江 尚 張曙霞 蔣宇中

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

基于Max2829的2.4G無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

江 尚 張曙霞 蔣宇中

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

提出了一種基于Max2829射頻收發(fā)芯片,以STC89C51單片機(jī)為控制單元的2.4G無(wú)線通信可行性方案。給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,詳述了器件選型的原因,介紹了硬件電路設(shè)計(jì)流程,并給出了軟件控制的部分代碼,為構(gòu)建較遠(yuǎn)距離的視距無(wú)線通信系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

2.4GHZ; Max2829; Wi-Fi

Class Number TP183

1 引言

近年來(lái),隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展,無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)已經(jīng)滲透到人類社會(huì)的各個(gè)角落,當(dāng)ITU-R開放了ISM頻段后,更給Wi-Fi、ZigBee、藍(lán)牙等無(wú)線傳輸技術(shù)提供了廣泛的平臺(tái)[1]。這些技術(shù)中,Wi-Fi又憑借其覆蓋范圍最大,傳輸速度最快,應(yīng)用門檻最低的優(yōu)勢(shì)成為各大廠商爭(zhēng)先研究的寵兒。為了滿足因?yàn)闀r(shí)代進(jìn)步而日益增長(zhǎng)的用戶體驗(yàn),軍事工業(yè)需求,本文提出了一種基于Max2829的2.4GHz Wi-Fi可調(diào)制基帶射頻傳輸系統(tǒng)可行性設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)方案

本方案主要是圍繞Max2829全波段收發(fā)器IC,搭建外圍去耦、時(shí)鐘和偏置電路支持芯片工作,再使用單片機(jī)設(shè)定模式和參數(shù),以手動(dòng)復(fù)位電路提供單片機(jī)信號(hào)復(fù)位,最終達(dá)到無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 基于Max2829的無(wú)線通信系統(tǒng)框圖

3 硬件選型

Max2829是美國(guó)美信公司(Maxim)專為OFDM 802.11 WLAN應(yīng)用設(shè)計(jì)的單芯片射頻收發(fā)器芯片,覆蓋2.4GHz～2.5GHz以及4.9GHz～5.875GHz全波段范圍。芯片內(nèi)包括了實(shí)現(xiàn)射頻收、發(fā)功能所需要的全部模塊,即收發(fā)通道、壓控振蕩器、頻率合成器以及基帶接口和控制接口。僅需功率放大器、射頻開關(guān)、帶通濾波器、巴倫平衡電路以及少量的無(wú)源器件便可構(gòu)建完整的射頻前端方案。其特殊工藝和設(shè)計(jì)使之滿足覆蓋全范圍的數(shù)據(jù)速率要求。此外還獨(dú)有可編程基帶低通濾波器、三線串行接口的集成鎖相環(huán)、串行并行增益控制。在比較理想的環(huán)境下于54Mbps速率時(shí)接收靈敏度為-75dBm,比802.11a/g標(biāo)準(zhǔn)提高10dB,

接收器增益控制范圍為93dB。芯片由單電源供電,額定工作電壓為+2.7V～+3.6V。小尺寸、56引腳的薄型QFN封裝(7mm×7mm)也更加便于植入模塊當(dāng)中,圖2為Max2829引腳圖[2]。

圖2 Max2829封裝引腳圖

圖3 Max2829內(nèi)部功能圖

在待機(jī)或關(guān)斷模式下,Max2829需要使用控制芯片通過(guò)SPI接口配置對(duì)其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置才能正常工作。宏晶STC89C51RD+系列芯片有四個(gè)8位并行端口外加P4.0～P4.3四個(gè)I/O端口,能夠滿足對(duì)Max2829的控制需要。此外,該芯片(STC89C51LE58RD+)工作電壓為3V低電壓,與Max2829相同,方便電源電路設(shè)計(jì)。

4 硬件電路設(shè)計(jì)

