(太原科技大学 山西太原 030024)
摘要：无线通信网摆脱了密密麻麻的连线制约，这是它的一个重要优势。它是由微小的传感器、微控制单元和无线通信模块通过组网形成的无线网络，利用数据处理单元来检测感知到的信息并经过有效处理后发送给对方。无线收发电路系统是无线通信网络的基本组成部分，其在不同应用中有不同的设计，但基本原则一致，都是尽可能采用低功耗的器件和尽可能使用节省的信号处理。其中核心处理器应当采用功耗相对较低的电路。无线通信模块负责两点之间的无线通信，是整个结构中最耗能的部分，无线通信模块可配合核心处理器根据不同功能切换不同工作模式，从而降低功耗。所以，对低功耗无线通信模块的选取与编程控制是一个非常值得注意的方向.
关键词：无线收发电路；低功耗；STM32L芯片；通信模块
1系统方案
本文设计了由MCU开发板和无线通信模块组成的低功耗无线收发电路系统的方案。该系统由发射方和接收方两组模块组成，发射方经软件编程控制将数据发送出去，接收方通过天线接收到数据经处理后在开发板上显示出来，从而实现该电路系统的近距离低功耗无线通信。为大幅度降低系统功耗，本设计采用的两个重要模块均具有低功耗特性。硬件电路基于低功耗微控制器的电路开发板，此硬件电路自行设计，通信模块与该开发板通过相关引脚直接相连。软件设计基于Real ViewMDK软件设计平台，然后通过编程对整个电路系统进行调试。接收方和发送方所用的芯片开发板相同，通信模块及其配置也相同，双方通过无线通信模块的天线进行相互通信。
2硬件电路设计
硬件电路是整个系统的支撑，硬件电路设计并焊接的成功与硬件模块选择的正确是最终软件调试成功的基础。本设计硬件模块主要包括STM32L核心板和无线通信模块。本文主要介绍芯片外围电路的设计以及PCB版图的设计。本设计采用输出为5 V的开关电源适配器供电，通过AMS1117正向低压降稳压器输出3.3 V电压，为STM32L151芯片提供电压。AMS1117稳压器分为固定电压输出和可调电压输出两个版本，本设计采用固定电压输出稳压器，输出电压为3.3 V，具有1%的精度，由于内部有限流电路和过热保护，使得AMS1117稳压器具有很强的稳定性。因此该电源供电电路选用AMS1117⁃3.3作为稳压器。晶振可以为整个电路提供基本的时钟信号，有了它就有了稳定的频率。如果没有晶振，数字电路就失去了处理数据的节拍，也就无法正常处理任何数据了。晶振的频率越高，程序运行的速度就越快，STM32L上电后，默认使用内部晶振，外部如果接8 MHz晶振，就可以通过切换使用外部晶振，最终通过PLL分频和倍频可以达到72 MHz。通过了解该模块的特性，设计出芯片与无线通信模块的接口连线方案，通过软件编程控制各个引脚使其切换不同的工作模式，最终实现两模块之间的无线收发功能.
3软件设计
硬件电路设计无误并焊接成功后，便要对整个系统进行软件调试，调试首先要进行的工作就是软件设计。发送模块的工作流程为：首先对系统进行初始化，初始化包括对时钟、引脚、中断、定时器、串口以及无线通信模块等相关参数进行配置。然后将时间间隔设置为1 s，打开串口、向串口发送引脚写入数据并在二极管上显示。但是成功接收数据的前提是无线通信模块必须配置正确，如果配置正确，无线通信模块将会作出应答并显示在软件调试环境的相关对话框中。最后无线通信模块通过天线向空中信道发送从MCU接收到的数据。
4无线收发模块
无线收发模块并没有用流行的蓝牙,而是采用RFWaves公司的RFW102芯片组,它是一个物理层RF收发器,工作在国际免费的2.4GHz频段,无需外部天线.工作电压很宽(2.7～3.6V),因此适合不同的电池供电.功耗低,待机电流仅2.6μA,唤醒时间20μs.模块通信速率达到1Mbps.通信距离可达20 m(室内),80 m(室外).与目前主流的802.11 a(面向高性能WLAN)、802.11 b(面向办公室)和蓝牙(面向家庭)相比,工作在2.4GHz的RFW102具有低成本、低功耗、小尺寸、中等带宽以及良好的可靠性等特点,RFWaves的技术面向更低端的市场.其引脚功能:VCC,芯片电源供给输入端;TX/RX,确定工作模式;TXD/RXD,可发送和接收数字信号的双向线;ACT,实现待机模式,节省电能.芯片TXD/RXD引脚与微控制器的RB1相连,在TX模式下这是输入脚,为正沿触发,每次TXD从地到VCC端,位数据将会被发射,需要发射的数字信号通过TXD/RXD输入;在RX模式下这是输出脚,解调出来的信号经过TXD/RXD输出进入微控制器;引脚ACT启动控制,与微控制器的RB2相连.L时为待机模式,H时启动模式.当输入0 V时为待机(睡眠)模式,工作电流2.6μA,在待机(睡眠)状态电路不接收和发射数据.输入UVCC时启动模块.唤醒为完全工作模式的典型时间需要花20μs,在唤醒时间内的电流消耗为7.5μA.引脚TX/RX为发射/接收控制,与微控制器的RB3相连.输入UVCC时为发射模式,输入0V时为接收模式.发射模式转换为接收模式以及接收模式转换为发射模式的转换时间最大均为1.5μs.
结束语：
本文详细分析了整个系统的设计方案，并对设计方案中涉及的两大模块MCU和无线通信模块做重点介绍，说明了两模块的连接方式以及采用何种工作模式可使系统功耗降到最低，对STM32L这一新型超低功耗微控制器使用的恰到好处，同时也凸显出本设计方案的特点所在。实现了基于Real View MDK软件平台的软件程序设计。结合理论知识并熟练掌握软件操作方法，在μVision4集成开发环境下用C语言编写程序完成软件设计。然后通过与硬件电路系统相连反复调试实现两模块之间的无线通信。最后测量系统功耗，经比较表明，本次设计成功完成了对无线接收电路系统的低功耗设计，对低功耗无线通信模块设计具有借鉴意义。
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论文作者:双志宏
论文发表刊物:《电力设备》2017年第35期
论文发表时间:2018/5/10
标签：模块论文; 无线通信论文; 电路论文; 模式论文; 系统论文; 低功耗论文; 功耗论文; 《电力设备》2017年第35期论文;