基于TDA5210的868 MHz无线接收模块设计

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  随着无线技术的发展,无线控制应用已经深入各行各业,安防、汽车电子、玩具等随处可见无线遥控的应用。目前市面上无线遥控产品比较多工作在315 MHz和433 MHz的频段,主要采用ASK调制方式。与此同时,在这两个频段上的干扰源也比较多。特殊行业的产品由于关系到人身安全,对系统的稳定性要求苛刻,需要尽可能地减少同频干扰,比如医疗监控,无线温度采集系统,汽车胎压监测等应用,因此采用868 MHz频段比采用315 MHz和433 MHz频段具有更少的干扰源。目前市面上能够提供868 MHz无线接收芯片的芯片厂家非常少,英飞凌(Infineon)公司是少数能够提供868 MHz单芯片接收芯片的厂家。本设计采用英飞凌TDA5210接收芯片,采用ASK(振幅键控)调制方式,设计简单,易于调试,接收灵敏度高,抗干扰性能强。

  1 TDA5210接收芯片简介

  TDA5210是一款低功耗,单芯片FSK/ASK超外差接无线收芯片,其工作频段为810~870 MHz和400~440 MHz,该芯片集成度高,只需要少量外围器件就可以完成应用,其引脚与英飞凌公司的ASK接收器TDA5200兼容。TDA5210芯片内置低噪声放大器(LNA)、双平衡混合器、压控振荡器(VCO)、锁相环(PLL)、晶振、限幅器、锁相环FSK解调器(PLLFSK dcmodulator)、数据滤波器(data filter)、数据限幅器(dataslic-er)、峰值检波器(peak detector)等电路,同时它还具有自动休眠功能,可以减少电池消耗,适用于对功耗要求比较高的场合。图1为TDA521 O内部框图。

  2 原理图设计

  接收模块原理图如图2所示。由C1,C2,L1,C3组成的滤波网络,对天线端的无线信号进行匹配,将带宽频率范围内的微弱信号送至LIN引脚;信号经过芯片内部的LNA(低噪声放大器)放大后,进入MI引脚与VCO产生的信号进行混频,将高频信号中的数据信号分离出来,然后经过一个10.7 MHz的陶瓷中频滤波器,再经过内部限幅器LIMITEB,最后信号被一个比较器分离,产生最终的数据电平信号。

  3 PCB(印刷电路板)设计和器件选型

  在一般的应用中,为了设计的方便,同时也为了减少系统对无线接收电路的干扰,接收模块都是以独立模块的形式出现,并且其物理尺寸一般比较小,这就要求在进行PCB布线的时候元器件的排布尽可能紧凑,各个元件之间的走线距离要尽可能短,以降低信号干扰。另外,天线对于模块的接收效果至关重要,因此在布线的时候,对于在PCB上的铜箔天线部分,其走线尽可能靠近PCB板边缘,并且要远离干扰源晶振和中频滤波器,这样可以改善模块的接收效果。接收模块PCB实物图如图3所示。

  关键器件的参数选择对于无线信号的接收至关重要,因此选择合适参数的器件可以提高接收模块的接收效果,降低噪声。TDA521O是窄带RFIC,晶振的偏差和晶振负载电容的不一致都会影响接收灵敏度,建议采用规格为13.401 55 MHz,频率偏差为10 ppM,负载电容采用12 pF。中频滤波器对于接收效果也有很大影响,其主要参数有:中心频率,3 dBbandwidth等,中心频率需采用10.7 MHz;3 dB bandwidth应该选择(150±50 kHz),如果带宽参数选小了,导致在中心频率正常范围内的信号无法通过,影响接收距离,如果带宽选择大了,将产生大量的无线噪声,极端情况下噪声甚至会淹没正常的信号。另外,天线后端的电容和电感的品质也很重要,建议选择品质比较高的器件品牌。

  4 硬件调试

  根据TDA5210内部结构,模块调试可以根据接收信号的走向,用示波器对信号走向中的各个关键点进行信号测量,以判断各个部分的器件电路是否工作正常,调整相应部分的器件参数提高信号的输出强度。可以依次测试Pin17(LIM)、Pin 20(SLIN)、Pin 25(DATA),各个关键测量点,各个引脚的信号基本波形如图4。


