CN105007092A - 一种支持WIA-PA标准的2.4GHz无线通信模块 - Google Patents

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严冬
胡坤志
王平
刘丽
黄心成
董腾
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Abstract

本发明涉及一种支持WIA-PA标准的2.4GHz无线通信模块，属于无线通信技术领域。该无线通信模块包括发射模块和接收模块；发射模块将微控制器处理后的数据通过通信接口传递给射频芯片，然后以电磁波形式传递，接收模块将采集到的数据经过微控制器分析处理后通过通信接口传送到上位机显示。本发明设计了包括***的巴伦电路、LC低通滤波器、50Ω微带线在内的整个射频模块和微控制器模块；该收发***能够很好的用于WIA-PA网络***中工业现场环境数据的监测。

Description

一种支持WIA-PA标准的2.4GHz无线通信模块
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种支持WIA-PA标准的2.4GHz无线通信模块。
背景技术
WIA-PA是用于过程测量、监视与控制的无线网络***，它是为满足我国工业需求而推出的具有自主知识产权的技术，是面向设备间短程、低速率信息交互的无线通信标准，具有很强的抗干扰能力、超低的能耗、高的可靠性、实时通信等技术特征，适合恶劣的工业现场环境和人不宜到达的区域。
无线通信模块是WIA-PA网络***中重要的支撑，主要用于采集工业现场的数据，它将采集到的数据通过无线网络发送给路由设备，路由再上传给网关，最后由网关传给上位机进行实时数据的监控。所以要求无线通信模块功耗低、可靠性高。
目前国内外无线通信应用中用到的频段主要包括433MHz、470MHz、915MHz和2.4GHz。2.4GHz频段作为无线局域网、无线接入***、蓝牙技术设备、点对点或点对多点扩频通信***等各位无线电台占的共用频段，主要是开放给工业、科学、医学三个机构使用，无需授权许可，而且2.4GHz频段为各国共同的ISM频段，使用起来也十分的方便。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种支持WIA-PA标准的2.4GHz无线通信模块，能够实现通信模块的发射功率，频率偏移，传输通信距离，可靠性通信，功耗等方面的一系列技术指标的选择。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种支持WIA-PA标准的2.4GHz无线通信模块，包括无线发射模块和无线接收模块；
所述无线发射模块包括：微控制器模块、通信接口、射频模块、巴伦电路、LC滤波器、50Ω微带线、天线；所述射频模块包括基带、AD转换器、混频器和功率放大器；在无线发射模块中，微控制器模块获取数据，数据经解析处理后通过通信接口发送给射频模块中的基带，生成调制信号，然后送入DA转换器形成模拟调制信号，再通过混频器将模拟调制信号与载波信号叠加调制到2.4GHz射频频段，信号传递给功率放大器后，通过巴伦电路将差分信号转换为单端信号，同时巴伦电路也作为一个阻抗匹配网络，将输出阻抗匹配到50Ω，然后通过LC低通滤波器滤掉不需要的谐波信号，进而再通过一条特性阻抗为50Ω的微带线，最后通过增益为5dbi的全向天线以电磁波的形式发射信号；
所述无线接收模块包括：微控制器模块、通信接口、射频模块、50Ω微带线、LC滤波器、巴伦电路，天线；所述射频模块包括低噪声放大器、混频器、滤波器、AD转换器和基带；在无线接收模块中，天线接收到信号后，信号依次通过50Ω微带线、LC滤波器、巴伦电路将单端射频信号转换为两个差分信号后传递给射频模块，通过低噪声放大器将信号功率放大，经过混频器后，将高频信号的频谱搬移到预定调制频段，再通过AD转换器对接收信号进行抽样并生成数字信号，由基带对数字信号进行处理，基带进一步过滤和信号处理后，通过通信接口将信号传送至微控制器模块实现对数据的解析处理。
进一步，所述无线发射模块中的射频模块采用CY2420射频芯片，微控制器中的数据通过射频芯片CY2420处理后通过***巴伦电路、LC滤波器、50Ω微带线和50Ω的天线将2.4GHz射频信号发射出去。
