3线总线收发器XE1201

　　XE1201的原理框图如图1所示，各引脚功能描述如表1所列。由图1可以看出，XE1201主要由接收、发射、本振及3线总线接口四部分组成。

2．1  接收
　　XE1201型3线总线收发器中的接收部分由低噪声放大器（LNA）、下变频器、自激消除模块、基带滤波器以及位同步器等部分组成。其中LNA提供的低噪增益可通过外部电路（分立元件）进行调节，该外部电路由输出LC振荡电路和RF输入LC匹配网络组成；下变频器具有90°相移电路和2个合成器及其各通道（I／O），可用于完成零中频接收器的直接下变频；自激消除模块则用来对DC和低频输出信号进行50dB衰减，以避免本振上的自激振荡；基带滤波器由2个级联的Sallen＆key低通滤波器组成，每级有10dB的增益，可实现具有30kHz关断频率的4级Butterworth低通滤波，其AC耦合（截止频率为64kHz）可以避免偏移量的增加，并可衰减1／f的噪声；而位同步器是一个可被ALU控制的数字PLL，它为系统提供同步数据时钟。为了提高其性能，可根据所需的数据速率来通过3线总线对位同步器进行编程设计。

2．2  发射  
　　XE1201的发射部分由DDS调制器、单边带上变频器及功率放大器组成。它可直接通过数字合成器（DDS）来实现，由于XE1201的FSK频偏相当精确，并可通过3线总线进行调节，因此，I和Q基带可在抗干扰滤波器后直接上变频到UHF频段。
    DDS调制器由数字和模拟两个模块构成。在数字模块中，其内部时钟设在2MHz，并由DDS将数据位流转换成正、余弦信号。当相位累加器为7位时，其频偏最小的步进频率（每位）为3．9kHz，频偏差（FSK）的可编程调节范围为0～127（7位）。因此，理论上它的范围为295kHz。开机时，频偏值为32（125kHz）。当Data为0时，f＝f_Lo－f_dev；Data为1时，则有f＝f_lo＋f_dev。如图2所示。另外，也可对解调器的频率偏移进行调节以使其满足f_dev＝3906．25·n（Hz），其中n为无符号的7位字的十进制值，在数字模块中，f_dev必须满足Filter BW＞f_dev＞Data。而DDS模块中的模拟模块（DDSA）的任务是将正、余弦信号从DDS转换成模拟的I和Q信号，该转换通常由2个8位DAC来完成。

    单边带上变频器可用于完成从基带FSK信号到UHF频率的频率转换。功放则可为天线发射RF信号提供驱动，但它并不能直接驱动天线，而需要有外部匹配网络。应当指出，该功放的输出功率也是可编程的（4级）。
2．3  本振
　　本振电路是以一个标准的SAW振荡器为基准，这个SAW振荡器可提供最快的开关时间，同时也可改变低功率UHF振荡器的频率。对于433MHz的ISM频带来说，SAW可在433．92MHz频率上产生谐振，其时钟产生信号可驱动一个90°的相移器，而这个相移应连到单边带上变频器。
2．4  3  线接口及内部寄存器  
　　XE1201最主要的特点是可通过3线总线接口来对FSK频偏、时钟使能、RF输出功率和数据速率及其它辅助功能等进行设计编程。并可通过此接口和相关引脚来设置其接收、发射和待机状态。
    3线总线接口电路由3个内部寄存器（A、B、C）组成，它可在SC的上升沿采集数据位。其内部电路通过对SC的上升沿进行计数来检测输入数据的有效性，如果在SC上检测到的边沿数为16个，则数据将从输入移位寄存器转移到相应的寄存器中，图3所示为该寄存器的排列操作时序。其控制命令字的格式如下：

    其中前两位D15和D14用于选择寄存器A、B、C，具体选择如表2所列。寄存器A用于设置收发器模式（3种）以及选择接收数据的速率；寄存器B可在整个发射期间调节中心频率；而寄存器C则用于设置频偏、激活功放、发射功率以及其它辅助功能等。

