RF遙控器的簡易設(shè)計與應(yīng)用

由于高度集成的單芯片RF解決方案的出現(xiàn)，設(shè)計射頻（RF）遙控器從未如此簡單。片上系統(tǒng)（SoC）發(fā)送器解決方案，例如Silicon Labs的Si4010單芯片遠(yuǎn)程控制集成電路（IC），大大簡化了遠(yuǎn)程控制設(shè)計的過程，并通過消除系統(tǒng)材料清單（BOM）成本來降低需要大量不同的組件。

遙控器有許多不同的尺寸，形狀和無線技術(shù)，廣泛用于消費市場，作為各種產(chǎn)品的配件，如電視，視頻游戲，立體聲系統(tǒng)，照明控制和家庭自動化，包括車庫門/開門器，空調(diào)機，風(fēng)扇和帶遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入（RKE）鑰匙扣的汽車。

最常見的遙控器使用紅外（IR）技術(shù)，因為紅外組件的成本相對較低但是這些基于IR的控制裝置存在許多缺點，包括需要視線指向，有限的操作角度，短的傳輸范圍，反射問題和相關(guān)的高電流消耗使用紅外LED，這會導(dǎo)致電池壽命縮短。射頻遙控器解決了這些問題并且出現(xiàn)的數(shù)量更多，因為消費者要求更好的用戶體驗。此外，技術(shù)改進(jìn)正在縮小RF-IR價格差距。

所有RF遙控器都具有共同的特性，如圖1中的簡化框圖所示。 RF遙控器的組件是用戶輸入命令的按鈕，用于將用戶命令處理成數(shù)字消息的微控制器單元（MCU），用于調(diào)制和發(fā)送消息的RF發(fā)送器（RF TX），天線和電池為遙控器提供電源。制造商在設(shè)計射頻遙控器時面臨的共同挑戰(zhàn)是提供一致的最大傳輸范圍，確保較長的電池壽命并保持較低的系統(tǒng)成本。

圖1：RF遙控器的簡化框圖。

最大化傳輸范圍涉及傳輸盡可能多的功率（在政府法規(guī)限制內(nèi)），同時為接收器提供出色的靈敏度，因為總傳輸距離是發(fā)射器的函數(shù)輸出功率和接收器的靈敏度。從遙控器方面來看，設(shè)計目標(biāo)是將RF輸出功率設(shè)置為政府限制，這意味著所有遙控器應(yīng)具有相同的輸出性能，因為它們都在相同的限制范圍內(nèi)傳輸。這在理想的世界中是正確的，但是，在具有實際部件和制造公差的現(xiàn)實世界中，每次使用生產(chǎn)線上制造的每個遙控器以這種最佳功率進(jìn)行傳輸實際上是不可能的。此外，在握住遙控器或甚至觸摸按鈕時來自用戶的手的干擾（稱為“手部效應(yīng)”）改變了天線的阻抗并因此改變了發(fā)射輸出功率。這種現(xiàn)實效應(yīng)可以降低遙控器的有效輻射功率（ERP），并且容易導(dǎo)致輸出功率低于政府限制6 dB，每個Friis的自由空間路徑損耗公式的傳輸距離相應(yīng)減少2倍。

Si4010變送器是Silicon Labs的EZRadio?系列無線產(chǎn)品的最新成員，是業(yè)界首款單芯片遠(yuǎn)程控制IC，僅需一個外部旁路電容，印刷電路板（PCB），電池和帶有按鈕的外殼，形成完整的遙控器。 Si4010包含一個獲得專利的天線調(diào)諧電路，可自動微調(diào)天線，以便在每次按鍵時獲得最佳的發(fā)射功率。對于標(biāo)準(zhǔn)遙控設(shè)計，RF發(fā)射器，組件和天線制造公差以及環(huán)境的變化可能導(dǎo)致大的天線效率低下和浪費的功率。圖2顯示了Si4010功率放大器和天線調(diào)諧電路的簡化框圖。 Si4010通過調(diào)節(jié)片上可變電容器來最大化發(fā)射器天線效率，以與天線的電感共振。這些自動電容調(diào)整通過補償天線匹配電路中的不匹配來最大化遙控器的發(fā)射功率，并通過放寬PCB天線中的制造公差來降低設(shè)計成本。

