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一种LoRa通信模块及其控制方法与流程

2020/5/18 8:31:25      点击:
技术实现要素:
有鉴于此,本发明提供一种LoRa通信模块及其控制方法,提高接收灵敏度和发射功率,降低系统功耗。
本发明采用以下技术方案:
一种LoRa通信模块,其中,包括:电源开关电路、微控制器、温度补偿晶振、射频集成收发电路、阻抗匹配电路和射频前端芯片,所述电源开关分别连接微控制器和射频前端芯片,所述微控制器分别与温度补偿晶振和射频集成收发电路连接,所述温度补偿晶振连接射频集成收发电路,所述射频集成收发电路与阻抗匹配电路连接,所述阻抗匹配电路连接所述射频前端芯片。
优选的,所述射频前端芯片包括功率放大器、低噪声放大器和收发信号切换开关。
优选的,所述射频集成收发电路为SX1276芯片、SX1277芯片或SX1278芯片。
一种LoRa通信模块的控制方法,包括:
在休眠状态下,微控制器IO管脚1输出低电平,控制温度补偿晶振的供电端子无电源输入;微控制器的IO管脚2控制电源开关处于关状态,使射频前端芯片处于无供电状态;微控制器控制射频集成收发电路进入休眠模式;
活动信道检测状态下,微控制器周期性的控制IO管脚1输出高电平、IO管脚2控制电源开关处于开状态,微控制器控制射频前端芯片开启接收状态;射频集成收发电路开启CAD检测步骤;检测射频集成收发电路是否接收到有效的载波信号,若接收到有效的载波信号,则射频集成收发电路进入接收状态,若未接收到,则射频集成收发电路处于休眠状态;微控制器的控制周期为T2;
在发射状态下,微控制器IO管脚1输出高电平、IO管脚2控制电源开关处于开状态,微控制器同时控制射频前端芯片和射频集成收发电路开启发射状态;射频集成收发电路发送预设时长为T1的前导码,T1大于T2,然后发送有效数据包。
本发明的有益效果如下:
1、发射功率大幅提高,采用SK653XX系列射频前端芯片,实际发射功率可达30dBm以上;
2、由于采用了高稳定性的TCXO,模块的接收灵敏度大幅提高。本发明采用SK653XX系列射频前端芯片和2ppm的TCXO,相比传统的20ppm的普通石英晶振,SX127x的扩频因子12、带宽500KHZ、编码率4/5时,接收灵敏度由原来的-128dBm提高至-141dBm;
3、较低的系统功耗;一方面,由于在休眠模式下对TCXO和射频前端芯片的供电端子采用了关断处理,系统的功耗得到了大幅的降低,本发明中系统功耗可降至2uA(传统方案在20uA左右);另一方面,微控制器周期性的控制TCXO和射频前端芯片进入工作模式、SX127x进入CAD检测模式,即实现了多个模块间的实时双向通信,又尽最大限度的降低了系统功耗。
LoRa是由美国Semtech公司提出的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案,它采用线性调频扩频调制技术,既具有和FSK(频移键控)调制相同的低功耗特性,又明显地增加了通信距离,同时提高了网络效率并消除了干扰。
鉴于LoRa扩频通信技术较低的功耗和较远的传输距离,它在水电气暖四表集抄、智能停车场管理系统、智慧农业、智慧城市、工业远程数据采集等物联网应用领域得到了广泛的应用。
基于Semtech公司的SX127x系列(工作频段不同)集成收发器,配以简单的射频阻抗匹配电路普通的石英晶振,所构成的通信模块是LoRa扩频通信技术的常见硬件载体。尽管该方案具有结构简单、成本低、易于控制等优势,但是其缺点表现在:①发射功率有限,SX127x系列集成收发器的理论最大输出射频功率只有20dBm,在超远距离或者衰减效应较强的应用场合,仍无法满足需求;②接收灵敏度较低,通常采用普通的20ppm晶体振荡器,模块的接收灵敏度通常在-130dBm左右,难以达到理论最高灵敏度;③较大的待机电流,通常采用的收发切换芯片的待机电流在10uA左右,对于电池供电系统而言,不利于延长电池的使用寿命。

具体实施方式
如图1所示,现有技术中LoRa通信模块,理论最大发射功率只有20dBm,实际应用中只有19dBm左右。其具有以下缺点:①发射功率有限,SX127x系列集成收发器的理论最大输出射频功率只有20dBm,在超远距离或者衰减效应较强的应用场合,仍无法满足需求;②接收灵敏度较低,通常采用普通的20ppm晶体振荡器,模块的接收灵敏度通常在-130dBm左右,难以达到理论最高灵敏度;③较大的待机电流,通常采用的收发切换芯片的待机电流在10uA左右,对于电池供电系统而言,不利于延长电池的使用寿命。
