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基于NRF403的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收電路設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2016-11-14 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】本文設(shè)計(jì)了一種基于NRF403收發(fā)一體芯片的傳感器數(shù)據(jù)的無線接收電路。要求接收頻率為315MHZ,超外差結(jié)構(gòu),并且接收靈敏度要高,并對傳輸距離進(jìn)行了分析。最后通過連接功率放大器和MSP430單片機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量,達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
 
1引言
 
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種由傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò),能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測、感知和采集節(jié)點(diǎn)部署區(qū)的觀察者感興趣的感知對象的各種信息,并對這些信息進(jìn)行處理后以無線的方式發(fā)送出去,通過無線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療護(hù)理、智能家居、工業(yè)生產(chǎn)控制以及商業(yè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。例如它在水利方面的應(yīng)用:一般的水利設(shè)施都在野外,環(huán)境比較惡劣,基礎(chǔ)設(shè)施比較缺乏,供電困難。因此若要在這樣的環(huán)境下架設(shè)明線,電纜是非常困難的。因?yàn)樗枰╇娫O(shè)備,而在那樣的野外環(huán)境提供滿足它的電源是極為困難的,再加上空曠野外如果遇到閃電,明線很容易遭到雷劈,而使整套設(shè)備毀壞,因此我們研究無線傳輸是十分必要的。
 
2 實(shí)驗(yàn)的硬件設(shè)計(jì)
 
我們選擇了挪威Nordic公司開發(fā)的一款新型集成無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片NRF403。它是一款真正單芯片ISM頻段雙頻點(diǎn)(433MHZ和315MHZ)免調(diào)試無線收發(fā)芯片。它具有FSK調(diào)制和解調(diào)能力,抗干擾能力強(qiáng),適合工業(yè)控制應(yīng)用;采用PLL頻率合成技術(shù),靈敏度高達(dá)-105dbm完全滿足實(shí)驗(yàn)要求,最大發(fā)射功率達(dá)+10dbm;具有2個(gè)信號通道,適合需要多信道工作的特殊場合;可直接與微控制器接口;低工作電壓只需2.7V,數(shù)據(jù)速率可達(dá)20KB/S;功耗低,接收待機(jī)狀態(tài)僅為8uA;僅需外接一個(gè)晶體和幾個(gè)阻容,電感元件即可構(gòu)成一個(gè)完整的射頻收發(fā)器,電路模塊尺寸為30mm*22mm*6mm,可以方便地嵌入各種測量系統(tǒng)當(dāng)中。而且使用無需申請,理論上開闊地的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000米。
 
2.1芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)介紹
 
芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是我們需要分析的,因?yàn)楫?dāng)我們研究設(shè)計(jì)它的外圍電路時(shí)需要知道每個(gè)引腳對應(yīng)的內(nèi)部器件來確定外圍元器件的選取。下面是它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖:
 
基于NRF403的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收電路設(shè)計(jì)
圖1 NRF403的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
 
在這個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖中芯片包含功率放大器(PA),低噪聲接收放大器(LNA),晶體振蕩器(OSC),鎖相環(huán)(PLL),壓控振蕩器(VCO),在LNA與相乘器之間接有混頻器(MIXER)等電路。在接收模式中,輸入信號被低噪聲放大器放大,經(jīng)由混頻器變換,這個(gè)被變換的信號在送入解調(diào)器(DEM)之前被放大和濾波,經(jīng)解調(diào)器解調(diào),解調(diào)后的數(shù)字信號在DOUT端輸出。而在發(fā)射模式中,壓控振蕩器的輸出信號是直接送入到功率放大器,DIN端輸入的數(shù)字信號被頻移鍵控后饋送到功率放大器輸出。由于采用了晶體振蕩和PLL合成技術(shù),頻率穩(wěn)定性極好。
 
2.2天線端的分析
 
天線的輸入/輸出,當(dāng)NRF403是接收模式時(shí),ANT1和ANT2引腳端提供射頻輸入到低噪聲放大器;當(dāng)NRF403為發(fā)射模式時(shí),從功率放大器提供射頻輸出到天線。天線連接到nRF403是差動形式,天線通道推薦的負(fù)載阻抗是400歐姆。功率放大器輸出級有差動結(jié)構(gòu)的2個(gè)集電極開路的晶體管組成,電源VDD到功率放大器必須通過集電極負(fù)載供電。當(dāng)連接差動回路天線到ANT1/ANT2引腳端,電源將通過回路天線的中心供電。
 
單端天線連接到NRF403時(shí),使用差動到單端匹配網(wǎng)絡(luò),如圖2所示:
 
單端天線也可以使用8:1射頻變壓器連接到NRF403,工作在315MHZ上。射頻變壓器必須有一個(gè)中心抽頭,用于電源供電。
 
2.3基于NRF403的無線接收電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)選定NRE403作為要用的芯片后,我們要
 
