基于MRF24J40的IEEE802.15.4无线收发器电路
1 ieee802.15.4收发器芯片mrf24j40
ieee802.15.4 无线收发器mrf24j40芯片内部包含有spi接口、控制寄存器、mac模块、phy驱动器四个主要的功能模块，支持 ieee802.15.4，miwitm，zigbee等协议，工作在2.405～2.48 ghz ism频段，接收灵敏度为-91 dbm，最大输入电平为+5 dbm，输出功率为+0 dbm，功率控制范围为38.75 db，集成有20 mhz和32.768 khz主控振荡器，mac/基带部分采用硬件csma-ca结构，自动ack6和fcs检测，ctr、ccm和cbc-mac模式采用硬件加密(aes- 128)，电源电压范围为2.4～3.6 v，接收模式电流消耗为18 ma，发射模式电流消耗为22 ma，睡眠模式电流消耗为2μa。
mrf24j40 采用6 mm×6 mm qfn-40封装，引脚端封装形式如图1所示。图中：引脚端rfp和rfn分别为芯片的rf差分输入/输出正端和负端，两者都是模拟输入/输出端口，与系统天线相连接;vdd为电源电压输入引脚端，每个电源电压输入引脚端都必须连接一个电源去耦电容;gnd为接地引脚端，必须低阻抗的连接到电路的接地板;gpioo～gpio5是通用数字i/o口，其中gpio0也被用来作为外部功率放大器使能控制，gpio1和gpio2也被用来作为外部tx/rx 开关控制;reset为复位引脚端，低电平有效;wake为外部唤醒触发输入端;int为到微控制器的中断引脚端;sdo，sdi，sck和cs是 mrf24j40的spi接口输入输出引脚端，其中sdo是mrf24j40的串行数据输出，sdi是mrf24j40的串行接口数据输入，sck是串行接口的时钟，cs是串行接口使能控制引脚端;lposc1和lposc2为32 khz晶振输入正端和负端;osc1和osc2为20 mhz晶振输入正端和负端;clkout为20/10/5/2.5 mhz时钟输出端;lcap引脚端用来连接一个180 pf的pll环路滤波器电容;xip和rxqp为接收i通道和q通道输出正端。
2 mrf24j40构成的ieee802.15.4无线收发电路
mrf24j40 构成的ieee802.15.4无线收发电路如图2所示，各电源电压引脚端根据需要分别连接了27 pf，10 nf，100 nf，2.2μf去耦电容器。rf差分输入/输出正端rfp和负端rfn通过l3，l4，g37和c43组成平衡一不平衡变换电路，将mrf24j40的 rf差分输入/输出形式转换为单端输入/输出形式。l1，c23和c33构成π型匹配电路，使平衡一不平衡变换电路阻抗与天线的阻抗相匹配。lposc1 和lposc2引脚端连接32 khz晶振和电容，构成32 khz时钟振荡器电路。osc1和osc2引脚端连接20 mhz晶振和电容，构成20 mhz时钟振荡器电路。产生的时钟信号作为芯片内部时钟信号，并可以提供给外部的微控制器使用。
引脚端reset，wake，int，sdo，sdi，sck，cs连接到微控制器，在微控制器的控制下完成数据的收发。
3印制电路板(pcb)设计
3.1 pcb设计基本要求
mrf24j40构成的ieee802.15.4无线收发电路工作频率范围为2.405～2.48 ghz，对pcb的设计有十分高的要求。pcb采用4层结构，如图3所示，分别为信号层，rf接地层，电源布线层和接地层，采用fr4材料。
保持pcb的厚度是十分重要的，任何尺寸的改变将会影响天线的性能或者微带线的特性阻抗。信号层的50 ω微带线为12 mil(1 mil=0.025 4 mm)。应避免微带线的长度超过2.5 cm，当线长超过2.5 cm，接近电路板的工作频率1/4波长时，导线可以象天线一样工作。除天线外，导线应避免尖锐的转角，以减少emi的产生。当周期信号和时钟进行转换时，数字线容易产生噪声，布线时应避免使射频信号线接近任何数字线。电源必须以星状拓扑结构形式分配给每个电源引脚端，采用低自感系数的电容器进行退耦。退耦电容器可以采用15～27 pf和100 nf进行组合。还有低电阻电解电容必须放置在每个引脚上来适当去除耦合噪声。电感器的自谐振频率至少应该是工作频率的两倍。pcb地线设计尽可能粗，甚至大面积接地，除了天线部分、元器件引线、电源走线、信号线之外，其余部分均可作为地线。
3.2 pcb天线设计
rf差分输入/输出正端rfp和负端rfn连接平衡-不平衡变换电路和兀型阻抗匹配电路，推荐的pcb天线部分布线图和尺寸(单位：mm)如图4所示。
4 mrf24j40的初始化程序
由mrf24j40构成的ieee802.15.4无线收发电路必须在微控制器的控制下，才能够在ieee802.15.4网络中应用。电路中进行数据的发送和接收前，必须完成器件的初始化设置。mrf24j40的初始化程序如下所示：
5 结 语
采用mrf24j40构成的ieee802.15.4无线收发器电路，支持miwitm，zigbee等协议，为ieee802.5.15.4mac和 phy物理层提供硬件层，工作在2.405～2.48 ghzism频段，接收灵敏度为-91 dbm，发射输出功率为+0 dbm，采用4线式spi与微控制器接口，适合家居自动化、工业自动化等低数据速率传输的应用。作为“全自动哮喘诊断仪”的无线数据传输通道，效果良好。
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