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基于PIC的FSK/ASK超外差收发机的设计 * U( `6 h, I; p3 G( f
基于FSK/ASK的超外差收发机在远程无线进入、汽车胎压检测、无线传感器等方面都有很广泛的应用。本文以PICl6F819和MAXl471、MAXl479为基本部件,设计并实现FSK/ASK超外差射频收发机的过程。, u: v7 x* L7 C: p! ?4 X) ^
1 元器件的选择
- X. x0 m/ n* l4 ~+ r(1)控制器的选择5 X: X# r6 {/ O+ r- Z) b- U8 ]* a B
在本系统设计中,需要涉及到以下几个方面:处理器性能、所支持的开发工具、处理器的成本和功耗.综合以上几个方面考虑,微控制器选择Microchip公司的一款高性价比的8位微控制器PICl6F819。PICl6FSl9采用20脚贴片封装,在线方式进行程序调试和烧写;可采用内部晶振,工作频率可选31 kHz~8 MHz;工作电压从2~5.5V;正常工作时使用2V电压供电、使用内部晶振频率为32kHz、电流为7μA;睡眠状态时使用2V电压供电、电流为0.7μA。, l2 E+ o- {. c$ f$ l! y7 Y% ?1 j( O
(2)收发器件的选择
7 R4 u( B$ f* p/ J$ N! q 随着无线技术的发展,无线收发芯片的集成度和性能都得到大幅度提高,芯片性能也各有特色。生产此类芯片的厂商主要有Nordic、TI和Maxim等。选择无线收发芯片时,应考虑以下几点因素:功耗、发射功率、接收灵敏度、传输速率和芯片成本等。Maxim公司的MAXl479和MAXl471分别是超外差射频发射机和接收机,都采用+2.1~+3.3V的单电源供电,可以选择FSK/ASK调制方式,低工作电流,小贴片封装。
- G; l" _% e; a7 Y& o2 系统硬件构成
7 r# a1 o1 |: Y8 d/ ^4 e( c2.1 发射部分
+ T, l' S& o1 L/ ` 发射部分由微控制器PICl6F819和射频发射芯片MAXl479组成,其系统构成原理图如图1所示。
3 C6 x% S3 @, t1 ]/ r* G1 c8 ~- R$ P: b+ W' k- k- `# Q" J2 b! o
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6 f. ~3 v$ b3 F6 y) _" e! y8 i 微控制器PICl6F819通过PA口的8个引脚控制MAXl479的发射工作。MAXl479的主要引脚功能如表l所列。& X, R+ y. ~7 a2 ^! n
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6 X% _0 X& ^3 M" v) {# d 其中,Mode引脚用于选择发射芯片是FSK模式或ASK模式。Enable引脚为高电平,则MAXl179进入发射状态。DIN引脚输入串行数据。
1 o4 p- i4 d3 [; c( U2 j3 i Clk0和Clk1共同决定Clkout引脚的输出频率,该频率可以作为微控制器的时钟频率输入。Clk0和Clkl的状态组合如表2所列。
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9 X, x! i/ G! H2 D2 W1 C Dev0、Devl、Dev2共同决定FSK调制时的背离频率的大小,其组合状态表如表3所列。/ y8 _# P% B4 A/ B/ H5 Q
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+ B" K! T& u" [) e3 t, y 发射的载波频率由MAXl479所用的晶振决定,晶振同发射载波频率间的关系是:
2 A3 ]% X" @# K8 S fXTAL=32×晶振频率
9 y6 \/ s/ A; S- m7 E! P 如果选择的发射载波频率为315MHz,则所使用品振为9.8437MHz;如发射载波频率为433MHz,则所使用品振为13.56MHz。 S3 Z8 T0 _! g. H( z
MAXl479使用的天线要符合50Ω阻抗匹配,天线可以采用l/4波长的鞭状天线,也可以使用PCB布线作为天线。
! d. }3 k! D# d5 D! u; x2.2 接收部分% F/ t! J0 E& `9 c3 D- `2 G3 A
接收部分由射频接收芯片MAXl47l和微控制器构成,接收方一般和其他系统连接在一起,故不需要刻意根据低功耗选择微控制器,而是根据数据处理的需要自行选择。构成框图如图2所示。9 L& L: y3 c9 x0 L
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0 V' i4 I* V$ ? MAXl47l需要外接一个lO.7MHz的低通滤波器,晶振的频率同接收载波的频率的关系为:* P& S( s8 ~3 ~7 s' M/ @& n
