低功耗無線收發電路系統設計

張紅文

摘 要： 目前，無線通信技術發展極其迅速，隨之引起系統功耗不斷上升。因此人們近幾年來對無線通信網絡中各方面的低功耗技術進行了深入的研究，使節能成為無線通信發展的一個重要方向。設計了低功耗無線收發電路系統，采用STM32L151系列超低功耗芯片和UTC4432系列無線通信模塊作為核心電路系統，通過軟件設計及調試實現整個低功耗收發電路系統功能。結果表明：采用合適的微控制器和無線通信模塊對于控制無線收發電路系統的功耗有著極其重要的作用，再加上對軟件編程的控制，能夠使整個系統的功耗大幅度降低。

關鍵詞： 無線收發電路； 低功耗； STM32L芯片； 通信模塊

中圖分類號： TN92?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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.， Xian 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

無線通信網擺脫了密密麻麻的連線制約，這是它的一個重要優勢。它是由微小的傳感器、微控制單元和無線通信模塊通過組網形成的無線網絡，利用數據處理單元來檢測感知到的信息并經過有效處理后發送給對方。無線收發電路系統是無線通信網絡的基本組成部分，其在不同應用中有不同的設計，但基本原則一致，都是盡可能采用低功耗的器件和盡可能使用節省的信號處理。其中核心處理器應當采用功耗相對較低的電路。無線通信模塊負責兩點之間的無線通信，是整個結構中最耗能的部分，無線通信模塊可配合核心處理器根據不同功能切換不同工作模式，從而降低功耗。所以，對低功耗無線通信模塊的選取與編程控制是一個非常值得注意的方向。

1 系統方案

本文設計了由MCU開發板和無線通信模塊組成的低功耗無線收發電路系統的方案。該系統由發射方和接收方兩組模塊組成，發射方經軟件編程控制將數據發送出去，接收方通過天線接收到數據經處理后在開發板上顯示出來，從而實現該電路系統的近距離低功耗無線通信。

為大幅度降低系統功耗，本設計采用的兩個重要模塊均具有低功耗特性。硬件電路基于低功耗微控制器的電路開發板，此硬件電路自行設計，通信模塊與該開發板通過相關引腳直接相連。軟件設計基于RealView MDK軟件設計平臺，然后通過編程對整個電路系統進行調試。接收方和發送方所用的芯片開發板相同，通信模塊及其配置也相同，雙方通過無線通信模塊的天線進行相互通信。其系統框架如圖1所示。

圖1 系統框架圖

對于本設計，要實現低功耗，就必須選用低功耗的硬件模塊。并且，為了最大限度地節約成本和材料，需要選用的硬件設備體積必須盡可能小。以下給出三種實施方案。

方案一：MCU選用單片機MSP430F135，無線通信模塊選用AT86RF211S收發電路。但是AT86RF211S收發電路需要自行設計，造成系統電路比較復雜，影響運行速度[2]。

方案二：MCU選用STM32F103系列芯片，無線通信模塊選用杭州威步公司的UTC4432B1_V6。

方案三：MCU選用STM32L151系列芯片，無線通信模塊的選用與方案二相同。其中STM32L是在STM32F基礎上推出的一款超低功耗的芯片。

硬件模塊的比較如表1，表2所示。

通過比較發現，STM32L151芯片功耗最低，且硬件電路設計簡單。無線通信模塊UTC4432B1_V6無需自行設計，其功耗低、傳輸距離遠，并且易于軟件編程。因此本設計采用第三個方案。

表1 控制模塊的比較

[控制模塊＼&運行時最低電流消耗＼&外圍電路＼&成本＼&MSP430F135單片機＼&160 μA＼&比較簡單＼&較低＼&STM32F103 ＼&1.06 mA＼&比較簡單＼&較低＼&STM32L151 ＼&60 μA＼&比較簡單＼&較低＼&]

