如何創造經濟實惠的無線感測器網路(上)
- 周維棻
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經濟實惠且能高度整合的單晶片通用ISM頻帶FSK收發器，結合了嵌入式低成本微控制器後，能在無線感測技術的應用上創造出相當具吸引力的選擇方案。將兩項技術簡單結合後，便能創造構造基本的ISM頻帶915MHz射頻(Radio Frequency；RF)網路，進行遠端溫度感測器、基本動態偵測技術的應用。
本文將定義1個基本RF架構如何實現對無線感測器的即時監控，以及本架構如何透過簡單修改來適應需要即時無線監控或控制介面的應用系統。
高度整合的RF收發器(例如，RFM生產所使用433、868以及915 MHz ISM頻帶的TRC102)藉著更加經濟實惠的成本優勢拓展其應用。這些設備通常具有串列通訊介面，可通過SPI或I2C介面，輕易連接各種嵌入式MCU。
遠端無鑰門禁(Remote Keyless Entry；RKE)系統中常用的1種無線電調變方法是振幅調變(Amplitude Shift Keying；ASK)，通過改變頻率固定的載波振幅來傳送數據。數據的編碼方式為最大振幅表示“1”(傳號)，零振幅(功率放大器[PA]關閉)表示“0”(空號)，則該調變方法稱為開關鍵控(On-Off Keying；OOK)。這類系統較常使用於單向應用，使用此調變格式可實現簡單且成本較低的傳輸器設計。
RF收發器解決方案中通常選擇的RF調變方案為頻率調變(Frequency Shift Keying；FSK)。以通過平均頻率(或載波頻率)的任一側對載波頻率進行位移來達到實現，而載波在載波頻率一側的位移量稱為誤差。相對於ASK調變，FSK調變具有多種優勢：振幅調變對振幅和噪音的變化非常敏感，採用FSK編碼的傳送對信號衰減或其他與振幅相關的干擾具更強的免疫能力。
雖然FSK系統的頻寬表面上是從f0–∆f到f0+∆f，但實際上，兩個頻率之間的轉移速度會產生額外的頻譜內容，因此，頻寬的延伸要大於f0–∆f到f0+∆f的範圍。FSK調變被認為是更加可靠且較能免除噪音干擾的傳輸方式。為了實現成功的設計，有必要更深入地了解FSK調變無線連結。
收發器是既可以發送又可以接收RF數據的設備。可以同時發送和接收數據的收發器系統稱為全雙工系統，反之，在一定時間內只能發送或接收的系統稱為半雙工系統。因此，半雙工系統只使用1個載波頻率，且兩個終端共享同一頻率。全雙工系統則使用兩個載波頻率，分別稱為上行頻率和下行頻率。在本文中，考量遠端感測器的流耗限制，使用半雙工方法。
晶振準確度
FSK調變收發器所使用的晶體振盪器在準確度上非常重要，於此，專用的FSK系統使用百萬分率(parts per million；ppm)誤差值極低的高準確度晶體振盪器。晶體振盪器的準確度越高，發送與接收頻率的偏移越少，誤差和基頻頻寬也就越小。如今，品值較好的晶體振盪器，其ppm值應小於等於40。晶體振盪器的ppm值代表著準確度，ppm值越低表示晶體振盪器的品值越好。透過圖2所示，可看到晶體振盪器對於兩個收發器之間發送/接收頻率的影響。晶體振盪器越準確，基頻過濾器的頻寬就可以配置得越窄，從接收器基頻中濾除的無用RF噪音也就越多。
電路佈線注意事項
任何RF設計，在布置印刷電路板(Printed Circuit Board；PCB)時所選擇的關鍵元件以及設計做法上是否合理，對於確保實現良好的總體RF效能是相當關鍵的決定。
強烈建議使用收發器設備製造商所推薦的PCB布線，因為其所提供的RF設計已通過測試和驗證。從參考石英晶體位置到FSK收發器的XTAL輸入接腳的PCB走線應盡可能縮短；而對於TRC102收發器，從天線輸出端到天線饋線的走線也應盡可能縮短。
最後，在PCB上設1排灌孔使正反兩面的地線可以連接在一起。放置這些灌孔的目的是提供牢固的接地連接以及使電位均衡，以免出現任何可能的自生振盪，兩個灌孔的間距應在5~6 mm左右。如果需要提供牢固的接地連接，可以放置更多灌孔。
收發器初始化
在使用任何RF收發器無線電設備之前，都必須對其進行初始化，通常會通過控制介面寫入一系列串列命令來進行設備初始化。通常，可配置的參數包括頻帶選擇、基頻頻率濾波器頻寬、輸出功率管理控制、數據緩衝配置、數據傳輸速率以及先進先出(First In First Out；FIFO)緩衝器控制。
收發器操作
收發器通過將中斷輸出線的電位拉低來向主機MCU發出中斷請求。這表示發生以下事件之一：
●發送(TX)暫存器已準備好接收下一位元。
●接收(RX) FIFO已達到預定的接收位數。
●Power-on-Reset(POR)確認。
●發生了FIFO溢出位/TX暫存器下溢。
主機MCU收到來自收發器的中斷請求後，會通過讀取收發器的狀態位來確定中斷源。然後，MCU會決定所需的下一個串列命令以繼續通訊或使收發器斷電。
數據緩衝
大多數收發器設備中都會有1個FIFO緩衝器。如果數據FIFO產生，則收到的數據流在時鐘控制下進入16位元緩衝器。收發器只有在同步模式電路檢測到有效數據包後才開始填充FIFO，這可防止隨機錯誤數據裝入FIFO。FIFO達到預定義位數後，設備的中斷輸出接腳上將發出緩衝器已滿訊號；此接腳上的邏輯電位“1”則表示RX FIFO中已達到預定的位數限制。收發器中產生中斷的電位可通過FIFO和重設命令設置。有關這些配置暫存器的詳細訊息，請參考設備數據手冊。
對於我們的應用，此值已設置為8位元，這樣在發送/接收過程中可以將數據逐位載入FIFO。這只適用於通過配置設置命令的FIFO模式。SPI緩衝器的讀取操作會使RX FIFO重設已接收位元，並使中斷輸出接腳恢復到零邏輯電位。
至此，我們介紹了如何實現可即時監測感測器行為的基本RF遠端感測器網路。低成本RF收發器與MCU(如PIC18F14K50)的結合簡化了此類系統的開發。遠離無線感測器系統的時代無疑已經過去。下週將介紹本文所述架構於即時無線監測的各種應用，以及在遠端感測器系統可以容許更大延時的情況下，可以使用的其他RF通訊協議。
(本文由Microchip Technology Inc. 安全、MCU與技術開發部門應用工程師Cristian Toma與應用工程經理Vivien Delport提供，周維棻整理)
