2．4 GHz無線收發(fā)芯片A7105及其應(yīng)用

摘要：通過分析當(dāng)前智能家居存在的諸如價格高、功能多而不實用等問題，本文進行了室內(nèi)照明無線遙控系統(tǒng)的研究。采用2．4 GHz無線收發(fā)芯片A7105，設(shè)計了軟硬件電路，以LED模擬照明燈，實現(xiàn)了無線遙控功能，并分析了本系統(tǒng)存在的問題及進一步的發(fā)展。最后對于本系統(tǒng)成本進行了分析，指出本系統(tǒng)具有低價位的突出優(yōu)點，為進一步設(shè)計實用的室內(nèi)照明無線遙控系統(tǒng)提供了可能。若后續(xù)研究成功后，定會有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：A7105；無線收發(fā)芯片；遙控；無線通信

    隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)與自動化技術(shù)的發(fā)展，照明控制技術(shù)有了很大的進步，逐步進入了智能控制時代。傳統(tǒng)智能照明控制系統(tǒng)采用總線方式，具有布線麻煩、增減設(shè)備需要重新布線、系統(tǒng)可擴展性差、安裝和維護成本高以及移動性能差等缺點。智能照明控制系統(tǒng)在逐步進人無線控制時代。文獻報道了在ZigBee傳感網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了一種新型的室內(nèi)智能照明控制系統(tǒng)，但實用的室內(nèi)照明控制器必須是低價位的，目前基于ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)芯片的價格，便宜的也在十幾元，這就使得開關(guān)結(jié)點的價格過高。
    AMICCOM(笙科)公司于2008年推出的一款2．4 GHz無線收發(fā)芯片A7105，該芯片低價位的突出特點為其在無線短距離消費市場贏得了巨大的優(yōu)勢。但與ZigBee系列的標(biāo)準(zhǔn)芯片相比，A7105的開發(fā)不具備標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，這使得其開發(fā)難度大大增加，這也是該芯片遲遲未能得到廣泛應(yīng)用的主要原因。本文采用經(jīng)過二次開發(fā)后的A7105無線收發(fā)模塊，設(shè)計了發(fā)送與接收端的軟硬件電路。發(fā)送端通過按鍵控制來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，接收端接收到信號后，控制LED的亮滅，實現(xiàn)了無線控制功能，為進一步研究實用的室內(nèi)照明無線遙控系統(tǒng)奠定了良好基礎(chǔ)。

1 A7105及無線收發(fā)模塊
    A7105內(nèi)含高靈敏度的接收器(1 Mbps@-93 dBm)，在10 m以內(nèi)的產(chǎn)品應(yīng)用中可大幅度減低RF的輸出功率(0～10 dBm)，以避免射頻產(chǎn)品對人體造成可能的損害，同時又能適應(yīng)50 m一般環(huán)境的應(yīng)用。A7105的所有參數(shù)可以通過SPI口配置內(nèi)部寄存器來進行設(shè)置，最高的速率可達500 kb／s，適應(yīng)4線或3線的SPI控制。另外射頻數(shù)據(jù)的處理有2種模式可供選擇：FIFO(利用RF內(nèi)部的memory先儲存要發(fā)射／接收的數(shù)據(jù))和Direct(直接發(fā)射／接收)。A7105內(nèi)建RSSI，溫度傳感器，可以用來偵測環(huán)境對RF IC的影響，而且也內(nèi)建1路ADC，作為偵測電壓使用。
    A7105芯片的具體特點如下：1)頻帶為2 400～2 483MHz(ISM頻帶)；2)FSK／GFSK調(diào)制；3)發(fā)射電流為19 mA(輸出0 dBm)；4)接收電流為16 mA；5)休眠電流<1 μA；6)內(nèi)置RA振蕩器；7)高靈敏度：-99 dBm@250 kb／s，-96 dBm@500kb／s；8)收發(fā)獨立的64字節(jié)FIFO。
    本文使用的是經(jīng)過二次開發(fā)的以A7105為核心的無線收發(fā)模塊。該模塊集成了無線收發(fā)的基本元器件，A7105的SCS、SCK、SDI0、GPIO1、GPI02等管腳已預(yù)留接口，便于和微處理器相連。模塊上帶有PCB天線，如果想增大傳輸距離，也可以外置天線。該無線模塊采用直流電源，工作電壓為+3．3 V，最大工作電流不超過21 mA，電源可以和別的設(shè)備公用，但要注意電源的質(zhì)量和接地的可靠性。為防止靜電或強電擊穿，在系統(tǒng)設(shè)備中使用時，需要可靠的接地，接地的同時需與市電完全隔離。

2 室內(nèi)照明無線控制系統(tǒng)
    室內(nèi)照明無線控制系統(tǒng)由1個主遙控器和多個無線遙控終端(無線開關(guān))組成。由于室內(nèi)距離較短，故系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)采用星型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。各個無線開關(guān)用于控制室內(nèi)各個照明燈具，在遙控器上有多個按鍵，用于控制室內(nèi)的無線開關(guān)，從而實現(xiàn)對照明燈具的無線控制。

