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        Sub-1G和2.4G超低功耗雙頻段無線系統(tǒng)設計與應用

        2018-10-15 06:08:22
        關鍵詞:低功耗頻段電容

        (安徽中科光電色選機械有限公司,合肥 231202)

        引 言

        隨著智能產品的蓬勃發(fā)展和物聯(lián)網的悄然興起,越來越多的智能電子產品和電氣設備走入小微企業(yè)、城市家庭和村鎮(zhèn)農戶,對這些設備狀態(tài)的實時監(jiān)測和遠程控制需求越來越普遍。傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)建立中心工作站對設備集中監(jiān)控的模式,在建設成本、使用難度和靈活性等多方面難以適應現(xiàn)實要求。

        本設計采用超低功耗Sub-1G和2.4G雙頻段無線系統(tǒng)設計方案,實現(xiàn)了對分布在較大空間范圍內設備的遠程監(jiān)控,并具有靈活可選的硬件搭配方案和多樣的軟件升級方法。此設計方案使得本系統(tǒng)具有低功耗、體積小、低成本、適用性強、使用簡便靈活等特點,既可以作為附屬部件嵌入其他設備內部增強其功能,又可以制成模塊獨立工作,還可以使用太陽能、風能、無線充電等方式實現(xiàn)不間斷工作,應用十分廣泛。

        1 系統(tǒng)總體設計

        本設計主要由主控制器、供電電源、2.4G天線、通信模塊、外部存儲器、模擬量輸入、開關量輸入/輸出等部分組成。系統(tǒng)總體結構見圖1。

        圖1 總體設計圖

        主控制器采用CC1350低功耗雙頻段無線處理器,其Sub-1G工作頻段可以覆蓋中國、歐洲、美國的ISM頻段,其2.4G工作頻段支持藍牙協(xié)議和私有協(xié)議。

        2 電路設計

        2.1 系統(tǒng)核心部分

        2.1.1 處理器CC1350簡介

        CC1350是德州儀器(TI)出品的一款多核心雙頻帶無線微控制器,其內部集成了強大的Cortex-M3內核、專用于處理底層RF協(xié)議的Cortex-M0無線內核和一個超低功耗傳感器控制器(Sensor Controller),整合了一套完整的RF系統(tǒng)以及片上LDO和DC-DC轉換器。片內擁有128 KB可編程閃存、20 KB超低泄漏SRAM、8 KB通用SRAM、達到200 Msps的8通道復用12位模/數(shù)轉換器(ADC)、可編程任意連接的I/O口;支持標準JTAG和2引腳cJTAG調試接口;支持軟件Over-the-Air(OTA)無線升級;主頻時鐘速率最高可達48 MHz[1]。

        2.1.2 最小系統(tǒng)說明

        最小系統(tǒng)如圖2所示。

        圖2 最小系統(tǒng)

        主控制器CC1350主要供電引腳VDDS與I/O供電引腳VDDS2和VDDS3的工作范圍是1.8~3.8 V DC,其輔助模塊供電引腳VDDR和VDDR_RF工作范圍是1.7~1.95 V DC。本設計使用片上集成的DC-DC轉換器產生VDDR和VDDR_RF所需電壓,所以將DC-DC轉換器輸入引腳VDDS_DCDC與VDDS并聯(lián),將輸出引腳DCDC_SW通過濾波電感后連接VDDR和VDDR_RF。如果使用片上集成的LDO給VDDR和VDDR_RF供電,則需要修改軟件配置,不必連接DCDC_SW引腳。使用片內DC-DC可以使CC1350休眠電流小于1 μA,比使用片內LDO可以獲得更低的功耗。

        CC1350的RF電路工作需外接24 MHz無源晶振,而片內集成了默認值9 pF可調范圍5 ~11 pF的匹配電容,所以本設計沒有另接匹配電容。該電容會影響晶振頻率,進而影響RF頻率,所以在晶振選用和電容匹配方面應特別注意。其外接32.768 kHz晶振為芯片休眠狀態(tài)提供時鐘,仍需外接匹配電容。此外,CC1350還集成了48 MHz和32.768 kHz片內RC震蕩器,可以作為系統(tǒng)時鐘和RTC時鐘選用。

        復位電路采用了簡單的RC復位電路,以滿足超低功耗需求。而調試接口選用了占用空間最少且占用引腳最少的cJTAG接口。

        2.2 電源與供電

        外部電源輸入可以由市電、宿主設備、太陽能板、風機等提供,根據(jù)電源不同選擇相對應的AC-DC模塊或DC-DC模塊,來為本系統(tǒng)工作提供所需12 V DC和3.3 V DC電源。電源系統(tǒng)結構見圖3。

