2.4 GHz REB233SMAD評估套件的無線應(yīng)用

隨著機(jī)器對機(jī)器（M2M）應(yīng)用以指數(shù)級增長，競爭正在進(jìn)行，以確定哪些無線協(xié)議將占據(jù)主導(dǎo)地位。與往常一樣，解決方案取決于問題。對于長距離，無線2G蜂窩電話可能最適合該法案。對于更短的無線距離，Wi-Fi?，Bluetooth?和許多基于802.15.4的協(xié)議（ZigBee是其中的主要協(xié)議）都可以正常工作。但是，如果您的預(yù)期應(yīng)用需要超低功耗但在鏈路可靠性可能存在問題的環(huán)境中工作，Atmel的2.4 GHz REB233SMAD評估套件（見圖1）值得一看。

圖1：Atmel REB233SMAD評估套件。 （由Atmel提供。）

REB233SMAD-EK包含兩個(gè)基于Atmel AT86RF233 2.4 GHz RF收發(fā)器的無線電擴(kuò)展板（REB）;圍繞ATxmega256A3 MCU構(gòu)建的兩個(gè)控制器基板（CBB）;兩個(gè)USB適配器，帶有用于編程MCU的電纜;四個(gè)SMA天線;加電池和快速入門指南。無線板插入MCU板，使您可以使用簡單的運(yùn)行范圍測量應(yīng)用程序?qū)蓚€(gè)完整的無線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行即時(shí)測試。

該套件旨在成為一個(gè)完整的平臺，用于設(shè)計(jì)和原型化ZigBee兼容的無線應(yīng)用，如ZigBee SmartEnergy和家庭自動(dòng)化系統(tǒng)。為此，Atmel提供BitCloud?堆棧（ZigBee?PRO認(rèn)證平臺）和BitCloud Profile Suite。

控制器基板

控制器基板（REB-CBB）圍繞8位Atmel AVR ATxmega256A3 MCU構(gòu)建。該板具有一個(gè)連接器，用于使用Atmel AVR JTAGICE編程器進(jìn)行編程和調(diào)試。

該套件中使用的ATxmega256A3-AU（見圖2）是一款低功耗，高性能8/16位MCU，工作頻率為32 MIPS，32 MIPS。它具有256 KB的可編程閃存程序存儲器，8 KB的數(shù)據(jù)閃存，4 KB的EEPROM和16 KB的SRAM。外設(shè)包括一個(gè)4通道DMA控制器;一個(gè)8通道的事件系統(tǒng);七個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器;七個(gè)UART;兩個(gè)8通道12位，2個(gè)MSPS ADC;一個(gè)2通道，12位，1 MSPS DAC;和一個(gè)可編程的多級中斷控制器。

圖2：AVRxmegaA3框圖。 （由Atmel提供。）

為了降低功耗，芯片有五種睡眠模式：空閑，掉電，待機(jī)，省電和延長待機(jī)。在工作模式下（32 MHz VCC = 3.0 V），芯片通常消耗15.7 mA;在空閑模式下，6.89 mA;斷電（ULP，WDT，采樣BOD），1μA;省電（RTC 1 kHz），0.7μA;和擴(kuò)展待機(jī)（禁用所有功能），0.1μA。毋庸置疑，隨著時(shí)鐘頻率的下降（32 kHz時(shí)為71μA），有源模式電流可以快速縮小。

有關(guān)此產(chǎn)品和其他Atmel MCU的更多信息，請查看其MCU產(chǎn)品線簡介培訓(xùn)模塊。

無線電擴(kuò)展板

無線電擴(kuò)展板（REB）圍繞2.4 GHz Atmel AT86RF233收發(fā)器芯片構(gòu)建，該芯片面向IEEE 802.15.4，ZigBee，RF4CE，6LoPAN和ISM應(yīng)用。

