[精品論文]TRF6900在短距離無線數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用(論文)

畢業(yè)設(shè)計課程定做 QQ1714879127射頻無線發(fā)送接收芯片TRF6900在短距離無線數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用摘要: 本文介紹TI公司推出的射頻無線發(fā)送接收芯片TRF6900的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、性能特點 ，并細述了TRF6900在短距離無線數(shù)據(jù)傳輸中的典型應(yīng)用。 關(guān)鍵詞: 射頻芯片，數(shù)據(jù)通信，TRF6900，DDS1 概述TRF6900是TI公司最新推出的單片無線收發(fā)一體芯片，它在一個器件上包括了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制解調(diào)、FM調(diào)制解調(diào)、直接數(shù)字頻率合成 (DDS) 、接收信號強度指示(RSSI)等多種功能，集成程度相當(dāng)?shù)母?。TRF6900使用ISM頻段，無需申請，而且采用低發(fā)射功率和高接收靈敏度，設(shè)備之間干擾小，可廣泛應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線監(jiān)控系統(tǒng)、收費系統(tǒng)、智能卡、設(shè)備遙控場合，應(yīng)用前景十分廣闊。2 TRF6900芯片介紹TRF6900主要性能如下:1)工作頻率為868MHz870MHz(西歐)/902MHz928MHz(北美)2)有效數(shù)據(jù)傳輸距離1000米3)典型輸出功率 4.5dBm4)典型輸出信號頻差230 Hz5)工作電壓2.2 V3.6 V6)待機電流5uA，工作電流50mA7)內(nèi)置2個可編程模式TRF6900內(nèi)部電路可分為發(fā)射模塊和接收模塊。2.1接收模塊接收模塊包括低噪音放大器、混頻器、中放、FM/FSK解調(diào)器、接收信號強度指示和低通濾波放大器等幾部分。2.2發(fā)射模塊發(fā)射模塊包括串行控制接口、直接數(shù)字頻率生成器、壓控振蕩器、鎖相環(huán)等幾部分。3 TRF6900工作原理3.1接收機工作原理從天線接收到信號由LNA_IN引入TRF6900，首先經(jīng)過低噪音放大器。低噪音放大器可提供13 dB的增益。低噪音放大器有正常模式和低增益模式兩種模式。當(dāng)TRF6900接收的信號較強時，應(yīng)該選擇低增益模式，這樣可以最大程度地減少信號非線性失真。放大后的信號被送入混頻器，混頻器將信號變頻到中頻，再通過第一和第二級中頻放大。第一級中頻放大可獲得7dB的增益，用以補償濾波器帶來的損耗；第二級中頻放大包括多個放大器，總共可獲得80dB的增益。經(jīng)過兩級放大后的信號，如果采用的是FM/FSK調(diào)制方式就被送入FM/FSK解調(diào)器，解調(diào)出數(shù)據(jù)信號從DATA_OUT引出。如果是頻移鍵控（ASK）或開關(guān)鍵控（OOK）則送入接收信號強度指示器（RSSI）解調(diào)，解調(diào)后的基帶數(shù)據(jù)RSSI_OUT輸出。3.2發(fā)射機工作原理數(shù)字基帶信號從TX_DATA引入TRF6900片內(nèi)，經(jīng)過直接數(shù)字頻率合成器（DDS）調(diào)制到中頻，再通過鎖相環(huán)(PLL)倍頻到射頻，最后通過功率放大器放大信號后，由PA_OUT導(dǎo)出射頻信號，通過天線發(fā)射出去。 3.3串行控制接口工作原理串行控制接口包括CLOCK，DATA，STOBE三部分，控制著TRF6900內(nèi)部所有的寄存器，包括DDS參數(shù)設(shè)定寄存器，和其他的控制寄存器。在CLOCK的每一個上升沿，DATA管腳的邏輯值送入24-BIT的移位寄存器，當(dāng)STOBE電平被抬高時，設(shè)定的參數(shù)被送入選定的鎖存器。TRF6900有四個可編程的24bit控制字(A，B，C，D)?？刂谱諥和B分別控制DDS模式0和模式1狀態(tài)下輸出信號頻率。控制字C負責(zé)鎖相環(huán)和DDS模式0的設(shè)定?？刂谱諨負責(zé)調(diào)制和DDS模式1的設(shè)定。3.4直接數(shù)字頻率合成器（DDS）的工作原理傳統(tǒng)的頻移鍵控(FSK)是利用基帶數(shù)字信號去控制電子開關(guān)，使之在不同振蕩頻率的振蕩器之間進行切換 ，從而輸出不同頻率的信號，再與載波進行混頻 ，從而實現(xiàn)頻率調(diào)制。