為了提高射頻電路靈敏度需要盡量減少電源紋波干擾,理論上應(yīng)使用性能較好的線性穩(wěn)壓電源,但由于其效率低,發(fā)熱高,元件配備較多,本設(shè)計(jì)采用了相對(duì)易得的正負(fù)5V雙端輸出開關(guān)電源,具體型號(hào)為鴻海JMD20-55T 5V-3A,再在輸出端連接直流電源濾波器和π型濾波電路,也能控制紋波在可接受的范圍內(nèi)(均方根值約為7mv)。正負(fù)5V電壓供給單端至差分線驅(qū)動(dòng)、接收器后,還需要通過(guò)低壓差線性穩(wěn)壓器件(LDO)將電壓降低至3.3V供給Max2829以及STC單片機(jī),考慮到Max2829 2.5W的工作功率,及其對(duì)應(yīng)的工作電流,在5V轉(zhuǎn)3.3V的穩(wěn)壓上采用具有3A負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力的LM2576,完全可以保證各元件的正常工作。

電源接入后,IC還需要獲得穩(wěn)定的高頻時(shí)鐘,對(duì)單片機(jī)配備11MHz的無(wú)源晶振,并對(duì)應(yīng)datasheet列表在晶振兩腳分別放置容值為25pf的諧振電容。另一方面。Max2829的ROSC口也需要接入20MHz的4腳有源晶振和對(duì)應(yīng)電阻電容。晶振電路的放置應(yīng)盡量靠近芯片,理想距離應(yīng)不超過(guò)1cm。電容短、開路后對(duì)時(shí)鐘輸出都會(huì)產(chǎn)生明顯的影響,上電后,必須通過(guò)示波器或萬(wàn)用表測(cè)量后及時(shí)更換整理。

為了減少電源電壓噪聲、本底噪聲、電磁干擾和諧波干擾,收發(fā)線路均采用了差分輸入輸出,發(fā)送端使用差分至單端線驅(qū)動(dòng)器Max4447接入兩路IQ信號(hào),經(jīng)Max2829內(nèi)部集成器件濾波變頻后,用非平衡變壓器(Balun)芯片HHM1711d1送入2.4GHz槳狀天線發(fā)出,接收端類似如上逆過(guò)程。Max2829同時(shí)具有收發(fā)功能,所以通信時(shí)即可采用兩塊電路分別收發(fā),也可使用開關(guān)轉(zhuǎn)換僅用單板就完成收發(fā)功能。

為了對(duì)Max2829的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,單片機(jī)除了與CS使能、SCK時(shí)鐘和DIN數(shù)據(jù)三線SPI端口連接外,還需要將并行端口P1.1、P2.5連接至R/TXENA收發(fā)使能端、P1.8連接至SHDN關(guān)斷輸入端、P0.1～P0.7連接至B1～B7收發(fā)增益控制位等進(jìn)行連接才能有效控制芯片。

另外,調(diào)試時(shí)單片機(jī)經(jīng)常需要手動(dòng)復(fù)位,利用Max812T門檻電壓3.08V的高電平手動(dòng)復(fù)位芯片與STC單片機(jī)Reset引腳進(jìn)行連接,通過(guò)端的按鍵開關(guān)可即時(shí)控制單片機(jī)的復(fù)位和片內(nèi)程序的重載,給調(diào)試工作減少了許多不便。

5 軟件設(shè)計(jì)