        圖3 電源結構

        由AC-DC模塊或DC-DC模塊輸出的12 V DC電源為開關量輸出電路供電,用于驅動繼電器、直流電機、聲光報警器等設備;而3.3 V DC則為以太網模塊等外圍接口電路直接供電,同時通過防反流電路與電池提供的3 V DC電路匯合;匯合后的3 V DC電路為主控制器CC1350供電,保證其在無外部電源輸入時仍能不間斷工作,同時3 V DC電路還通過低靜態(tài)電流可控電源降為1.8 V DC,為模擬量輸入電路、開關量輸入電路和外部存儲器供電。

        低靜態(tài)電流可控電源受控于CC1350,在需要采集外部信號或存取數(shù)據(jù)時打開,完成任務后關閉,其關閉后的靜態(tài)電流小于1 μA,可以保證僅有電池供電時的低功耗需求。

        2.3 射頻部分

        射頻電路如圖4所示,本系統(tǒng)采用Sub-1G和2.4G雙頻段設計,射頻信號通過RF Switch在兩組射頻電路之間切換,其中Sub-1G采用中國以及東南亞國家普遍使用的315~510 MHz頻段,如有需要可通過更改元器件參數(shù)并更換對應頻率天線的方法改為歐洲或美國頻段。本系統(tǒng)Sub-1G和2.4G均分別配置PCB板載天線和外接天線SMA接口,通過調整元件焊接方案的方法選擇天線的使用,PCB板載天線需通過調整匹配電感和電容達到最佳效果。

        2.4 模擬量輸入

        本設計主控制器CC1350的12位ADC位于片內Sensor Controller的外圍電路與Sensor Controller的8路數(shù)字I/O復用引腳,可以實現(xiàn)在Cortex-M3內核和Cortex-M0內核休眠時自主完成模擬信號的采集,并在預設條件達成時喚醒主控制器,保證了整個系統(tǒng)在電池供電時能夠以很低的功耗完成傳感器信息采集。模擬量采集框圖見圖5。

        2.5 開關量輸入/輸出

        CC1350的所有I/O接口都可靈活配置為數(shù)字輸入/輸出,并觸發(fā)中斷,其中有8個I/O可配置為Sensor Controller的數(shù)字I/O,在主控內核休眠時仍能完成開關量信息采集。

        2.6 外部存儲器

        通過配置內置I2C總線和SPI控制器接口連接到相應I/O接口上,可以連接存儲器芯片,擴展系統(tǒng)的存儲空間,實現(xiàn)外設參數(shù)保存、信息記錄、數(shù)據(jù)備份等功能,增加了系統(tǒng)的適用性。

        2.7 通信模塊

        將系統(tǒng)UART接口與以太網模塊、CAN總線模塊等互聯(lián),可以完成從有線系統(tǒng)到無線系統(tǒng)的通信連接。

        3 系統(tǒng)應用

        在應用本設計組建的無線監(jiān)控網絡中,本設計既可以作為終端監(jiān)控單元,實現(xiàn)對目標的無線監(jiān)控功能,也可以為其他終端監(jiān)控單元提供數(shù)據(jù)中繼,使得分布較遠的節(jié)點方便接入網絡;還可以作為整個無線網絡與其他網絡交互通信的服務端,通過適當?shù)耐ㄐ拍K接入云服務器,連接更廣闊的世界。應用組網示意圖見圖6。

        每個單元的Sub-1G射頻通信距離可達數(shù)百米,根據(jù)應用可選的典型速率分別有50 kbps、500 kbps,最大速率可達2 Mbps,如果采用不增加功率放大器的超長距離模式,通信距離可達數(shù)公里,但通信速率會變的較慢,典型速率為625 bps。其2.4G射頻通信支持私有協(xié)議和藍牙協(xié)議,可以與手持式終端直接交互,實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的快速通信,以及終端監(jiān)控單元軟件的OTA無線升級,為系統(tǒng)監(jiān)管維護提供便利。

        當本設計外部電源掉電僅由電池或大電容供電時,進入低功耗間歇工作模式,并在預設條件達成時采集監(jiān)控數(shù)據(jù),在預定時間內以無線方式發(fā)送信息,其他時間關閉RF電路、系統(tǒng)外設和低靜態(tài)電流可控電源并進入休眠狀態(tài)。經過實際測量,低功耗間歇工作模式下系統(tǒng)發(fā)送RF信號時電流小于5 mA,關閉RF電路而其他外設工作時電流小于200 μA,全系統(tǒng)休眠時電流小于2 μA,可保證利用電池或大電容長時間工作,滿足設計目標要求。

        圖4 射頻電路

        圖5 模擬量采集框圖

        結 語

        圖6 組網示意圖

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