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    在主遙控器和各個無線開關(guān)終端中，核心元件均為A7105模塊和AT89C2051單片機。在A7105模塊中，已將A7105芯片及其正常工作所需的基本硬件電路制作完好，并留出了與微處理器相連的接口，因此A7105模塊的推出為該芯片的應(yīng)用提供了很大的方便。AT89C2051單片機內(nèi)部有非易失性Flash存儲器。
    這為無線開關(guān)終端始終保存自身的地址信息提供了便利，不需額外增加硬件地址電路，從而降低了系統(tǒng)的成本。
    在遙控器(發(fā)射電路)上有多個按鍵，當(dāng)某個按鍵按下時，遙控器發(fā)送1個64位的地址信息。各個無線接收終端接收到該信息后，喚醒微處理器將接收到的地址信息與自身的地址進行對比，若相同，則啟動繼電器控制開關(guān)進行動作，同時將信息回饋給主控制器，以示接收成功；若不相同，節(jié)點則繼續(xù)進入睡眠模式，等待下一次喚醒。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
    在本系統(tǒng)中，采用AT89C2051的P1口管腳與A7105無線收發(fā)模塊進行數(shù)據(jù)傳遞。對于A7105無線收發(fā)芯片，其控制是通過SPI串行操作讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)的，SPI串行操作可以采用三線制或四線制。這里采用四線制，遙控器的電路如圖2所示，接收電路如圖3所示。在接收電路中，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)之后，通過P3．7的循環(huán)取反，實現(xiàn)對LED燈的亮滅控制。

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    由89C2051單片機的p1．0作為A7105模塊的片選信號，P1．1為模塊提供串行時鐘信號。P1．2與模塊的SDI引腳相連，負責(zé)地址信息由單片機輸出和進行數(shù)據(jù)寫操作時的數(shù)據(jù)寫入A7105。P1．3管腳與模塊的GI01相連，當(dāng)進行數(shù)據(jù)的讀操作時，由P1．2送出8位地址信息，數(shù)據(jù)則通過GI01管腳被讀入單片機內(nèi)部。采用四線制，需要對A7105中的GPI0x的控制寄存器進行設(shè)置，這里使用的GI01作為輸出管腳，因此需要將GPI01 Pin Control Register(地址位0Bh)中的GPI01S3～GPI01S0四個二進制位設(shè)置為“0110”即可。四線制的SPI讀寫時序分別如圖4和圖5所示。

    由于A7105的工作電壓范圍為1．9～3．6 V，AT89C2051的工作電壓范圍為2．7～6 V，所以在本實驗系統(tǒng)中，將其電壓統(tǒng)一為3 V，采用兩節(jié)5號電池供電。在以后的實驗中，可考慮采用低壓差電壓調(diào)節(jié)器LM1117。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    A7105無線收發(fā)芯片有兩種工作模式：FIFO(利用RF內(nèi)部的存儲器先儲存要發(fā)射／接收的數(shù)據(jù))和Direct(直接發(fā)射／接收)模式。不同的工作模式可以由初始化相應(yīng)的寄存器來設(shè)定。在本系統(tǒng)中，設(shè)置A7105工作在FIFO模式下，此時最大可以寫入64個字節(jié)的數(shù)據(jù)，這里設(shè)置8個字節(jié)(64 bit)的數(shù)據(jù)作為接收模塊的地址信息。
4．1 A7105的初始化
    A7105芯片在上電之后，首先進行的就是初始化，下面結(jié)合初始化程序進行說明。

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4．2 發(fā)射電路程序設(shè)計
    發(fā)射電路在上電之后，首先對A7105無線收發(fā)模塊進行初始化，之后進入按鍵檢測狀態(tài)。若有按鍵按下，則進行發(fā)送數(shù)據(jù)，之后進入等待接收來自接收電路的反饋信號。在電路初始化時，已將A7105的GI01管腳設(shè)置為高電平，進入等待接收數(shù)據(jù)后，如果有數(shù)據(jù)到來，則GI01管腳變?yōu)榈碗娖健．?dāng)數(shù)據(jù)到來時，將GPI01 Pin Control Register(地址位OBh)中的GI01I設(shè)置為1，可以讓GI01管腳輸出反向。發(fā)射電路的系統(tǒng)程序流程如圖6所示。

4．3 接收電路程序設(shè)計
    在接收電路中，MCU首先初始化A7105模塊，和存儲64位的地址信息，然后進入等待接收狀態(tài)。當(dāng)接收模塊接收到發(fā)送電路發(fā)來的數(shù)據(jù)后，與自己內(nèi)部儲存的64位的地址信息進行對比，若相同，則發(fā)送確認信息，并控制P3．7管腳輸出低電平，點亮LED，其主程序流程如圖7所示。

5 結(jié)論
    該系統(tǒng)采用89C2051和A7105無線收發(fā)模塊，實現(xiàn)了LED的無線遙控，為進一步研究室內(nèi)照明無線遙控系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)然，本系統(tǒng)電路和實際使用的無線遙控系統(tǒng)還有一定差距，主要表現(xiàn)在以下三點：1)實用的室內(nèi)無線照明系統(tǒng)的接收模塊是通過繼電器去控制220 V的交流電，本系統(tǒng)中僅以一個LED來模擬；2)實際中有多個無線接收模塊，因此在主控制器中也應(yīng)該有多個按鍵；3)本系統(tǒng)尚未考慮節(jié)能的問題。如果采用電池供電，必須考慮節(jié)能的問題，在沒有數(shù)據(jù)傳輸時，均應(yīng)考慮讓單片機和無線收發(fā)模塊進入體眠模式。如果能從220 V交流電中獲取能量，則可以不考慮能量的問題，但會使得設(shè)計成本增加。
    本系統(tǒng)的突出優(yōu)點在于價格低，A7105無線收發(fā)模塊批量購買，每片不足5元，AT89C2051單片機1元左右。若設(shè)計成實用的產(chǎn)品，則需增加繼電器，目前普通繼電器例如MK2P(JTX-2C)在5元左右，若批量購買，價格會更低。另需按鍵和外殼等，最終成本可以控制在15元以內(nèi)。因此，若本系統(tǒng)能夠成功應(yīng)用于室內(nèi)照明無線遙控，則出售價格會非常低，普通百姓能夠承擔(dān)得起，在國內(nèi)將會擁有廣闊的市場。