《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種480 MHz無線數(shù)傳模塊的設(shè)計(jì)
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2012年第6期
嚴(yán) 冬，黃 聃，王 平，彭 杰，朱柏寒
重慶郵電大學(xué) 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065
摘要： 針對(duì)中國(guó)智能電網(wǎng)開放的免費(fèi)無線計(jì)量頻段，設(shè)計(jì)了一種可工作在470 MHz～510 MHz、中心頻率為480 MHz、輸出功率可調(diào)的無線數(shù)傳模塊。模塊采用MSP430F2274單片機(jī)和射頻芯片CC1100E設(shè)計(jì)，利用 EDA軟件ADS2008仿真優(yōu)化了射頻電路的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。最后對(duì)無線模塊輸出功率、通信距離等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng) RF ADS CC1100E
中圖分類號(hào)： TN92
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B
文章編號(hào)： 0258-7998(2012)06-0041-03
The design of the 480 MHz wireless module
Yan Dong，Huang Dan，Wang Ping，Peng Jie，Zhu Baihan
Key Laboratory of Industrial Wireless Network & Network Control, Ministry of Education, Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China
Abstract： With China′s opening free radio measurement frequency band for the free wireless smart grid, wireless data transmission module working on 470 MHz～510 MHz(the center frequency of 480 MHz) is designed, whose output power is adjustable. MSP430F2274 microcontroller and RF module CC1100E chip are applied in this design. And the simulation is done by using EDA software ADS2008 to optimize the ouput matching network of the RF circuit. Finally, the wireless module output power, communication range and other parameters were tested and verified.
Key words : IOT；RF；ADS；CC1100E

    近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展，470 MHz～510 MHz已經(jīng)作為中國(guó)智能電網(wǎng)的免費(fèi)計(jì)量頻段開放使用。新的無線頻段的開放又大大推動(dòng)了射頻電路的發(fā)展，在處理射頻電路的實(shí)際設(shè)計(jì)問題時(shí)，總會(huì)遇到一些非常困難的工作，RF收發(fā)芯片的輸出阻抗匹配電路就是其中之一。

    本文將采用EDA軟件ADS2008輔助設(shè)計(jì)工作在470 MHz～510 MHz的無線模塊，解決工作頻率為480 MHz的射頻電路的阻抗匹配問題，使得電路的輸出網(wǎng)絡(luò)部分獲得良好的阻抗匹配特性。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中射頻電路的設(shè)計(jì)過程得到簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)成本明顯降低，設(shè)計(jì)周期大大縮短。
1 總體結(jié)構(gòu)概述
    根據(jù)應(yīng)用需求以及功能要求，數(shù)傳模塊的設(shè)計(jì)主要包括五個(gè)基本部分：傳感器接口、主處理器、射頻芯片、供電單元以及擴(kuò)展I/O接口。傳感器接口負(fù)責(zé)連接傳感器，對(duì)所關(guān)心的物理量進(jìn)行測(cè)量并采集數(shù)據(jù)，提供給處理器單元進(jìn)行處理；處理器單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、控制射頻芯片的收發(fā)工作；射頻芯片負(fù)責(zé)交換控制信息和相關(guān)數(shù)據(jù)；供電單元負(fù)責(zé)為節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量；擴(kuò)展I/O接口可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)平臺(tái)功能的擴(kuò)展，以適應(yīng)多種應(yīng)用場(chǎng)合。節(jié)點(diǎn)的硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 數(shù)字電路部分設(shè)計(jì)
2.1 數(shù)據(jù)處理單元
    本設(shè)計(jì)中主控制器采用TI公司的16 bit單片機(jī)MSP430F2274。這款芯片是一個(gè)16  bit、具有精簡(jiǎn)指令集（RISC）、超低功耗的混合型單片機(jī)，其片上集成了豐富的外圍模塊，包括看門狗、定時(shí)器、硬件乘法器、A/D轉(zhuǎn)換器等[1]，根據(jù)其運(yùn)行打開的模塊數(shù)目不同（即采用不同的工作模式），芯片的功耗有著顯著的差異，除了正常的活動(dòng)模式外，它還具有5種低功耗模式(LPM0~LPM4)，待機(jī)模式下功耗為2.1 μW。利用JTAG接口，可以對(duì)片內(nèi)Flash方便編程，便于軟件的升級(jí)，非常適合作為低功耗無線傳感器節(jié)點(diǎn)的微控制器。
    本設(shè)計(jì)中為了降低功耗，不采用外部晶振?？刂破鞴ぷ麟妷簽?.3 V，當(dāng)采集數(shù)據(jù)完成并發(fā)送成功以后，處理器進(jìn)入省電模式，工作在LPM3模式下。
2.2 數(shù)據(jù)傳輸單元
    CC1100E是一款Sub-GHz高性能射頻收發(fā)器，適于極低功耗的RF應(yīng)用，尤其適合于那些針對(duì)中國(guó)470 MHz～510 MHz短距離通信設(shè)備的無線應(yīng)用[2]。CC1100E的發(fā)射電流60 mA～130 mA，接收靈敏度為-112 dBm，當(dāng)空中波特率為1.2 Kb/s、接收電流小于20 mA時(shí)，這些都可以通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)。
    由于CC1100E芯片內(nèi)部含有射頻部分，所以供電電源要和主控制芯片電源采用電感隔離，分成兩路電源，單獨(dú)供電的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。
    CC1100E的4個(gè)SPI通信管腳(SI，SO，SCLK，CSn)分別連接到相應(yīng)MSP430F2274的4個(gè)SPI引腳，即MOSI、MISO、UCLK、MCLK上。設(shè)置處理器為主機(jī)模式，CC1100E為從機(jī)模式。當(dāng)處理器將CSn信號(hào)置為低電平時(shí)，處理器可以對(duì)CC1100進(jìn)行寄存器讀寫和功能配置。完成相關(guān)的配置以后，處理器就能控制CC1100E芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線收發(fā)和休眠模式的切換。
3 射頻前端電路設(shè)計(jì)
    CC1100E芯片工作在480 MHz時(shí)輸出阻抗是132+j2 Ω，通過巴倫電路使得差分輸出變成一路輸出，通過輸出阻抗匹配電路，連接到50 Ω天線。因此需要設(shè)計(jì)輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)部分。如何確定阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的微帶傳輸線和元件的類型、參數(shù)以及連接關(guān)系，是射頻阻抗匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。射頻前端阻抗匹配設(shè)計(jì)主要包括：(1)50 Ω微帶傳輸線的選型及相關(guān)參數(shù)的確定；(2)輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中元件的類型、參數(shù)以及連接關(guān)系的確定。
3.1 RF電路微帶傳輸線的設(shè)計(jì)
    在實(shí)際實(shí)施中，當(dāng)電路的頻率達(dá)到射頻甚至微波頻率時(shí)，電路之間的連線就要用微帶線。微帶線在電路中的主要作用有兩個(gè)：一是設(shè)計(jì)成具有一定特性阻抗的微帶線，可以有效地傳輸高頻信號(hào)；二是與其他固體器件如電感、電容等構(gòu)成一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)，使信號(hào)輸出端與負(fù)載很好地匹配，從而可以使信號(hào)傳輸過程中的功率損耗減到最小[3]。
3.1.1 50 Ω微帶線的計(jì)算
    首先要設(shè)計(jì)480 MHz下特征阻抗為50 ?贅的微帶線。微帶線的厚度、寬度、微帶線與地層的距離以及電介質(zhì)的介電常數(shù)決定了微帶線的特性阻抗。在PCB板材材料、板厚確定的情況下，特征阻抗Z0=50 ?贅只取決于微帶線的寬度[4]，w/h按照下式計(jì)算：
 