如图2所示,本发明提供一种LoRa通信模块,包括:电源开关电路、微控制器、温度补偿晶振、射频集成收发电路、阻抗匹配电路和射频前端芯片,电源开关分别连接微控制器和射频前端芯片,微控制器分别与温度补偿晶振和射频集成收发电路连接,温度补偿晶振连接射频集成收发电路,射频集成收发电路与阻抗匹配电路连接,阻抗匹配电路连接所述射频前端芯片。射频前端芯片包括功率放大器、低噪声放大器和收发信号切换开关,射频集成收发电路为SX127x系列芯片,具体包括SX1276芯片、SX1277芯片、SX1278芯片。
如图3-图6所示,本发明采用温度补偿晶振TCXO(Temperature CompensationXTalOscillator)作为SX127x射频集成收发电路的时钟源,TCXO的供电端子受微控制器IO管脚的控制。SX127x收发的射频信号经阻抗匹配网络后进入射频前端芯片,集成的射频前端芯片包含发射通道的大功率(30dBm)PA(功率放大器)、接收通道上的LNA(低噪声放大器)以及收发信号切换开关。由于射频前端芯片的待机功耗很大,所以其供电由微控制器的IO管脚2通过电源开关进行控制。
本发明实施例提供一种LoRa通信模块的控制方法,包括以下步骤:
如图9所示,在休眠状态下,微控制器IO管脚1输出低电平,控制温度补偿晶振的供电端子无电源输入;微控制器的IO管脚2控制电源开关处于关状态,使射频前端芯片处于无供电状态;微控制器控制射频集成收发电路进入休眠模式;在休眠状态下,微控制器IO管脚1输出低电平,使TCXO的供电端子无电源输入,降低其静态功耗;微控制器的IO管脚2控制电源开关处于关状态,使射频前端芯片处于无供电状态,降低其静态功耗;微控制器控制SX127x工作于休眠模式。
如图8所示,活动信道检测状态下,微控制器周期性的控制IO管脚1输出高电平、IO管脚2控制电源开关处于开状态,微控制器控制射频前端芯片开启接收状态;射频集成收发电路开启CAD检测步骤;检测射频集成收发电路是否接收到有效的载波信号,若接收到有效的载波信号,则射频集成收发电路进入接收状态,若未接收到,则射频集成收发电路处于休眠状态;微控制器的控制周期为T2;微控制器周期性(T2)的控制IO管脚1输出高电平、管脚2控制电源开关处于开状态,且射频前端芯片处于接收状态,SX127x工作于CAD(信道活动检测)状态,当发现有有效的载波信号时,SX127x立即进入接收状态;当没有有效载波时,SX127x处于休眠状态。
如图7所示,在发射状态下,微控制器IO管脚1输出高电平、IO管脚2控制电源开关处于开状态,微控制器同时控制射频前端芯片和射频集成收发电路开启发射状态;射频集成收发电路发送预设时长为T1的前导码,T1大于T2,然后发送有效数据包。在发射状态下,微控制器IO管脚1输出高电平、管脚2控制电源开关处于开状态,TCXO和射频前端芯片均处于工作状态,微控制器同时控制射频前端芯片和SX127x处于发射状态;发射时,发射模块先发送一定时间T1(T1大于T2)的前导码,然后发送有效数据包。
如图10所示,活动信道检测状态下的CAD检测步骤包括:
步骤1,接收端中心步骤设置为第一预设值A;
步骤2,进入CAD监测模式;
步骤3,检测是否有活动信道,若有,则进入唤醒码接收模式,执行步骤4;若没有,则进入休眠并等待下一次CAD检测周期到来;
步骤4,检测唤醒码数据是否接收完成,若未完成,则继续接收;若完成,则检测地址是否匹配,若不匹配,则结束检测;若匹配,则设置接收端中心频率为第二预设值B,然后开始接收数据。
如图11所示,发射状态下的CAD检测步骤包括:
步骤1,射频集成收发电路的定时器清零;
步骤2,设置发射端中心频率为第一预设值A;
步骤3,在twake时间内连续发送唤醒码;所述唤醒码为待接收数据的接收端地址的最低两字节;twake大于Tcad;twake为唤醒码发送时长,Tcad为CAD监测时长;
步骤4,检测是否到twake时间,若未到,则继续发送唤醒码;若已到,则设置发射端中心频率为第二预设值B,然后开始发送数据。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。