基于802.15.4射频模块的软硬件设计

　　摘要：本文基于IEEE 802.15.4无线标准对射频模块的软硬件进行了设计。为了增加发射距离,射频部分采用外加功率放大器(PA)的方法。整个射频模块通过ADS2005A仿真,各项性能均达到技术指标,实际电路的测试发射距离达到300米以上;软件部分则着重介绍了数据发送和接收部分。

　　引言

　　多机器人因能更好地协同完成复杂任务而成为机器人学研究的热点，在多机器人系统 中，通讯是其协调运行的基础。基于IEEE 802.15.4的ZigBee是一种新兴的短距离无线网络技 术。低功耗、低成本、短时延、网络自组织、自愈能力强、数据安全等特点使得它成为多机 器人间通信的理想技术。本文就是在这样背景下，基于IEEE 802.15.4的Zigbee技术，探索通 信距离要求达到300米以上的射频增强模块放大硬件电路及数据接收和发送软件模块设计。

　　1 射频放大电路设计

　　1.1 功放芯片及其匹配电路：

　　功放芯片采用的是安华的ATF-55143，该芯片具有高动态范围，高增益，高线性，低噪 声，单电源供电等特点。整个射频电路如图1所示：本设计采用有源偏置，因为射频电路在 工作频率下有产生振荡的趋势，所以放大器必须满足的首要条件是其在工作频段内的稳定性。通常稳定电路方法是在栅极串联电阻，本文采用的方法是在低噪放大管ATF-55143的两 个源极引入负反馈，即分别串联一个1.0nH 的电感。与在栅极引入电阻的方法相比，该方法 能在极少降低放大电路增益的同时，获得更低的噪声和更广带宽内的稳定。

　　放大器与输入输出端信号源和天线的匹配很重要。放大器匹配主要有两种方式:一是以 获得噪声系数为目的的噪声匹配；二是以获得功率传输和反射损耗为目的的共 轭匹配。考虑到本设计要求主要是增加射频通信距离，必须尽量减少反射损耗；另外从发射 源输出的信号信噪比情况比较好，对噪声不是特别敏感，本文采用共轭匹配。

　　1.2 仿真结果：

　　直流偏置关系到 PA 器件低噪放大管ATF55143 的静态工作点。从ADS2005A 给出 的DC-Simulation 仿真结果：栅源电压VGS=0.428V，漏源电压VDS=2.86V，漏源电流 IDS=10.3mA 都与ATF55143 工作在2.4GHZ 的数据手册基本吻合，说明本设计ATF55143 工 作在正常的工作范围内。

　　S21 为输出端口与输入端口信号比值，代表信号的放大情况，理论上是越大越好；但它 和其他参数相互关联，所以一般综合权衡取折中值。输入反射系数S11 为输入端口信号反射 与输入比值，代表输入损耗；输出反射系数S22 为输出端口信号反射与输出的比值，代表输 出损耗。S11 和S22 越大则代表输入或输出损耗越严重，所以应尽量小。一般要求在工作频 域内S11 和S22 小于-10dB，并且越小越好。

　　稳定系数是用来描述放大器是否处于稳定的一个参数。它通过在整个工作频域内的 稳定系数是否大于1 来判定，大于1 则稳定，否则有可能产生自激。增益代表在工 作频段内信号能取得的增益值；增益越大则表明电路放大信号的能力越强。噪声系 数则代表信号经过放大器后，信噪比变坏的倍数。噪声系数越大则信号质量下降越明显，失 真和误码的概率就越大，所以该值应越小越好，一般能小于1 dB。

　　图 2 是ADS2005A 仿真结果，图中给出了3 个S 参数、稳定系数、增益和噪声系 数的值。从图中可以看出工作频域内输入输出反射系数S11,S22 均在-13dB 以下，放大系数 在14dB 以上，稳定系数>1, 增益>15dB,噪声系数约为0.5dB，离1 dB 还有比较远的距 离。各项指标均达到或超过设计要求。

　　2 软件设计

　　发送：发送程序流程图如图3（左）。发送程序首先会通过查询状态字来确保CC2420 允许发送。如果CC2420 允许发送的话，程序先判断发送寄存器是否处于下溢，是则先把发 射寄存器清空，否则直接将需要发送的数据包通过SPI 写入CC2420 的发射寄存器中。然后 等待信道空闲，清理信道*估，SPI 接口触发发送命令，通过状态位判断是否发送成功。如 果不成功则调用CSMS/CA（载波侦听多点接入/避免碰撞）的算法多次尝试；如果发送成功 则向上层返回发送成功的原语。

　　接收：接收程序流程图如图3（右）。进入中断服务函数后，先初始化，后程序检查CC2420 中的接收缓冲是否溢出，如果是则清空接收寄存器后返回；如果没有溢出，则通过SPI 按字 节读出接收寄存器中的数据。如果检测到是回应帧（ACK），则不再继续读取数据并清空 CC2420 的接收寄存器并返回；如果不是回应帧，则根据数据包的长度将数据读入ARM 的 接收缓冲区中，然后返回。

　　图3 发送数据流程（左）和接收数据流程图（右）

　　3 实际电路与测试距离

　　图4 是我们实际做出来射频电路的实物照片，PCB 板材为FR-4,层数为4。上层是信 号层，第2 层是介质绝缘层，第3 层为供电层，底层作为接地层。图中矩形的金属框是射频 电路的墙（接地）：所有射频电路都包含在墙内，墙可以焊接电磁屏蔽罩，以隔断外界对射 频电路的干扰。在天气晴朗，周围电磁波干扰少，射频板天线顶端离地60cm 情况下，实测 通信距离为380 米，达到本文开头提出的300 米的设计要求。

　　4 结论

　　本文基于 IEEE802.15.4 的Zigbee 技术，提出了一种通信距离达到300 米的射频增强模 块的软硬件设计方案。该方案包括射频放大电路硬件设计和Zigbee 数据发送、接收等软件 模块的设计并通过ADS2005A 仿真和制板实测，各项技术指标均达到或超过设计要求。

　　本文作者的创新点：通过在低噪管ATF55143 源端引入负反馈电感的办法，与在栅极引 入电阻的方法相比，在几乎不降低增益的情况下，获得了更广带宽内的稳定性，同时大大降 低了放大器噪声系数。并根据设计做出了实际的电路板，用实际电路板完成通信距离测试， 使设计不停留在理论和仿真上，增加了设计的可信度。

  

参考文献:

[1]. ATF-55143 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ATF-55143_144389.html.
[2]. ATF55143  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ATF55143+_314943.html.
[3]. S11  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/S11+_1617658.html.
[4]. CC2420  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CC2420+_213269.html.
[5]. PCB  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCB+_1201640.html.