基于IA4420射频芯片和单片机实现数据采集系统的应用方案
作者：徐钤,王杰
本文介绍了一种基于IA4420的无线数据采集系统的总体方案、硬件电路及软件实现流程。经过对各项参数的合理配置，在实际使用中各项检测指标均符合国家无线电管理的相关技术要求，具有很高的实用价值。
1 IA4420简介
IA4420射频芯片是一款单芯片、低功耗、多频段的FSK收发器，可工作在315／433／868／915 MHz四个频段。其内部集成了所有必需的射频功能，外围只需1个MCU、1个晶振和旁路滤波电容就可组成一个高可靠性的收发系统，具有设计简单、成本低、生产免调试的特点。在无需外加功放的情况下，通信距离可达到200 m以上。
图1为IA4420的内部结构图。芯片内部集成有高频功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）、I／Q混频器、基带滤波器、放大器和I／Q解调器。为了方便射频设计，IA4420有一个完全集成的锁相环（PLL），该PLL具有的快速锁相时间特性可实现快速跳频，它的高分辨率允许各个频段的多频点应用。可编程的基带带宽可根据不同的频偏、数据传输率和晶振误差作出相应调整。这款收发器采用了带I／Q解调的零中颇技术，因此在典型的应用中不需要外围器件（除了晶振和退耦电容）。此外，IA4420集成了数据过滤、时钟恢复、数据模式识别、FIFO和发射数据寄存器，这些数字信号处理功能显著地减轻了控制器的负担。在低功耗应用中，IA4420支持基于内部唤醒定时器的低功耗操作，最低待机电流为O．3μA。
2 系统设计
无线数据采集系统的结构如图2所示。图中，数据采集由相应的传感器（例如监测环境温度的温度传感器）完成。当单片机通过IA4420接收到数据采集的指令后，就会将传感器采集到的数据再通过IA4420发送出去，命令端同样经过IA4420将数据接收下来。在采集端的IA4420可以编上不同的机器识别码，这样命令端就可以同时控制多点的数据采集。
3 主要硬件设计
无线数据采集系统的硬件核心是单片机和IA4420，其主要硬件设计如图3所示。
IA4420与单片机的连接关系十分简单。1至4脚是标准的SPI接口，单片机通过这个接口完成对IA4420内部寄存器的各项配置，以及发送和接收FSK数据。IA4420的第5脚（nlRQ）是中断请求。当发送寄存器准备接收下一个字节，或。FIFO收到预定的位的个数，或遇到上电复位、 FIFO溢出等情况时，第5脚都会发出一个低电平。由于具有自动频率控制功能（AFC），所以IA4420允许使用低精度（低成本）的晶振。为了让系统的成本降到最低，这款芯片可以提供时钟信号（第8脚）给单片机，从而避免使用2个晶振。
4 软件设计
IA4420是一款高度集成的芯片，可以通过内部寄存器灵活地配置各项参数。下面介绍其主要配置参数命令（命令都是16位的，POR为此命令的默认值）。
4．1 配置设置命令
el使能内部发射寄存器，数据通过发射寄存器方式发射时，e1必须置1；ef使能内部FIFO寄存器，采用FIFO方式接收、读取数据时，ef必须置1．b1、bO用于选择工作频段，如表1所列。
4．2 电源管理命令
er用于打开接收机；ebb用于打开基带电路；et用于打开发射机；es用于打开频率合成器；ex用于打开晶体振荡器；eb用于打开低压检测器；ew用于打开唤醒定时器；dc用于禁止时钟输出。
在发射状态下，et、es、ex置1；接收状态下，er、ebb、es、ex置1。
4．3 输出及FIFO模式命令
f3～f0：用于设置FIF0中断门限。当接收到的数据位达到该门限个数时，FIFO产生中断。
al设置FIF0填充条件：al为O时，只有接收到同步字2DD4h后，才开始向FIFO中写入接收到的数据；a1为1时，总是填充。
ff：同步格式接收后使能FIFO填充，清除该位会停止FIFO填充。如果需要重新启动同步格式识别，可将该位先置0后置1。
dr：禁止高灵敏度的复位模式。如果此位清零，那么供电电源的一个200 mV的干扰将导致系统复位。
4．4 发射配置控制命令
mp和m3～m0为FSK调制参数，输出FSK频率可以表示为：
fout=fo+（-1）SIGN·（M+1）·（15kHz）
这里，f0为信道的中心频率（由频率设置命令设定）；M是4个二进制位m3～m0；SIGN=（mp）XOR（FSK数据）。
p2～pO用于设定输出功率，如表2所列。
4．5 频率设置命令
12位参数F（f11～f0）用于设置工作频率，其取值范围为96～3 903。合成器的输出中心频率分别表示为：
1A4420发送和接收流程如图4和图5所示。
图4中，初始化IA4420后打开发射机。当IA4420发射完一个字节后会将nIRQ拉低，通知MCU写入后续字节以待发射。图5 中，IA4420参数配置完毕之后，打开FIFO接收模式。接收到数据之后会将nIRQ拉低通知MCU读取数据。数据包接收完毕后，必须要将FIFO复位以便后续数据包接收。
结语
本文介绍了一种基于IA4420的无线数据采集系统的总体方案、硬件电路及软件实现流程。经过对各项参数的合理配置，在实际使用中各项检测指标均符合国家无线电管理的相关技术要求，具有很高的实用价值。