fRRECEIVE=(fXTAL×32)+l0.7MHz p( o0 ]/ `6 T# L/ v. h# h: y
如果接收载波的频率为315MHz,则晶振的频率为9.509MHz;接收载波的频率为433.92MHz,则晶振的频率为13.2256MHz。0 D5 Q* v9 F: p% O, C$ W/ D' k
MAXl47l的主要引脚如表4所列。, ~& `. {1 V, d8 v, q
$ Y: g6 l$ q- {8 {; t
其中,IFIN+MIXOUT、AGND连接10.7MHz的低通滤波器,用于ASK数据的解调。ADATA引脚为高,表示到来的是ASK解调数据;FDATA为高,表示到来的是FSK解调数据。微控制器连接SCLK、CS、DIO引脚对MAXl472内部的寄存器进行读写。3 q% j, R1 P5 `6 o( {0 |$ x
MAXl471同样要求50Ω阻抗匹配的天线,可以使用PCB布线作为天线。: k1 a" `: j" e) o; C% ~1 P
3 系统软件设计
. z3 C- q8 K5 N2 \7 _3.1 发射部分1 o) D% Y, D3 m3 H1 [
发射部分的编程主要是对PIC16F819的操作。程序由PlCl6F8l9初始化、MAXl479初始化和数据发射三部分组成。
( I. D1 g7 B' g- e 对PICl6F819的初始化包括设置内部晶振的工作频率和PA口的状态。对MAXl479的初始化包括设置工作模式、晶振输出频率选择和FSK背离频率的选择。数据发射部分包括:设置数据帧格式、发送位“0”或“l”子程序、发送一个字节数据子程序和循环发送多个字节数据子程序。程序流程图如图3所示。( [+ w J/ Y- e: ?1 n
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' X* O3 g( z( f8 l$ [& i( }3.2 接收部分/ }( h; k2 k$ ~
接收部分程序主要是微控制器通过SCLK、CS、DIO等引脚对MAX147l内部寄存器进行读写的过程。: V0 M) M" K. a
对MAXl471内部寄存器进行写操作的时序图如图4所示。CS引脚为低,MAXl47l进入工作状态,SCLK引脚产生串行输入时钟,DIO向MAXl47l串行输出命令。命令的格式为;4位命令码、4位地址、8位数据。命令码共有3个:0x01代表写、0x02代表读、0x03代表复位。
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2 {2 \( ^) x S9 w& j) }+ p/ f' v* L( _' k5 X9 Q# }
对MAXl47l内部寄存器进行读操作的时序图如图5所示。CS引脚为低,MAX147l进入工作状态,SCLK引脚产生串行输出时钟,DI0从MAXl471串行输出数据。当ADATA为高,输出ASK解调数据;当FDATA为高,输出FSK解调数据。输出数据遵循同样的数据格式。, q5 t+ }7 l3 J& b9 D' O/ M9 r
MAX147l内部常用寄存器和地址的对照表如表5所列。' l- n" r0 A* N$ ?+ N. z6 a
+ M7 N P& w% S( `" x, I8 W4 `
以接收315MHz的FSK数据为例说明接收数据的编程步骤。$ i6 A o& S1 L8 K* C% w, T! C8 ?
①写0x3000对芯片进行复位。8 n6 b s/ E3 H# ]0 D9 A) S' I
②写0x10f0使能所有的RF和基带部分。
0 E9 ?% D+ _, ^) Y" j ③写0x135f设置晶振寄存器,芯片工作于315 MHz频率。
8 B: g/ Q$ l' E2 y9 L( c9 n, g ④写0x1120置配置寄存器的FSKCALLSB位,使能FSK校准。1 C" s- m, B4 T) I2 h2 f, ]) x
⑤写0x1121开始FSK校准。% i3 j4 A, v. v" x
⑥读0x2900读状态寄存器位0和位1的状态,以确定FSK校准已完成。
; k, `3 [8 d( e% n# y5 i; r ⑦读FSK调试后的数据,由微控制器进行处理。
" F5 s5 B* ?8 Q# ~8 M9 a N3 s5 X* ~7 O; s
结 语% [* t* B+ _' J$ z( C7 E5 V# \
该系统已成功应用在一款无线遥控门锁上,使用效果良好,可以在20m的距离内无误差的识别不同的电子钥匙。发射部分使用3V的锂电池供电,发射时的工作电流在FSK模式为10.5mA,在ASK工作模式为6.7mA。FSK/ASK超外差射频收发机由于其自身的优点,在无线射频领域将会得到广泛的应用。5 l, U% g( m4 ^) J# L" v- w
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