低功耗无线收发电路系统设计

摘 要： 目前，无线通信技术发展极其迅速，随之引起系统功耗不断上升。因此人们近几年来对无线通信网络中各方面的低功耗技术进行了深入的研究，使节能成为无线通信发展的一个重要方向。设计了低功耗无线收发电路系统，采用STM32L151系列超低功耗芯片和UTC4432系列无线通信模块作为核心电路系统，通过软件设计及调试实现整个低功耗收发电路系统功能。结果表明：采用合适的微控制器和无线通信模块对于控制无线收发电路系统的功耗有着极其重要的作用，再加上对软件编程的控制，能够使整个系统的功耗大幅度降低。

关键词： 无线收发电路； 低功耗； STM32L芯片； 通信模块

中图分类号： TN92?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）21?0135?04

Design of low?power consumption wireless transceiver circuit

ZHANG Hong?wen

（Communication Office， China Railway Fourth Survey and Design Group Co.， LTD.， Xi’an 710043， China）

Abstract： At present， the wireless communication technology is developed rapidly， which causes the demands of the low?power consumption system. In recent years， the low?power consumption technology in wireless communication network are stu?died deeply， so energy conservation has become an important direction of the wireless communication development. The design of low?power wireless transceiver circuit system is carried out in this paper， in which STM32L151 series ultra low power chip and UTC4432 series wireless communication module are taken as the core circuit system to realize the function of the low power transceiver circuit system through software design and debugging. The results show that the suitable micro contro0 引 言

无线通信网摆脱了密密麻麻的连线制约，这是它的一个重要优势。它是由微小的传感器、微控制单元和无线通信模块通过组网形成的无线网络，利用数据处理单元来检测感知到的信息并经过有效处理后发送给对方。无线收发电路系统是无线通信网络的基本组成部分，其在不同应用中有不同的设计，但基本原则一致，都是尽可能采用低功耗的器件和尽可能使用节省的信号处理。其中核心处理器应当采用功耗相对较低的电路。无线通信模块负责两点之间的无线通信，是整个结构中最耗能的部分，无线通信模块可配合核心处理器根据不同功能切换不同工作模式，从而降低功耗。所以，对低功耗无线通信模块的选取与编程控制是一个非常值得注意的方向。

1 系统方案

本文设计了由MCU开发板和无线通信模块组成的低功耗无线收发电路系统的方案。该系统由发射方和接收方两组模块组成，发射方经软件编程控制将数据发送出去，接收方通过天线接收到数据经处理后在开发板上显示出来，从而实现该电路系统的近距离低功耗无线通信。

为大幅度降低系统功耗，本设计采用的两个重要模块均具有低功耗特性。硬件电路基于低功耗微控制器的电路开发板，此硬件电路自行设计，通信模块与该开发板通过相关引脚直接相连。软件设计基于RealView MDK软件设计平台，然后通过编程对整个电路系统进行调试。接收方和发送方所用的芯片开发板相同，通信模块及其配置也相同，双方通过无线通信模块的天线进行相互通信。其系统框架如图1所示。

图1 系统框架图

对于本设计，要实现低功耗，就必须选用低功耗的硬件模块。并且，为了最大限度地节约成本和材料，需要选用的硬件设备体积必须尽可能小。以下给出三种实施方案。

方案一：MCU选用单片机MSP430F135，无线通信模块选用AT86RF211S收发电路。但是AT86RF211S收发电路需要自行设计，造成系统电路比较复杂，影响运行速度[2]。

方案二：MCU选用STM32F103系列芯片，无线通信模块选用杭州威步公司的UTC4432B1_V6。

方案三：MCU选用STM32L151系列芯片，无线通信模块的选用与方案二相同。其中STM32L是在STM32F基础上推出的一款超低功耗的芯片。

硬件模块的比较如表1，表2所示。

通过比较发现，STM32L151芯片功耗最低，且硬件电路设计简单。无线通信模块UTC4432B1_V6无需自行设计，其功耗低、传输距离远，并且易于软件编程。因此本设计采用第三个方案。