圖2：Si4010天線調(diào)諧框圖。

功率放大器（PA）內(nèi)置一個額外的反饋環(huán)路，通過監(jiān)測PA輸出端的電壓并調(diào)節(jié)PA的電流驅(qū)動來補償輸出功率。天線阻抗的變化。該反饋回路用于在溫度變化和“手部效應(yīng)”的情況下保持恒定的輸出功率，如上所述，當(dāng)人的手覆蓋遙控器時，其改變天線阻抗。天線調(diào)諧的最終結(jié)果是在每個按鈕按壓時提供始終如一的可靠和最佳性能，同時降低RF匹配要求的成本和設(shè)計復(fù)雜性。采用Si4010自動天線調(diào)諧功能設(shè)計的遙控器可在政府傳輸限制下可靠，一致地工作，以實現(xiàn)最大傳輸范圍。

電池壽命是任何便攜式電子設(shè)備，尤其是遙控器的重要考慮因素。當(dāng)我們考慮典型的遙控器使用時，超過99％的時間，遙控器正在等待用戶激活按鈕按下。在此期間，Si4010在室溫下的功耗低于10 nA，是電池供電應(yīng)用的理想選擇。此外，觸摸喚醒GPIO可進(jìn)一步降低遙控器的電流消耗并延長電池壽命。圖3顯示了典型遠(yuǎn)程控制應(yīng)用中使用的Si4010的功耗示例，其中CR2032電池最大傳輸功率為+10 dBm。

在傳輸過程中，Si4010在開關(guān)鍵控（OOK）模式下消耗14.2 mA，在頻移鍵控（FSK）模式下消耗19.8 mA，同時以+10 dBm輸出功率進(jìn)行傳輸。如果我們假設(shè)發(fā)送器以1 kBaud的數(shù)據(jù)速率發(fā)送，則數(shù)據(jù)是曼徹斯特編碼的，每個數(shù)據(jù)包長100位，每按一次按鈕重復(fù)三次，然后我們得到以下結(jié)果：每天按50次按鈕連續(xù)五年，我們在OOK模式下使用220 mAhr CR2032電池僅占52％的電量，在FSK模式下使用71％的電量。

圖3：使用Si4010計算電池壽命示例。雖然此示例不包括電池的自泄漏，但它確實說明了Si4010變送器的低功耗特性以及低待機電流的重要性。 Si4010變送器的超低待機電流比許多現(xiàn)有解決方案低一個數(shù)量級，是延長遙控器電池壽命的重要差異因素。

任何遙控設(shè)計中最重要的考慮因素之一是最小化系統(tǒng)設(shè)計成本受組件成本以外的諸多因素影響，包括人工，庫存，測試和制造產(chǎn)量。到目前為止，目前市場上占主導(dǎo)地位的低成本射頻遙控解決方案使用MCU和基于表面聲波（SAW）的射頻發(fā)射器，如圖4所示。

這種設(shè)計拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的廣泛接受主要源于其低成本和簡單性。 SAW器件與Colpitts振蕩器結(jié)構(gòu)中的晶體管Q1諧振以形成載波頻率，并且晶體管Q2提供穩(wěn)定操作所需的輸出功率放大和隔離。來自MCU的數(shù)據(jù)直接應(yīng)用于SAW諧振器以形成OOK調(diào)制信號，來自MCU的GPIO6將電壓（VCC）提供給基于SAW的發(fā)送器。整個解決方案使用24個外部元件，包括MCU，一個旁路電容，一個用于為MCU提供時鐘的石英晶體，以及一個帶有跟蹤天線和電容的PCB。它的RF組件成本（不包括PCB，MCU和旁路電容器）在100，000單位體積中為0.77美元。 0.77美元的RF BOM成本不包括MCU，旁路電容或PCB的成本。傳統(tǒng)上，這是可靠RF傳輸?shù)淖畹徒M件成本解決方案。從系統(tǒng)成本的角度來看，大的BOM數(shù)會增加其他成本，例如人工，庫存和測試，并降低制造產(chǎn)量。

盡管基于SAW的變送器因其組件成本低而廣泛用于遠(yuǎn)程控制，但是這項舊技術(shù)的許多缺點。除了來自大量RF BOM組件的高系統(tǒng)成本之外，基于SAW的發(fā)射器還具有差的載波頻率精度，單頻操作，僅OOK調(diào)制，不一致的性能，對組件容差的敏感性和低制造產(chǎn)量。

