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內嵌UHF ASK/FSK發射器的8位微控制器
摘要：8位CMOS微控制器rfPIC12C509AF具有TISC中央處理器、1024×12bit可編程EPROM、41字節數據RAM、8位可編程定時/計數器、看門狗定時器、5個通用I/O等電路，內嵌UHF ASK/FSK發射器的射頻頻率范圍為310～480MHz，輸出功率+2～-12dBm，ASK數據發射速率0～40Kbps，FSK數據發射速率0～20Kbps，PLL鎖相。本文簡要介紹rfPIC12C509AF的特性及應用電路。關鍵詞：微控制器 無線發射器 無線數據傳輸
1 概述
tfPIC12C509AF是Microchip公司推出的單片集成內嵌射頻無線數據發射器的8位CMOS微控制器。芯片具有高性能的RISC中央處理器，33條12位字長的指令，8位字長的數據；內置4MHz RC振蕩器，運行速度1μs指令周期；7個特殊功能的硬件寄存器，2級硬件堆棧，直接、間接和相對尋址方式；1024×12bit可編程EPROM，41字節數據RAM；在線串行編程（In-Circuit Serial ProgrammingTM,ICSP TM），內部RC振蕩器的頻率可編程校準（獨立于發射器的石英晶體振蕩器基準），8位可編程定時器/計數器；上電復位，看門狗定時器，低功耗睡眠模式，可編程編碼保護，5個通用I/O等功能；工作電壓2.5～5.5V，低拉耗睡眠模式電流0.2～4μA。內嵌的UHF ASK/FSK發射器，射頻頻率范圍為310～480MHz，可調節的輸出功率+2～12dbm，ASK數據發射速率0～40Kbps，FSK數據發射速率0～20Kbps，PLL鎖相，集成的晶體振蕩器和VCO電路僅需少量的外部元件。
可用于遙控無鍵入口（RKE）發射器、車庫門開門器、遙測（輪胎壓力，水、電、氣表、貴重物品跟蹤）、無線安防系統、無線電遙控等領域。
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2 引腳排列及功能
rfPIC2C509AF采用20腳SSOP封裝，各引腳功能如下。
1（VDD）：邏輯電路和I/O端品/石英振蕩器輸入/外部時鐘輸入（GPIO僅在內部RC模式，在其它振蕩器模式下為OSC1）。當GPIO時TTL輸入，在外部RC振蕩器模式時ST輸入。
3（GP4/OSC2）：雙向I/O端品、石英晶體振蕩器輸出。在石英晶體振蕩器模式連接晶振或諧振器。
4（GP3/MCLR/VPP）：輸入端口/用戶清除（復位）輸入/編程電壓輸入。當構成MCLR時，此腳是低電平有效，實現器件復位。在設備進入正常的運行和編程模式時，MCLR、VPP上的電壓不能超過VDD，并且能夠通過軟件編程改變引腳狀態來喚醒睡眠狀態。
5（XTAL）：發射器晶振，連接到考比慈（COPITTS）型晶體振蕩器上。
6（RFENIN）：發射器和時鐘輸出使能，內部下拉。
7（CLKOUT）：時鐘輸出。
8（PS/DATAASK）：功率選擇和ASK數據輸入。
9（VDDRF）：發射器正電壓端。
10（ANT1）：差分功率放大器的輸出端連接到天線，集電極開路輸出。
11（ANT2）：差分功率放大器的輸出端連接到天線，集電極開路輸出。
12（VSSRF）：發射器接地參考端。
13（NC）：空腳。
14（LF）：連接外部回路濾波器。VCO轉換輸入和充電泵輸出的共用點。
15（DATAFSK）：FSK的數據輸入。
16（FSKOUT）：FSK晶振的輸出。
17（GP2/T0CKI）：雙向I/O端口，能構成T0CKI。
18（GP1）：雙向I/O端口/串口編程時鐘，能通過軟件編程改變引腳狀態來喚醒睡眠狀態。這個緩沖器在串口編程模式下為施密特觸發器輸入。
19（GP0）：雙向I/O端口/串口編程數據，能通過軟件編程改變引腳狀態來喚醒睡眠狀態。這個緩沖器在串口編程模式下為施密特觸發器輸入。
20（VSS）：邏輯電路和I/O腳的參考地。
3 基本結構和特性
rfPIC12C509AF內部結構包括一個完整的8位CMOS微控制器電路和發射器電路，以下介紹發射器電路。發射器電路方框圖如圖1所示。
發射器是一個完整的集成UHF ASK/FSK發射電路，由石英晶體振蕩器、鎖相環電路（PLL）、集電極開路的輸出功率可變放大器PA（Power Amplifier）和模式控制邏輯（mode control logic）所組成。外接元件有旁路電容、晶振和PLL回路濾波器，能實現ASK和FSK的操作。
引腳VDDRF和VSSRF分別是發射器電路的電源供給端和接地端。這些電源腳與微控制器的電源供給腳VDD和VSS是相互獨立的。