表1 控制模块的比较

[控制模块＼&运行时最低电流消耗＼&电路＼&成本＼&MSP430F135单片机＼&160 μA＼&比较简单＼&较低＼&STM32F103 ＼&1.06 mA＼&比较简单＼&较低＼&STM32L151 ＼&60 μA＼&比较简单＼&较低＼&]

表2 无线通信模块的比较

[模块名称＼&最低电流

功耗 /μA＼&最远通信

距离 /m＼&工作频率

/MHz＼&有无

唤醒＼&AT86RF211S

收发电路＼&1～10＼&800＼&433.8＼&有＼&UTC?4432B1_V6＼&2～20＼&2 000＼&420～450＼&有＼&]

2 硬件电路设计

硬件电路是整个系统的支撑，硬件电路设计并焊接的成功与硬件模块选择的正确是最终软件调试成功的基础。本设计硬件模块主要包括STM32L核心板和无线通信模块。本文主要介绍芯片电路的设计以及PCB版图的设计。整个硬件电路原理图使用Altium Designer软件来设计，如图2所示。

本设计采用输出为5 V的开关电源适配器供电，通过AMS1117正向低压降稳压器输出3.3 V电压，为STM32L151芯片提供电压。AMS1117稳压器分为固定电压输出和可调电压输出两个版本，本设计采用固定电压输出稳压器，输出电压为3.3 V，具有1%的精度，由于内部有限流电路和过热保护，使得AMS1117稳压器具有很强的稳定性。因此该电源供电电路选用AMS1117?3.3作为稳压器。

晶振可以为整个电路提供基本的时钟信号，有了它就有了稳定的频率。如果没有晶振，数字电路就失去了处理数据的节拍，也就无法正常处理任何数据了。晶振的频率越高，程序运行的速度就越快，STM32L上电后，默认使用内部晶振，外部如果接8 MHz晶振，就可以通过切换使用外部晶振，最终通过PLL分频和倍频可以达到72 MHz。

通过了解该模块的特性，设计出芯片与无线通信模块的接口连线方案，如图3所示。通过软件编程控制各个引脚使其切换不同的工作模式，最终实现两模块之间的无线收发功能。

图3 STM32L与UTC4432连接示意图

根据设计的PCB图制作的实物板如图4所示。

图4 实物正面图

3 软件设计

硬件电路设计无误并焊接成功后，便要对整个系统进行软件调试，调试首先要进行的工作就是软件设计。

图5为发送模块程序流程图。发送模块的工作流程为：首先对系统进行初始化，初始化包括对时钟、引脚、中断、定时器、串口以及无线通信模块等相关参数进行配置。然后将时间间隔设置为1 s，打开串口、向串口发送引脚写入数据并在二极管上显示。但是成功接收数据的前提是无线通信模块必须配置正确，如果配置正确，无线通信模块将会作出应答并显示在软件调试环境的相关对话框中。最后无线通信模块通过天线向空中信道发送从MCU接收到的数据。

图6为接收模块程序流程图。接收模块的工作流程为：首先对系统进行初始化，包括对引脚、中断、串口以及无线通信模块等相关参数进行配置。然后无线通信模块从空中信道接收数据，若其配置正确则接收成功，成功接收后又通过该模块发送引脚向MCU发送数据。最后通过响应中断使MCU接收数据并在二极管上显示出来。发送模块与接收模块的硬件系统上均有3只二极管，于是3只二极管便可以显示8种状态，通过观察两模块上二极管的状态是否一致来判断通信是否成功。