表2 無線通信模塊的比較

[模塊名稱＼&最低電流

功耗 /μA＼&最遠通信

距離 /m＼&工作頻率

/MHz＼&有無

喚醒＼&AT86RF211S

收發電路＼&1～10＼&800＼&433.8＼&有＼&UTC?4432B1_V6＼&2～20＼&2 000＼&420～450＼&有＼&]

2 硬件電路設計

硬件電路是整個系統的支撐，硬件電路設計并焊接的成功與硬件模塊選擇的正確是最終軟件調試成功的基礎。本設計硬件模塊主要包括STM32L核心板和無線通信模塊。本文主要介紹芯片外圍電路的設計以及PCB版圖的設計。整個硬件電路原理圖使用Altium Designer軟件來設計，如圖2所示。

本設計采用輸出為5 V的開關電源適配器供電，通過AMS1117正向低壓降穩壓器輸出3.3 V電壓，為STM32L151芯片提供電壓。AMS1117穩壓器分為固定電壓輸出和可調電壓輸出兩個版本，本設計采用固定電壓輸出穩壓器，輸出電壓為3.3 V，具有1%的精度，由于內部有限流電路和過熱保護，使得AMS1117穩壓器具有很強的穩定性。因此該電源供電電路選用AMS1117?3.3作為穩壓器。

晶振可以為整個電路提供基本的時鐘信號，有了它就有了穩定的頻率。如果沒有晶振，數字電路就失去了處理數據的節拍，也就無法正常處理任何數據了。晶振的頻率越高，程序運行的速度就越快，STM32L上電后，默認使用內部晶振，外部如果接8 MHz晶振，就可以通過切換使用外部晶振，最終通過PLL分頻和倍頻可以達到72 MHz。

通過了解該模塊的特性，設計出芯片與無線通信模塊的接口連線方案，如圖3所示。通過軟件編程控制各個引腳使其切換不同的工作模式，最終實現兩模塊之間的無線收發功能。

圖3 STM32L與UTC4432連接示意圖

根據設計的PCB圖制作的實物板如圖4所示。

圖4 實物正面圖

3 軟件設計

硬件電路設計無誤并焊接成功后，便要對整個系統進行軟件調試，調試首先要進行的工作就是軟件設計。

圖5為發送模塊程序流程圖。發送模塊的工作流程為：首先對系統進行初始化，初始化包括對時鐘、引腳、中斷、定時器、串口以及無線通信模塊等相關參數進行配置。然后將時間間隔設置為1 s，打開串口、向串口發送引腳寫入數據并在二極管上顯示。但是成功接收數據的前提是無線通信模塊必須配置正確，如果配置正確，無線通信模塊將會作出應答并顯示在軟件調試環境的相關對話框中。最后無線通信模塊通過天線向空中信道發送從MCU接收到的數據。

圖6為接收模塊程序流程圖。接收模塊的工作流程為：首先對系統進行初始化，包括對引腳、中斷、串口以及無線通信模塊等相關參數進行配置。然后無線通信模塊從空中信道接收數據，若其配置正確則接收成功，成功接收后又通過該模塊發送引腳向MCU發送數據。最后通過響應中斷使MCU接收數據并在二極管上顯示出來。發送模塊與接收模塊的硬件系統上均有3只二極管，于是3只二極管便可以顯示8種狀態，通過觀察兩模塊上二極管的狀態是否一致來判斷通信是否成功。

需要注意的是，發送與接收無線通信模塊的參數配置應當一致。因為本設計僅僅用到A、B兩類總線，所以軟件編程時僅僅可以使這兩類總線使能，其他總線均關閉。

圖5 發送模塊程序流程圖

圖6 接收模塊程序流程圖

4 功耗測量

本設計使用Agilent34410數字萬用表測量系統功耗，實質是測量系統電流，因為系統輸入電壓始終為5 V。測試電路連接如圖7所示。

圖7 測試電路連接圖

利用軟件平臺編寫不同程序完成對芯片不同工作模式的操作。室溫下測量STM32L在不同模式及不同參數下的電流消耗如表3，表4所示（說明：測量時發現在不同的發射功率下，系統只有工作在低功耗運行模式和低功耗睡眠模式時電流消耗不同，其余均相同）。