基于NRF403的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收電路設(shè)計(jì)
 
2.3.1濾波器部分的分析
 
首先我們先研究本電路的濾波器部分。濾波器是一種能夠選擇通過或阻止某頻段信號的電路。根據(jù)其通過信號的頻率可分為低通濾波器,高通濾波器,帶通濾波器和帶阻濾波器。
 
濾波器一般采用LC,RC,LCR,LR元件構(gòu)成。本電路中從第4引腳接出的便是一個(gè)濾波網(wǎng)絡(luò),它與芯片內(nèi)部的鎖相環(huán)相連,從它的電容,電阻的連接方式我們可以簡單看做是一個(gè)無源比例積分濾波器。
 
2.3.2晶體振蕩器部分的分析
 
基于NRF403的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收電路設(shè)計(jì)
 
基于NRF403的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收電路設(shè)計(jì)
 
3 無線傳輸距離的分析
 
芯片的無線傳輸距離同樣是我們所必須考慮的一個(gè)問題。所謂無線傳輸距離就是信號從發(fā)射端被發(fā)出到目的地被接收中間所經(jīng)過的距離,它是現(xiàn)實(shí)的工程設(shè)計(jì)很重要的一個(gè)參數(shù)。在工作頻率固定的前提下,影響工作距離的主要因素包括發(fā)射功率、發(fā)射天線增益、傳播損耗、接收天線增益、接收機(jī)靈敏度等,通過加大發(fā)射功率,提高天線增益,提高接收機(jī)靈敏度均起到提高通信距離的作用。
 
在影響無線通信距離的以上幾個(gè)因素中,作為設(shè)計(jì)者可以控制的因素有:發(fā)射輸出功率,RX-天線增益,TX-天線增益和接收靈敏度四個(gè)因素。而設(shè)計(jì)者不能控制的因素:傳輸損耗,路徑損耗,多徑損耗,周圍環(huán)境的吸收幾個(gè)因素,因?yàn)檫@些因素是由無線電波的特點(diǎn)所決定的,無法由設(shè)計(jì)者所改變。為了可以滿足所需要的無線傳輸距離,作為設(shè)計(jì)者必須采取一定的措施來增加芯片的傳輸距離。
 
上面提到的幾個(gè)設(shè)計(jì)者可以控制的因素有提高發(fā)射輸出功率,提高天線的增益和提高靈敏度,它們都可以提高無線傳輸?shù)木嚯x。通常設(shè)計(jì)者會考慮采用加大發(fā)射功率的方式來提高通信距離,但這不是一個(gè)好的辦法。因?yàn)槭褂霉β史糯笃鲿艽蟪潭鹊脑黾酉到y(tǒng)的成本,功放本身的價(jià)格就很昂貴,而且是易損耗的器件,再加上要與發(fā)射網(wǎng)絡(luò)匹配和自身所需要的數(shù)量很多的外圍元器件,這些都會增大系統(tǒng)的成本。最后,雖然功放可以在一定程度上增加輸出功率,可它也同時(shí)放大了信號中的噪聲,而且會產(chǎn)生諧波干擾,使有用信號的可靠性和信噪比下降,可能影響通信的距離。
 
由于功放的種種不足,在實(shí)際中使用提高天線增益的方法更為科學(xué)。下面具體研究如何增加傳輸距離。由于無線通信環(huán)境的不確定性,預(yù)測各種環(huán)境下的傳輸效果是不可能的,取決于以下因素的影響:路徑損耗,建筑物影響,人體影響,外界干擾,多徑現(xiàn)象,周圍環(huán)境的吸收等。我們只能在一個(gè)給定的條件下進(jìn)行測試和評估。
 
基于NRF403的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收電路設(shè)計(jì)
 
同樣這是在假設(shè)發(fā)射功率為最大10dbm時(shí),而且天線的增益為0db時(shí)的傳輸距離,而在我們實(shí)驗(yàn)時(shí)由于各種損耗和電源電壓的原因,發(fā)射功率并不能達(dá)到10dbm,而且我們使用的天線也不是很好的定向高增益天線,可能達(dá)不到0db,在實(shí)際的測試中,在開闊地帶的傳輸距離只有300m到500m,而在阻擋物較多的辦公樓中只有100m左右。
 
4 結(jié)論
 
最后將設(shè)計(jì)好的無線數(shù)據(jù)接收電路與MSP430單片機(jī)所構(gòu)成的處理器模塊相連接,接收發(fā)射電路發(fā)送來的數(shù)據(jù),解調(diào)以后數(shù)據(jù)的錯誤率低于我們的應(yīng)用要求,而且由于功耗較低,更換一次電池可以使用半年之久;傳輸距離也滿足我們要求的1公里。綜上所述有很好的應(yīng)用效果。
 
 
 
 
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