發射器的石英晶體振蕩器是一個考比慈振蕩器，提供PLL的基準頻率，并且與PIC微控制器的振蕩器是相互獨立的。XTAL腳上接外部振蕩器或AC模擬基準信號。發射頻率是由晶振頻率確定的，公式如下：
ftransmit=fXTAL×32
考慮到發射頻率的靈活選擇，最終晶振頻率可能不是標準值。晶振頻率最小值為9.65～15MHz，負載電容10～15pF，并聯電容7pF，等價串聯阻抗60Ω。
rfPIC12C509AF晶體振蕩器實現ASK操作電路如圖2所示。電容器C1取值22～1000pF。
rfPIC12C509AF晶體振蕩器實現FSK操作電路如圖3所示。電容C1和C2通過拖動晶振來實現FSK調制。當DATAFSK=1時，FSKOUT為高阻抗，只有C1對晶振起使用，發射頻率為fMAX；當DATAFSK=0時，FSKOUT與VSSRF接地，電容C1和C2并聯，發射頻率為fMIN。選擇一組理想的C1和C2值為確定中心頻率和頻率偏差。電容C1確定fMAX而電容C1和C2的并聯值確定fMIN。
C1取值22～1000pF，C2取值47～1000pF。
發射器中心頻率（fc）：fc=(fMAX+fMIN)/2
發射器頻率偏差：Δf=(fMAX-fMIN)/2
石英晶體振蕩器有1個四分頻（Divide by 4）電路，此電路通過時鐘輸出（CLKOUT）引腳輸出時鐘。CLKOUT時鐘輸出信號可作為微控制器的輸入或其它外圍電路的穩定基準頻率。注意千萬不要將CLKOUT信號連接到PIC微控制器的OSC1輸入端，因為PIC微控制器沒有時鐘信號就不能工作，此時發射器的振蕩器也不能工作。這時PIC微控制器需要從外部引入時鐘或經過內部RC振蕩器產生時鐘。當應用中需要穩定的基準頻率時，可將CLKOUT腳連接到GP2/T0CKI輸入上，并且使用TIMER0模塊。為了使干擾信號習盡可能小，應對CLKOUT有速率限制。CLKOUT的電壓幅值由在CLKOUT腳上的充電電容決定（2VPP，5pF）。
鎖相環電路（PLL）由相頻檢波器（phase frequency detector）、充電泵（charge pump）、壓控振蕩器VCO（Voltage Controlled Oscillator）和固定的32分頻器（fixed divide by 32）組成。引腳LF連接1個外部回路濾波器。這個回路濾波器控制PLL的動態范圍和起始鎖定時間。
PLL的輸出給功率入大器（PA）。集電極開路輸出的不同值可直接驅動閉環天線（ANT1、ANT2）或經過1個阻抗匹配網絡或平衡-不平衡變換器改變成單端口輸出。引腳ANT1和ANT2為集電極開路輸出，必須通過負載上拉到VDDRF。
PA的差動輸出應該匹配1個1kΩ的負載電阻。當匹配不合理時會導致過度的干擾和諧波輻射。發射輸出功率可以通過改變PS/DATAASK腳的電壓調節成+2～-12dBm中的6個等分值。
在FSK的操作中，PS/DATAASK腳只能作為功率選擇腳（PS）使用。1個20μA的內部電流源輸出電流流入PS/DATAASK腳，通過電阻R2產生一個電壓降，作為功率控制電壓（VPS）控制發射輸出功率。VPS控制PA的偏置電流，高的發射功率需要較大的偏置電流。
為了實現ASK操作，PA/DATAASK腳的功能是控制功率放大器PA導通或關斷。分壓網絡上的R1和R2是為了確定VPS，以達到選擇發射器輸出功率的目的。假如要得到最大發射器輸出功率，可以把引腳GP0和PA/DATAASK直接連接起來。
邏輯控制模引式腳RFENIN控制著發射器的操作。當RFENIN=1時，發射器和CLKOUT在工作模式；當RFENIN=0時，發射器和CLKOUT進入待機模式。在待機模式時，發射機產生很小的電流。REFNIN腳在內部有1個下拉電阻。
4 應用電路
一個FSK的應用電路如圖4所示，工作頻率433.92MHz，輸出功率+2dBm。電路可根據控制輸入信號發射微控制器內的數據。
設計印制電路板時應注意：需要提供1個低阻抗電源和最小噪聲輻射的地線。要求使用雙面PCB板，并把地線平面放在底層以減少無線電的輻射和串擾；旁路電容應盡量靠近每個電源引腳VDD和VDDRF；用1個單獨的PCB通孔接連VSS和VSSRF，千萬不要把PCB通孔與復俁地線相連；為減少電路中的分布電容，應避免平行線路的出現；線路應越短越好；為防止耦合，應獨立其各組成部分；使用接地線使各信號隔離；用地線來屏蔽時鐘輸出線，隔離CLKOUT信號和減少耦合；回路濾波器的組成部分盡可能放在離LF腳近的地方，并保持線路盡可能短；發射天線可印制在PCB上。
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