工作模式设计
典型的无线收发机编码如下图。
基于SX1212的无线模块的四种工作模式与应用系统设计前导码为“1010”交替码,其作用是使目的接收机时钟与发射机同步,正常模式下前导码长度一般为32bit即可,如工作在省电模式时序下,前导码还有唤醒接收机的功能,此时发射机必须发送较长的前导码将省电模式下的接收机唤醒进入正常的工作状态。如设置接收机1秒钟唤醒,那么接收机每间隔1秒钟唤醒搜索前导码(tw),持续长度一般为16bit。而发射机首先发射1秒以上的前导码再发射后面得同步码等,这意味着接收机在唤醒的周期,只要信道中发现前导码,在正常情况下都能够可成功检测到并唤醒接收,示意图见图二。
这里我们设计了四种工作模式,见表一,这四种工作模式是利用MCU的SET_A和SET_B脚转换的,四种模式均可以相互转换。
表一:四种工作模式说明
图二:发射处于模式2状态,接收处于模式3状态示意图休眠模式是通过用软件方式实现的,这样休眠时系统的接口均保持相应的电平,并且能快速切换各种状态,由于MCU主时钟是通过RC振荡器产生的,起振时间仅仅需要4uS, 实测从休眠至唤醒加上唤醒初始化的时间仅仅需要20uS,这意味模块在休眠状态时,置低SET_A脚后20uS就可以通过UART口输入数据至模块。这里我们设计了系统在接收或发送过程中,即使设置工作在模式3或4,模块也要将接收或发送过程执行完毕再进入省电模式或休眠模式,其中在接收或发送过程中AUX脚将被置低。利用这个特点,当模块处于模式3或模块4状态,下位机用户在置低SET_A脚使模块唤醒并输入数据后,若需休眠可立刻置高SET_A脚,而不必等到模块将数据无线发送完毕,模块在数据发送结束后会自动检测SET_A脚,如为高则进入休眠,数据是否发送结束用户可以通过查询AUX脚获得。
图三:模块与下位机的连接图
在电池供电的电路中,正常可将从模块(如水气表)设置在模式3上,当主模块(如采集器或收抄机)在模式2下发送数据,从模块唤醒后接收数据,完成后利用AUX脚将下位机MCU唤醒,再将数据输出,MCU接收到数据后,可将从模块切换至模式1,应答主模块。如主模块收到应答后也可被切换至模式1,这时主从模块均处于正常模式下,可以实现高速数据传输。如主模块收到应答后,后续无数据交换可将从机再次切换至模式3处于省电模式下,等待下的唤醒,而主模块可以切换至模式4休眠状态。
因为省电是通过周期性唤醒休眠再唤醒实现的,所以在省电模式下的功耗与唤醒周期和每次唤醒搜索前导码的时间(tw),以及休眠的静态功耗有关。唤醒周期用户可以在线设置范围是50ms至5s. 每次搜索前导码时间与射频传输的速率有关,射频传输的速率也是可设的,在10Kbps速率的速率下唤醒搜索前导码时间平均约为4.5ms.
在省电模式下电池的使用寿命可以通过以下公式算出:
使用寿命
例如:电池是 3.6V/3.6A ER18505锂亚电池,模块包括MCU接收电流为3.2mA,休眠电流1.5uA.射频传输速率10Kbps,唤醒周期为1SEC,那么电池使用寿命是:=227337H≈(25.956年)考虑到电池的自放电,不同电流下的容量差异,温度以及客户端MCU的休眠功耗和每月几次的使用,1节3.6V/3.6A ER18505锂亚电池正常情况下有超过10年的使用寿命。
省电模式的工作方式非常适合水气热表,集装箱信息管理,数据采集系统等使用不是太频繁但要求用电池长期工作的场合。
总结
在一些无线收发的应用中,如需电池供电,又要长期处于接收状态已保证实时响应,只有用定时唤醒接收的方式。在电池容量不变的情况下,若想延长工作时间,只能降低占空比和提高无线收发速率。但是降低占空比会直接影响到响应实时性,而无线接收每提高一倍的速率灵敏度一般会下降2-3dBm, 。直接影响到通讯距离,现在市场上常见的单芯片无线IC接收电流一般都有15-20mA ,如应用于像无线水汽表需要电池工作6-10年的系统,各种参数像距离,工作寿命,响应时间很难取舍。而SEMTECH推出的SX1212创新的将电流降低到2.6mA,同时接收灵敏度,抗干扰,邻道选择性等指标仍然具有较高的指标。
目前这基于SX1212的无线模块已有深圳市安美通有限公司开发完成,并成功应用于无线水气表的采集,实测在开阔地无线设置在10Kbps下距离约有450米,2Kbps下距离约有600米,1SEC打开的情况下,用手抄机不到2SEC即可完成水气表数据采集,若与采集器配合可以实现全自动抄表,手抄机如再加上GPS即可实现无需人工输入命令,自动发现周边的水气表从而进一步提高抄表速度。而相比传统的人工抄表每人每月只能抄3-4K住户,并且燃气表大多还要在晚上上门抄表,大大的提高了效率。
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