3線總線收發(fā)器XE1201

　　XE1201的原理框圖如圖1所示，各引腳功能描述如表1所列。由圖1可以看出，XE1201主要由接收、發(fā)射、本振及3線總線接口四部分組成。

2．1  接收
　　XE1201型3線總線收發(fā)器中的接收部分由低噪聲放大器（LNA）、下變頻器、自激消除模塊、基帶濾波器以及位同步器等部分組成。其中LNA提供的低噪增益可通過外部電路（分立元件）進(jìn)行調(diào)節(jié)，該外部電路由輸出LC振蕩電路和RF輸入LC匹配網(wǎng)絡(luò)組成；下變頻器具有90°相移電路和2個(gè)合成器及其各通道（I／O），可用于完成零中頻接收器的直接下變頻；自激消除模塊則用來對(duì)DC和低頻輸出信號(hào)進(jìn)行50dB衰減，以避免本振上的自激振蕩；基帶濾波器由2個(gè)級(jí)聯(lián)的Sallen＆key低通濾波器組成，每級(jí)有10dB的增益，可實(shí)現(xiàn)具有30kHz關(guān)斷頻率的4級(jí)Butterworth低通濾波，其AC耦合（截止頻率為64kHz）可以避免偏移量的增加，并可衰減1／f的噪聲；而位同步器是一個(gè)可被ALU控制的數(shù)字PLL，它為系統(tǒng)提供同步數(shù)據(jù)時(shí)鐘。為了提高其性能，可根據(jù)所需的數(shù)據(jù)速率來通過3線總線對(duì)位同步器進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。

2．2  發(fā)射  
　　XE1201的發(fā)射部分由DDS調(diào)制器、單邊帶上變頻器及功率放大器組成。它可直接通過數(shù)字合成器（DDS）來實(shí)現(xiàn)，由于XE1201的FSK頻偏相當(dāng)精確，并可通過3線總線進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此，I和Q基帶可在抗干擾濾波器后直接上變頻到UHF頻段。
    DDS調(diào)制器由數(shù)字和模擬兩個(gè)模塊構(gòu)成。在數(shù)字模塊中，其內(nèi)部時(shí)鐘設(shè)在2MHz，并由DDS將數(shù)據(jù)位流轉(zhuǎn)換成正、余弦信號(hào)。當(dāng)相位累加器為7位時(shí)，其頻偏最小的步進(jìn)頻率（每位）為3．9kHz，頻偏差（FSK）的可編程調(diào)節(jié)范圍為0～127（7位）。因此，理論上它的范圍為295kHz。開機(jī)時(shí)，頻偏值為32（125kHz）。當(dāng)Data為0時(shí)，f＝f_Lo－f_dev；Data為1時(shí)，則有f＝f_lo＋f_dev。如圖2所示。另外，也可對(duì)解調(diào)器的頻率偏移進(jìn)行調(diào)節(jié)以使其滿足f_dev＝3906．25·n（Hz），其中n為無符號(hào)的7位字的十進(jìn)制值，在數(shù)字模塊中，f_dev必須滿足Filter BW＞f_dev＞Data。而DDS模塊中的模擬模塊（DDSA）的任務(wù)是將正、余弦信號(hào)從DDS轉(zhuǎn)換成模擬的I和Q信號(hào)，該轉(zhuǎn)換通常由2個(gè)8位DAC來完成。

