無線傳感器網絡的T5743節點設計方案

本文以無線通信技術為基礎設計網絡接收節點，采用RF射頻接收芯片T5743的網絡接收節點，達到了網絡節點數據的短距離接收，并降低接收數據的誤碼率，實現傳感器數據無線通信。

一、引言

無線傳感器網絡將成百上千的傳感器節點布置在一個特定的區域內形成監測網絡，這些節點通過特定的協議高效、穩定、正確的組織起來，協同工作完成某項應用任務，達到數據采集、無線通信和信息處理的能力。在無線傳感器網絡中的節點通常是一個微型的嵌入式系統，對采集數據、接收數據、處理數據、發送數據等的功能要求各有兼顧，其處理能力、存儲能力和通信能力都是對采集的數據進行管理和協同工作，因此傳感器網絡節點的軟硬件技術是傳感器網絡研究的重點。本文主要是對無線傳感器網絡節點數據的短距離接收進行設計探討。

二、接收節點工作原理

無線傳感器網絡數據接收節點模塊主要由接收芯片T5743和MCU微處理器PIC18F6620構成，如圖1，發射端采用ATMEL公司的的T5754做為數據發射芯片，與接收芯片T5743相匹配，以一定的發射接收頻率和數據傳輸速率協同工作。接收芯片T5743通過DATA串行雙向數據線與MCU微處理器PIC18F6620的I/O口進行通訊，MCU微處理器接收數據時，用DATA_CLK作為同步時鐘，微處理器PIC18F6620向接收芯片T5743發送指令時依靠特殊時序來達成數據接收和處理。接收過程用軟件控制的方式來進行數據傳送和實現對接收芯片T5743的控制，在接收數據之前，微處理器PIC18F6620通過DATA線將MUC內的程序寫入接收芯片的配置寄存器里，對接收芯片進行配置，隨后等待接收數據;當有數據來時，由接收芯片T5743的LNA_IN端接入，經低噪聲放大器放大后送入混頻器，使其變換成中頻;在中頻級，經變換的信號在送入解調器之前被放大和濾波。

三、接收節點芯片

ATMEL的T5743芯片是集成UHF無線電接收模塊，帶有PLL鎖相環結構的接收芯片，采用SO20封裝。T5743芯片是為滿足低數據率、低成本RF數據傳輸系統的要求而開發出來的，其數據傳輸速度為1～10kB/s，編碼方式為曼切斯特或雙相位方式，可用于接收頻率范圍為300MHz～450MHz(433.92MHz和315MHz)的ASK數據傳輸;高靈敏度，全集成VCO，可實現低功耗功能，電源電壓4.5V~5.5V;單端RF輸出容易與天線或PCB版的印制天線相適配;工作溫度范圍為-40℃～105℃。

T5743芯片帶有一雙向串行數據接口DATA，通過DATA芯片可與MCU進行串行通訊，交換信息。它可以工作在2種典型頻率433.92MHz和315MHz，由MODE引腳來選擇，置高為433.92MHz，置低為315MHz，接收頻率在1kB～10kB之間可選，由軟件設定。設計中由于采用1MHz中頻與前端SAW濾波器相配合實現了高鏡像抑制，基于使新型SAW器件，達到了40dB抑制，并能用簡單的雙向數據線實現與微控制器的通信，利用單獨引腳經微控制器實現電源管理。

T5743芯片的RF前端是一個超外差結構，將射頻輸入信號變換成1MHz IF信號。RF前端由低噪聲放大器LNA，本地振蕩器LO、混頻器和RF放大器組成。LO是由PLL鎖相環產生的載波頻率，供混頻器使用。RF信號經RF輸入腳LNA-IN輸入，在433.92MHz時輸入阻抗為1000Ω/pF，在設計輸入網絡時首先考慮噪聲匹配，適當調整元件值和印制板的分布電感電容與輸入端的匹配，達到T5743在高信噪比時靈敏度最高。這樣，從RF前端來的信號經全集成4階IF濾波器濾波，達到334.92MHz的應用，中頻的中心頻率為l MHz。

設計中解調器的工作方式由寄存器OPMODE設置，邏輯“L”設置解調器為FSK方式;邏輯“H”設置解調器為ASK方式。在ASK方式使用了自動門限控制電路，它將檢測參考電壓設置在一個能獲得好信噪比的適當值上，這個電路也能有效抑制任何類型的帶內噪聲信號或競爭發射，如果S/N超過10dB即能很好檢測出數據信號。在FSK方式下，如果S/N超過2dB就能檢測出數字信號。

解調器的輸出信號，經數字濾波器濾波后送到數字信號處理電路，數字濾波器的通帶與數據信號的特性相匹配。數字濾波器由1階高通和3階低通濾波器組成。高通濾波器的截止頻率fcu _ DF由公式(1)決定。低通濾波器的截止頻率由所選波特率范圍(BR-Range)決定，BR-Range在OPMODE寄存器中設定，BR-Range的設置必須與波特率相適應。

無線傳感器網絡接收節點的數字電路和模擬濾波器的全部定時都是來自一個時鐘。這一時鐘周期TCLK是從晶體振蕩器經分頻器得到的，分頻次數由MODE引腳端的邏輯狀態控制。晶體振蕩器的頻率是由RF輸入信號決定的，它也同時決定了本地振蕩器的頻率(fLO)。T5743芯片的工作狀態是由OPMODE和LIMIT的兩個15位RAM寄存器進行設置的，寄存器可由雙向DATA口編程。如果寄存器內容由于掉電而改變，這一狀態由一個稱為復位標識(RM)的輸出表示出來，在這種情況下的接收電路必須重新編程。在加電復位(POR)后，寄存器被置為默認模式，如果接收機工作默認模式，不需對寄存器編程。同樣，如果接收電路不是在復位方式，就會啟動相應的OFF指令編程;如果接收電路處在復位方式，相應的OFF指令編程不會被啟動，在DATA腳仍呈現復位標志。

四、接收節點電路

無線傳感器網絡接收節點芯片T5743是一個高度集成的PLL無線接收模塊，能夠接收并解調FSK調制的曼徹斯特編碼數據，同時通過一個雙向數據口將其發送出去。該無線接收芯片通過一個智能的輪詢方式使接收節點在大部分時間處于休眠模式，只有在監測到有效傳輸時，才會結束休眠模式轉換為接收模式，并將數據流傳送給控制器。這樣，可以最大限度地減少能量消耗。圖2為無線接收節點電路原理圖。

圖2中接收芯片的T5743的XTO是參考晶振的出入端，引腳LNA_IN提供RF到LNA輸入，設計采用的接收頻率為433.92MHz，所以fXTO=6.76438MHz，將MODE引腳設置為高電平，數據時鐘周期TCLK為2.0697μs。DATA引腳接到RB0引腳，DATA_CLK引腳接到RB2引腳，POLLING引腳接到RC7引腳，IC_ACTIVE引腳接到RF1引腳，至此完成T5743與MCU微處理器PIC18F6620的連接。

接收芯片的T5743的LF引腳連接一個帶寬為100kHz的無源環路濾波器。LNA_GND引腳的電感L為25nH，L是饋電電感，以建立供電DC通路。C7與L一起形成串聯諧振電路。LNA_IN引腳連接天線，中間部分為T型匹配網絡。