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無線收發芯片A7105應用在智能照明控制的詳解

來源: 作者: 發布日期:2016-09-06 18:04:39 加入收藏 關注:
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 智能照明早在上世紀末已經引入中國,但是由于社會經濟的發展與人民消費理念的影響,導致智能照明一直不溫不火。直至今日隨著科技的高速發展與社會經濟的進步,照明控制技術逐漸走進千家萬戶,我們進入智能控制時代。傳統智能照明控制系統采用有線方式,不僅布線難而且維護成本高,移動性能差等缺點,因此智能照明系統逐漸從有線發展到無線智能照明控制。

    AMICCOM(笙科)公司于2008年推出的一款24 GHz無線收發芯片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勢。但與ZigBee系列的標準芯片相比,A7105的開發不具備標準協議,這使得其開發難度大大增加,這也是該芯片遲遲未能得到廣泛應用的主要原因。本文采用經過二次開發后的A7105無線收發模塊,設計了發送與接收端的軟硬件電路。發送端通過按鍵控制來實現數據的發送,接收端接收到信號后,控制LED的亮滅,實現了無線控制功能,為進一步研究實用的室內照明無線遙控系統奠定了良好基礎。

1 A7105及無線收發模塊

   A7105是一顆低成本且高效能的收發器并適用于2.4GHz ISM頻段的無線應用。A7105內整合高感度的接收器(-95dbm @ 500Kbps)及高效率的功率放大器(最大1dBm)。當使用低傳輸率時,由于A7105內建極高的靈敏度的接收器(-107 dBm @ 2Kbps- 104 dBm @ 25Kbps),外部不需額外的LNAPA就可有極優異的無線可視距離。使用者可藉由Data Rate緩存器(0x0E)調整傳輸率(2kbps ~ 500kbps)A7105采取快速變頻設計(130 us @ settling time),相當適合跳頻的系統。A7105內建 64-bytes

TX-FIFORX-FIFO(經由設定,亦可以括展至256 bytes),對于開發者而言,接收與傳送都有data buffer,封包容易處理。A7105針對封包處理亦支持CRCFECRSSIData WhiteningCRC可以用于錯誤偵測,FEC可針對每個code word實現1-bit的錯誤更正,Data Whitening相當于數據加解密。RSSI用于通道干凈指針(Clear channel assessment)。當開發一個無線系統時,這些功能非常便利使用。所有功能整合在一個QFN 4x4 20封裝內。

A7105的所有緩存器可經由3線式或4線式的SPI讀寫。在省電模式下,A7105支持sleep modeidlemodestandby modeA7105有一組獨特的SPI指令集用來控制芯片工作模式,這組命令稱為Storbecommand。經由Strobe commandMCU可以控制A7105所有的功能,包含省電模式,數據傳輸與接收,信道監視,跳頻功能,與自動校正。此外,A7105支持GIO1GIO2用來通知MCU目前芯片狀態,因此MCU可用使用輪詢或中斷的模式來控制發射與接收。因為GIO1GIO2的數字接口,MCU可以非常的便利監看A7105無線傳輸狀態。

      本文使用的是經過二次開發的以A7105為核心的無線收發模塊。該模塊集成了無線收發的基本元器件,A7105SCSSCKSDI0GPIO1GPI02等管腳已預留接口,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+33 V,最大工作電流不超過21 mA,電源可以和別的設備公用,但要注意電源的質量和接地的可靠性。為防止靜電或強電擊穿,在系統設備中使用時,需要可靠的接地,接地的同時需與市電完全隔離。

2 室內照明無線控制系統

    室內照明無線控制系統由1個主遙控器和多個無線遙控終端(無線開關)組成。由于室內距離較短,故系統拓撲結構采用星型結構,如圖1所示。各個無線開關用于控制室內各個照明燈具,在遙控器上有多個按鍵,用于控制室內的無線開關,從而實現對照明燈具的無線控制。

 

                                         a(1).jpg

                  圖1  室內照明無線開關遙控系統原理

 

 

在主遙控器和各個無線開關終端中,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用提供了很大的方便。AT89C2051單片機內部有非易失性Flash存儲器。