只需添加幾個(gè)外部組件 - 所有這些都包含在電路板上（參見圖3） - AT86RF233構(gòu)成了完整的FCC Part 15認(rèn)證的RF前端模塊。

圖3：REB233SMAD框圖。 （由Atmel提供。）

該板有兩個(gè)SMA連接器，可支持天線分集。在接收模式下，芯片在兩個(gè)天線之間連續(xù)切換，以選擇提供最佳接收路徑的天線。一旦檢測到IEEE 802.15.4同步頭，提供更好信號質(zhì)量的天線就接收幀的其余部分。當(dāng)信號鏈路遭受噪聲或多徑衰落時(shí)，這可以大大提高可靠性。

在接收模式下，AT86RF233的電流為11.8 mA，采用聆聽模式，可進(jìn)一步降低10％至50％的電流消耗。對于250 Kbps的數(shù)據(jù)速率和小于或等于1％的分組錯(cuò)誤率（PER），接收靈敏度為-101 dBm;對于非IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)，這降低到-88 DBM，最大數(shù)據(jù)速率為2000 Kbps。噪聲系數(shù)為6 dB，相鄰信道抑制為35 dB（+ 5 MHz，PRF = -82 dBm）。

在發(fā)送模式下，AT86RF233的電流消耗隨輸出功率而變化，輸出功率可在-17 dBm（7.2 mA）至+4 dBm（13.8 mA）范圍內(nèi)編程。關(guān)閉發(fā)射器（IGTRX_OFF）后，電流消耗降至300μA。在睡眠模式下，芯片僅消耗0.2μA;在深度睡眠模式下，這進(jìn)一步降至0.02μA。這款芯片符合Atmel的超低功耗要求。

盡管功耗很低，但芯片并不缺乏功能。它包括一個(gè)集成的快速建立PLL，支持500 kHz信道間隔的跳頻。 IEEE 802.15.4-2011支持包括幀校驗(yàn)序列（FCS）計(jì)算，無干擾信道評估，RSSI測量，能量檢測和鏈路質(zhì)量指示。發(fā)射調(diào)制方案是具有半正弦脈沖整形和32長度塊編碼（擴(kuò)展）的偏移QPSK（O-QPSK）。安全功能包括128位AES引擎，可為安全應(yīng)用程序生成真正的隨機(jī)數(shù)。

Atmel生產(chǎn)其他眾多無線芯片。有關(guān)詳細(xì)信息，請查看Digi-Key網(wǎng)站上的無線解決方案產(chǎn)品線簡介培訓(xùn)模塊。

范圍檢查

REB233SMAD帶有預(yù)閃范圍測量應(yīng)用程序，我可以在打開包裝盒的幾分鐘內(nèi)開始使用。入門只需將無線電卡插入底板即可;將天線插入無線電卡;將提供的AAA電池插入底板，然后打開兩個(gè)底板。

當(dāng)我打開電源開關(guān)時(shí)，三個(gè)LED的中間點(diǎn)亮表示程序初始化成功（參見圖4）。按下按鈕T1啟動(dòng)應(yīng)用程序。 LED-D2閃爍表示傳輸成功，LED-D3接收成功。

圖4：范圍測量界面。 （由Atmel提供。）

我打開了兩個(gè)電路板并將其中一個(gè)放入發(fā)送模式，讓另一個(gè)充當(dāng)接收器。對于范圍測試，我在兩塊板上啟動(dòng)了程序以進(jìn)行全雙工操作。我之前測試過的2.4 GHz套件通常很幸運(yùn)地通過我們（不是很大的）房子傳輸。這個(gè)套件沒有顯示丟包的跡象，所以我把它帶到室外并使用我的傳統(tǒng)測距平臺（見圖5）。

