无线模块电路设计.doc

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1、基于MRF24J40的IEEE802.15.4无线收发电路设计时间：2010-11-3019:05:33来源：作者：黄智伟何娜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2.405～2.48GHzISM频段，接收灵敏度为-91dBm，最大输入电平为+5dBm，输出功率为+0dBm，功率控制范围为38.75dB，集成有20MHz和32.768kHz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

2、、CCM和CBC-MAC模式采用硬件加密(AES-128)，电源电压范围为2.4～3.6V，接收模式电流消耗为18mA，发射模式电流消耗为22mA，睡眠模式电流消耗为2μA。MRF24J40采用6mm×6mmQFN-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，GPI

3、O1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32kHz晶振输入正端和负端；OSC1和OSC2为20MHz晶振输入正端和负端；CLKOUT为20／10／5／2.5MHz时钟输出端；LCAP引脚端用来连接一个180pF的PLL环路滤波器电容；XIP

4、和RXQP为接收I通道和Q通道输出正端。2MRF24J40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27pF，10nF，100nF，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32kHz晶振和电容，构成32kHz时钟振荡器电路。

5、OSC1和OSC2引脚端连接20MHz晶振和电容，构成20MHz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3.1PCB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2.405～2.48GHz，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

6、性能或者微带线的特性阻抗。信号层的50Ω微带线为12mil(1mil=0.0254mm)。应避免微带线的长度超过2.5cm，当线长超过2.5cm，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15～27pF和100nF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

7、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。3.2PCB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。4MRF24J40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