进一步，定义寄存器RFCTRL0为配置芯片信道的寄存器，微控制器模块的主控芯片通过串行通信接口向射频芯片内部的RFCTRL0寄存器写值来配置射频芯片的信道。
进一步，无线发送模块和无线接收模块的信道设置为同一参数，两者进行通信的媒介采用频段为2.4GHz的电磁波；所述发送模块和接收模块首先配置同一个空闲的通信信道并清空缓存。
进一步，还包括电源管理模块，电源管理模块采用普通锂电池或5V直流电源供电；当电池供电不足时，通过外部的充电接口对电池进行充电，并且有指示灯来指示电池的充电情况
本发明的有益效果在于：本发明设计了包括***的巴伦电路、LC低通滤波器、50Ω微带线在内的整个射频模块和微控制器模块；该收发***能够很好的用于WIA-PA网络***中工业现场环境数据的监测。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明的模块结构示意图；
图2为软件***示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1为本发明的模块结构示意图，如图所示，本发明提供的一种支持WIA-PA标准的2.4GHz无线发射模块，包括：微控制器模块、通信接口、射频模块(包括基带、AD转换器、混频器、功率放大器)、巴伦电路、LC滤波器、50Ω微带线、天线，微控制器模块获取数据，数据经解析处理后通过通信接口发送给射频模块中的基带，生成调制信号，然后送入DA转换器形成模拟调制信号，再通过混频器将模拟调制信号与载波信号叠加调制到2.4GHz射频频段，信号传递给功率放大器(PA)后，通过巴伦电路将差分信号转换为单端信号，同时巴伦电路也作为一个阻抗匹配网络，将输出阻抗匹配到50Ω，然后通过LC低通滤波器滤掉不需要的谐波信号，进而再通过一条特性阻抗为50Ω的微带线，最后通过增益为5dbi的全向天线以电磁波的形式发射信号。
无线接收模块的2.4GHz天线接收到信号后，将依次通过50Ω微带线、LC滤波器、巴伦电路将单端射频信号转换为两个差分信号后传递给射频模块中CY2420射频芯片，通过低噪声放大器(LNA)将信号功率放大后，经过混频器后，将高频信号的频谱搬移到预定调制频段，再通过AD转换器对接收信号进行抽样并生成数字信号，由基带对数字信号进行处理，基带进一步过滤和信号处理后，通过通信接口传递给微控制器模块对数据进行解析处理。通过上位机打印出来的数据可以观察到通信的质量。
当测试当前信道无线收发***性能时，通过配置CY2420射频芯片的寄存器，将发送模块和接收模块设置为同样的信道才能进行通信。发送模块和接收模块建立起无线通信连接，进行数据的发送与接收。进行通信的媒介是2.4GHz频段的电磁波。
发送模块和接收模块首先配置同一个空闲的通信信道并清空缓存。发送模块首先经过串口初始化，SPI通信接口初始化及射频芯片初始化后将数据帧发送给接收模块，接收模块首先清空中断，然后等待FIFO(先入先出)存储器为空闲状态，再对数据进行CRC循环冗余校验码校验，若校验未通过，则丢弃数据帧，若校验通过，则对该数据帧进行解析接收，再通过串口方式传递给上位机打印出数据。
在本实施例中，所述微控制器采用意法半导体公司的STM32L152RBT6芯片，它主要用来接收、存储和转发2.4GHz频段的数据，并将其中需要的数据信息转发到上位机；
所述射频模块采用了CY2420无线射频收发芯片，射频芯片输出的差分信号经过巴伦电路转换成单端信号，巴伦电路除了将差分信号转换成单端信号之外，还作为一个阻抗匹配网络将输出阻抗匹配到50Ω，单端信号的输出端加入一个隔直电容去除直流信号成分，然后再加入一个3阶的切比雪夫低通滤波器滤掉谐波，在滤波器之后还需要添加一段特性阻抗为50Ω的微带线作为信号的传输通路，最后通过IPEX接口连接天线，将信号发射出去。主控芯片通过SPI通信接口往CY2420射频芯片内部的寄存器写值来配置射频芯片的寄存器参数，例如定义寄存器RFCTRL0为配置芯片信道的寄存器，在RFCTRL0写入0x16将信道配置为16信道，对应的中心频率为2460MHz，需要配置的寄存器参数包括信道、发射功率、工作模式、数据包格式等。
