极低功耗无线收发集成芯片CC1000

引言

CC1000是根据Chipcon公司的SmartRF技术,在0.35μm CMOS 工艺下制造的一种理想的超高频单片收发通信芯片。它的工作频带在315、868及915MHz,但CC1000很容易通过编程使其工作在 300～1000MHz范围内。它具有低电压（2.3～3.6V）,极低的功耗,可编程输出功率（-20～10dBm）,高灵敏度（一般 -109dBm）,小尺寸（TSSOP-28封装）,集成了位同步器等特点。其FSK数传可达72.8Kbps,具有250Hz步长可编程频率能力,适用于跳频协议;主要工作参数能通过串行总线接口编程改变,使用非常灵活。

1  电路结构

图1所示为CC1000的简化模块图。在接收模式下,CC1000可看成是一个传统的超外差接收器。射频（RF）输入信号经低噪声放大器（LNA）放大后翻转进入混频器,通过混频器混频产生中频（IF）信号。在中频处理阶段,该信号在送入解调器之前被放大和滤波。可选的RSSI信号和IF信号也可通过混频产生于引脚RSSI/IF。解调后,CC1000从引脚DIO输出解调数字信号,解调信号的同步性由芯片上的PCLK提供的时钟信号完成。


图1  CC1000的简化模块图

在发送模式下,压控振荡器（VCO）输出的信号直接送入功率放大器（PA）。射频输出是通过加在DIO脚上的数据进行控制的,称为移频键控（FSK）。这种内部T/R切换电路使天线的连接和匹配设计更容易。

频率合成器产生的本振信号,在接收状态下送入功放。频率合成器是由晶振（XOSC）、鉴相器（PD）、充电脉冲、VCO以及分频器（/R和/N）构成,外接的晶体必须与XOSC引脚相连,只有外围电感需要与VCO相连。

2  应用电路

CC1000工作时外围元件很少,典型的应用电路如图2所示。当配置CC1000不同的发射频率时,外围元器件参数也不同,具体参数请见参考文献[1]。


图2  CC1000的典型应用电路图

3  三线串行数据口

CC1000 可通过简单的三线串行接口(PDATA、 PCLK 和PALE) 进行编程,有36个8位配置寄存器,每个由7位地址寻址。一个完整的CC1000配置,要求发送29个数据帧,每个16位（7个地址位,1个读/写位和8 个数据位）。PCLK 频率决定了完全配置所需的时间。在10MHz的PCLK频率工作下,完成整个配置所需时间少于60μs。在低电位模式设置时,仅需发射一个帧,所需时间少于2μs。所有寄存器都可读。在每次写循环中,16位字节送入PDATA通道,每个数据帧中7个最重要的位（A6：0）是地址位,A6是MSB（最高位）,首先被发送。下一个发送的位是读/写位（高电平写,低电平读）,在传输地址和读/写位期间,PALE （编程地址锁存使能）必须保持低电平,接着传输8 个数据位（D7： 0）,如图3所示。表1是对各参数的说明。PDATA 在PCLK 下降沿有效。当8位数据位中的最后一个字节位D0 装入后,整个数据字才被装入内部配置寄存器中。经过低电位状态下编程的配置信息才会有效,但是不能关闭电源。


图3   CC1000写操作的编程时序图

表1  串行接口时序说明


微控制器通过相同的接口也能读出配置寄存器。首先,发送7位地址位,然后读/写位设为低电平,用来初始化读回的数据。接着,CC1000从寻址寄存器中返回数据。此时,PDATA 用作输出口,在读回数据期间（D7：0）,微控制器必须把它设成三态,或者在引脚开路时设为高电平。读操作的时序如图4所示。


图4  CC1000读操作的编程时序图

4  与微控制器连接

微控制器使用3个输出引脚用于接口（PDATA、PCLK、PALE）,与PDATA相连的引脚必须是双向引脚,用于发送和接收数据。提供数据计时的 DCLK 应与微控制器输入端相连,其余引脚用来监视LOCK 信号（在引脚CHP_OUT）。当PLL 锁定时,该信号为逻辑高电平。图5为P87LPC762单片机与CC1000接口示意图。


图5  接口示意图

P87LPC762单片机写CC1000内部寄存器的程序如下：
write_com(uchar addr,uchar com_data)//写内部寄存器子程序
　　{ char i;
　　addr<<=1;
　　pale=0; //允许地址锁存
　　for(i=0;i<7;i++) { //送地址
　　　　addr<<=1;
　　　　p_data=CY;
　　　　pclk=0; //上升沿
　　　　pclk=1;
　　}
　　p_data=1; //写操作
　　pclk=0;
　　pclk=1;
　　pale=1; //禁止地址锁存
　　for(i=0;i<8;i++){
　　　　com_data<<=1;
　　　　p_data=CY;
　　　　pclk=0;
　　　　pclk=1;
　　}
}

结语

当调制数据时,CC1000能被设置成三种不同的数据形式,分别为同步NRZ模式、同步曼彻斯特码模式、异步传输（UART）模式。为了满足电池供电情况下严格的电源损耗要求,CC1000 提供了十分方便的电源管理方法。通过MAIN 寄存器控制低电平模式,有单独的位控制接收部分、发射部分、频率合成以及晶振。这种独立控制可用来优化在某个应用中最低可能达到的电流损耗。CC1000 优良的性能使它主要应用于ISM（工业、科学及医疗）方面以及SRD（短距离通信）。