3　应用

3．1  外部元件选择
　　SAW谐振器决定着载体的频率。其频率范围为370～470MHz。为了消除寄生电容Cp和Cs的影响，应在SAW端并联一个电感。由于SAW谐振器R02101A的分流静态电容为1．9pF，因而该电感的值应为27nH。
　　LNA振荡电路的主要功能是将功率增益最大化，为了使其在433．92MHz时产生谐振，一般应选择L₁＝L₂＝12nH，C＝2．2pF。
　　XE1201的本振端口应与TKA和TKC两脚相连，而TKB（内部基准）则必须通过电容C接地。
    天线匹配网络由RF输出、RF输入网络及它们的转换电路组成，它必须与整个电路相匹配，并可随收、发器进行调节。其中，RFout匹配网络可使RFout向天线发射最大功率，它输出的是一个电流源，应通过一个接在Vdd的电感来为它提供一个正偏压，其幅度为Vdd的2倍。如果能够实现50Ω～600Ω的阻抗变换，那么50Ω的天线将以最大的功率进行发射。通常，C_p＝2．4pF，Zl＝50Ω，Zout＝（600＋j0）Ω。同时，利用RFin匹配网络还可实现阻抗的变换以及单边端的差分变换以使生成的2种输入信号之间的相位差为180°。在并行模式时，LNA电路的实际输入阻抗为1kΩ。在本振时，则可实现1kΩ～50Ω的上阻抗转换，而完成RFout与RFin转换的任务则由一个如图4所示的转换电路来完成。

    为了延长电池的使用寿命，所有的接收设备在无传输任务时都应处于待机模式。XE1201从待机状态转到接收状态的响应时间最多为1s。芯片的接收与前端信息、方式信息段及ID号有关（如ID＝1、2、3），前端信息用于同步时钟，方式信息段则用于识别传输是否开始，而ID号则用于识别接收器。
    在接收模式下，如果微处理器接收不到或识别不出该模式，那么开关将一直处于待机模式，若识别出则继续接收后面的内容。同时微控制器还为处理模式提供同步时钟（由内部的位同步器产生），在这种情况下，接收器需要满足以下两个条件：第一是能够全部解调前端信息以产生同步时钟；第二是必须为识别提供一个完整的模式帧。此二者若有一项不能完全满足，系统将不能够接收，同时其开关电路也将回到待机模式。为了消除这种情况，协议帧必须分别对模式和前端信息进行设置。并且接收模式的时间应比前2个模式帧的时间更长，即：T_rm≥2（T_preamble＋T_pattern），其中T_rm为接收的最短时间，T_preamble为处理前端信息的时间，T_pattern为模式设置时间。此时，若进行信息的传输，接收器可不必切换到待机状态。
3．2  ID号处理  
　　由于发送器要传送信息给指定的接收器，因此每个接收器都必须有一个用于识别自身的ID号。对ID号的处理是由微控制器来完成的，若ID号正确，则可通过微控制器使系统处于接收模式，若ID号错误，则将切换到待机模式。
3．3  XE1201的收发设置  
　　通过微控制器和3线总线可对XE1201进行控制，以完成XE1201的收、发和待机设置。图5是XE1201与微控制器的典型应用接口电路。

    在待机模式下，时钟关闭。而当3线总线上的时钟开启时，微控制器通过1脚（EN）对芯片进行使能以使其进入接收状态。在接收模式时，微控制器禁止芯片使用脚1，此时3线总线将时钟关闭。在时钟没处理好之前（接收时为6mA，时钟运行时为55μA），该芯片是不能使用的。表3给出了接收与待机模式转换时的内部寄存器设置，由表3可以看出，3线总线用于开关内部时钟，因此，只有寄存器A可以改变，而寄存器B和C则应在上电后设置。

    由于XE1201是通过时钟来设置并运行的，因此，它在整个传送过程中是固定的。这就意味着要通过3线总线来控制芯片。XE1201的1脚（EN）要通过微控制器由硬件来激活。在发射时，XE1201经1脚和15脚（RXTX）由外部元件对其进行配置和控制（即A13＝0），因此，通过调节时钟（A12＝1）可将输出功率调至－5dBm（C13＝1，C12＝1），具体设置如表4所列。
3 ．4  定时配置
　　XE1201的内部解调器一般需要4位同步帧来确保其正确的同步时钟。

4  结论
    利用XE1201可同时完成接收和发射双重功能，也可用其分别完成接收和发射任务（对电路稍作修改即可）。由此可见，XE1201可广泛应用于UHF无线数据传输与接收、无线报警与保安系统、无线抄表、门禁系统、身份识别、住宅保安与自动化、远程测量、环境控制系统、低功耗遥测、无线数据的232通信等系统中。