《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于MRF24J40的IEEE802.15.4無線收發(fā)器電路設(shè)計
黃智偉 何娜
摘要: 1IEEE802.15.4收發(fā)器芯片MRF24J40IEEE802.15.4無線收發(fā)器MRF24J40芯片內(nèi)部包含有SPI接口、控制寄存器、MAC模塊、PHY驅(qū)動器四個主要的功能模塊。
Abstract:
Key words :

 1 IEEE802.15.4收發(fā)器芯片MRF24J40

  IEEE802.15.4 無線收發(fā)器MRF24J40芯片內(nèi)部包含有SPI接口、控制寄存器、MAC模塊、PHY驅(qū)動器四個主要的功能模塊,支持 IEEE802.15.4,MiWiTM,ZigBee等協(xié)議,工作在2.405~2.48 GHz ISM頻段,接收靈敏度為-91 dBm,最大輸入電平為+5 dBm,輸出功率為+0 dBm,功率控制范圍為38.75 dB,集成有20 MHz和32.768 kHz主控振蕩器,MAC/基帶部分采用硬件CSMA-CA結(jié)構(gòu),自動ACK6和FCS檢測,CTR、CCM和CBC-MAC模式采用硬件加密(AES- 128),電源電壓范圍為2.4~3.6 V,接收模式電流消耗為18 mA,發(fā)射模式電流消耗為22 mA,睡眠模式電流消耗為2μA。

  MRF24J40 采用6 mm×6 mm QFN-40封裝,引腳端封裝形式如圖1所示。圖中:引腳端RFP和RFN分別為芯片的RF差分輸入/輸出正端和負(fù)端,兩者都是模擬輸入/輸出端口,與系統(tǒng)天線相連接;VDD為電源電壓輸入引腳端,每個電源電壓輸入引腳端都必須連接一個電源去耦電容;GND為接地引腳端,必須低阻抗的連接到電路的接地板;GPIOO~GPIO5是通用數(shù)字I/O口,其中GPIO0也被用來作為外部功率放大器使能控制,GPIO1和GPIO2也被用來作為外部TX/RX 開關(guān)控制;RESET為復(fù)位引腳端,低電平有效;WAKE為外部喚醒觸發(fā)輸入端;INT為到微控制器的中斷引腳端;SDO,SDI,SCK和CS是 MRF24J40的SPI接口輸入輸出引腳端,其中SDO是MRF24J40的串行數(shù)據(jù)輸出,SDI是MRF24J40的串行接口數(shù)據(jù)輸入,SCK是串行接口的時鐘,CS是串行接口使能控制引腳端;LPOSC1和LPOSC2為32 kHz晶振輸入正端和負(fù)端;OSC1和OSC2為20 MHz晶振輸入正端和負(fù)端;CLKOUT為20/10/5/2.5 MHz時鐘輸出端;LCAP引腳端用來連接一個180 pF的PLL環(huán)路濾波器電容;XIP和RXQP為接收I通道和Q通道輸出正端。

  

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  2 MRF24J40構(gòu)成的IEEE802.15.4無線收發(fā)電路

  MRF24J40 構(gòu)成的IEEE802.15.4無線收發(fā)電路如圖2所示,各電源電壓引腳端根據(jù)需要分別連接了27 pF,10 nF,100 nF,2.2μF去耦電容器。RF差分輸入/輸出正端RFP和負(fù)端RFN通過L3,L4,G37和C43組成平衡一不平衡變換電路,將MRF24J40的 RF差分輸入/輸出形式轉(zhuǎn)換為單端輸入/輸出形式。L1,C23和C33構(gòu)成π型匹配電路,使平衡一不平衡變換電路阻抗與天線的阻抗相匹配。LPOSC1 和LPOSC2引腳端連接32 kHz晶振和電容,構(gòu)成32 kHz時鐘振蕩器電路。OSC1和OSC2引腳端連接20 MHz晶振和電容,構(gòu)成20 MHz時鐘振蕩器電路。產(chǎn)生的時鐘信號作為芯片內(nèi)部時鐘信號,并可以提供給外部的微控制器使用。

  

MRF24J40構(gòu)成的IEEE802.15.4無線收發(fā)電路

 

  引腳端RESET,WAKE,INT,SDO,SDI,SCK,CS連接到微控制器,在微控制器的控制下完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。

  3印制電路板(PCB)設(shè)計

  3.1 PCB設(shè)計基本要求

  MRF24J40構(gòu)成的IEEE802.15.4無線收發(fā)電路工作頻率范圍為2.405~2.48 GHz,對PCB的設(shè)計有十分高的要求。PCB采用4層結(jié)構(gòu),如圖3所示,分別為信號層,RF接地層,電源布線層和接地層,采用FR4材料。

  

PCB設(shè)計

 

  保持PCB的厚度是十分重要的,任何尺寸的改變將會影響天線的性能或者微帶線的特性阻抗。信號層的50 Ω微帶線為12 mil(1 mil="0".025 4 mm)。應(yīng)避免微帶線的長度超過2.5 cm,當(dāng)線長超過2.5 cm,接近電路板的工作頻率1/4波長時,導(dǎo)線可以象天線一樣工作。除天線外,導(dǎo)線應(yīng)避免尖銳的轉(zhuǎn)角,以減少EMI的產(chǎn)生。當(dāng)周期信號和時鐘進(jìn)行轉(zhuǎn)換時,數(shù)字線容易產(chǎn)生噪聲,布線時應(yīng)避免使射頻信號線接近任何數(shù)字線。電源必須以星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式分配給每個電源引腳端,采用低自感系數(shù)的電容器進(jìn)行退耦。退耦電容器可以采用15~27 pF和100 nF進(jìn)行組合。還有低電阻電解電容必須放置在每個引腳上來適當(dāng)去除耦合噪聲。電感器的自諧振頻率至少應(yīng)該是工作頻率的兩倍。PCB地線設(shè)計盡可能粗,甚至大面積接地,除了天線部分、元器件引線、電源走線、信號線之外,其余部分均可作為地線。

  3.2 PCB天線設(shè)計

  RF差分輸入/輸出正端RFP和負(fù)端RFN連接平衡-不平衡變換電路和兀型阻抗匹配電路,推薦的PCB天線部分布線圖和尺寸(單位:mm)如圖4所示。

  

PCB天線部分布線圖和尺寸

 

  4 MRF24J40的初始化程序

  由MRF24J40構(gòu)成的IEEE802.15.4無線收發(fā)電路必須在微控制器的控制下,才能夠在IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。電路中進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收前,必須完成器件的初始化設(shè)置。MRF24J40的初始化程序如下所示:

  

MRF24J40的初始化程序

 

  5 結(jié) 語

  采用MRF24J40構(gòu)成的IEEE802.15.4無線收發(fā)器電路,支持MiWiTM,ZigBee等協(xié)議,為IEEE802.5.15.4MAC和 PHY物理層提供硬件層,工作在2.405~2.48 GHzISM頻段,接收靈敏度為-91 dBm,發(fā)射輸出功率為+0 dBm,采用4線式SPI與微控制器接口,適合家居自動化、工業(yè)自動化等低數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)膽?yīng)用。作為“全自動哮喘診斷儀”的無線數(shù)據(jù)傳輸通道,效果良好。

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