基于IA4420射頻芯片和單片機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用方案

本文介紹了一種基于IA4420的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體方案、硬件電路及軟件實現(xiàn)流程。經(jīng)過對各項參數(shù)的合理配置，在實際使用中各項檢測指標(biāo)均符合國家無線電管理的相關(guān)技術(shù)要求，具有很高的實用價值。
1IA4420簡介
IA4420射頻芯片是一款單芯片、低功耗、多頻段的FSK收發(fā)器，可工作在315／433／868／915MHz四個頻段。其內(nèi)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(fā)系統(tǒng)，具有設(shè)計簡單、成本低、生產(chǎn)免調(diào)試的特點。在無需外加功放的情況下，通信距離可達(dá)到200m以上。
圖1為IA4420的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。芯片內(nèi)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(diào)器。為了方便射頻設(shè)計，IA4420有一個完全集成的鎖相環(huán)（PLL），該PLL具有的快速鎖相時間特性可實現(xiàn)快速跳頻，它的高分辨率允許各個頻段的多頻點應(yīng)用?？删幊痰幕鶐捒筛鶕?jù)不同的頻偏、數(shù)據(jù)傳輸率和晶振誤差作出相應(yīng)調(diào)整。這款收發(fā)器采用了帶I／Q解調(diào)的零中頗技術(shù)，因此在典型的應(yīng)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(shù)據(jù)過濾、時鐘恢復(fù)、數(shù)據(jù)模式識別、FIFO和發(fā)射數(shù)據(jù)寄存器，這些數(shù)字信號處理功能顯著地減輕了控制器的負(fù)擔(dān)。在低功耗應(yīng)用中，IA4420支持基于內(nèi)部喚醒定時器的低功耗操作，最低待機(jī)電流為O．3μA。
基于IA4420射頻芯片和單片機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用方案
基于IA4420射頻芯片和單片機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用方案
2系統(tǒng)設(shè)計
無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中，數(shù)據(jù)采集由相應(yīng)的傳感器（例如監(jiān)測環(huán)境溫度的溫度傳感器）完成。當(dāng)單片機(jī)通過IA4420接收到數(shù)據(jù)采集的指令后，就會將傳感器采集到的數(shù)據(jù)再通過IA4420發(fā)送出去，命令端同樣經(jīng)過IA4420將數(shù)據(jù)接收下來。在采集端的IA4420可以編上不同的機(jī)器識別碼，這樣命令端就可以同時控制多點的數(shù)據(jù)采集。

3主要硬件設(shè)計
無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件核心是單片機(jī)和IA4420，其主要硬件設(shè)計如圖3所示。

IA4420與單片機(jī)的連接關(guān)系十分簡單。1至4腳是標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，單片機(jī)通過這個接口完成對IA4420內(nèi)部寄存器的各項配置，以及發(fā)送和接收FSK數(shù)據(jù)。IA4420的第5腳（nlRQ）是中斷請求。當(dāng)發(fā)送寄存器準(zhǔn)備接收下一個字節(jié)，或。FIFO收到預(yù)定的位的個數(shù)，或遇到上電復(fù)位、FIFO溢出等情況時，第5腳都會發(fā)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(tǒng)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(jī)，從而避免使用2個晶振。
4軟件設(shè)計
IA4420是一款高度集成的芯片，可以通過內(nèi)部寄存器靈活地配置各項參數(shù)。下面介紹其主要配置參數(shù)命令（命令都是16位的，POR為此命令的默認(rèn)值）。
4．1配置設(shè)置命令

el使能內(nèi)部發(fā)射寄存器，數(shù)據(jù)通過發(fā)射寄存器方式發(fā)射時，e1必須置1；ef使能內(nèi)部FIFO寄存器，采用FIFO方式接收、讀取數(shù)據(jù)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(jī)；ebb用于打開基帶電路；et用于打開發(fā)射機(jī)；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(fā)射狀態(tài)下，et、es、ex置1；接收狀態(tài)下，er、ebb、es、ex置1。
4．3輸出及FIFO模式命令

f3～f0：用于設(shè)置FIF0中斷門限。當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)位達(dá)到該門限個數(shù)時，F(xiàn)IFO產(chǎn)生中斷。
al設(shè)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(shù)據(jù)；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(fù)位模式。如果此位清零，那么供電電源的一個200mV的干擾將導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位。
4．4發(fā)射配置控制命令
mp和m3～m0為FSK調(diào)制參數(shù)，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(shè)置命令設(shè)定）；M是4個二進(jìn)制位m3～m0；SIGN=（mp）XOR（FSK數(shù)據(jù)）。
p2～pO用于設(shè)定輸出功率，如表2所列。

4．5頻率設(shè)置命令

12位參數(shù)F（f11～f0）用于設(shè)置工作頻率，其取值范圍為96～3903。合成器的輸出中心頻率分別表示為：

1A4420發(fā)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(fā)射機(jī)。當(dāng)IA4420發(fā)射完一個字節(jié)后會將nIRQ拉低，通知MCU寫入后續(xù)字節(jié)以待發(fā)射。圖5中，IA4420參數(shù)配置完畢之后，打開FIFO接收模式。接收到數(shù)據(jù)之后會將nIRQ拉低通知MCU讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包接收完畢后，必須要將FIFO復(fù)位以便后續(xù)數(shù)據(jù)包接收。
結(jié)語
本文介紹了一種基于IA4420的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體方案、硬件電路及軟件實現(xiàn)流程。經(jīng)過對各項參數(shù)的合理配置，在實際使用中各項檢測指標(biāo)均符合國家無線電管理的相關(guān)技術(shù)要求，具有很高的實用價值。