[精品论文]TRF6900在短距离无线数据传输中的应用(论文)

毕业设计课程定做 QQ1714879127射频无线发送接收芯片TRF6900在短距离无线数据传输中的应用摘要: 本文介绍TI公司推出的射频无线发送接收芯片TRF6900的内部结构、工作原理、性能特点 ，并细述了TRF6900在短距离无线数据传输中的典型应用。 关键词: 射频芯片，数据通信，TRF6900，DDS1 概述TRF6900是TI公司最新推出的单片无线收发一体芯片，它在一个器件上包括了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制解调、FM调制解调、直接数字频率合成 (DDS) 、接收信号强度指示(RSSI)等多种功能，集成程度相当的高。TRF6900使用ISM频段，无需申请，而且采用低发射功率和高接收灵敏度，设备之间干扰小，可广泛应用于无线数据采集系统、无线监控系统、收费系统、智能卡、设备遥控场合，应用前景十分广阔。2 TRF6900芯片介绍TRF6900主要性能如下:1)工作频率为868MHz870MHz(西欧)/902MHz928MHz(北美)2)有效数据传输距离1000米3)典型输出功率 4.5dBm4)典型输出信号频差230 Hz5)工作电压2.2 V3.6 V6)待机电流5uA，工作电流50mA7)内置2个可编程模式TRF6900内部电路可分为发射模块和接收模块。2.1接收模块接收模块包括低噪音放大器、混频器、中放、FM/FSK解调器、接收信号强度指示和低通滤波放大器等几部分。2.2发射模块发射模块包括串行控制接口、直接数字频率生成器、压控振荡器、锁相环等几部分。3 TRF6900工作原理3.1接收机工作原理从天线接收到信号由LNA_IN引入TRF6900，首先经过低噪音放大器。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两种模式。当TRF6900接收的信号较强时，应该选择低增益模式，这样可以最大程度地减少信号非线性失真。放大后的信号被送入混频器，混频器将信号变频到中频，再通过第一和第二级中频放大。第一级中频放大可获得7dB的增益，用以补偿滤波器带来的损耗；第二级中频放大包括多个放大器，总共可获得80dB的增益。经过两级放大后的信号，如果采用的是FM/FSK调制方式就被送入FM/FSK解调器，解调出数据信号从DATA_OUT引出。如果是频移键控（ASK）或开关键控（OOK）则送入接收信号强度指示器（RSSI）解调，解调后的基带数据RSSI_OUT输出。3.2发射机工作原理数字基带信号从TX_DATA引入TRF6900片内，经过直接数字频率合成器（DDS）调制到中频，再通过锁相环(PLL)倍频到射频，最后通过功率放大器放大信号后，由PA_OUT导出射频信号，通过天线发射出去。 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，控制着TRF6900内部所有的寄存器，包括DDS参数设定寄存器，和其他的控制寄存器。在CLOCK的每一个上升沿，DATA管脚的逻辑值送入24-BIT的移位寄存器，当STOBE电平被抬高时，设定的参数被送入选定的锁存器。TRF6900有四个可编程的24bit控制字(A，B，C，D)。控制字A和B分别控制DDS模式0和模式1状态下输出信号频率。控制字C负责锁相环和DDS模式0的设定。控制字D负责调制和DDS模式1的设定。3.4直接数字频率合成器（DDS）的工作原理传统的频移键控(FSK)是利用基带数字信号去控制电子开关，使之在不同振荡频率的振荡器之间进行切换 ，从而输出不同频率的信号，再与载波进行混频 ，从而实现频率调制。直接数字频率合成器是基于数字域，直接产生相应频率的正弦波。它具有频率范围宽， 频率分辨率高，可用软件方便地控制输出频率、频率切换速度快且切换频率时相位保持连续等优点，从而在线性调频、扩频和跳频系统、多普勒响应模拟等领域得到了广泛应用。但DDS由于受参考频率的限制，输出频率通常较低，一般为100MHz400MHz，而这一频段的频率资源相当紧张。如果直接产用DDS产生射频信号，将会对DDS的实际应用造成很大限制。所以在实际应用中往往是产用DDS/PLL混合方式。该方法将DDS输出的中频信号作为PLL倍频器的参考频率，利用PLL将信号变换到所需的频率。这种方式既保留了DDS的频率分辨率高和频率切换速度快的特性 ，又弥补了DDS输出频率较低的不足，从而得到广泛的应用。TRF6900也是采用DDS/PLL这种方式。TRF6900的直接数字频率合成器包括一个24比特的相位累加器，相位码幅度码转换表，11比特的数字模拟转换 DAC和低通滤波器LPF。