要使得系統(tǒng)工作首先需要配置芯片的工作模式,其七種工作模式如表1所示。

表1 Max2829工作模式圖

使用芯片時(shí),首先進(jìn)入復(fù)位模式,復(fù)位后,大部分常用參數(shù)自行置位完畢,只需要改動(dòng)相應(yīng)需要的寄存器,常用的如:頻段選擇和PLL、頻率規(guī)劃與分頻器比率、接收增益、發(fā)射VGA增益、PA偏執(zhí)電流等。其中分頻比根據(jù)IEEE802.11g劃分的14各頻段中所需的頻段,查對(duì)datasheet中IEEE 802.11g頻率規(guī)劃和分頻比編程字表寫入相應(yīng)字段,偏執(zhí)電流和增益經(jīng)相關(guān)調(diào)試后進(jìn)行更改,且基帶增益可通過(guò)向內(nèi)部寄存器地址0x9寫入控制字和直接向片外端口B7:B1輸入值兩種模式更改,后一種方法一定程度上能夠上縮短程序運(yùn)行的時(shí)間?，F(xiàn)給出設(shè)置Max2829為發(fā)射模式的部分程序如下:

…

sbit RXENA =P1^1;

sbit SHDNB =P1^6;

sbit TXENA =P2^5;

…

main( )

{

init_51( );

SHDNB=0; // SPI復(fù)位模式

TXENA=1;

RXENA=1;

delay(10);

SHDNB=1; //Tx發(fā)送模式

TXENA=1; //發(fā)射使能開

RXENA=0;//接收使能關(guān)

…

}

…

寫入SPI的部分程序如下:

…

void write_max2829(uchar addr,uint dat)

{

uchar i;

CSB=0;

for(i=0;i<13;i++)

{

SCLK=0;

if((dat<

DIN=1;

else

DIN=0;

SCLK=1;

}

for(i=0;i<3;i++)

{

SCLK=0;

if((addr<

)

DIN=1;

else

DIN=0;

SCLK=1;

}

SCLK=0;

CSB=1;

}

…

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于Max2829的無(wú)線通信傳輸系統(tǒng)的可行性方案,給出了硬件設(shè)計(jì)和分析,以及軟件控制編寫。該系統(tǒng)可靠性高,反應(yīng)迅速,外圍電路少,模塊體積小,可應(yīng)用于多數(shù)無(wú)線通信場(chǎng)合,之后會(huì)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的通信距離以達(dá)到遠(yuǎn)程視距通信的要求。

[1] 王秀梅.低功耗2.4GHz無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)數(shù)據(jù)通信,2004(11):57-61.

[2] 胡鵬飛.基于Zigbee協(xié)議的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)軟硬件研究與設(shè)計(jì)[D].成都:電子科技大學(xué),2012:33-39.

[3] 秦國(guó)增,魏俊博.基于MAX2830的家用無(wú)線模塊設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技信息,2009(11):119-121.

[4] 楊將新,李華軍,劉東駿.單片機(jī)程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006:271-296.

[5] 周航慈.單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011:296-314.

[6] 塞爾,張之超.無(wú)線通信設(shè)備與系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全[M].北京:人民郵電出版社,2004:385-402.

[7] 汪華章.基于MSP430的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)[J].西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009(4):817-820.

[8] 張克彥.AVR單片機(jī)實(shí)用程序設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004:302-325.

[9] 齊虹,徐志.基于nRF905的短距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010(1):64-68.

[10] 王濤.基于nRF24L01的2.4GHz無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電通信技術(shù),2011:4-7.

A Wireless Communication System Design Based on Max2829

JIANG Shang ZHANG Shuxia JIANG Yuzhong

(College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

A wireless communication design based on RF chip Max2829 controlled by STC89C51 is presented. At the beginning, the constitution of the system is described, the reason of the components selection are elaborated. Then the hardware procedure, supplement with partial software coding are introduced, making prototype for further distance horizon communication.

2.4GHz; Max2829; Wi-Fi

2014年4月4日,

2014年5月19日

江尚,男,碩士研究生,研究方向:艦船通信網(wǎng)絡(luò)。張曙霞,女,碩士,副教授,研究方向:通信相關(guān)技術(shù)和通信信號(hào)處理。蔣宇中,男,博士,教授,研究方向:通信相關(guān)技術(shù)和通信信號(hào)處理。

TP183

10.3969/j.issn1672-9730.2014.10.018