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基于Si4010/Si4455主控器件的简化嵌入式设计的无线连接解决方案

来源：

2018-03-19

类别：无线互联

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拍明

　　随着电子设备和电器品种逐步增加无线控制和通信功能，无线连接的使用范围迅速扩大。这种射频无线功能的增加方便了消费者使用。然而，实现无线连接并不容易。射频方面需要考虑诸多的问题，如天线设计和调制的设置，这和传统的车载控制要求非常不同。此外，监管标准和消费者预期是实现良好的无线性能的关键。便宜的无线解决方案，使用非常基本的元件，性能很差，这些简单的解决方案通常没有良好的性能所需要的灵活性，为了提高灵活性所做的其他设计又会使得这种解决方案变得非常昂贵。幸运的是，我们帮您找到了既具备高性能、易用性又兼顾成本的无线解决方案。

　　硬件设计

　　如何简单的让诸多要求都实现在无线应用上，一定程度上取决于解决方案的拓扑结构。一般来说，对于一个给定的无线产品，更高的集成度有助于满足要求。集成范围水平从需要晶体管偏置和匹配的完全离散的解决方案到完全独立的集成解决方案。许多设计方案选择部分离散的解决方案，如图1所示的系统。这种方法提供一个已知的发射机的优势，但仍需要一些外部元件的操作。一个完全集成的解决方案，如图2所示，基于代理的Silicon Labs Si4010无线芯片的高集成方案则几乎不需要外部元件，大部分的滤波和调谐工作在芯片内部进行。

【Si4010】

Single Coin-cell Battery Transmitter

- Supply voltage: 1.8 to 3.6 V

- Standby current < 10 nA

- Crystal-less operation:

- ±150 ppm 0 to +70°C

- ±250 ppm –40 to +85°C

- Temperature range –40 to +85 °C

- Automotive grade available

- 10P MSOP/14P SOIC

- Pb free/RoHS compliant

RF Transmitter

- Frequency range: 27–960 MHz

- +10 dBm output power, adjustable

- Automatic antenna tuning

- Symbol rate up to 100 kBaud

- FSK/OOK modulation

- Manchester, NRZ, 4/5 encoder

Analog Peripherals

- LDO regulator with POR circuit

- Integrated temperature sensor

- Low battery detector

High-Speed 8051 µC Core

- Pipeline instruction architecture

- 70% of instructions in 1 or 2 clocks

- Up to 24 MIPs with 24 MHz clock

Memory

- 4 kB RAM/8K NVM

- 128 bit EEPROM

- 256 byte of internal data RAM

- 256 byte of external data RAM (XREG)

- 12 kB ROM embedded functions

- 8 byte low leakage RAM (preserved in standby)

Digital Peripherals

- 128 bit AES Accelerator

- 4/8 GPIO with wake-up functionality

- 1 LED driver

- Data serializer

- High-speed frequency counter

- RTC, Timers 2, 3

- On-chip debugging—C2

Clock Sources

- High-speed crystal-less VCO

- Programmable low-power osc-LPOSC

- Ultra low-power sleep timer

- Optional crystal input for tigher tolerances

Minimal External BOM

- Only one external component required

Applications

- Garage and gate door openers

- Home automation and security

- Remote keyless entry

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　　图1：传统的射频方案

　　图2：基于SiliconLabs Si4010无线芯片的高集成方案

　　天线选择：在无线系统中使用的最常见的天线是一个小的PCB天线，但高增益单极和螺旋天线有时会被用在高性能的应用程序。PCB天线在四分之一波长的中心频率上使用，但产品的形状通常限制了可用天线的大小，并且对匹配造成更大的负担，从而降低天线增益。

　　天线匹配和附加滤波取决于所使用的天线与无线IC的性能。如果发射器具有良好的谐波性能或具有良好的选择性时，可能需要一点额外的滤波。然而，如果无线设备带外的性能差，则需要特别注意要将带外的频率过滤掉。此外，匹配的质量会影响到系统的损失。选择具有良好的灵敏度的接收器可以减少匹配误差幅度，简化设计。

　　芯片配置的考虑

　　无线设备还必须校正发送和接收的信息。调制方式、数据速率、频率偏差和接收机带宽等一些基本参数都需要配置以确保该设备能够正常工作。数据率的选择通常是可以优化范围的低数据率或可以优化电池寿命的高数据速率之间的平衡。数据传输速率也受数据量的影响，大数据的应用，如音频或视频的传输，需要更高的数据传输速率。