相位累加器在时钟的触发下 ，对频率控制字进行累加 ，相位累加器输出的相位序列作为地址来寻址正弦检索表 ，得到正弦波的离散幅度数字即抽样数字信号。DAC再将抽样的数字信号恢复为模拟信号，最后通过一个低通滤波滤得基波分量。24比特的累加器可通过TRF6900内部的两个22比特的控制寄存器控制。控制字A和控制字B的高两位为0，因此最大的比特权重为1/8。 fout=DDS_x Nfref224其中， DDS_x为控制字A或B的值。参考频率fref就是DDS的取样频率，它从根本上决定着DDS的输出频率和频偏。TRF6900采用的参考频率为1526MHz。由上式可得，DDS的最大输出频率为90156MHz，最小频偏为21Hz37Hz。TRF6900的控制字A的值确定模式0对应的频率，控制字B确定模式1所对应的频率，DDS可以在模式0和模式1之间快速切换，从而可以实现输出频率由一个频率跳变到另一个频率，而这一切都由软件实现。所以只需给控制字A和控制字B赋相应的值，并在两个模式之间进行切换就可以实现跳频，实现起来很方便。TRF6900最高可达1360跳/秒，每一跳最多可携带22比特数据，因此，TRF6900的最大数据传输速率为30Kbps。TRF6900采用跳频的调制方式，极大地增加了通信的抗干扰的能力。这一特点为在恶劣环境下进行数据传输，保证传输质量提供了很大的保障。TRF6900也可以选择传统的FSK调制，这为与现有设备进行通信提供了方便。TRF6900由控制字C在DDS和FSK之间选择。当TRF6900选择FSK调制时，空号与传号的输出频率完全由控制字D确定，可以用软件方便地进行设置 f2-FSK=NDEVfref222所以，fout_1=NfrefDDS224 fout_0=Nfref(DDS+4DEV)224 4 典型应用下图为采用TRF6900实现铁路路基温度采集系统的实际应用框图。及时对铁路路基温度进行监控是保障铁路行车安全的一个重要工作。传统的测温方法需要将温度探测器埋入路基，通过数据线获得温度信息，测得温度后再将探测器取出。这种方法每次测量都需要打眼、埋放温度传感器，不仅工作效率低，劳动强度大，而且由于破坏了路基的原有结构，测得的温度与实际情况并不完全吻合。而无线温度采集系统则可从根本上解决这些问题。该系统包括温度传感器、微处理器、TRF6900、终端显示与存储设备、天线和电源等部分组成。世界应用中只需将温度采集子系统一次性埋入探测点；测量温度时，微控制器控制温度传感器，使之输出温度数据。微控制器接收到温度数据后，对温度数据进行处理后，按照一定的格式发送给TRF6900，利用TRF6900完成数据的发送和接收，地面上的微控制器接收到得温度数据经过处理后，最后予以显示或存储，从而完成了整个温度数据的采集。5 结语TRF6900不仅体积小、功耗低、信号抗干扰能力强、外围器件较少、与其他设备连接方便，而且可以用软件灵活地进行设置，便于开发和生产，因此受到了设计者、制造商和用户的多方面的欢迎，也必将会在竞争激烈的无线短距离数据传输领域中占有一席之地。引言 无线遥测产品的市场发展迅速，最近业界也掀起了一场无线应用的革命，无线遥测技术已经成为产品竞争力的一个重要因素。从发展的角度来看，医疗监护产品的无线化、网络化是发展趋势，移动型、具备无线联网功能的监护产品将成为未来市场的主流，另外，TELEMEDICINE(远程医疗)的发展也将使无线监护与无线互联技术大有用武之地。无线应用的前景广阔，因此研制开发无线监护产品势在必行。 笔者所设计的系统使用TI公司的单片无线发送芯片TRF4400和接收芯片TRF6900。此芯片功耗低，抗干扰能力强，且使用ISM频段，频率无需申请可广泛应用于无线数据采集系统、无线监控系统、收费系统、智能卡、设备遥控等场合。 系统结构 整个系统主要包括发射器，接收箱，PC终端显示，远程中央站 (见图1)。接收箱输出为TTL 异步串行数据，模块化的好处是可以容易地增减通道，方便地为床边监护仪配置遥测接收模块。接收箱输出为10 BASE-T接口，直接和远程的中央站产品接口，单接收箱的容量为8床。通过同时使用多个接收箱，可实现n8的容量，容量的上限主要由可用频率带宽限制。 首先通过携带在病人身上的发射器将病人的信息采集处理后发射出去，接收箱完成数据接收，送给床边监护仪显示打印，最后通过10BASE网线送给中央站实现远程诊疗。 图1 数字遥测系统结构框图图2 发射器电路图图3 发射器射频电路图4 无线传输协议硬件电路设计 1.发射器 发射器包括心电参数电路，用于基带数字信号处理的MSP430微控制器，以及TRF4400的射频发送模块电路。