直接數(shù)字頻率合成器是基于數(shù)字域，直接產(chǎn)生相應(yīng)頻率的正弦波。它具有頻率范圍寬， 頻率分辨率高，可用軟件方便地控制輸出頻率、頻率切換速度快且切換頻率時相位保持連續(xù)等優(yōu)點，從而在線性調(diào)頻、擴頻和跳頻系統(tǒng)、多普勒響應(yīng)模擬等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但DDS由于受參考頻率的限制，輸出頻率通常較低，一般為100MHz400MHz，而這一頻段的頻率資源相當(dāng)緊張。如果直接產(chǎn)用DDS產(chǎn)生射頻信號，將會對DDS的實際應(yīng)用造成很大限制。所以在實際應(yīng)用中往往是產(chǎn)用DDS/PLL混合方式。該方法將DDS輸出的中頻信號作為PLL倍頻器的參考頻率，利用PLL將信號變換到所需的頻率。這種方式既保留了DDS的頻率分辨率高和頻率切換速度快的特性 ，又彌補了DDS輸出頻率較低的不足，從而得到廣泛的應(yīng)用。TRF6900也是采用DDS/PLL這種方式。TRF6900的直接數(shù)字頻率合成器包括一個24比特的相位累加器，相位碼幅度碼轉(zhuǎn)換表，11比特的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換 DAC和低通濾波器LPF。相位累加器在時鐘的觸發(fā)下 ，對頻率控制字進行累加 ，相位累加器輸出的相位序列作為地址來尋址正弦檢索表 ，得到正弦波的離散幅度數(shù)字即抽樣數(shù)字信號。DAC再將抽樣的數(shù)字信號恢復(fù)為模擬信號，最后通過一個低通濾波濾得基波分量。24比特的累加器可通過TRF6900內(nèi)部的兩個22比特的控制寄存器控制?？刂谱諥和控制字B的高兩位為0，因此最大的比特權(quán)重為1/8。 fout=DDS_x Nfref224其中， DDS_x為控制字A或B的值。參考頻率fref就是DDS的取樣頻率，它從根本上決定著DDS的輸出頻率和頻偏。TRF6900采用的參考頻率為1526MHz。由上式可得，DDS的最大輸出頻率為90156MHz，最小頻偏為21Hz37Hz。TRF6900的控制字A的值確定模式0對應(yīng)的頻率，控制字B確定模式1所對應(yīng)的頻率，DDS可以在模式0和模式1之間快速切換，從而可以實現(xiàn)輸出頻率由一個頻率跳變到另一個頻率，而這一切都由軟件實現(xiàn)。所以只需給控制字A和控制字B賦相應(yīng)的值，并在兩個模式之間進行切換就可以實現(xiàn)跳頻，實現(xiàn)起來很方便。TRF6900最高可達1360跳/秒，每一跳最多可攜帶22比特數(shù)據(jù)，因此，TRF6900的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為30Kbps。TRF6900采用跳頻的調(diào)制方式，極大地增加了通信的抗干擾的能力。這一特點為在惡劣環(huán)境下進行數(shù)據(jù)傳輸，保證傳輸質(zhì)量提供了很大的保障。TRF6900也可以選擇傳統(tǒng)的FSK調(diào)制，這為與現(xiàn)有設(shè)備進行通信提供了方便。TRF6900由控制字C在DDS和FSK之間選擇。當(dāng)TRF6900選擇FSK調(diào)制時，空號與傳號的輸出頻率完全由控制字D確定，可以用軟件方便地進行設(shè)置 f2-FSK=NDEVfref222所以，fout_1=NfrefDDS224 fout_0=Nfref(DDS+4DEV)224 4 典型應(yīng)用下圖為采用TRF6900實現(xiàn)鐵路路基溫度采集系統(tǒng)的實際應(yīng)用框圖。及時對鐵路路基溫度進行監(jiān)控是保障鐵路行車安全的一個重要工作。傳統(tǒng)的測溫方法需要將溫度探測器埋入路基，通過數(shù)據(jù)線獲得溫度信息，測得溫度后再將探測器取出。這種方法每次測量都需要打眼、埋放溫度傳感器，不僅工作效率低，勞動強度大，而且由于破壞了路基的原有結(jié)構(gòu)，測得的溫度與實際情況并不完全吻合。而無線溫度采集系統(tǒng)則可從根本上解決這些問題。該系統(tǒng)包括溫度傳感器、微處理器、TRF6900、終端顯示與存儲設(shè)備、天線和電源等部分組成。世界應(yīng)用中只需將溫度采集子系統(tǒng)一次性埋入探測點；測量溫度時，微控制器控制溫度傳感器，使之輸出溫度數(shù)據(jù)。