输的可靠性，这取决于诸多因素，如频率选择、同频干扰、传输距离、天线选择等，这些在设计无线通信系统时都要认真考虑和比较。
本文描述了一种基于nRF24E1 收发芯片的2.4GHz无线收发系统，采用存储转发的数据传输格式和固定式跳频的抗干扰模式，数据输出速率达1Mbps，输出功率1mW, 视距传输距离超过100米，可应用在工业传感网络、远距离遥控、停车场智能管理等领域。
2 系统方案设计
本系统采用通用的2.4GHz ISM频段，输出功率为1mW且带外辐射较小，无需申请频率许可证。此外，选择2. 4GHz频段的另外一个优点是波长较短，天线的尺寸较小，可以缩小系统的体积，甚至可以将天线设计在PCB板上实现天线内置，这样可以同时降低系统的成本。
RF收/发器芯片选择Nordic公司的nRF24E1，其最大的特点就是可以满足低功耗和小型化的要求。该芯片体积小、外围器件少、易于设计和调试；内嵌兼容8051的微处理器，指令周期从标准的12～48个时钟周期缩短到4～20个时钟周期，XRAM数据存取采用双指针，提高了CPU 的处理和运算速度。采用16MHz的晶体可同时为CPU和收发单元内部频率合成器提供参考时钟，节省了印制板的空间，缩小了系统的体积。该芯片提供POWER DOWN模式。此工作模式下CPU处理中止、时钟和电源整流电路关闭，RF收/发单元停止工作，整个芯片内部只有RC振荡器、看门狗和RTC定时器工作，系统电流损耗只有2uA，只有外部中断和看门狗复位才能使系统退出省电模式。合理设计通信协议，该系统适于电池长时间供电的无线通信系统。
3 系统的软件设计
系统的软件开发基于Keil 51 uVision2开发平台，所用程序都是用标准C语言及开发工具支持的扩展C语言编写的。代码编译及仿真通过后利用芯片第三方开发商开发的双USB下载电缆将程序下载到外部的4KB EEPROM中。系统启动时将自动从外部导入程序到内部RAM中并开始运行。采用SPI总线可以完成对RF收发相关寄存器的设置和操作，通过144比特的特殊功能寄存器可以设置系统工作模式和地址码。
系统的RF收发工作于ShockBurst 无线发送模式。本模式下CPU内部开辟FIFO缓存区，将要发送数据送入该区并组帧以1Mbps的高数据速率输出，这样做缩短了发射机的发射时间，减少了发射机的切换次数，降低了发射电流损耗，减少了系统的总耗电。
工作在 ShockBurst模式下，帧过长会增加出错重发的时间，采用的最大帧长不宜超过256bits，帧头插入相应的地址等信息，帧尾采用16bitsCRC校验，数据长度最多可达200bits，实际应用中综合考虑帧出错概率和发送机发射时间，采用每帧8字节的数据格式。测试证明该系统在误码率很低的情况下可减少发射占空比从而大大降低系统功耗。
基于2.4GHz 频段的通信设备越来越多，该系统与同频且大功率的通信系统处于同一环境时必受干扰，影响通信效果甚至不能正常通信。为解决此问题，我们引入跳频机制，采用频点躲避方式降低同频干扰的影响，不同于普通跳频方式的是该系统频率跳变不是由伪随机码控制的，而是采用固定跳变规律方式。通过芯片内频率合成器可产生128个频率间隔为1MHz的收发频道，频率范围为2400～2527MHz，其可发射的频率点为：ChannelR f = 2400 MHz +RF_CH * 1.0MHz。在此基础上设计的简单跳频模式，当发送机发射广播信号却收不到接收机返回的应答信号时，发射机可断定某信道被占用或被其他设备干扰，此时发射机将改变其发射频率，跳变至另一个频点。这些频点预先写入EEPROM中，排列顺序随机抽取，各相邻频点的间隔不宜太小以防止其旁瓣谱的干扰。系统通信频率的改变必须是双方同步进行的，接收机在某段时间内收不到发射机的广播信号而超时操作时，将采取频率扫描的方式以确定系统的工作频率，直到双方建立了良好的同步并可以进行双工通信为止。
实际运用中，一点对多点的无线通信网络变得越来越普遍。本系统采用了基于轮询机制的点对多点的通信协议，每个收发系统都具有码长为5字节的唯一地址码，理论上可轮询的节点数很多，可设地址数目可达N = 240。实测表明：节点为16个时系统很稳定。此地址码在收/发操作时通过软件设置，其结构如下所示：
const RFConfig tconf =
{15,0x08,0x08,0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01, //接收机地址位：40bits（5bytes）
0x83, 0x6f, 0x04};
4 系统的射频单元设计
nRF24E1收/发芯片的天线输入/输出为平衡差分方式，其输入阻抗为400Ω，设计中可通过设计阻抗匹配电路使输出匹配５０Ω的微带天线或ＳＭＡ天线，输出功率达０ｄＢｍ。天线的输出引脚需提供直流偏置，通过两电感将ＤＣ加到偶极子天线的中心点来实现。
值得注意的是，在设计PCB时，所有铜箔走线都要采用微带传输线的设计原理，以减少反射引起的传输损耗，获的比较大的输出功率和较高的接收灵敏度。射频电路中ＰＣＢ板的走线设计关系到整体的性能，本系统的ＰＣＢ采用厚１．６ｍｍ的ＦＲ－４板，２．４ＧＨｚ时电介质常数εｒ＝４．６～４．９，铜箔线的厚度为ｄ＞５０ｕｍ，匹配阻抗为５０Ω时，通过微带线的计算公式
Ｚ0=2）
（D：铜箔线厚度W：微带线宽度εr：介电常数ｈ：微带线与地距离。）
可算出铜箔线宽度。实际微波设计中采用软件仿真的方法来计算线宽，我们就是采用Ａｎｓｏｆｔ软件来设计射频电路的。
天线的设计可采用50Ω的SMA天线。考虑到尺寸和成本因素且射频波长短，可选用５０Ω的1/4波长偶极子微带印制板天线，改变铜箔线长度即可调节天线性能。为使其在2.4GHz更容易谐振，需将导线长度加长4～6mm。印制板上微带天线的形状就是一铜箔线长约为24mm的导线。也可采用天线制造商设计的微带天线，如GigaAnt公司的6dBi微带天线，体积小、成本不高但降低了设计难度，同时提高了系统的性能。
5 结束语
经谨慎设计、实现与调试，该2.4GHz无线收/发系统在视距传输时其稳定传输距离超过70米，并可实现点对多点无线组网；待机电流仅为20uA，使用锂铔电池可工作几年,适于电池供电的近距离无线传输系统，在环境监测、传感网络、RFID等领域可得到推广及应用。
