基于MRF24J40的IEEE802154无线收发器电路方案设计

1、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、结术语

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。