需要注意的是，发送与接收无线通信模块的参数配置应当一致。因为本设计仅仅用到A、B两类总线，所以软件编程时仅仅可以使这两类总线使能，其他总线均关闭。

图5 发送模块程序流程图

图6 接收模块程序流程图

4 功耗测量

本设计使用Agilent34410数字万用表测量系统功耗，实质是测量系统电流，因为系统输入电压始终为5 V。测试电路连接如图7所示。

图7 测试电路连接图

利用软件平台编写不同程序完成对芯片不同工作模式的操作。室温下测量STM32L在不同模式及不同参数下的电流消耗如表3，表4所示（说明：测量时发现在不同的发射功率下，系统只有工作在低功耗运行模式和低功耗睡眠模式时电流消耗不同，其余均相同）。

表3 发送模块下的功耗

[无线通信模块

发射功率 / dBm＼&MCU工作模式＼&电压 /V＼&实测电流＼&19＼&运行模式＼&5＼&19.1 mA＼&19＼&低功耗睡眠模式＼&5＼&9.06 mA＼&19＼&停止模式（RTC运行）＼&5＼&21.3 μA＼&19＼&停止模式（无RTC运行）＼&5＼&4.5 μA＼&19＼&待机模式（RTC运行）＼&5＼&12.1 μA＼&19＼&待机模式（无RTC运行）＼&5＼&3.27 μA＼&14＼&运行模式＼&5＼&18 mA＼&14＼&低功耗睡眠模式＼&5＼&6.45 mA＼&8＼&运行模式＼&5＼&15 mA＼&8＼&低功耗睡眠模式＼&5＼&2.39 μA＼&1＼&运行模式＼&5＼&11 mA＼&1＼&低功耗睡眠模式＼&5＼&860 μA＼&]

表4 接收模块下的功耗

[无线通信模块

发射功率 /dBm ＼&MCU工作模式 ＼&电压 /V ＼&实测电流 ＼&1 ＼&运行模式 ＼&5 ＼&10.6 mA ＼&1 ＼&低功耗睡眠模式 ＼&5 ＼&849 μA ＼&1＼&停止模式（RTC运行） ＼&5 ＼&20.1 μA ＼&1 ＼&停止模式（无RTC运行） ＼&5 ＼&4.35 μA ＼&1 ＼&待机模式（RTC运行） ＼&5 ＼&11.9 μA＼&1 ＼&待机模式（无RTC运行） ＼&5 ＼&3 μA＼&]

由表3，表4可以看出，芯片在不同工作模式下的功耗不同，处于运行模式时功耗最高，待机模式时功耗最低。并且可以发现系统的功耗随发射功率的减小而减小，这是因为无线通信模块在整个系统中是耗能的重要部分。需要说明的是，发射功率越大，通信距离越远。

整个系统无论处于何种模式，供电电压均为5 V，最大电流消耗不到20 mA，与其他一些无线通信系统的设计相比较，功耗已经大大降低。本设计是在用STM32作为微控制器实现通信技术的基础上完成的，但STM32系统并未考虑如何大幅度降低功耗，其正常运行时电流消耗最大为38.3 mA，最小为25.8 mA，此前，也有不少有关低功耗无线通信系统的设计，但其电流消耗大部分都大于20 mA。因此，在软件编程的控制下，将STM32L系列芯片作为微控制器并结合UTC4433系列无线通信模块时，可以使整个系统的功耗大幅度降低。

5 结 语

本文详细分析了整个系统的设计方案，并对设计方案中涉及的两大模块MCU和无线通信模块做重点介绍，说明了两模块的连接方式以及采用何种工作模式可使系统功耗降到最低，对STM32L这一新型超低功耗微控制器使用的恰到好处，同时也凸显出本设计方案的特点所在。实现了基于RealView MDK软件平台的软件程序设计。结合理论知识并熟练掌握软件操作方法，在μVision4集成开发环境下用C语言编写程序完成软件设计。然后通过与硬件电路系统相连反复调试实现两模块之间的无线通信。最后测量系统功耗，经比较表明，本次设计成功完成了对无线接收电路系统的低功耗设计，对低功耗无线通信模块设计具有借鉴意义。

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Keywords： wireless transceiver circuit， low power consumption，the STM32L chip， the communication module