    單邊帶上變頻器可用于完成從基帶FSK信號(hào)到UHF頻率的頻率轉(zhuǎn)換。功放則可為天線發(fā)射RF信號(hào)提供驅(qū)動(dòng)，但它并不能直接驅(qū)動(dòng)天線，而需要有外部匹配網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)當(dāng)指出，該功放的輸出功率也是可編程的（4級(jí)）。
2．3  本振
　　本振電路是以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的SAW振蕩器為基準(zhǔn)，這個(gè)SAW振蕩器可提供最快的開關(guān)時(shí)間，同時(shí)也可改變低功率UHF振蕩器的頻率。對(duì)于433MHz的ISM頻帶來說，SAW可在433．92MHz頻率上產(chǎn)生諧振，其時(shí)鐘產(chǎn)生信號(hào)可驅(qū)動(dòng)一個(gè)90°的相移器，而這個(gè)相移應(yīng)連到單邊帶上變頻器。
2．4  3  線接口及內(nèi)部寄存器  
　　XE1201最主要的特點(diǎn)是可通過3線總線接口來對(duì)FSK頻偏、時(shí)鐘使能、RF輸出功率和數(shù)據(jù)速率及其它輔助功能等進(jìn)行設(shè)計(jì)編程。并可通過此接口和相關(guān)引腳來設(shè)置其接收、發(fā)射和待機(jī)狀態(tài)。
    3線總線接口電路由3個(gè)內(nèi)部寄存器（A、B、C）組成，它可在SC的上升沿采集數(shù)據(jù)位。其內(nèi)部電路通過對(duì)SC的上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù)來檢測(cè)輸入數(shù)據(jù)的有效性，如果在SC上檢測(cè)到的邊沿?cái)?shù)為16個(gè)，則數(shù)據(jù)將從輸入移位寄存器轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的寄存器中，圖3所示為該寄存器的排列操作時(shí)序。其控制命令字的格式如下：

    其中前兩位D15和D14用于選擇寄存器A、B、C，具體選擇如表2所列。寄存器A用于設(shè)置收發(fā)器模式（3種）以及選擇接收數(shù)據(jù)的速率；寄存器B可在整個(gè)發(fā)射期間調(diào)節(jié)中心頻率；而寄存器C則用于設(shè)置頻偏、激活功放、發(fā)射功率以及其它輔助功能等。

3　應(yīng)用

3．1  外部元件選擇
　　SAW諧振器決定著載體的頻率。其頻率范圍為370～470MHz。為了消除寄生電容Cp和Cs的影響，應(yīng)在SAW端并聯(lián)一個(gè)電感。由于SAW諧振器R02101A的分流靜態(tài)電容為1．9pF，因而該電感的值應(yīng)為27nH。
　　LNA振蕩電路的主要功能是將功率增益最大化，為了使其在433．92MHz時(shí)產(chǎn)生諧振，一般應(yīng)選擇L₁＝L₂＝12nH，C＝2．2pF。
　　XE1201的本振端口應(yīng)與TKA和TKC兩腳相連，而TKB（內(nèi)部基準(zhǔn)）則必須通過電容C接地。
    天線匹配網(wǎng)絡(luò)由RF輸出、RF輸入網(wǎng)絡(luò)及它們的轉(zhuǎn)換電路組成，它必須與整個(gè)電路相匹配，并可隨收、發(fā)器進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中，RFout匹配網(wǎng)絡(luò)可使RFout向天線發(fā)射最大功率，它輸出的是一個(gè)電流源，應(yīng)通過一個(gè)接在Vdd的電感來為它提供一個(gè)正偏壓，其幅度為Vdd的2倍。如果能夠?qū)崿F(xiàn)50Ω～600Ω的阻抗變換，那么50Ω的天線將以最大的功率進(jìn)行發(fā)射。通常，C_p＝2．4pF，Zl＝50Ω，Zout＝（600＋j0）Ω。同時(shí)，利用RFin匹配網(wǎng)絡(luò)還可實(shí)現(xiàn)阻抗的變換以及單邊端的差分變換以使生成的2種輸入信號(hào)之間的相位差為180°。在并行模式時(shí)，LNA電路的實(shí)際輸入阻抗為1kΩ。在本振時(shí)，則可實(shí)現(xiàn)1kΩ～50Ω的上阻抗轉(zhuǎn)換，而完成RFout與RFin轉(zhuǎn)換的任務(wù)則由一個(gè)如圖4所示的轉(zhuǎn)換電路來完成。

