高性能RF收发器CC900

2006-05-07 15:50:04来源: 国外电子元器件

性能RF收发芯片,除在同一芯征内可完成RF信号的接收和发射外,其载频率、输出发射功率等还可编程实现,并具有跳频扩频功能,因此,使用CC900可提高系统通讯的保密性。文中介绍了CC900芯片的特点、工作原理和接口时序,并给出了900在水表无线抄表系统中的具体应用电路。

1 概述

CC900是美国Chipcon Component公司生产的单片高性能UHF收发器,适用于低功率、低电压的无线通讯,是一种高集成、高灵敏、高性能的RF收发芯片。该芯征主要应用于工科医用频段ISM和短距离仪器SRD应用方面,工作频率范围在800~1000MHz,载波频率和发射输出功率均可通过编程确定,其范围为-20~4dBm。CC900的主要性能参数如下:

●工作频率可编程设置,范围为800~1000MHz;

●编程设置的工作频率步长为250Hz;

●输出功率可编程设备,范围为-20~4dBm;

接收灵敏度为-110dBm;

●采用2.7~3.3V单电源电压供电;

●带有FSK调制功能,速率为0.3~9.6kbit/s;

●发射电流为91mA/4dBm;

●待机电流为0.2μA/3V;

●平均工作电流230μA/3V;

●采用单口天线,内含T/R转换开关;

●采用SSOP-28封装

2 工作原理与引脚功能

2.1 工作原理

CC900的内部原理框图如图1所示。在接收模式,RF输入信号被低噪声放大器(LNA)放大,并被混频器(MIXER)转换为中频(IF)信号。在中频段(IF STAGE),该IF信号被放大和滤波,最后送解调器(DEMOD)。设计时可在外部增加一个IF滤波器。信号经CC900解调后,未经处理的数据通过DID脚输出。而外部微控制器则通过接口来控制已解调输出数据的同步和数值。

在发射模式,压控振荡器(VCO)的输出信号直接加到功率放大器(PH)。RF输出采用频移键控(FSK)调制方式,从管脚DIO输入的数字位流可用来控制RF信号的频率。而器件内部的T/R转换开关则可使天线的接口和匹配变得非常容易。

频率合成器用于产生本地振荡信号,该信号在接收模式时加到混频器(MIXER),在发射模式时加到功放(PA)。频率合成器由晶体振荡器相位检测器、充电电路(CHARGE PUMP)、压控振荡器(VCO)和频率除法器(/R和/N)组成。需要说明的是:外部晶振必须连接到XOSC管脚。而VCO则需要外接一个带变容二极管的LC电路。外接的环路滤波器可以提高CC900的使用灵活性。另外,CC900内部速带有一个3线的数字串行接口(CONTROL)。

2.2 引脚排列及功能

图2所示是CC900的引脚排列示意图。其引脚功能说明如表1所示。

表1 引脚功能

管脚名 管脚号 功能描述
AVDD 1,8,9,13,14 模拟电源(3V)
AGND 2,3,4,5,11,17 模拟地(0V)
RF-IN 6 从天线输入的RF信号
RF-OUT 7 输出到天线的RF信号
VCO-IN 10 外部VCO电路输入
CHP-OUT 12 充电电流输出
XOSC-01 15 晶振引脚1,或接外部时钟输入
XOSC-02 16 晶振引脚2
DGND 18,20 数字地(0V)
DVDD 21,22 数字电源(3V)
LOCK 19 PLL锁定指示,锁定时输出为高电平
DIO 23 数据输入/输出:发射模式时为数据输入,接收模式时为解调数据输出
CLOCK 24 3芯总线可编程时钟
PATA 25 3芯总线可编程数据
STROBE 26 3芯总线可编程选通信号
IF-IN 27 外接IF滤波器输入脚
IF-OUT 28 外接IF滤波器输出脚