相比之下，Si4010發(fā)射器是一個完整的片上系統(tǒng)（SoC）遙控IC?；诔墒斓腟i500硅振蕩器，其獲得專利的無晶體架構(gòu)在商用溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)了±150 ppm的載波頻率精度，在工業(yè)溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)了±250 ppm，這是傳統(tǒng)低成本SAW發(fā)射器的兩倍精度沒有外部水晶。該器件工作在27至960 MHz的連續(xù)頻率范圍內(nèi)，包括可編程功率放大器（PA），輸出功率高達(dá)+10 dBm，自動天線調(diào)諧和PA邊沿速率控制，符合FCC，ETSI和ARIB無線電頻率法規(guī)。嵌入式8051 MCU針對快速吞吐量進(jìn)行指令優(yōu)化，配備512字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM，4 kB RAM，8 kB OTP NVM，128位EEPROM，12 kB ROM功能庫和硬件加速128比特AES加密算法。該器件的1.8至3.6 V電源范圍，低待機電流低于超低功耗（10 nA）和觸摸喚醒操作，使Si4010成為紐扣電池應(yīng)用的理想選擇。圖5顯示了Si4010發(fā)送器SoC的框圖。

圖5：Si4010框圖。圖6顯示了使用Si4010和可選LED指示何時按下按鈕的遙控器原理圖。該遙控器的總BOM組件（不包括可選LED）是單個Silicon Labs的Si4010 IC，一個旁路電容，以及帶有PCB走線天線和電容的PCB。 Si4010的總BOM組件不僅遠(yuǎn)低于基于SAW的發(fā)射器（3與24相比），Si4010也沒有任何RF組件，因為它們都集成在IC中。 Si4010的高集成度將總系統(tǒng)BOM從過去使用基于SAW的變送器的24個組件減少到僅僅三個組件。這種BOM減少大大減少了人工，庫存和測試成本，并大大提高了制造產(chǎn)量。此外，Si4010器件的自動天線調(diào)諧功能可確保始終如一的可靠輸出功率，并通過使用寬松公差制造工藝降低成本，因為不再需要高精度天線匹配。

圖7：使用Si4010Si4010的434 MHz遠(yuǎn)程控制PCB。使用存儲在12 kB ROM中的Si4010變送器的遠(yuǎn)程控制功能庫，開發(fā)遠(yuǎn)程控制應(yīng)用程序非常簡單。該庫包括按鈕服務(wù)程序，AES加密，編碼模塊，電池電壓測量和其他有用的遠(yuǎn)程控制功能，以減少代碼大小和加快產(chǎn)品上市時間。

圖8顯示了遠(yuǎn)程控制應(yīng)用中使用的Si4010的流程圖。當(dāng)電池插入或從按鈕按下從待機模式喚醒時，Si4010自動開始將用戶代碼從非易失性存儲器（NVM）復(fù)制到RAM，然后運行用戶代碼的啟動過程。啟動后，首先初始化器件的數(shù)字模塊（MCU，中斷，定時器，外設(shè)等），然后使用ROM庫中的功能初始化模擬模塊。例如，在該階段期間設(shè)置調(diào)制類型（OOK或FSK），數(shù)據(jù)速率，PA發(fā)送電平，載波頻率等。

圖8：Si4010遠(yuǎn)程控制流程圖。

初始化完成后，程序進(jìn)入主循環(huán)，監(jiān)控GPIO按下按鈕并管理事件處理。根據(jù)按下的按鈕，程序決定做什么，然后根據(jù)按下按鈕組裝適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)包。然后，Si4010微調(diào)頻率并發(fā)送數(shù)據(jù)包。一旦傳輸信息，它就會關(guān)閉并返回超低功耗待機狀態(tài)。在待機模式下，芯片在25°C時的功耗低于10 nA，可以從任何GPIO按鍵喚醒，再次開始此過程?？傊琒i4010是一款革命性的變送器，可提供最低的系統(tǒng)成本解決方案。遙控市場。可以使用Si4010，電池，PCB和按鈕設(shè)計完整的經(jīng)濟型遙控器。目前沒有其他可用的發(fā)射器解決方案與Si4010 IC的高級片上集成相匹配。此外，Si4010具有卓越的性能和先進(jìn)的射頻功能，包括自動天線調(diào)諧，以確保每次按下按鈕時的最大傳輸距離。 Si4010變送器也非常易于使用，降低了設(shè)計復(fù)雜性，從而縮短了產(chǎn)品上市時間。