调试过程中发现TDA521O输出解调数据信号的Data引脚,在空闲状态,会输出大量噪声,这些噪声信号非常不利于主控单片机的接收处理。经过分析,该噪声是由于主控板中MCU的晶振或者其他高频元件产生的干扰,这些干扰通过电源和地线串扰至接收板上,因此为解决这个问题可以在接收板的电源和地端各串一个阻值为500 Ω的磁珠,用来抑制高频串扰。图5为加磁珠后信号输出情况。

  从图5中可以看出,增加磁珠后,噪声受到抑制,接收效果明显改善。

  5 无线模块应用

  5.1 系统框图

  无线智能门禁系统采用基于TDA5210的无线接收模块,如图6所示,系统主控芯片采用飞思卡尔MC68HC908JK8,该单片机具有8 K的可编程Flash存储器,256字节RAM片上存储器,2个16位定时器,13路A/D输入通道,同时具有输入信号捕捉,PWM输出等功能,在5 V的工作电压下,最大总线频率可以达到8 MHz,同时具有很高的电磁兼容性能,适用于对电磁干扰要求比较高的系统。

  系统的输入部分包括:接收无线信号输入、按键输入、拨码开关输入、电位器A/D输入、光电信号输入。系统的驱动输出部分包括电机驱动输出、灯光驱动输出、指示灯输出。

  遥控器端数据编码芯片则采用Microchip HCS301,HCS301是一款基于Keelog滚动码技术的编码芯片,与固定编码的芯片相比,其具有很高的系统安全性能,非常适用于对安全性要求比较高的场合。系统存储器采用ATMEL公司的EEPROM AT24C02芯片。

  5.2 系统软件设计

  主控板接收端没有采用Microchip的keelog硬件解码芯片HCS512,而是采用软件解码的方式,这样既增加了软件控制的灵活性,又可以减低系统的成本。从无线接收模块输出的电平脉冲信号,接到单片机的外部中断口,控制程序根据HCS301的数据脉宽电平规格,进行解码。主控程序根据遥控器发送过来的按键信息,对门进行控制。

  AT24C02用于保存学习过的遥控器发射芯片的ID号码,以保证主控板与遥控器的收发对应关系,一个主控板可以存储多组遥控器的信息,可以根据用户需要,实现一对一或一对多的对应关系。主控芯片根据拨码开关的状态组合,可以运行于不同的模式。同时,根据光电信号输入,主控芯片可以检测到门下方是有人或物体通过,避免造成人或物品被误压的事故。电位器用于产生不同的A/D值,不同的A/D值对应于不同的时间档位,进而控制不同类型门的开关行程。系统除了可以用遥控器控制以外,还可以通过按主控板上的按键进行相应的控制。

  采用868 MHz频段的无线智能门禁系统与采用315 MHz,433 MHz的系统相比,具有更少的干扰源,同时采用基于TDA5210接收模块的无线控制系统具有很高的灵敏度和抗干扰性能。

  6 结束语

  本文阐述了基于英飞凌TDA5210电路的868 MHz无线接收模块的设计,详细说明了信号调试过程中的方法,并分析了高频噪声的产生原因,提出了信号抑制的方法。分析了其在智能门禁系统中的应用,该智能门禁系统已经批量生产,系统非常稳定。

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基于TDA5210的868 MHz无线接收模块设计

 为解决采用315 MHz或433 MHz频段无线接收模块的系统,干扰源多,接收灵敏度低,设计调试复杂等问题,提出了一种868 MHz无线接收模块的设计方案。方案中采用英飞凌低功耗单芯片FSK/ASK超外差无线接收器TDA5210,以及少量的外围分立器件。通过改善接收模块PCB中铜箔天线走向,提高接收灵敏度;在接收模块的电源和地的输入端串入磁珠,以减少来自应用系统中晶振等高频器件的噪声干扰。实验结果表明,基于TDA5210的无线接收模块,设计调试简单,干扰源少,抑制噪声能力强,接收灵敏度高,工作稳定。