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

畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 QQ1714879127射頻無(wú)線發(fā)送接收芯片TRF6900在短距離無(wú)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(wú)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(diǎn) ，并細(xì)述了TRF6900在短距離無(wú)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(wú)線收發(fā)一體芯片，它在一個(gè)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(hào)強(qiáng)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(wú)需申請(qǐng)，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(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、智能卡、設(shè)備遙控場(chǎng)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(hào)頻差230 Hz5)工作電壓2.2 V3.6 V6)待機(jī)電流5uA，工作電流50mA7)內(nèi)置2個(gè)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(hào)強(qiáng)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(jī)工作原理從天線接收到信號(hào)由LNA_IN引入TRF6900，首先經(jīng)過(guò)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(hào)較強(qiáng)時(shí)，應(yīng)該選擇低增益模式，這樣可以最大程度地減少信號(hào)非線性失真。放大后的信號(hào)被送入混頻器，混頻器將信號(hào)變頻到中頻，再通過(guò)第一和第二級(jí)中頻放大。第一級(jí)中頻放大可獲得7dB的增益，用以補(bǔ)償濾波器帶來(lái)的損耗；第二級(jí)中頻放大包括多個(gè)放大器，總共可獲得80dB的增益。經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大后的信號(hào)，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(hào)從DATA_OUT引出。如果是頻移鍵控（ASK）或開(kāi)關(guān)鍵控（OOK）則送入接收信號(hào)強(qiáng)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(jī)工作原理數(shù)字基帶信號(hào)從TX_DATA引入TRF6900片內(nèi)，經(jīng)過(guò)直接數(shù)字頻率合成器（DDS）調(diào)制到中頻，再通過(guò)鎖相環(huán)(PLL)倍頻到射頻，最后通過(guò)功率放大器放大信號(hào)后，由PA_OUT導(dǎo)出射頻信號(hào)，通過(guò)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(gè)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(shí)，設(shè)定的參數(shù)被送入選定的鎖存器。TRF6900有四個(gè)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(hào)頻率?？刂谱諧負(fù)責(zé)鎖相環(huán)和DDS模式0的設(shè)定?？刂谱諨負(fù)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(hào)去控制電子開(kāi)關(guān)，使之在不同振蕩頻率的振蕩器之間進(jìn)行切換 ，從而輸出不同頻率的信號(hào)，再與載波進(jìn)行混頻 ，從而實(shí)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(shí)相位保持連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，從而在線性調(diào)頻、擴(kuò)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(hào)，將會(huì)對(duì)DDS的實(shí)際應(yīng)用造成很大限制。所以在實(shí)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(hào)作為PLL倍頻器的參考頻率，利用PLL將信號(hào)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(bǔ)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(gè)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(shí)鐘的觸發(fā)下 ，對(duì)頻率控制字進(jìn)行累加 ，相位累加器輸出的相位序列作為地址來(lái)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(hào)。DAC再將抽樣的數(shù)字信號(hào)恢復(fù)為模擬信號(hào)，最后通過(guò)一個(gè)低通濾波濾得基波分量。24比特的累加器可通過(guò)TRF6900內(nèi)部的兩個(gè)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(duì)應(yīng)的頻率，控制字B確定模式1所對(duì)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(shí)現(xiàn)輸出頻率由一個(gè)頻率跳變到另一個(gè)頻率，而這一切都由軟件實(shí)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(gè)模式之間進(jìn)行切換就可以實(shí)現(xiàn)跳頻，實(shí)現(xiàn)起來(lái)很方便。