圖5：傳統(tǒng)的測距平臺。

雖然只收到了套件附帶的兩個(gè)較大的鉸鏈?zhǔn)教炀€，但我使用了四個(gè)匹配的?波天線。重復(fù)測試顯示有效范圍約為350英尺。在一端替換較大的天線將范圍增加到大約500英尺。即使使用Wi-Fi以相同頻率在家中使用范圍擴(kuò)展器，這也是我能夠獲得的距離大約十倍。高接收器靈敏度和天線分集的結(jié)合 - 更不用說低數(shù)據(jù)速率協(xié)議 - 絕對可以完成工作。

數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率測量

支持快速范圍檢查的相同程序還允許進(jìn)行數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率（PER）測量，以及調(diào)整不同的收發(fā)器功能。要執(zhí)行此操作，請將隨套件提供的USB適配器之一連接到電路板，然后將其插入PC，首先下載適配器的驅(qū)動(dòng)程序。然后，您可以啟動(dòng)UART終端程序（9600，N，8，1）并將其指向正確的端口。然后，您可以配置收發(fā)器并執(zhí)行各種服務(wù)功能。雖然PER程序可以從GUI中受益，但它仍然非常強(qiáng)大，使您能夠嘗試眾多功能和參數(shù)。

天線分集

AT86RF233最有趣的特性是它內(nèi)置支持天線分集 - 在這種情況下，2 x 2 MIMO - 可以在不增加鏈路預(yù)算的情況下顯著提高網(wǎng)絡(luò)可靠性 - 也就是說，沒有在接收器之前使用更高的發(fā)射功率或額外的低噪聲放大器（LNA）。

圖6：多徑衰落場景中每個(gè)天線的接收電平。 （由Atmel提供。）

隨著兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的多徑衰落的引入，到達(dá)收發(fā)器板上的每個(gè)雙天線的信號可能隨時(shí)間變化很大。在沒有天線分集的情況下，這些衰落效應(yīng)可能很快導(dǎo)致增加的錯(cuò)誤率或網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的連接丟失。圖6顯示了在多徑衰落情況下REB233SMAD無線電擴(kuò)展板（REB）上每個(gè)天線的典型接收電平。在天線之間切換并選擇接收更好的天線會增加連接的可靠性。 AT86RF233可以連續(xù)自動(dòng)執(zhí)行此操作。

REB上的兩個(gè)匹配的1/4波天線連接到RF開關(guān)和平衡 - 不平衡變壓器（見圖7）。 RF開關(guān)依次由AT86RF233上的DIG1/2控制。

圖7：使用AT86RF233的天線分集。 （由Atmel提供。）

接收分集

如果打開天線分集（參見圖8），收發(fā)器會在搜索IEEE 802.15.4同步頭（SHR）的同時(shí)在兩個(gè)天線之間連續(xù)切換。當(dāng)檢測到足夠強(qiáng)的SHR時(shí)（圖8（1）），該天線鎖定（圖8（2））以接收PHY頭（PHR）和PHY服務(wù)數(shù)據(jù)單元（PSDU）。在接收到完整幀后，搜索繼續(xù)（圖8（3）），直到檢測到新的SHR報(bào)頭或者由于某種原因終止接收狀態(tài)。

圖8：接收期間的天線分集工作原理。 （由Atmel提供。）

發(fā)送分集

成功接收PHY報(bào)頭后（見圖9（1）），可以自動(dòng)選擇發(fā)送天線（RX_START），盡管最好留下它直到它有確定該幀具有有效的FCS（圖9（2））。在預(yù)定的周轉(zhuǎn)時(shí)間之后發(fā)送確認(rèn)幀（RX_AACK）（圖9（3））。

圖9：擴(kuò)展工作模式下的天線分集。 （由Atmel提供。）

所選天線將取決于最后一次數(shù)據(jù)交換的結(jié)果，或者您可以選擇永久使用一個(gè)天線用于接收器，另一個(gè)天線用于發(fā)射器。使用天線分集算法選擇天線時(shí)，您需要微調(diào)接收閾值以反映本地RF環(huán)境的實(shí)際情況。