    這為無線開關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,從而降低了系統的成本。

    在遙控器(發射電路)上有多個按鍵,當某個按鍵按下時,遙控器發送164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,節點則繼續進入睡眠模式,等待下一次喚醒。

3 系統硬件電路設計

    在本系統中,采用AT89C2051P1口管腳與A7105無線收發模塊進行數據傳遞。對于A7105無線收發芯片,其控制是通過SPI串行操作讀出或寫入數據的,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,當接收到數據之后,通過P37的循環取反,實現對LED燈的亮滅控制。

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     圖2 發射硬件電路

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   圖3 接收硬件電路

 

  89C2051單片機的p10作為A7105模塊的片選信號,P11為模塊提供串行時鐘信號。P12與模塊的SDI引腳相連,負責地址信息由單片機輸出和進行數據寫操作時的數據寫入A7105P13管腳與模塊的GI01相連,當進行數據的讀操作時,由P12送出8位地址信息,數據則通過GI01管腳被讀入單片機內部。采用四線制,需要對A7105中的GPI0x的控制寄存器進行設置,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GPI01S3GPI01S0四個二進制位設置為“0110”即可。四線制的SPI讀寫時序分別如圖4和圖5所示。

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           圖5 四線制SPI串行接口的讀操作時序

由于A7105的工作電壓范圍為1936 VAT89C2051的工作電壓范圍為276 V,所以在本實驗系統中,將其電壓統一為3 V,采用兩節5號電池供電。在以后的實驗中,可考慮采用低壓差電壓調節器LM1117

4 系統軟件設計

    A7105無線收發芯片有兩種工作模式:FIFO(利用RF內部的存儲器先儲存要發射/接收的數據)Direct(直接發射/接收)模式。不同的工作模式可以由初始化相應的寄存器來設定。在本系統中,設置A7105工作在FIFO模式下,此時最大可以寫入64個字節的數據,這里設置8個字節(64 bit)的數據作為接收模塊的地址信息。

41 A7105的初始化

    A7105芯片在上電之后,首先進行的就是初始化,下面結合初始化程序進行說明。

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42 發射電路程序設計

    發射電路在上電之后,首先對A7105無線收發模塊進行初始化,之后進入按鍵檢測狀態。若有按鍵按下,則進行發送數據,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A7105GI01管腳設置為高電平,進入等待接收數據后,如果有數據到來,則GI01管腳變為低電平。當數據到來時,將GPI01 Pin Control Register(地址位OBh)中的GI01I設置為1,可以讓GI01管腳輸出反向。發射電路的系統程序流程如圖6所示。

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  圖6 發射模塊的程序流程

43 接收電路程序設計

    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。當接收模塊接收到發送電路發來的數據后,與自己內部儲存的64位的地址信息進行對比,若相同,則發送確認信息,并控制P37管腳輸出低電平,點亮LED,其主程序流程如圖7所示。

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   圖7  接收模塊的程序流程

5 結論

    該系統采用89C2051A7105無線收發模塊,實現了LED的無線遙控,為進一步研究室內照明無線遙控系統奠定了基礎。當然,本系統電路和實際使用的無線遙控系統還有一定差距,主要表現在以下三點:1)實用的室內無線照明系統的接收模塊是通過繼電器去控制220 V的交流電,本系統中僅以一個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該有多個按鍵;3)本系統尚未考慮節能的問題。如果采用電池供電,必須考慮節能的問題,在沒有數據傳輸時,均應考慮讓單片機和無線收發模塊進入體眠模式。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,但會使得設計成本增加。

     從上文可以看出,該系統優點在于價格低廉,A7105無線收發芯片如果批發購買那么每片不足5元。如果設計成實用的產品,需要增加繼電器,而目前普遍的繼電器在5元左右,批量購買的話會更低。再加上外殼等,成本價一共大概在15塊之內。因此,如果本系統可以成功應用在智能照明控制中,售價非常低廉,讓更多用戶可以接收,可以想象的出低廉的價格可以使其有廣闊的市場。

 

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