其中无线射频收发芯片TRF4400是整个系统的核心，直接关系到整个系统的性能。电路如图2所示。 2.心电参数电路 人体微弱心电信号经过保护电路，差模放大，滤波等电路后得到心电信号ECG，导联脱落FAIL_RA,FAIL_LL信号，然后通过MSP430自带的12BIT的A/D转换，参数电路可以通过SHUTDOWN即开关电源信号受控于控制器。通过PACE波捡出得到PACE脉冲信号，利用MSP430的I/O口中断功能捕获。 3.微控制器 本系统中使用的微控制器是TI公司的MSP430。它具有功耗低、体积小等特点，有丰富的硬件资源。 系统还扩展了按键电路，如护士呼叫等按键，电池电压低、采样导联线脱落等发光二极管状态指示和报警。 4.供电电路 发射器采用两节5号镍氢电池供电，容量为1300mAh，可直接对微控制器和TRF6900供电，用电源变换芯片变换为5V为心电ECG参数电路供电，为了达到20小时以上的工作时间，要求发射器的功耗在120mW以内，发射部分的平均功耗估计在80mW左右，这样分配给其他部分的功耗为40mW，这对设计提出了较高要求。对ECG电路需要做针对低功耗的设计优化，通过选用低功耗的芯片，这个目标是可以达到的。 5.RF无线链路 该部分是采用TRF4400来完成的，它可实现基带数字信号的透明传输，TRF6900采用DDS和PLL技术，该技术直接由基带数字信号0，1产生相应两种不同频率的正弦波，具体是当传输0的时候是根据外接的参考频率和DDS的编程设置产生输出某个频率，而1则是在此基础上根据调制系数的传输速率来编程产生偏移频率。它具有频率范围宽、频率分辨率高、可用软件方便地控制输出频率等优点，但DDS由于受参考频率的限制，输出频率通常较低，为了满足实际需要，所以DDS输出的中频信号要经过PLL进行倍频。倍频倍数N可设置为256或512， 工作模式有两种选择，分别为模式0和模式1，通过MODE线选择，均可设置为发射或接收，由STANDBY选择工作模式或者待机模式，频率方案可通过编程四个专门工作寄存器A,B,C,D灵活设置。它专门有供编程用的串行接口，分别是串行时钟线CLOCK,数据线DATA,选通线STROBE，在CLOCK的每个上升沿将DATA数据线上的一位数据写入TRF6900的24位移位寄存器，顺序由高到低，最前面2，3位是地址位，在STROBE为高电平时写入相应的工作寄存器，其中A,B分别是模式0和模式1的频率设置寄存器，而频偏可由D来设置。 由于TRF6900不需要很多其它的外接电路，灵活编程的特点可根据要求灵活设置。本系统的发射和接收都采用FSK调制解调的方式，系统工作在430MHz的UHF频段，采用频分多址的方式，发射器和接收器是一对一的，每个发射器占用的带宽是50KHz,传输速率为9600kbps,在发射器的功率符合无线法规以及接收器的灵敏度足够大的情况下，理论上传输距离可以达到十几公里，由于各种损耗的原因，实际上可以达到四五百米。TRF4400射频部分的电路如图3所示。 为了实现无线数据通信，必须根据无线传输的一般要求和采用的无线传输收发模块芯片的特殊要求来设计一套传输协议，由于异步传输效率低，一帧只能传输一个字节，加之TRF6900不支持异步数据格式，所以采用同步帧格式，首先必须发送一个到两个字节的1和0相间隔的位同步码，一方面用来识别一帧有效数据和无效数据，另一方面是TRF6900接收最终输出需要的比较参考电平建立时间的需要。接下来就是一个帧同步码，一般是一个下降沿开始。再下来就是用户要上传的状态信息以及数据信息。最后就是为了保证无线传输的可靠性和高效性必须有检错纠错码。采用通讯中得到广泛使用的CRC循环冗余码，来达到前向纠错的目的。格式如图4所示。 6.接收箱电路 接收部分每个接收器模块可以通过软件控制在空间分集的两个天线之间切换保证信号的强度，跟发射器模块对等，首先让TRF6900完成解调，将接收到的数据送给MSP430进行基带信号处理恢复出心电信号，最后通过串口按照约定的通讯协议送给床边监护仪去显示每个通道的心电波形。接收器的无线部分的电路和发射器的外围电路很类似，在此不再详述。 7.远程部分 这部分可通过10BASE-T线通过以太网传送到远程的中央站，从而完成远程监护或诊疗的目的。 图5 接收器电路图6 远程部分图7 发射系统软件框图图8 接收系统软件框图软件设计 遥测的系统软件设计包括两大部分。一部分是在发射器上运行的遥测量采集，压缩，校验，打包，发送程序，该部分软件的特点是计算量大，中断和定时比较多，对时间要求很严格，比较复杂。利用MSP430的AD中断来采集心电等生物医学信号，由于采集到的数据要按照无线协议的格式发送，无疑增加了代