　　无线IC的性能和频率源(晶体)的精度影响频率偏差和接收机带宽。接收机的带宽决定了系统中允许多少噪声，从而对系统的灵敏度和整体范围有重大影响。如果频移键控(FSK)调制用于计算发射机和接收机的振荡器容差误差和频率偏差的距离时，它必须足够大。无线IC的功能，如自动频率校准，可以帮助保持接收机带宽较窄的产品，即使在选择了更便宜的，不准确的结晶的情况下。为了确保良好的性能，优化这些参数是非常重要的。

　　一些无线设备，可以通过内设寄存器进行配置。然而，寄存器的设置是很困难的，因为一个单一的配置参数可能影响多个寄存器的设置。一些设备包括应用程序编程接口(API)代码转换器可以将单一寄存器编码设置成更易于管理和更容易理解的命令。这些命令，通过无线IC和微控制器(MCU)之间的接口(通常为SPI或I2C接口)发送到设备。

　　无线解决方案的实例

　　无线系统有很多的性能要求，实施起来也具备一定的复杂性。设计目标应该是找到一个简单及廉价的解决方案。理想的无线解决方案需要采用廉价的且高性能的无线设备与易于开发的应用程序。例如，代理的Silicon Labs Si4455 EZRadio®收发机具有高输出功率和超过行业其他产品的诸多性能，如电流消耗，灵敏度，选择性和阻塞。同时它也具备行业内其他产品不多见的一些功能，诸如自动频率控制及负责处理通信数据结构的内部包处理程序。

　　此外，Silicon Labs提供了一个示范板(参见图5)，可以用来作为评价工具，并作为硬件设计的基础。该演示板分为两部分，RF部分和MCU部分。这种配置使得Demo板可以直接进行测试或是去掉RF部分针对应用本事进行测试。Silicon Labs公司还提供完整的原理图和PCB布局文件，该主板可以作为一个参考设计。

　　图3：Si4455 EZRadio开发板

【Si4455】

EASY-TO-USE, LOW-CURRENT OOK/(G)FSK SUB-GHZ TRANSCEIVER

Features

 Frequency range = 283–960 MHz

 Receive sensitivity = –116 dBm

 Modulation

(G)FSK

OOK

 Max output power = +13 dBm

 Low active power consumption

10 mA RX

18 mA TX @ +10 dBm

 Low standby current = 50 nA

 Max data rate = 500 kbps

 Power supply = 1.8 to 3.6 V

 TX and RX 64 byte FIFOs

 Automatic frequency control (AFC)

 Automatic gain control (AGC)

 Integrated battery voltage sensor

 Packet handling including preamble, sync word detection, and CRC

 Low BOM

 20-Pin 3x3 mm QFN package

Applications

 Remote control

 Home security and alarm

 Telemetry

 Garage and gate openers

 Remote keyless entry

 Home automation

 Industrial control

 Sensor networks

 Health monitors

Description

Silicon Laboratories’ Si4455 is an easy-to-use, low current, sub-GHz EZRadio® transceiver. Covering all major bands, it combines plug-and-play simplicity with the flexibility needed to handle a wide variety of applications. The compact 3x3 mm package size combined with a low external BOM count makes the Si4455 both space efficient and cost effective. The +13 dBm output power and excellent sensitivity of –116 dBm allows for a longer operating range, while the low current consumption of 18 mA TX (at 10 dBm), 10 mA RX, and 50 nA standby, provides for superior battery life. By fully integrating all components from the antenna to the GPIO or SPI interface to the MCU, the Si4455 makes realizing this performance in an application easy. Design simplicity is further exemplified in the Wireless Development Suite (WDS) user interface module. This configuration module provides simplified programming options for a broad range of applications in an easy to use format that results in both a faster and lower risk development. TheSi4455 is capable of supporting major worldwide regulatory standards such as FCC, ETSI, ARIB and China regulatory standards.

Functional Block Diagram

　　一个易于使用的配置工具为Ezradio芯片简化了开发过程(如图6所示)，该工具可以帮助开发者确定每个应用程序的优化设置。配置向导(见图7)有助于确保设计保持在监管标准并提供了一系列可能的配置，您也可以选择提供所需的频率和振荡器容差，让软件决定接收机的带宽，确保提供最佳的性能。以上工作完成以后，该软件就可以提供所需配置的全部代码，甚至可以提供应用程序初始状态下的演示代码。