电源模块既可以采用普通锂电池供电，也可以采用5V直流电源供电，输入电压通过MAX8881稳压芯片为整个电路提供稳定的3.3V电源，MAX8881是超低电源电流,低压差线性稳压器,能够提供高达200mA的输出，当电池电量不能达到要求时，可以通过5V电源接口对电池进行充电，充电芯片采用的是MAX1555。LED模块控制LED灯，指示射频通信的状态。调试接口模块通过J-TAG接口与主控控制器连接；通过该接口可以在调试软件上对其进行单步执行、设置断点、读写芯片内部寄存器等操作。
参照图2，发送模块的主控部分首先进行串口初始化和SPI初始化，然后通过SPI控制CY2420射频模块，对其进行初始化。初始化包括设置其信道、发射功率、通信速率等参数，初始化完成以后，主控模块将数据通过SPI传输给射频模块，射频模块把数据处理后，将数据从天线发射出来，载波为2.4GHz的电磁波。接收模块也会经过串口、SPI、射频初始化，然后接收模块会清除中断后检验是否空闲，接收模块接收到相同信道发送模块发送的数据后对数据进行字节数检验和CRC校验，若校验未通过，则丢弃数据帧，若校验通过，则对该数据帧进行解析。最后把数据打印到上位机。最后我们从上位机可以读出2.4GHz频段的接收信号强度RSSI值，丢包率等数据，以了解当前信道的通信质量。
按照上述结构，本发明可以配置相关参数，包括选择TX或RX模式。接收和发送模块通信时，如果模块在相同的信道上就能接收到数据并把相应的数据通过上位机打印显示。比如，通过接收模块在上位机显示的实时收包个数、接收信号强度RSSI值和测试发送和接收模块的通信质量，以便选择最合适的地点安装通信模块。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种支持WIA-PA标准的2.4GHz无线通信模块，其特征在于：包括无线发射模块和无线接收模块；
所述无线发射模块包括：微控制器模块、通信接口、射频模块、巴伦电路、LC滤波器、50Ω微带线、天线；所述射频模块包括基带、AD转换器、混频器和功率放大器；在无线发射模块中，微控制器模块获取数据，数据经解析处理后通过通信接口发送给射频模块中的基带，生成调制信号，然后送入DA转换器形成模拟调制信号，再通过混频器将模拟调制信号与载波信号叠加调制到2.4GHz射频频段，信号传递给功率放大器后，通过巴伦电路将差分信号转换为单端信号，同时巴伦电路也作为一个阻抗匹配网络，将输出阻抗匹配到50Ω，然后通过LC低通滤波器滤掉不需要的谐波信号，进而再通过一条特性阻抗为50Ω的微带线，最后通过增益为5dbi的全向天线以电磁波的形式发射信号；
所述无线接收模块包括：微控制器模块、通信接口、射频模块、50Ω微带线、LC滤波器、巴伦电路，天线；所述射频模块包括低噪声放大器、混频器、滤波器、AD转换器和基带；在无线接收模块中，天线接收到信号后，信号依次通过50Ω微带线、LC滤波器、巴伦电路将单端射频信号转换为两个差分信号后传递给射频模块，通过低噪声放大器将信号功率放大，经过混频器后，将高频信号的频谱搬移到预定调制频段，再通过AD转换器对接收信号进行抽样并生成数字信号，由基带对数字信号进行处理，基带进一步过滤和信号处理后，通过通信接口将信号传送至微控制器模块实现对数据的解析处理。
2.根据权利要求1所述的一种支持WIA-PA标准的2.4GHz无线通信模块，其特征在于：所述无线发射模块中的射频模块采用CY2420射频芯片，微控制器中的数据通过射频芯片CY2420处理后通过***巴伦电路、LC滤波器、50Ω微带线和50Ω的天线将2.4GHz射频信号发射出去。
3.根据权利要求1所述的一种支持WIA-PA标准的2.4GHz无线通信模块，其特征在于：定义寄存器RFCTRL0为配置芯片信道的寄存器，微控制器模块的主控芯片通过串行通信接口向射频芯片内部的RFCTRL0寄存器写值来配置射频芯片的信道。
4.根据权利要求1所述的一种支持WIA-PA标准的2.4GHz无线通信模块，其特征在于：无线发送模块和无线接收模块的信道设置为同一参数，两者进行通信的媒介采用频段为2.4GHz的电磁波；所述发送模块和接收模块首先配置同一个空闲的通信信道并清空缓存。
5.根据权利要求1所述的一种支持WIA-PA标准的2.4GHz无线通信模块，其特征在于：还包括电源管理模块，电源管理模块采用普通锂电池或5V直流电源供电；当电池供电不足时，通过外部的充电接口对电池进行充电，并且有指示灯来指示电池的充电情况。
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