TRF6900最高可達(dá)1360跳/秒，每一跳最多可攜帶22比特?cái)?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(diǎn)為在惡劣環(huán)境下進(jìn)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(jìn)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(shí)，空號(hào)與傳號(hào)的輸出頻率完全由控制字D確定，可以用軟件方便地進(jìn)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(shí)現(xiàn)鐵路路基溫度采集系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用框圖。及時(shí)對(duì)鐵路路基溫度進(jìn)行監(jiān)控是保障鐵路行車(chē)安全的一個(gè)重要工作。傳統(tǒng)的測(cè)溫方法需要將溫度探測(cè)器埋入路基，通過(guò)數(shù)據(jù)線獲得溫度信息，測(cè)得溫度后再將探測(cè)器取出。這種方法每次測(cè)量都需要打眼、埋放溫度傳感器，不僅工作效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且由于破壞了路基的原有結(jié)構(gòu)，測(cè)得的溫度與實(shí)際情況并不完全吻合。而無(wú)線溫度采集系統(tǒng)則可從根本上解決這些問(wèn)題。該系統(tǒng)包括溫度傳感器、微處理器、TRF6900、終端顯示與存儲(chǔ)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(cè)點(diǎn)；測(cè)量溫度時(shí)，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(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)處理后，最后予以顯示或存儲(chǔ)，從而完成了整個(gè)溫度數(shù)據(jù)的采集。5 結(jié)語(yǔ)TRF6900不僅體積小、功耗低、信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)、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(jìn)行設(shè)置，便于開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，因此受到了設(shè)計(jì)者、制造商和用戶的多方面的歡迎，也必將會(huì)在競(jìng)爭(zhēng)激烈的無(wú)線短距離數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域中占有一席之地。引言 無(wú)線遙測(cè)產(chǎn)品的市場(chǎng)發(fā)展迅速，最近業(yè)界也掀起了一場(chǎng)無(wú)線應(yīng)用的革命，無(wú)線遙測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)重要因素。從發(fā)展的角度來(lái)看，醫(yī)療監(jiān)護(hù)產(chǎn)品的無(wú)線化、網(wǎng)絡(luò)化是發(fā)展趨勢(shì)，移動(dòng)型、具備無(wú)線聯(lián)網(wǎng)功能的監(jiān)護(hù)產(chǎn)品將成為未來(lái)市場(chǎng)的主流，另外，TELEMEDICINE(遠(yuǎn)程醫(yī)療)的發(fā)展也將使無(wú)線監(jiān)護(hù)與無(wú)線互聯(lián)技術(shù)大有用武之地。無(wú)線應(yīng)用的前景廣闊，因此研制開(kāi)發(fā)無(wú)線監(jiān)護(hù)產(chǎn)品勢(shì)在必行。 筆者所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)使用TI公司的單片無(wú)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(qiáng)，且使用ISM頻段，頻率無(wú)需申請(qǐng)可廣泛應(yīng)用于無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、智能卡、設(shè)備遙控等場(chǎng)合。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 整個(gè)系統(tǒng)主要包括發(fā)射器，接收箱，PC終端顯示，遠(yuǎn)程中央站 (見(jiàn)圖1)。接收箱輸出為T(mén)TL 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(hù)儀配置遙測(cè)接收模塊。接收箱輸出為10 BASE-T接口，直接和遠(yuǎn)程的中央站產(chǎn)品接口，單接收箱的容量為8床。通過(guò)同時(shí)使用多個(gè)接收箱，可實(shí)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(guò)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(hù)儀顯示打印，最后通過(guò)10BASE網(wǎng)線送給中央站實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診療。 圖1 數(shù)字遙測(cè)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(wú)線傳輸協(xié)議硬件電路設(shè)計(jì) 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(hào)處理的MSP430微控制器，以及TRF4400的射頻發(fā)送模塊電路。其中無(wú)線射頻收發(fā)芯片TRF4400是整個(gè)系統(tǒng)的核心，直接關(guān)系到整個(gè)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(hào)經(jīng)過(guò)保護(hù)電路，差模放大，濾波等電路后得到心電信號(hào)ECG，導(dǎo)聯(lián)脫落FAIL_RA,FAIL_LL信號(hào)，然后通過(guò)MSP430自帶的12BIT的A/D轉(zhuǎn)換，參數(shù)電路可以通過(guò)SHUTDOWN即開(kāi)關(guān)電源信號(hào)受控于控制器。