Sub-GHz Radio双向链接演示套件的介绍

随着2.4 GHz ISM频段变得越来越拥挤，sub-GHz 868 MHz频段已经开始受到很多关注 - 提供更大的范围和更少的干扰。适用于868 MHz的相同论点在频率的一半时更具吸引力。 Silicon Labs EZR-LEDK2W双向链接演示套件使得在较低频段上的测试设计变得容易。

该套件以Silicon Labs的EZRadio®Si4455收发器为基础，包含两个电池供电的RF收发器板（RFStick）和用于编程的ToolStick基本适配器。该套件有三个版本：用于434 MHz操作的EZR-LEDK2W-434，用于868 MHz的EZR-LEDK2W-868和用于915 MHz的EZR-LEDK2W-915。本文包括对434 MHz套件的实际审查，其中包括一个范围测试，用于检查不同距离的数据包错误率。

Silicon Labs Si4455 EZRadio双向链接演示套件（见图1）包含两个带印刷定向天线的完整收发器板，两个用于编程电路板的ToolStick基本适配器，两个USB扩展器电缆和四个AAA电池。这些电路板预编程了一个范围测试演示，与2.4 GHz的Wi-Fi®或Bluetooth®相比，您可以快速查看在sub-GHz频率下传输数据的距离。使用434 GHz版本的套件，差异 - 甚至允许使用内置定向天线 - 非常引人注目。

图1：Si4455 RFSticks和ToolStick基本适配器。

收发器板分为两部分，可以轻松拆分。 Silicon Labs甚至鼓励您将它们分开并直接在您自己的设计中使用收发器模块。为此，您需要移除“零欧姆电阻”，然后绕过PCB天线并将PA的输出路由到F连接器，以便与外部天线一起使用。

电路板的收发器部分是围绕Silicon Labs的“下一代EZRadio”芯片Si4455构建的（见图2）。该芯片是一个完整的sub-GHz RF收发器，包括PA和SPI MCU接口。 Si4455涵盖了从283到960 MHz的所有主要sub-GHz频段。在TX模式下，芯片在+10 dBm输出（最大+13 dBm）下从1.8至3.6 V电源消耗18 mA。它可以使用FSK，GFSK和OOK调制进行传输，最大数据速率为500 kbps。

图2：Si4455框图（由Silicon Labs提供）。

在RX模式下，芯片消耗10 mA并在待机模式下降至50 nA，这是大多数低功耗协议将花费大部分时间的地方。接收器包含AFC和AGC，接收灵敏度为-116 dBm。分组处理包括前同步码，同步字检测和CRC校验。唯一不足以使其成为完整的RF模块的是晶体，一些L/C组件和天线，所有这些都在套件的PCB上提供（参见图3）。

图3：Si4455应用电路（由Silicon Labs提供）。

如果您不熟悉Silicon Labs的EZRadio技术，Digi-Key带有一个EZRadio概述产品培训模块，可以帮助您加快速度。

电路板的处理器端基于Silicon Labs的C8051F930 MCU（参见图4）。该芯片设计用于超低功耗单节电池供电设备;它可以在低至0.9伏的电压下工作，此时集成的DC-DC升压转换器开始工作。核心是单周期8051 CPU，25 MHz时峰值吞吐量为25 MIPS。它在工作模式下吸收4.1 mA，在RTC开启的睡眠模式下为0.6μA，在RTC关闭时为50 nA。 C8051F930包括一个高达300 ksps的10位ADC，两个可编程比较器，4352字节RAM（256 + 4 K），64 kB闪存，24个I/O端口，片上调试，四个可编程16-位计数器/定时器，以及16位可编程计数器阵列。流水线架构在一个或两个时钟周期内执行70％的指令。这不是Gen 1 8051.

图4：C8051F930框图（由Silicon Labs提供）。

Digi-Key不是一个，而是两个产品培训模块，进一步解释了C8051F930：C8051F9xx低功耗MCU和使用C8051F9xx系列进行低功耗操作设计。

范围测试演示

开箱即用，您可以快速运行预先闪存到MCU上的范围测试演示。为此，您只需插入电池，打开电路板，按下右侧按钮，然后学会读取闪烁LED的模式，以查看数据包的传输和接收时间。 LED1和L2指示分组的发送和接收。 LED 3和4与蜂鸣器组合指示分组错误率（PER）。 PER 《1％，PER》 1％，PER》 5％，PER》 20％存在不同的模式。还有不同的模式来指示电路板是发送还是接收。我最初发现这令人困惑，但设法弄明白了，它的工作方式与广告一样。实际上，对于室外测试 - 当在明亮的阳光下难以读取LED时 - 蜂鸣器结果是个好主意。

通过按正确顺序按下电路板上四个按钮的正确组合，您可以更改节点地址，频率，调制类型和每个收发器的数据速率。 OOK模式下的数据速率为2.4，9.6和20 kbps，GFSK模式下的数据速率为9.6，38.4和128 kbps。您也可以设置自定义速率并切换到简单的FSK，但只能使用Silicon Labs无线开发套件（WDS）或Silicon Labs IDE对电路板进行编程 - 但稍后会详细介绍。我选择了BER测试的默认设置：433.92 MHz，高精度GFSK，9.6 kbps。