3 与微控制器的串行接口

CC900通过一个简单的3线接口实现编程(STROBE、PDATA和CLOCK)。每次完成全部设置需要发送8个16位的数据帧。在时钟为2MHz时,全部设备需要的时间小于100μs。

在功率降低模式时, 设置CC900只需发送1个数据帧,因此花费的时间小于10μs。

图3所示是CC900在传送串行数据时的时序图,在每个写周期,16位数据发送到PDATA脚,每个数据帧的三个最高有效位(位15、位14、位13)是地址位,位15是地址的最高有效位,被首先发送。

图4为CC900的编程时序图,图中:Tsp≥5ns;THP≥5ns;TCLOW≥50ns;TCHIGH≥50ns;TSPD≥50ns;Tsc≥5ns,CLOCK、STROBE脉冲的上升与下降沿必须小于100ns。

CC900上PDATA脚的数据加载在时钟CLOCK的下降沿。当16位数据的最后1位(位0)加载时,STROBE脉冲必须从低电平变为高电平,然后再变为低电平才能加载该数据。在已编程为功率降低模式叶,数据设置有效,但在电流关断时无效。

通常在CC900与微控制器一起使用时,除通过3线串行接口与微控制器相连以完成芯片设置以外,微控制器还需提供1个双向输入/输出脚来与CC900的DIO脚相连,以完成发射数据的输出和接收数据的输入。通常微控制器输入LOCK信号,用于监测CC900的工作状态,当PLL锁定时,LOCK为高电平。

4 数据的发射与接收

4.1 数据发射

发射数据应采用曼彻斯特码(即双向电平码bi-phase-level),以保护编码信号有一个恒定的直流分量,该直流分量是FSK解调所必需的。曼彻斯特编码变换方式为:“0”编码为从低到高的变换,“1”编码为从高到低的变换,如图5所示。其它具有相同直流分量的编码也可以在此使用。

4.2 数据接收

解调器输出(DIO)是一个在0V和VDD间变化的数字信号。对于较小的输入信号,可能会有一些噪声叠加其上。用数字信号的边沿进行数据定位时,数据速率可高达9.6kbit/s。对于曼彻斯特码,信号的基本频率也是9.6kHz。推荐使用比解调器输出频率高10到20倍的过采样频率。对于9.6kbit/s的数据速率,采样频率至少应为100~200kHz。对于较低的数据速率,采样频率也可降低。

通常,数据接收由微控制器进行采样,并存储在累加器中,累加器的长度取决于采样速率,一般为10到20位,输入数据值的判别(该信号是“0”还是“1”)基于0和1数目的比较。

5 实际应用电路

CC900使用时只需要少量的外部元件,图6所示为其在水表无线抄表系统中的实际应用电路,图中L51和C51用于接收器的输入阻抗匹配,L61用于发射器的直流隔离。PLL环路滤波器由C121~C123、R121~R123组成;VCO储能元件由C91~C93、L91和变容二极管(VAR)组成;C10~C12、C210和C211为电源去耦电容,这些电容应尽可能地靠近CC900的电源管脚。在笔者开发的水表无线抄表系统中,单片机选用的是AT89C2051,它是单睛机8031的简化型,具有两个并行I/O口(P1和P3)。

利用Chipcom公司为用户提供的应用软件SmartRF可根据应用时的工作频率计算出图6电路上的元件值;此外,SmartRF还可根据用户使用CC900时的不同工作参数选择生成CC900的全部8个16进制设置数据,并可初始化时由单片机把设置数据传送到CC900,以使其按用户要求正常工作。

CC900的天线可以采用单极天线、螺旋天线和环形天线,最常用的是单极天线,其长度对应于电磁波长的四分之一(λ/4),简单的天线可用一段导线来实现,也可集成到PCB板上;如考虑尺寸和成本,比λ/4短的非谐振单极天线也可以使用,这种天线便宜,也可以集成到PCB板上。天线应尽可能紧密地连接到CC900芯片,如果天线远离输入脚,则应使其与发射馈线相匹配。

关键字:性能  收发  收发器

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