通過(guò)PACE波撿出得到PACE脈沖信號(hào)，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(diǎn)，有豐富的硬件資源。 系統(tǒng)還擴(kuò)展了按鍵電路，如護(hù)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(bào)警。 4.供電電路 發(fā)射器采用兩節(jié)5號(hào)鎳氫電池供電，容量為1300mAh，可直接對(duì)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(dá)到20小時(shí)以上的工作時(shí)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(jì)在80mW左右，這樣分配給其他部分的功耗為40mW，這對(duì)設(shè)計(jì)提出了較高要求。對(duì)ECG電路需要做針對(duì)低功耗的設(shè)計(jì)優(yōu)化，通過(guò)選用低功耗的芯片，這個(gè)目標(biāo)是可以達(dá)到的。 5.RF無(wú)線鏈路 該部分是采用TRF4400來(lái)完成的，它可實(shí)現(xiàn)基帶數(shù)字信號(hào)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(hào)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(shí)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(gè)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(lái)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(diǎn)，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(shí)際需要，所以DDS輸出的中頻信號(hào)要經(jīng)過(guò)PLL進(jìn)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(guò)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(jī)模式，頻率方案可通過(guò)編程四個(gè)專(zhuān)門(mén)工作寄存器A,B,C,D靈活設(shè)置。它專(zhuān)門(mén)有供編程用的串行接口，分別是串行時(shí)鐘線CLOCK,數(shù)據(jù)線DATA,選通線STROBE，在CLOCK的每個(gè)上升沿將DATA數(shù)據(jù)線上的一位數(shù)據(jù)寫(xiě)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(shí)寫(xiě)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(lái)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(diǎn)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(duì)一的，每個(gè)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(wú)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(dá)到十幾公里，由于各種損耗的原因，實(shí)際上可以達(dá)到四五百米。TRF4400射頻部分的電路如圖3所示。 為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)通信，必須根據(jù)無(wú)線傳輸?shù)囊话阋蠛筒捎玫臒o(wú)線傳輸收發(fā)模塊芯片的特殊要求來(lái)設(shè)計(jì)一套傳輸協(xié)議，由于異步傳輸效率低，一幀只能傳輸一個(gè)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(gè)到兩個(gè)字節(jié)的1和0相間隔的位同步碼，一方面用來(lái)識(shí)別一幀有效數(shù)據(jù)和無(wú)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(shí)間的需要。接下來(lái)就是一個(gè)幀同步碼，一般是一個(gè)下降沿開(kāi)始。再下來(lái)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(wú)線傳輸?shù)目煽啃院透咝员仨氂袡z錯(cuò)糾錯(cuò)碼。采用通訊中得到廣泛使用的CRC循環(huán)冗余碼，來(lái)達(dá)到前向糾錯(cuò)的目的。格式如圖4所示。 6.接收箱電路 接收部分每個(gè)接收器模塊可以通過(guò)軟件控制在空間分集的兩個(gè)天線之間切換保證信號(hào)的強(qiáng)度，跟發(fā)射器模塊對(duì)等，首先讓TRF6900完成解調(diào)，將接收到的數(shù)據(jù)送給MSP430進(jìn)行基帶信號(hào)處理恢復(fù)出心電信號(hào)，最后通過(guò)串口按照約定的通訊協(xié)議送給床邊監(jiān)護(hù)儀去顯示每個(gè)通道的心電波形。接收器的無(wú)線部分的電路和發(fā)射器的外圍電路很類(lèi)似，在此不再詳述。 7.遠(yuǎn)程部分 這部分可通過(guò)10BASE-T線通過(guò)以太網(wǎng)傳送到遠(yuǎn)程的中央站，從而完成遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)或診療的目的。 圖5 接收器電路圖6 遠(yuǎn)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(jì) 遙測(cè)的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括兩大部分。一部分是在發(fā)射器上運(yùn)行的遙測(cè)量采集，壓縮，校驗(yàn)，打包，發(fā)送程序，該部分軟件的特點(diǎn)是計(jì)算量大，中斷和定時(shí)比較多，對(duì)時(shí)間要求很?chē)?yán)格，比較復(fù)雜。利用MSP430的AD中斷來(lái)采集心電等生物醫(yī)學(xué)信號(hào)，由于采集到的數(shù)據(jù)要按照無(wú)線協(xié)議的格式發(fā)送，無(wú)疑增加了代