單片機無線串行接口電路設計

介紹一種采用MICRF102單片發射器芯片、MICRF007單片接收器芯片構成的單片機無線串行接口電路。
關鍵詞：單片機 串行接口 射頻收發器

1 概 述

　　單片機無線串行接口電路由MICRF102單片發射器芯片、 MICRF007單片接收器芯片組成，工作在300~440 MHz ISM頻段；具有ASK調制和解調能力，抗干擾能力強，適合工業控制應用；采用PLL頻率合成技術，頻率穩定性好；接收靈敏度高達 －96 dBm，最大發射功率達－2.5 dBm；數據速率可達2 Kb/s；低工作電壓：4.75~5.5 V；功耗低，接收時電流3 mA，發射時電流7.75 mA，接收待機狀態僅為0.5μA，發射待機狀態僅為1.0μA；可用于單片機之間的串行數據無線傳輸，也可在單片機數據采集、遙測遙控等系統中應用。

2 電路組成及工作原理

2.1 無線發射電路

　　無線發射電路如圖一所示，電路以MICRF102為核心。MICRF102是Micrel公司推出的一個單片UHF ASK發射器，采用SOP(M)-8封裝，芯片內包含有：由基準振蕩器、相位檢波器、分頻器、帶通濾波器、壓控振蕩器構成的合成器，發射偏置控制，RF功率放大器，天線調諧控制和變容二極管等電路，是一個真正的"數據輸入－無線輸出"的單片無線發射器件。UHF合成器產生載頻和正交信號輸出。輸入相位信號（I）用來驅動RF功率放大器。天線調諧正交信號（Q）用來比較天線信號相位。天線調諧控制部分檢測天線通道中發射信號的相位和控制變容二極管的電容，以調諧天線，實現天線自動調諧。功率放大器輸出受發射偏置控制單元控制。ASK/OOK調制，提供低功耗模式，數據傳輸速率為20 kb/s。

　　使用中應注意的問題是：（1）REFOSC（引腳4）是基準振蕩端，連接晶振到地，或采用AC耦合方式輸入峰-峰值為0.5 V的時鐘脈沖。發射頻率是基準振蕩器頻率的32倍：基準振蕩頻率×32=發射頻率。如果使用外接時鐘信號，須采用AC耦合方式，輸入信號幅度峰-峰值為 200~500 mV。（2）MICRF102使用差分輸出去驅動天線負載。功率放大器輸出級包含有一個變容二極管，它自動與天線的電感調諧，以保證諧振在發射頻率上。典型的PCB導線天線的電感與回路的尺寸、天線導線的寬度、PCB銅泊的厚度和接地板的位置有關。設計時一般選擇變容二極管的電容值為6.5 pF。天線電感L由公式L=1/(4π2f2C)計算。（3）功率放大器的輸出功率與PC端（引腳1）上的電壓有關。正常工作時，該引腳端上的電壓被設置在0.2~0.4 V之間。PC端上的電壓上升，輸出功率加大；但是，如果PC端上的電壓超過0.4 V，功率放大器被限流，輸出功率不再增加。減少PC端的電壓可降低電源功率消耗，同時也會減少RF輸出功率。（4）STBY端（引腳5）是待機模式控制。接VDD為發射方式，接VSS為待機模式。（5）MICRF102芯片對電源紋波敏感，正確地電源旁路是必需的，一般使用4.7μF、 0.1μF、100 pF 3個電容并聯在VDD和VSS之間。

2.2 無線接收電路

　　無線接收電路如圖2所示，電路以MICRF007為核心。MICRF007是Micrel公司推出的單片UHF ASK/OOK(導通-關斷鍵控)超外差無線電接收芯片。MICRF007采用SOP(M)-8封裝，芯片內電路可分為UHF下變換器、OOK解調器和基準控制三部分。UHF下變換器包含RF放大器、混頻器、中頻放大器、帶通濾波器、峰值檢波器、合成器、AGC控制電路；OOK解調器包含低通濾波器、比較器；基準控制電路包含基準振蕩器和控制邏輯電路。僅需外接2個電容器CAGC和CTH，1個晶振以及電源去耦電容即可構成1個UHF ASK接收器，所有的RF和IF調諧都在芯片內自動完成，是一個真正"無線輸入－數據輸出"的單片器件。

　　MICRF007是標準的窄 RF帶寬的超外差接收器，窄帶寬接收器對RF干擾信號不敏感。RF中心頻率由完全集成的PLL/VCO頻率合成器控制，與基準振蕩器外接晶振有關。中頻帶通濾波器的帶寬為430 kHz，基帶解調器的低通濾波器帶寬為2.1 kHz。接收數字ASK信號，接收器數據傳輸率為2 Kb/s。

　　使用中應注意的是：（1）MICRF007是一個窄帶寬接收器，要求發射電路必須使用SAW或晶振穩頻。（2）如果接收器處于高噪聲環境，在天線ANT 端和VSS之間可以連接一個固定數值的帶通網絡，以提供接收選擇性和輸入過載保護。（3）基準振蕩器可通過REFOSC端（引腳8）外接晶振或輸入時鐘信號。基準振蕩器的頻率fT是外接晶振頻率的64.5倍。對于超外差接收器本機振蕩頻率fLO和發射頻率fTX的差值必須等于中頻的中心頻率。因此，發射器的頻率fTX（即接收器接收頻率）、基準振蕩器頻率fT和本機振蕩器頻率fLO的關系為：fT = fLO/64.5，fLO = fTX±(1.064fTX/390)。（4）SHUT端（引腳6）控制接收器使能，當SHUT端電壓VSHUT為高電平時，芯片進入低功耗待機模式，電流消耗僅為0.5μA；當VSHUT為低電平（下拉到地）時，芯片使能，為接收狀態。（5）CTH端（引腳4）上的解調信號的直流值作為比較器的基準閥值。CAGC端（引腳7）外接電容C2可增加輸入動態范圍。（6）MICRF007芯片對電源紋波敏感，正確地電源旁路是必需的。一般使用4.7μF、 0.1μF、100 pF 3個電容并聯在VDD和VSS之間。

2.3 單片機串行接口電路

　　無線收發電路可以直接與常用的單片機如8051、68HC05、PIC16C5X等連接，實現單片機與單片機之間的串行數據無線傳輸，連接電路如圖3所示。

結束語

　　實驗表明：所設計的單片機串行接口無線收發電路結構簡單、工作可靠，可方便地在單片機與單片機之間，構成一個點對點、一點對多點的無線串行數據傳輸通道。

　　使用中應注意的問題是：① 在發射模式下，通信速率最高為2 Kb/s；發送數據之前須將電路置于發射模式(MICRF102的第5腳STBY = 1)；接收模式轉換為發射模式的轉換時間至少5 ms；可以發送任意長度的數據；發送結束后應將電路置于接收模式(MICRF007的第6腳SHUT = 0)；發射模式轉換為接收模式的轉換時間至少5 ms。② 在待機模式（MICRF102的STBY= 0，MICRF007的SHUT = 1）下，電路不發射/接收數據。設計串行通信程序應考慮：雙方通信的協議，有效數據識別標志，數據的檢錯、糾錯和校驗。