高性能RF收发器CC900及其应用

1 概述

CC900是美国Chipcon Component公司生产的单片高性能UHF收发器，适用于低功率、低电压的无线通讯，是一种高集成、高灵敏、高性能的RF收发芯片。该芯征主要应用于工科医用频段ISM和短距离仪器SRD应用方面，工作频率范围在800～1000MHz，载波频率和发射输出功率均可通过编程确定，其范围为-20～4dBm。CC900的主要性能参数如下：

●工作频率可编程设置，范围为800～1000MHz；

●编程设置的工作频率步长为250Hz；

●输出功率可编程设备，范围为-20～4dBm；

●接收灵敏度为-110dBm；

●采用2.7～3.3V单电源电压供电；

●带有FSK调制功能，速率为0.3～9.6kbit/s；

●发射电流为91mA/4dBm；

●待机电流为0.2μA/3V；

●平均工作电流230μA/3V；

●采用单口天线，内含T/R转换开关；

●采用SSOP-28封装。

2 工作原理与引脚功能

2.1 工作原理

CC900 的内部原理框图如图1所示。在接收模式，RF输入信号被低噪声放大器（LNA）放大，并被混频器（MIXER）转换为中频（IF）信号。在中频段（IF STAGE），该IF信号被放大和滤波，最后送解调器（DEMOD）。设计时可在外部增加一个IF滤波器。信号经CC900解调后，未经处理的数据通过 DID脚输出。而外部微控制器则通过接口来控制已解调输出数据的同步和数值。



在发射模式，压控振荡器（VCO）的输出信号直接加到功率放大器（PH）。RF输出采用频移键控（FSK）调制方式，从管脚DIO输入的数字位流可用来控制RF信号的频率。而器件内部的T/R转换开关则可使天线的接口和匹配变得非常容易。

频率合成器用于产生本地振荡信号，该信号在接收模式时加到混频器（MIXER），在发射模式时加到功放（PA）。频率合成器由晶体振荡器、相位检测器、充电电路（CHARGE PUMP）、压控振荡器（VCO）和频率除法器（/R和/N）组成。需要说明的是：外部晶振必须连接到XOSC管脚。而VCO则需要外接一个带变容二极管的LC电路。外接的环路滤波器可以提高CC900的使用灵活性。另外，CC900内部速带有一个3线的数字串行接口（CONTROL）。

2.2 引脚排列及功能



图2所示是CC900的引脚排列示意图。其引脚功能说明如表1所示。

表1 引脚功能





3 与微控制器的串行接口

CC900通过一个简单的3线接口实现编程（STROBE、PDATA和CLOCK）。每次完成全部设置需要发送8个16位的数据帧。在时钟为2MHz时，全部设备需要的时间小于100μs。

在功率降低模式时， 设置CC900只需发送1个数据帧，因此花费的时间小于10μs。

图3所示是CC900在传送串行数据时的时序图，在每个写周期，16位数据发送到PDATA脚，每个数据帧的三个最高有效位（位15、位14、位13）是地址位，位15是地址的最高有效位，被首先发送。



图4为CC900的编程时序图，图中：Tsp≥5ns；THP≥5ns；TCLOW≥50ns；TCHIGH≥50ns；TSPD≥50ns；Tsc≥5ns，CLOCK、STROBE脉冲的上升与下降沿必须小于100ns。



CC900上PDATA脚的数据加载在时钟CLOCK的下降沿。当16位数据的最后1位（位0）加载时，STROBE脉冲必须从低电平变为高电平，然后再变为低电平才能加载该数据。在已编程为功率降低模式叶，数据设置有效，但在电流关断时无效。

通常在CC900与微控制器一起使用时，除通过3线串行接口与微控制器相连以完成芯片设置以外，微控制器还需提供1个双向输入/输出脚来与CC900的 DIO脚相连，以完成发射数据的输出和接收数据的输入。通常微控制器输入LOCK信号，用于监测CC900的工作状态，当PLL锁定时，LOCK为高电平。

4 数据的发射与接收

4.1 数据发射

发射数据应采用曼彻斯特码（即双向电平码bi-phase-level），以保护编码信号有一个恒定的直流分量，该直流分量是FSK解调所必需的。曼彻斯特编码变换方式为：“0”编码为从低到高的变换，“1”编码为从高到低的变换，如图5所示。其它具有相同直流分量的编码也可以在此使用。



4.2 数据接收

解调器输出（DIO）是一个在0V和VDD间变化的数字信号。对于较小的输入信号，可能会有一些噪声叠加其上。用数字信号的边沿进行数据定位时，数据速率可高达9.6kbit/s。对于曼彻斯特码，信号的基本频率也是9.6kHz。推荐使用比解调器输出频率高10到20倍的过采样频率。对于9.6kbit /s的数据速率，采样频率至少应为100～200kHz。对于较低的数据速率，采样频率也可降低。

通常，数据接收由微控制器进行采样，并存储在累加器中，累加器的长度取决于采样速率，一般为10到20位，输入数据值的判别（该信号是“0”还是“1”）基于0和1数目的比较。

5 实际应用电路

CC900 使用时只需要少量的外部元件，图6所示为其在水表无线抄表系统中的实际应用电路，图中L51和C51用于接收器的输入阻抗匹配，L61用于发射器的直流隔离。PLL环路滤波器由C121～C123、R121～R123组成；VCO储能元件由C91～C93、L91和变容二极管（VAR）组成；C10～C12、C210和C211为电源去耦电容，这些电容应尽可能地*近CC900的电源管脚。在笔者开发的水表无线抄表系统中，单片机选用的是 AT89C2051，它是单睛机8031的简化型，具有两个并行I/O口（P1和P3）。



利用Chipcom公司为用户提供的应用软件SmartRF可根据应用时的工作频率计算出图6电路上的元件值；此外，SmartRF还可根据用户使用 CC900时的不同工作参数选择生成CC900的全部8个16进制设置数据，并可初始化时由单片机把设置数据传送到CC900，以使其按用户要求正常工作。

CC900的天线可以采用单极天线、螺旋天线和环形天线，最常用的是单极天线，其长度对应于电磁波长的四分之一（λ/4），简单的天线可用一段导线来实现，也可集成到PCB板上；如考虑尺寸和成本，比λ/4短的非谐振单极天线也可以使用，这种天线便宜，也可以集成到PCB板上。天线应尽可能紧密地连接到CC900芯片，如果天线远离输入脚，则应使其与发射馈线相匹配。