我将一块电路板设置为传输并将其安装在三脚架上，将另一块电路板设置为接收，拾取后者并开始行走。 BER在100米左右超过百分之一;百分之五十五米;和约400米的20％。在他们自己的测试范围内，Silicon Labs做得更好，但结果不能直接比较。在他们的测试中，Silicon Labs使用2级FSK调制运行两个相同的434 MHz电路板，偏差为30 kHz，数据速率为2.4 kbps，+ 11 dBm PA输出，并且有效各向同性辐射的天线增益为-9 dB功率（EIRP）为+1.7 dBm。使用这种设置，他们能够保持两块板之间的通信超过1公里。尝试2.4 GHz。

我发现PCB天线是高度定向的。当他们没有瞄准对方时，在不失去连接的情况下，我无法达到50英尺。它们看起来像是八木天线，但它们实际上是一种平衡的倒F型天线（BIFA）配置（见图5）。天线的远端基本上是折叠式偶极子，厚PCB走线为其提供馈电，在单端PA输出，印刷平衡 - 不平衡转换器和天线之间形成90欧姆差分带线，它们共同形成50欧姆系列谐振电路匹配PA的阻抗。天线的卷曲臂 - 我最初认为是反射器 - 可以减小天线的尺寸并调节其阻抗。典型的偶极子，最大增益垂直于天线（在这种情况下为-10 dB），并迅速向侧面下降。

图5：Si4455射频棒上的PCB天线（由Silicon Labs提供）。

差分天线或偶极子通常比手持设备中常见的单极天线具有一个主要优势 - 地平面对辐射特性影响不大，使其更容易布局且不易受影响对环境的影响。这些天线通常用于车库门开启器，钥匙链RKE加密狗和其他远程控制应用。

获取程序

超越范围测试演示涉及使用Silicon Labs的无线开发套件（WDS）重新编程电路板。您可以在模拟模式下运行WDS，以测试不同的通信参数在实践中可以为您提供的服务;或者您可以通过ToolStick基础适配器和USB延长线将其中一个RFSticks连接到您的计算机，并直接在Si4555中配置RF参数。在尝试使用模拟器后，我选择了后者。

配置向导允许您在将它们提交给芯片之前检查可用选项的预计结果（参见图6，右侧）。例如，我选择以FSK模式运行电路板，数据速率为2.4 kbps，偏差为30 kHz，信道带宽为114 kHz，功率输出为-14 dBm，并使用PCB BIFA天线，电路板的最大室外范围为870米;但FCC第15部分规定允许的最大范围仅为215米。在欧洲（单击ETSI按钮）不再是问题 - 现在最大功率跳到3 dBm，允许的室外范围是870米。

图6：使用WDS配置向导配置Si4555。

改变频段同样具有指导意义。再次根据FCC规则，如果我从433频段移至435 MHz频段，则最大可能的室外范围从870跳到1378米，但允许范围仅从215增加到245，最大功率降至-20 dBm。如果您想要范围，请转到902-928 MHz频段。在这里，您可以输出30 dBm并达到1144米。

Silicon Labs表示，Si4455“完全符合大多数全球监管标准，如FCC，ETSI和ARIB。”这些规则内置于WDF配置向导中，并显示在向导中。例如，根据FCC规则的第15.249部分（相同的TX-RX天线; TX-RX天线增益-3;最大TX EIRP~ + 9 dBm），900 MHz频段内的+30 dBm功率输出是允许的。对于RF设计人员而言，这是一个严重的节省时间，使他们不必调整数百个不同的参数，同时倾注一套规则手册。

完成配置向导后，您可以接下来配置应用程序（参见图6，左侧），设置数十个RF参数（调制类型，数据速率，偏差，通道带宽和间距等），数据包处理程序设置，中断和GPIO设置。完成所有选择后，可以单击“加载固件”。 WDS将选项框中的一个示例项目与RF配置一起加载到开发板中，然后可以将其断开连接并用于范围和RF测试。此外，您可以单击“启动IDE”。 WDS在Silicon Labs IDE中启动了选定的C项目，该公司认为该项目是软件开发的理想起点。

我选择了Packet RX项目（FSK，4.8 kbps，30 kHz偏差和185 kHz信道带宽），然后单击Launch IDE。这带来了IDE启动器。它需要我选择一个工具链 - Keil或SDCC - 我选择了SDCC，此时填充了汇编器和编译器命令行标志。单击OK启动IDE，并将新配置数据预加载到项目中。

EZR-LEDK2W套件退后一步，提供了几个带有Keil和SDCC工作空间的示例程序。这些项目包括：

CW_Transmit

DirectRX

Empty_Project

EZRADIO_SI4X55_1W_KEYFOB_DEMO

PacketRX

PacketTRX

PacketTX

PN9_Transmit

这些完整的，文档齐全的C项目允许您编译，闪存到芯片，并在板上运行。它们对于学习各种芯片功能和接口的工作方式也具有指导意义 - 当然，它们也可以作为您自己项目的构建块。

为了启动Silicon Labs IDE项目，我启动了该软件。它问我现在是否愿意联系。我将RFStick板连接到ToolStick并将设备插入USB端口。该程序识别了该板并弹出了Open Workspace窗口。我选择了CW_Transmit_SDCC.wsp工作区文件以及加载到IDE中的所有项目文件。在Project菜单中，我选择了Tool Chain Integration，然后单击了SDCC汇编器，编译器和链接器程序。然后我重建了项目，将其下载到MCU，然后运行生成的程序（参见图7）。对于习惯使用SDCC或Keil工具的人来说，整个过程非常流畅，几乎是直观的。

图7：Silicon Labs IDE的实际应用。