超低功耗无线数传系统设计策略

引言
    目前，无线通信技术已经成为一大热点，而系统设计的微型化、低功耗成为发展的必然趋势。在保证系统工作可靠性的前提下，如何实现系统低功耗是无线数据传输系统亟待解决的一个主要问题。本文利用MSP430超低功耗单片机和2．4 GHz ISM频段的射频芯片EMl98810设计了一种低功耗的无线数据传输系统。该系统使用干电池供电，可广泛应用于电池供电的自动化数据采集系统、无线遥控、无线鼠标、无线键盘、无线电子标签、遥控玩具，以及水、气、热、电等居民计量表具无线远传自动抄表。

1 系统概述
    目前在2．4 GHz频段的集成射频芯片有多种，性能各有差异，表1列出了几种常用芯片的性能特点。

    本系统采用MSP430F247单片机和EMC公司的EMl98810芯片进行设计。MSP430系列单片机是一个16位精简指令集(RISC)微处理器。它具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址，4种目的操作数寻址)，简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；具有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8 MHz晶振驱动下指令周期为125 ns；中断源较多，并且可以任意嵌套；当系统处于省电的备用状态时，用中断请求唤醒只用6μs。MSP430系列单片机的电源电压采用1．8～3．6 V，其在1 MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流为200～400μA左右，时钟关断模式最低只有O．1 μA。
    EMl98810芯片内建2．4 GHz GFSK射频收发器，带有8位数据帧无线收发功能，前导区可以设置为1～8字节，支持1～4个字地址(最多可达64位)，最大数据传输速率为1 Mbps，允许长数据包传送；频率范围为2 400～2 482 MHz(81信道)，传输距离100 m(PCB天线)，RF输出功率2 dBm，接收灵敏度在-85 dBm以上，采用SPI数字编程接口，接口电压为2．5～3．7 V。该芯片发射功率可数字编程调节，通过寄存器的设置很容易实现低功耗模式；内建多种纠检错功能，采用各种有效载荷数据格式来消除直流漂移量；支持FEC的1／3、2／3纠检错功能和CRC16检错功能。内部具有FIFO和DIRECT两种工作模式：FIFO模式简单易用，对MCU要求不高，发射和接收各有64字节的缓冲区，一次发送、接收可以最多处理64字节数据；DIRECT模式对MCU要求较高，需要MCU处理各种纠检错功能。

2 系统设计
2．1 系统硬件设计
    图1是MSP430F247单片机和EMl98810的连接示意图，通过SPI总线与RF芯片相连。实际电路连接如图2所示。

2．2 系统软件设计
    数据包格式如下：

    其中，前导区可配置为1～8字节，同步字可配置为16、32、48或64位；前导尾区可配置为4、6、8……18位；数据区可为NRZ码、Manch-ester码、8／10位码、带FEC的数据4种格式。
    系统上电后，先使EMl98810的RESET_n引脚为低电平，以保证芯片有效复位；再使此引脚为高电平，BRCLK脚会产生12 MHz的时钟；然后进行相关寄存器初始化。初始化程序流程如图3所示。

 其中，Reg48为数据帧格式配置寄存器，需要设置前导区的长度(默认为3字节)，同步字长度默认为64位，前导尾默认长度为4位，数据默认为NRZ格式。该寄存器的第2位为1则配置为睡眠模式，第3位为1则配置为待机模式。Reg49～51用于设置发射和接收的延迟时间。Reg52～55用于设置同步控制字，默认全部为0000H。Reg57用于配置是否启用CRC校验、包长度控制方式等。Reg48～57详细配置数据如下：

Reg0～28主要是配置发射功率、VCO、RSSI、接收延时、通道选择与控制、AMS测试及控制、BPF和AGC控制、发射与接收数据控制、直流漂移控制、PLL同步控制、数据收发的时序控制、N／VCO参数控制、时钟等。Reg0～28详细配置数据如下：

