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案例:设计一个2.4G无线通信功能的电动窗帘

2020-7-21 16:58:53 显示全部楼层
工程师,想开发2.4G无线通信功能的电路项目?一个芯片搞定
本文由【芯片哥】原创撰写,来源:今日头条

工程师,在开发一些电路项目产品,一般可以分为两类:
一类是不带有无线射频通信功能的项目,比如家用电器的电饭煲,工业领域的变频器,汽车电子的座椅控制器,医疗器材的血压计等等;
另一类是带有无线射频通信功能的项目,比如家用电器的空调,工业领域的遥控器,汽车电子的门禁,医疗器械的心率检测仪等等;
针对无线射频通信功能的项目,部分工程师可能会有些棘手,没有多少项目的开发经验,电路设计开发能力有所欠缺;
其实,无线射频通信领域,它是一个很大的概念;工程师无需因为对它接触少而感到陌生,失去带有这类功能的项目开发信心。
无线通信

什么是无线射频?
无线射频,主要包含两个核心要素
核心要素一:频率;
所谓频率,是指无线射频在通信工作中的中心频率,就全球无线市场而言,规定并开放了一些常用频率段的无线应用;例如蓝牙的中心频率为2.4~2.485GHz;
除了这个2.4~2.485GHz频率段,其他常见的频率段还包括315MHz、433MHz、868MHz、915MHz与2.4GHz;
核心要素二:协议;
众所周知,数据通信功能,是由发送端TX与接收端RX组成;工程师在开发数据通信的电路,无论是普通的IIC通信,还是SPI通信、CAN通信以及USB通信,他们之间都会遵从一些数据交换的协议;
与之类似,无线通信也需要遵从相应的开发协议;即使频率段是相同的,不同的协议,发送端TX与接收端RX也是不能有效兼容识别的;比如无线鼠标采用的是普通的2.4G频率,手机蓝牙采用的也是2.4G频率,但鼠标就不能被手机控制,手机也不能被鼠标控制。
之所以讲述这些内容,芯片哥是为了给工程师建立一个无线通信的初步概念,做个最基本的认识与了解。快夸一下芯片哥,满足一下芯片哥的小小虚荣心,可以不咯~~~
工程师,也许会追问,具体怎么去开发无线通信功能的电路项目呢?芯片哥以2.4G无线通信功能的智能家居电动窗帘产品为案例,详细说明
传统的电动窗帘,采用的是墙壁开关控制,通过电缆布线的方式,将开关控制信号发送到电动窗帘控制器,控制器接收开关信号,驱动电机,开启窗帘或者关闭窗帘。
电动窗帘

随着智能家居的普及,现在需要将传统电动窗帘升级为无线遥控控制功能,采用的中心频率为2.4GHz;
类似这样的电路设计升级问题,工程师相信会遇到不少。怎么去快速的解决呢?或许上海磐启微的2.4G无线射频芯片XN297L就能很好的解决。

XN297芯片是一个什么东西?

XN297芯片简介

XN297芯片,它是一个2.4GHz高速无线收发芯片,既能完成无线的发送功能,同时也能完成无线的接收功能,内部集成了无线基带通信功能;
XN297芯片

工程师,在开发带有2.4GHz功能的无线通信项目,只需MCU单片机的SPI通信接口连接到XN297接口,就可以完成;至于无线射频部分的功能调试,则完成由XN297芯片内部自动完成,无需进行开发调试;
换言之,工程师通过MCU单片机的SPI接口,配置XN297芯片内部的寄存器值,就能开发无线通信的发送功率、接收灵敏度、通信报文内容、频率信道和通信速率等参数;
XN297芯片,最大传输速率可支持2Mbps,发射功率可达11dBm,接收灵敏度可设置为-83dBm,报文内容可支持64 Byte的长度,方便工程师自由设计;

XN297芯片引脚定义

XN297芯片性能了解后,工程师就可以着手进行具体的电路项目开发了。在设计原理图方案,需要了解XN297芯片的具体引脚定义
XN297芯片引脚定义

Pin 1引脚CSN:芯片的SPI通信片选信号;
Pin 2引脚SCK:芯片的SPI通信时钟信号;
Pin 3引脚DATA:芯片的SPI通信数据信号;
Pin 4引脚VDD:芯片的电源输入端;
Pin 5引脚XC1:芯片的射频晶振输入端;
Pin 6引脚XC2:芯片的射频晶振输出端;
Pin 7引脚VSS:芯片的电源地;
Pin 8引脚ANT:芯片的射频天线;
芯片只有SOP-8封装,对外的控制接口是工程师常见的SPI,外围电路只有少量的电阻电容和一个晶振,非常简洁。工程师可以通过分析XN297芯片的内部电路图,就基本了解其电路设计原理了。
XN297芯片内部图

XN297芯片内部中,左边为2.4GHz射频电路部分,右边为数字通信接口部分;工程师只需配置RX FIFO与TX FIFO寄存器的数值,其余射频的发送与接收功能,由XN297芯片自己完成。这是它的最大一个电路设计优点。

XN297芯片的应用电路图

工程师,在开发设计电路项目,最终都会以电路原理图的形式呈现出来;对于XN297芯片,工程师如何根据项目的实际需求,开发设计匹配的电路图呢?
XN297芯片应用电路图

以XN297芯片的参考电路为例,工程师需要开发的内容是软件,也就是SPI通信的芯片内部寄存器配置。应用电路图中
左边为单片机的SPI通信接口,右边为无线射频天线部分,C3电容与电阻R2为天线的阻抗匹配,XC1与XC2为芯片的晶振输入端,为芯片提供时钟时序。
当然,作为无线通信功能,完整的功能是由发送电路部分和接收电路部分共同组成,发送接收电路均可参照XN297推荐的典型应用电路图。
需要指出的内容是,电路的设计关键在于天线(PCB板载天线)的阻抗匹配上,它直接影响到无线通信的信号稳定以及灵敏度问题,是项目设计的核心部分。

总结

最后,总结归纳一下2.4G无线通信功能的电路项目开发过程:
  • 选择XN297芯片为主的射频方案;
  • 电路原理图参照XN297芯片的项目应用电路图;
  • 软件的SPI通信开发调试
  • 天线的测试验证
工程师,在面对带有2.4G无线通信功能的项目开发需求,只需一个XN297芯片就可以搞定了~~~

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