3.2 輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)CC1100E芯片輸出阻抗匹配電路，然后版圖結(jié)合實(shí)際元件模型對(duì)輸出阻抗匹配電路的S參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
3.2.1 利用Smith圓圖設(shè)計(jì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)
    CC1100E芯片差分輸出阻抗經(jīng)過巴倫電路轉(zhuǎn)換成單端阻抗，差分阻抗通過巴倫電路轉(zhuǎn)換的單端輸出阻抗為79.5+j*6.7 Ω。在史密斯原圖工具設(shè)置源阻抗為79.5-j*6.7 Ω，負(fù)載阻抗為50 Ω。使用LC元件搭建的阻抗匹配電路如圖3所示。

 

 

    可以看出，未優(yōu)化的電路的S參數(shù)很不理想，無法得到最佳的匹配網(wǎng)絡(luò)性能。因此使用OPTIM優(yōu)化控件對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)的無源器件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。首先添加OPTIM優(yōu)化控制器，設(shè)置優(yōu)化器重復(fù)運(yùn)行次數(shù)Maxlter為125次。將組成匹配網(wǎng)絡(luò)的電容和電感設(shè)置為可優(yōu)化，然后添加兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)控件GOAL，優(yōu)化目標(biāo)S11<0.1即-20 dB；S21>0.7即-3 dB。進(jìn)行多次優(yōu)化，組后得到優(yōu)化后的S11和S21參數(shù)如圖5所示。

   通過多次優(yōu)化仿真，S11達(dá)到-33.518 dB，S21達(dá)到-0.314 dB，輸出匹配電路網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)得到優(yōu)化。根據(jù)

    在空曠場(chǎng)地進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，最大穩(wěn)定通信距離可達(dá)到160 m，數(shù)據(jù)丟包小于2%，設(shè)計(jì)符合指標(biāo)要求。
    根據(jù)實(shí)際要求，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了工作在470 MHz～510 MHz的無線數(shù)傳模塊。由測(cè)量得到的數(shù)據(jù)可知，通過優(yōu)化阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，大大減小了輸出功率的損耗。由于受設(shè)備和測(cè)量條件的限制，對(duì)其他一些參數(shù)并未進(jìn)行測(cè)量，這是下一步需要完善的地方。當(dāng)有特殊應(yīng)用場(chǎng)合需較大通信距離時(shí)，可以在CC1100E的輸出端加上功率放大器，提高發(fā)射功率；在RF輸入端加一級(jí)低噪聲放大器，以提高接收靈敏度。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)也是日后的工作重點(diǎn)之一。
參考文獻(xiàn)
[1] Texas Instruments公司.MSP430f2274數(shù)據(jù)手冊(cè).2010.
[2] Texas Instruments公司.CC1100E中文數(shù)據(jù)手冊(cè).2010.
[3] 李樹翀，韓振宇，劉新宇，等.RF模塊中微帶線的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2005，30(2)：51-52.
[4] 清華大學(xué)微帶電路編寫組.微帶電路[M].北京：人民郵電出版社，1976.
[5] 李麗，廖海洲.基于Ansoft Designer的射頻功放電路阻抗匹配優(yōu)化[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008，(12)：138-144.
[6] 徐興福.ADS2008射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009：180-190.

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