    Reg0～28初始化完成后再延时2 ms，就可以直接进行数据的收发了。特别要注意的是，帧寄存器Reg48～57必须在RFIC寄存器Reg0～28之前初始化。所有寄存器读写和收发的数据都是通过SPI接口进行的，并且只支持从模式，SPI操作时序如图4所示。在芯片第28脚LDO_TUNE接地时(R1断开，R2接O Ω电阻)，其数据在SPI_CLK时钟的上升沿有效；当LDO_TUNE接VDD时(R2断开，R1接0 Ω电阻)，数据在SPI_CLK时钟的下降沿有效。只要SPI_SS为高电平，寄存器中的数据就保持不变；只有SPI_SS为低电平时，才能重新改写寄存器中的内容。

    EMl98810有两种检测收发数据包长度的方法：一种是自动在数据帧内检测出来，最大帧长度不能超过255字节。先设置Reg57的第13位为1，则发送或接收数据区中的第1个字节就代表数据的长度，帧控制器会自动控制收发开始与停止。另外一种是保持发射或接收的状态不变，通过外接MSP430F247来控制数据包的正确发送与接收。
发送数据流程如图5所示。在发射数据时，先设置Reg7的第8位为1，允许在内部状态机控制下进入数据发射状态，再设置Reg7的O～6位为所选通道。在发送前导尾区数据前，MSP430F247必须将数据放人FIFO中，如果数据长度超过63字节，应该分多次写入。FIFO_flag=1表示FIFO为空，MSP430F247利用此信号作为中断请求，保证发送数据写入FIF0的实时性，在数据发送完成后PKT_flag=1。

    如果设置Reg7[7]=1和Reg7[O～6]为与发射相同的通道，则芯片进入自动接收状态，接收数据流程如图6所示。当检测到同步字后会自动进行数据包的接收解码，接收完成后进入待机模式。如果接收数据超过63字节，则有FIFO_flag=1，MSP430F247利用此信号作中断请求以保证读出数据的实时性。

    在进行超低功耗设计时，MSP430F247可以设置定时器中断。平常处于LPM3或LPM4模式，要发送数据时产生定时器中断，同时控制EMl98-810处于待机或睡眠模式。MSP430F247工作在LPM3模式下电流为O．8μA左右，LPM4模式下电流为0．1μA左右。EMl98810正常情况下发射电流26 mA，接收电流25 mA，待机电流1．9mA；睡眠模式下为3．5μA。若将EMl98810设置为睡眠模式，将MSP430F247设置为LPM3模式，则系统耗电仅为4．3μA，使用干电池供电完全可行。
    MSP430F247通过SPI接口与EMl98810相连，进入LPM3模式和退出LPM3模式的程序如下：

    将EMl98810的Reg48的第2位设置为1，并将SPI_SS设为高电平，则进入睡眠模式；如再将SPI_SS设为低电平，则EMl98810会自动唤醒，退出睡眠模式。

结语
    经过实际电路连接后测试，数据发送端在进行500kbps速率下连续发送数据时，整个系统电流为28．2 mA，接收数据端的电流为26．1 mA；当发射端进入到睡眠模式时电流为5．2μA；当接收端进入待机状态LPM3后，整个系统电流为l．9 mA。按照2节干电池容量1 300 mAh计算，间隔1 min发送100字节数据，考虑单片机模式切换时间，则在500 kbps速率下：
    发送数据所需时间为5 ms，1小时耗能：
    28．2mA×5ms×60次=8460(mA·ms)
    睡眠模式下1小时耗能：
    5．2μA×3600S×1000ms=18720(mA·ms)
    发送状态下可以工作的时间为：
    (1300mA×3600S×1000ms)／(18720+8460)=172185h
    即2节干电池供电时可以工作20年。同样，可以计算出接收状态下可以工作683小时(大约28天)。因此本设计可以适合长期进行低功耗无线数据采集方面的应用。