微控制器接收到溫度數(shù)據(jù)后，對溫度數(shù)據(jù)進行處理后，按照一定的格式發(fā)送給TRF6900，利用TRF6900完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，地面上的微控制器接收到得溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，最后予以顯示或存儲，從而完成了整個溫度數(shù)據(jù)的采集。5 結(jié)語TRF6900不僅體積小、功耗低、信號抗干擾能力強、外圍器件較少、與其他設(shè)備連接方便，而且可以用軟件靈活地進行設(shè)置，便于開發(fā)和生產(chǎn)，因此受到了設(shè)計者、制造商和用戶的多方面的歡迎，也必將會在競爭激烈的無線短距離數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域中占有一席之地。引言 無線遙測產(chǎn)品的市場發(fā)展迅速，最近業(yè)界也掀起了一場無線應(yīng)用的革命，無線遙測技術(shù)已經(jīng)成為產(chǎn)品競爭力的一個重要因素。從發(fā)展的角度來看，醫(yī)療監(jiān)護產(chǎn)品的無線化、網(wǎng)絡(luò)化是發(fā)展趨勢，移動型、具備無線聯(lián)網(wǎng)功能的監(jiān)護產(chǎn)品將成為未來市場的主流，另外，TELEMEDICINE(遠程醫(yī)療)的發(fā)展也將使無線監(jiān)護與無線互聯(lián)技術(shù)大有用武之地。無線應(yīng)用的前景廣闊，因此研制開發(fā)無線監(jiān)護產(chǎn)品勢在必行。 筆者所設(shè)計的系統(tǒng)使用TI公司的單片無線發(fā)送芯片TRF4400和接收芯片TRF6900。此芯片功耗低，抗干擾能力強，且使用ISM頻段，頻率無需申請可廣泛應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線監(jiān)控系統(tǒng)、收費系統(tǒng)、智能卡、設(shè)備遙控等場合。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 整個系統(tǒng)主要包括發(fā)射器，接收箱，PC終端顯示，遠程中央站 (見圖1)。接收箱輸出為TTL 異步串行數(shù)據(jù)，模塊化的好處是可以容易地增減通道，方便地為床邊監(jiān)護儀配置遙測接收模塊。接收箱輸出為10 BASE-T接口，直接和遠程的中央站產(chǎn)品接口，單接收箱的容量為8床。通過同時使用多個接收箱，可實現(xiàn)n8的容量，容量的上限主要由可用頻率帶寬限制。 首先通過攜帶在病人身上的發(fā)射器將病人的信息采集處理后發(fā)射出去，接收箱完成數(shù)據(jù)接收，送給床邊監(jiān)護儀顯示打印，最后通過10BASE網(wǎng)線送給中央站實現(xiàn)遠程診療。 圖1 數(shù)字遙測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖2 發(fā)射器電路圖圖3 發(fā)射器射頻電路圖4 無線傳輸協(xié)議硬件電路設(shè)計 1.發(fā)射器 發(fā)射器包括心電參數(shù)電路，用于基帶數(shù)字信號處理的MSP430微控制器，以及TRF4400的射頻發(fā)送模塊電路。其中無線射頻收發(fā)芯片TRF4400是整個系統(tǒng)的核心，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能。電路如圖2所示。 2.心電參數(shù)電路 人體微弱心電信號經(jīng)過保護電路，差模放大，濾波等電路后得到心電信號ECG，導(dǎo)聯(lián)脫落FAIL_RA,FAIL_LL信號，然后通過MSP430自帶的12BIT的A/D轉(zhuǎn)換，參數(shù)電路可以通過SHUTDOWN即開關(guān)電源信號受控于控制器。通過PACE波撿出得到PACE脈沖信號，利用MSP430的I/O口中斷功能捕獲。 3.微控制器 本系統(tǒng)中使用的微控制器是TI公司的MSP430。它具有功耗低、體積小等特點，有豐富的硬件資源。 系統(tǒng)還擴展了按鍵電路，如護士呼叫等按鍵，電池電壓低、采樣導(dǎo)聯(lián)線脫落等發(fā)光二極管狀態(tài)指示和報警。 4.供電電路 發(fā)射器采用兩節(jié)5號鎳氫電池供電，容量為1300mAh，可直接對微控制器和TRF6900供電，用電源變換芯片變換為5V為心電ECG參數(shù)電路供電，為了達到20小時以上的工作時間，要求發(fā)射器的功耗在120mW以內(nèi)，發(fā)射部分的平均功耗估計在80mW左右，這樣分配給其他部分的功耗為40mW，這對設(shè)計提出了較高要求。