    為了延長(zhǎng)電池的使用壽命，所有的接收設(shè)備在無傳輸任務(wù)時(shí)都應(yīng)處于待機(jī)模式。XE1201從待機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)到接收狀態(tài)的響應(yīng)時(shí)間最多為1s。芯片的接收與前端信息、方式信息段及ID號(hào)有關(guān)（如ID＝1、2、3），前端信息用于同步時(shí)鐘，方式信息段則用于識(shí)別傳輸是否開始，而ID號(hào)則用于識(shí)別接收器。
    在接收模式下，如果微處理器接收不到或識(shí)別不出該模式，那么開關(guān)將一直處于待機(jī)模式，若識(shí)別出則繼續(xù)接收后面的內(nèi)容。同時(shí)微控制器還為處理模式提供同步時(shí)鐘（由內(nèi)部的位同步器產(chǎn)生），在這種情況下，接收器需要滿足以下兩個(gè)條件：第一是能夠全部解調(diào)前端信息以產(chǎn)生同步時(shí)鐘；第二是必須為識(shí)別提供一個(gè)完整的模式幀。此二者若有一項(xiàng)不能完全滿足，系統(tǒng)將不能夠接收，同時(shí)其開關(guān)電路也將回到待機(jī)模式。為了消除這種情況，協(xié)議幀必須分別對(duì)模式和前端信息進(jìn)行設(shè)置。并且接收模式的時(shí)間應(yīng)比前2個(gè)模式幀的時(shí)間更長(zhǎng)，即：T_rm≥2（T_preamble＋T_pattern），其中T_rm為接收的最短時(shí)間，T_preamble為處理前端信息的時(shí)間，T_pattern為模式設(shè)置時(shí)間。此時(shí)，若進(jìn)行信息的傳輸，接收器可不必切換到待機(jī)狀態(tài)。
3．2  ID號(hào)處理  
　　由于發(fā)送器要傳送信息給指定的接收器，因此每個(gè)接收器都必須有一個(gè)用于識(shí)別自身的ID號(hào)。對(duì)ID號(hào)的處理是由微控制器來完成的，若ID號(hào)正確，則可通過微控制器使系統(tǒng)處于接收模式，若ID號(hào)錯(cuò)誤，則將切換到待機(jī)模式。
3．3  XE1201的收發(fā)設(shè)置  
　　通過微控制器和3線總線可對(duì)XE1201進(jìn)行控制，以完成XE1201的收、發(fā)和待機(jī)設(shè)置。圖5是XE1201與微控制器的典型應(yīng)用接口電路。

    在待機(jī)模式下，時(shí)鐘關(guān)閉。而當(dāng)3線總線上的時(shí)鐘開啟時(shí)，微控制器通過1腳（EN）對(duì)芯片進(jìn)行使能以使其進(jìn)入接收狀態(tài)。在接收模式時(shí)，微控制器禁止芯片使用腳1，此時(shí)3線總線將時(shí)鐘關(guān)閉。在時(shí)鐘沒處理好之前（接收時(shí)為6mA，時(shí)鐘運(yùn)行時(shí)為55μA），該芯片是不能使用的。表3給出了接收與待機(jī)模式轉(zhuǎn)換時(shí)的內(nèi)部寄存器設(shè)置，由表3可以看出，3線總線用于開關(guān)內(nèi)部時(shí)鐘，因此，只有寄存器A可以改變，而寄存器B和C則應(yīng)在上電后設(shè)置。

    由于XE1201是通過時(shí)鐘來設(shè)置并運(yùn)行的，因此，它在整個(gè)傳送過程中是固定的。這就意味著要通過3線總線來控制芯片。XE1201的1腳（EN）要通過微控制器由硬件來激活。在發(fā)射時(shí)，XE1201經(jīng)1腳和15腳（RXTX）由外部元件對(duì)其進(jìn)行配置和控制（即A13＝0），因此，通過調(diào)節(jié)時(shí)鐘（A12＝1）可將輸出功率調(diào)至－5dBm（C13＝1，C12＝1），具體設(shè)置如表4所列。
3 ．4  定時(shí)配置
　　XE1201的內(nèi)部解調(diào)器一般需要4位同步幀來確保其正確的同步時(shí)鐘。

4  結(jié)論
    利用XE1201可同時(shí)完成接收和發(fā)射雙重功能，也可用其分別完成接收和發(fā)射任務(wù)（對(duì)電路稍作修改即可）。由此可見，XE1201可廣泛應(yīng)用于UHF無線數(shù)據(jù)傳輸與接收、無線報(bào)警與保安系統(tǒng)、無線抄表、門禁系統(tǒng)、身份識(shí)別、住宅保安與自動(dòng)化、遠(yuǎn)程測(cè)量、環(huán)境控制系統(tǒng)、低功耗遙測(cè)、無線數(shù)據(jù)的232通信等系統(tǒng)中。