嵌入式短程无线通信工程系统硬件设计

3 PCB板设计

高频信号很容易由于幅射而产生干扰，导致振铃（ringing）、反射（reflection）串扰(crosstalk)等；而RF电路对此又特别敏感，因此在PCB板设计时，必须加以重视。为此电源设计时，应在条件许可下采用

多层板，提供专用的电源层和地线层。如采用电源总线方式，应尽可能地加粗电源线和地线；尽量减少板上的通孔（包括插件元件的引脚、过孔等）；多增加一些地线；分开模拟电源与数字电源；隔离敏感元件；在信号线边上可放置电源线，以最小化信号环路面积，减少环路数量。传输互布线应尽量满足以下规则：避免传输线阻抗不连续（阻抗不连续点是传输先突变点，如直拐角、过孔等，它将产生信号的反射。为此，布线时应避免走线的直拐角，可采用45°角或弧线走线，尽可能地少用孔）；不要用桩线。其次，要减少串扰。串扰是信号间产生的耦合，分容性串扰和感性串扰两种，通常感性串扰远大于容性串扰。串扰可通过一些简单的办法抑制：①由于容性串扰和感性串扰的大小随负载阻抗的增大而增大，所以应对串扰引起的干扰敏感信号进行适当的端接。②增大信号线间的距离，以减小容性串扰。③为减小容性串扰，可在相邻信号线间插入1根地线；但须注意，此地线每1/4波长要接入线层。④对感性串扰，应尽量减小环路面积，如允许，应消除次环路。⑤避免信号共用回路。最后，随着电路速度的提高，电磁干扰（EMI）越发严重，还须减小EMI。减小EMI的途径通常有：屏蔽、滤波、消除电流环路和尽量降低器件速度。滤波通常有三种选择：去耦电容、EMI滤波器、磁性元件。最常见的是去耦电容，去耦电容用于电源线路滤波。通常在电源接入电路板处放置一个1μF～10μF的去耦电容，以滤除低频噪声；在板上每个源器件的电源引脚处放置0.01μF～0.1μF的去耦电容，以滤除高频噪声。对去耦电容，要注意其放置位置。

4 RF芯片与MCU接口

通过RF芯片实现数据传输。接收端MCU采集RF芯片输出信号通常有三种办法：重复采样（over sampling）、脉冲边沿检测（edge detection）、使用MCU的通用串行通信口（UART）。

重复采样时，用一个三倍于比特率的速率对RF芯片输出信号复复采样，采用采样加权表。对噪音有抑制作用的，适合适应于距离要求较长、可靠性要求较高的场合；但时序要求严格，软件实现时较为复杂。RF芯片与MCU接口可采用MCU的输入输出口。

脉冲边沿检测使用数字信号脉冲实现同步，用RF芯片输出信号作为MCU的中断请求信号。中断程序计算每一比特的采样时间，可处理各种速率的数据流；但每比特仅采样一次，对噪音较敏感，实现算法比重复采样方式更复杂。RF芯片与MCU接口可采用MCU的中断系统及输入输出口。

为简化设计，可使用MCU的通用串行通信接口（UART）。UART对噪声较敏感，但可在软件设计中加以解决，因此通常采用这种接口形式。

5 系统传输距离

（1） 无线通信距离计算

这里给出自由空间传播时的无线通信距离的计算方法。所谓自由空间传播系指天线周围为无限大真空时的电波传播，是理想传播条件。电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。通信距离与发射功率、接收灵敏度和工作频率有关。

自由空间下电波传播的损耗：

Los=32.44+20lgd+20lgf

Los—传播损耗，单位dB;d—距离，单位km;f—工作频率，单位MHz。

如一个工作频率为433。92MHz,发射功率为+10dBm(10mW),接收灵敏度为-105dBm的系统在自由空间的传播距离：①由发射功率+10dBm，接收灵敏度为-105dBm，得Los=115dB。②由Los、f计算得出d=31km。

这是理想状况下的传输距离，实际应用中会低于该值。这是因为无线通信要受到各种外界因素的影响，如大气、阻挡物、多径等造成的损耗。将上述损耗的参考值计入上式中，即可计算出近似通信距离。假定大气、遮挡等造成的损耗为25dB，可以计算得出通信距离为：d=1.7km。

图3

    （2） 增加无线通信距离

《嵌入式短程无线通信工程系统硬件设计(第2页)》