采用單片機和IA4420射頻芯片實現無線數據采集系統的應用方案

本文介紹了一種基于IA4420的無線數據采集系統的總體方案、硬件電路及軟件實現流程。經過對各項參數的合理配置，在實際使用中各項檢測指標均符合國家無線電管理的相關技術要求，具有很高的實用價值。

1 IA4420簡介

IA4420射頻芯片是一款單芯片、低功耗、多頻段的FSK收發器，可工作在315／433／868／915 MHz四個頻段。其內部集成了所有必需的射頻功能，外圍只需1個MCU、1個晶振和旁路濾波電容就可組成一個高可靠性的收發系統，具有設計簡單、成本低、生產免調試的特點。在無需外加功放的情況下，通信距離可達到200 m以上。

圖1為IA4420的內部結構圖。芯片內部集成有高頻功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA）、I／Q混頻器、基帶濾波器、放大器和I／Q解調器。為了方便射頻設計，IA4420有一個完全集成的鎖相環（PLL），該PLL具有的快速鎖相時間特性可實現快速跳頻，它的高分辨率允許各個頻段的多頻點應用?？?a target="_blank">編程的基帶帶寬可根據不同的頻偏、數據傳輸率和晶振誤差作出相應調整。這款收發器采用了帶I／Q解調的零中頗技術，因此在典型的應用中不需要外圍器件（除了晶振和退耦電容）。此外，IA4420集成了數據過濾、時鐘恢復、數據模式識別、FIFO和發射數據寄存器，這些數字信號處理功能顯著地減輕了控制器的負擔。在低功耗應用中，IA4420支持基于內部喚醒定時器的低功耗操作，最低待機電流為O．3μA。

2 系統設計

無線數據采集系統的結構如圖2所示。圖中，數據采集由相應的傳感器（例如監測環境溫度的溫度傳感器）完成。當單片機通過IA4420接收到數據采集的指令后，就會將傳感器采集到的數據再通過IA4420發送出去，命令端同樣經過IA4420將數據接收下來。在采集端的IA4420可以編上不同的機器識別碼，這樣命令端就可以同時控制多點的數據采集。

3 主要硬件設計

無線數據采集系統的硬件核心是單片機和IA4420，其主要硬件設計如圖3所示。

IA4420與單片機的連接關系十分簡單。1至4腳是標準的SPI接口，單片機通過這個接口完成對IA4420內部寄存器的各項配置，以及發送和接收FSK數據。IA4420的第5腳（nlRQ）是中斷請求。當發送寄存器準備接收下一個字節，或。FIFO收到預定的位的個數，或遇到上電復位、 FIFO溢出等情況時，第5腳都會發出一個低電平。由于具有自動頻率控制功能（AFC），所以IA4420允許使用低精度（低成本）的晶振。為了讓系統的成本降到最低，這款芯片可以提供時鐘信號（第8腳）給單片機，從而避免使用2個晶振。

4 軟件設計

IA4420是一款高度集成的芯片，可以通過內部寄存器靈活地配置各項參數。下面介紹其主要配置參數命令（命令都是16位的，POR為此命令的默認值）。

4．1 配置設置命令

el使能內部發射寄存器，數據通過發射寄存器方式發射時，e1必須置1；ef使能內部FIFO寄存器，采用FIFO方式接收、讀取數據時，ef必須置1．b1、bO用于選擇工作頻段，如表1所列。

4．2 電源管理命令

er用于打開接收機；ebb用于打開基帶電路；et用于打開發射機；es用于打開頻率合成器；ex用于打開晶體振蕩器；eb用于打開低壓檢測器；ew用于打開喚醒定時器；dc用于禁止時鐘輸出。

在發射狀態下，et、es、ex置1；接收狀態下，er、ebb、es、ex置1。

4．3 輸出及FIFO模式命令

f3～f0：用于設置FIF0中斷門限。當接收到的數據位達到該門限個數時，FIFO產生中斷。

al設置FIF0填充條件：al為O時，只有接收到同步字2DD4h后，才開始向FIFO中寫入接收到的數據；a1為1時，總是填充。

ff：同步格式接收后使能FIFO填充，清除該位會停止FIFO填充。如果需要重新啟動同步格式識別，可將該位先置0后置1。

dr：禁止高靈敏度的復位模式。如果此位清零，那么供電電源的一個200 mV的干擾將導致系統復位。

4．4 發射配置控制命令

mp和m3～m0為FSK調制參數，輸出FSK頻率可以表示為：

fout=fo+（-1）SIGN·（M+1）·（15kHz）

這里，f0為信道的中心頻率（由頻率設置命令設定）；M是4個二進制位m3～m0；SIGN=（mp）XOR（FSK數據）。

p2～pO用于設定輸出功率，如表2所列。

4．5 頻率設置命令

12位參數F（f11～f0）用于設置工作頻率，其取值范圍為96～3 903。合成器的輸出中心頻率分別表示為：

1A4420發送和接收流程如圖4和圖5所示。

圖4中，初始化IA4420后打開發射機。當IA4420發射完一個字節后會將nIRQ拉低，通知MCU寫入后續字節以待發射。圖5 中，IA4420參數配置完畢之后，打開FIFO接收模式。接收到數據之后會將nIRQ拉低通知MCU讀取數據。數據包接收完畢后，必須要將FIFO復位以便后續數據包接收。

結語

本文介紹了一種基于IA4420的無線數據采集系統的總體方案、硬件電路及軟件實現流程。經過對各項參數的合理配置，在實際使用中各項檢測指標均符合國家無線電管理的相關技術要求，具有很高的實用價值。

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