對ECG電路需要做針對低功耗的設(shè)計優(yōu)化，通過選用低功耗的芯片，這個目標(biāo)是可以達到的。 5.RF無線鏈路 該部分是采用TRF4400來完成的，它可實現(xiàn)基帶數(shù)字信號的透明傳輸，TRF6900采用DDS和PLL技術(shù)，該技術(shù)直接由基帶數(shù)字信號0，1產(chǎn)生相應(yīng)兩種不同頻率的正弦波，具體是當(dāng)傳輸0的時候是根據(jù)外接的參考頻率和DDS的編程設(shè)置產(chǎn)生輸出某個頻率，而1則是在此基礎(chǔ)上根據(jù)調(diào)制系數(shù)的傳輸速率來編程產(chǎn)生偏移頻率。它具有頻率范圍寬、頻率分辨率高、可用軟件方便地控制輸出頻率等優(yōu)點，但DDS由于受參考頻率的限制，輸出頻率通常較低，為了滿足實際需要，所以DDS輸出的中頻信號要經(jīng)過PLL進行倍頻。倍頻倍數(shù)N可設(shè)置為256或512， 工作模式有兩種選擇，分別為模式0和模式1，通過MODE線選擇，均可設(shè)置為發(fā)射或接收，由STANDBY選擇工作模式或者待機模式，頻率方案可通過編程四個專門工作寄存器A,B,C,D靈活設(shè)置。它專門有供編程用的串行接口，分別是串行時鐘線CLOCK,數(shù)據(jù)線DATA,選通線STROBE，在CLOCK的每個上升沿將DATA數(shù)據(jù)線上的一位數(shù)據(jù)寫入TRF6900的24位移位寄存器，順序由高到低，最前面2，3位是地址位，在STROBE為高電平時寫入相應(yīng)的工作寄存器，其中A,B分別是模式0和模式1的頻率設(shè)置寄存器，而頻偏可由D來設(shè)置。 由于TRF6900不需要很多其它的外接電路，靈活編程的特點可根據(jù)要求靈活設(shè)置。本系統(tǒng)的發(fā)射和接收都采用FSK調(diào)制解調(diào)的方式，系統(tǒng)工作在430MHz的UHF頻段，采用頻分多址的方式，發(fā)射器和接收器是一對一的，每個發(fā)射器占用的帶寬是50KHz,傳輸速率為9600kbps,在發(fā)射器的功率符合無線法規(guī)以及接收器的靈敏度足夠大的情況下，理論上傳輸距離可以達到十幾公里，由于各種損耗的原因，實際上可以達到四五百米。TRF4400射頻部分的電路如圖3所示。 為了實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信，必須根據(jù)無線傳輸?shù)囊话阋蠛筒捎玫臒o線傳輸收發(fā)模塊芯片的特殊要求來設(shè)計一套傳輸協(xié)議，由于異步傳輸效率低，一幀只能傳輸一個字節(jié)，加之TRF6900不支持異步數(shù)據(jù)格式，所以采用同步幀格式，首先必須發(fā)送一個到兩個字節(jié)的1和0相間隔的位同步碼，一方面用來識別一幀有效數(shù)據(jù)和無效數(shù)據(jù)，另一方面是TRF6900接收最終輸出需要的比較參考電平建立時間的需要。接下來就是一個幀同步碼，一般是一個下降沿開始。再下來就是用戶要上傳的狀態(tài)信息以及數(shù)據(jù)信息。最后就是為了保證無線傳輸?shù)目煽啃院透咝员仨氂袡z錯糾錯碼。采用通訊中得到廣泛使用的CRC循環(huán)冗余碼，來達到前向糾錯的目的。格式如圖4所示。 6.接收箱電路 接收部分每個接收器模塊可以通過軟件控制在空間分集的兩個天線之間切換保證信號的強度，跟發(fā)射器模塊對等，首先讓TRF6900完成解調(diào)，將接收到的數(shù)據(jù)送給MSP430進行基帶信號處理恢復(fù)出心電信號，最后通過串口按照約定的通訊協(xié)議送給床邊監(jiān)護儀去顯示每個通道的心電波形。接收器的無線部分的電路和發(fā)射器的外圍電路很類似，在此不再詳述。 7.遠程部分 這部分可通過10BASE-T線通過以太網(wǎng)傳送到遠程的中央站，從而完成遠程監(jiān)護或診療的目的。 圖5 接收器電路圖6 遠程部分圖7 發(fā)射系統(tǒng)軟件框圖圖8 接收系統(tǒng)軟件框圖軟件設(shè)計 遙測的系統(tǒng)軟件設(shè)計包括兩大部分。一部分是在發(fā)射器上運行的遙測量采集，壓縮，校驗，打包，發(fā)送程序，該部分軟件的特點是計算量大，中斷和定時比較多，對時間要求很嚴格，比較復(fù)雜。利用MSP430的AD中斷來采集心電等生物醫(yī)學(xué)信號，由于采集到的數(shù)據(jù)要按照無線協(xié)議的格式發(fā)送，無疑增加了代