ADI实验室电路:低功耗、长距离ISM无线测量节点

电路功能与优势

理想情况下，无线测量节点具有低功耗、长距离特点，易于与不同传感器接口。通过配合使用ADI公司的三款器件，可以实现平均电流消耗《70 μA、距离接近1 km（无障碍）、数据速率达到每分钟一次传输的智能测量节点，同时维持16位ADC性能（见图1），使电路适合电池供电和自动化、远程检测等应用。

系统内包含的低功耗温度测量节点每分钟唤醒一次，测量温度并将结果以10 kbps速率发送到基节点，然后返回睡眠状态。基节点不断接收来自测量节点的数据包，并通过UART将信息发送到PC，以便在“超级终端”内显示。

ADuC7060精密模拟微控制器采用低功耗ARM7内核，拥有多种精密模拟功能。由于内置片上多路复用器、数字可编程增益放大器（PGA）、基准电压源、可编程电流源和24位Σ-Δ型ADC，该器件几乎可直接连接任何温度和桥式传感器。本例中选择的是4线式Pt100（100 Ω铂RTD）温度传感器。有关测量电路的详情请参阅应用笔记应用笔记 AN-0970

本应用选择的无线频段是低于1GHz的免执照ISM（工业、科研和医用）频段。 ADF7021 收发器支持431 MHz至478 MHz及862 MHz至956 MHz范围内的频段，因此是必然选择。该低功耗收发器所需的外部元件极少，可以轻松连接ADuC7060精密模拟微控制器，性能卓越。

ADP121 稳压器利用两节1.5 V电池提供2.5 V电源电压。该稳压器的极低静态电流（无负载时为11 μA）对尽可能延长电池寿命至关重要。

图1. 低功耗远程ISM无线测量节点（简化示意图：未显示去耦和所有连接）

电路描述

连接 ADF7020 ISM收发器和ADuC7060精密微控制器的是两条总线。两者均为串行双向总线：其中一条总线负责配置收发器，需要四个微处理器端口；另一条总线是数据总线，用于在控制器与收发器之间传输数据，该总线至少需要三个微处理器端口。在该应用中，使用的是两个端口，而非具有两个中断的单个双向端口。这样虽然简化了软件，但必须使用额外的二极管和电阻器，以分离输入和输出数据流。两个肖特基二极管的并联组合确保了低于200 mV的逻辑低电平。在相同封装中BAT54C有两个二极管（连接引脚1和引脚2从而得到并联配置）。ADuC7060上的所有数字端口均具有可编程上拉电阻；但也需要外部上拉电阻。对于10 kbps的数据速率，4.7 kΩ的电阻效果不错。

电路汲取的总电流取决于三个因素：个别元件在睡眠和活动模式中的要求、系统活动的时间以及收发器本身活动的时间。

第一个因素通过选择低功耗元件来解决，例如ADuC7060和ADF7020。第二个因素即最大程度地减少系统活动，可通过让系统尽可能长地处于非活动状态来实现。可以考虑在整数与浮点算法间进行折衷，许多情况下整数就足够了，其执行时间更短，因此更省电。最后一个因素即缩短传送时间，可部分通过使用开销最小的协议实现，但更主要的是使用ADF7020，该器件具有极高的接收器灵敏度和出色的带外抑制性能，最大程度地提高数据包含有正确数据的概率。

代码说明－概述

系统大部分时间处于深度睡眠模式中，功耗为50 μA至60 μA（取决于环境温度）。定时器2每秒将系统唤醒一次。每60秒执行一次ADC测量，将结果线性化并发送出去。定时器2可将系统从深度睡眠中唤醒；其他三个定时器无此功能。定时器2是16位器件，表示它采用32 kHz时钟运行时每秒唤醒一次（睡眠模式内）。启动ADC后，系统进入暂停模式（参见ADuC7060数据手册）。这也是一个低功耗模式，尽管未低至深度睡眠水平。完成后ADC将系统唤醒。根据ADC结果计算温度值，将数据打包后发送。

打包其实就是将适当数据放置在缓冲器内。此时数据包含一个4字节浮点温度值和一个2字节CRC（循环冗余校验）。在更复杂的系统中，该数据之前还会添加节点地址标头、接收信号强度和其他信息。在将该缓冲数据发送至ADF7020收发器前，先发送一个8字节前导码（用于帮助同步接收节点）和一个3字节同步字。后者是一个唯一的3字节数字，接收节点在接收数据包前会进行匹配检查。

接收端上的硬件非常相似；配置一个ADF7020收发器随时接收唯一的同步字。收到同步字后便接收数据包。数据通过UART发送至PC。

图2中显示的是测量节点和基础接收节点主环路的流程图。

图2. 测量和接收节点主环路流程图

代码说明－ADF7020驱动器

ADF7020支持多种调制方案。本例中使用GFSK（高斯频移键控），该方案的优点是频谱效率极佳。在此模式中，ADF7020在发送和接收时均产生数据时钟。时钟上升沿（DATA CLK）产生一个中断，使ADuC7060按图3所示将数据逐位地放置在输出端口上。输出所有数据后，芯片选择解除，ADuC7060重新进入深度睡眠模式。

在接收端上，ADF7020在接收到匹配的同步字后产生一个中断（INT/LOCK端口在九个时钟周期内保持高电平）。

该信号通知ADuC7060处理器准备接收数据包。从数据包接收的每一位均在ADuC7060内产生一个中断。在中断服务程序（ISR）中，读取位流并存储在缓冲器内。接收到数据包内的所有字节后，设置一个标志，指示新数据包已经收到。主环路现在可通过校验和确认数据包的有效性。然后处理正确和完整的数据包。本例中通过UART将以上信息发送至PC进行显示。如图4所示，同一ISR既可接收来自ADF7020收发器的数据，也可向其发送数据。

图3. 数据I/O时序

图4. 处理接收和发送数据的中断服务程序

常见变化

根据所需频率，可使用许多其他产品来代替ADF7020。例如，对于2.4 GHz频段， ADF7242 是很好的选择。