表3 發送模塊下的功耗

[無線通信模塊

發射功率 / dBm＼&MCU工作模式＼&電壓 /V＼&實測電流＼&19＼&運行模式＼&5＼&19.1 mA＼&19＼&低功耗睡眠模式＼&5＼&9.06 mA＼&19＼&停止模式（RTC運行）＼&5＼&21.3 μA＼&19＼&停止模式（無RTC運行）＼&5＼&4.5 μA＼&19＼&待機模式（RTC運行）＼&5＼&12.1 μA＼&19＼&待機模式（無RTC運行）＼&5＼&3.27 μA＼&14＼&運行模式＼&5＼&18 mA＼&14＼&低功耗睡眠模式＼&5＼&6.45 mA＼&8＼&運行模式＼&5＼&15 mA＼&8＼&低功耗睡眠模式＼&5＼&2.39 μA＼&1＼&運行模式＼&5＼&11 mA＼&1＼&低功耗睡眠模式＼&5＼&860 μA＼&]

表4 接收模塊下的功耗

[無線通信模塊

發射功率 /dBm ＼&MCU工作模式 ＼&電壓 /V ＼&實測電流 ＼&1 ＼&運行模式 ＼&5 ＼&10.6 mA ＼&1 ＼&低功耗睡眠模式 ＼&5 ＼&849 μA ＼&1＼&停止模式（RTC運行） ＼&5 ＼&20.1 μA ＼&1 ＼&停止模式（無RTC運行） ＼&5 ＼&4.35 μA ＼&1 ＼&待機模式（RTC運行） ＼&5 ＼&11.9 μA＼&1 ＼&待機模式（無RTC運行） ＼&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，處于運行模式時功耗最高，待機模式時功耗最低。并且可以發現系統的功耗隨發射功率的減小而減小，這是因為無線通信模塊在整個系統中是耗能的重要部分。需要說明的是，發射功率越大，通信距離越遠。

整個系統無論處于何種模式，供電電壓均為5 V，最大電流消耗不到20 mA，與其他一些無線通信系統的設計相比較，功耗已經大大降低。本設計是在用STM32作為微控制器實現通信技術的基礎上完成的，但STM32系統并未考慮如何大幅度降低功耗，其正常運行時電流消耗最大為38.3 mA，最小為25.8 mA，此前，也有不少有關低功耗無線通信系統的設計，但其電流消耗大部分都大于20 mA。因此，在軟件編程的控制下，將STM32L系列芯片作為微控制器并結合UTC4433系列無線通信模塊時，可以使整個系統的功耗大幅度降低。

5 結 語

本文詳細分析了整個系統的設計方案，并對設計方案中涉及的兩大模塊MCU和無線通信模塊做重點介紹，說明了兩模塊的連接方式以及采用何種工作模式可使系統功耗降到最低，對STM32L這一新型超低功耗微控制器使用的恰到好處，同時也凸顯出本設計方案的特點所在。實現了基于RealView MDK軟件平臺的軟件程序設計。結合理論知識并熟練掌握軟件操作方法，在μVision4集成開發環境下用C語言編寫程序完成軟件設計。然后通過與硬件電路系統相連反復調試實現兩模塊之間的無線通信。最后測量系統功耗，經比較表明，本次設計成功完成了對無線接收電路系統的低功耗設計，對低功耗無線通信模塊設計具有借鑒意義。

參考文獻

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[10] SCHWARTZ M. Telecommunication networks： protocols， mode?ling and analysis [M]. [S.l.]： Addison?Wesley， 1987.ller and wireless communication module are important for the the power consumption control of wireless transceiver circuit system. Together with the software programming control， the power consumption of the whole system can be reduced greatly.

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

由表3，表4可以看出，芯片在不同工作模式下的功耗不同，處于運行模式時功耗最高，待機模式時功耗最低。并且可以發現系統的功耗隨發射功率的減小而減小，這是因為無線通信模塊在整個系統中是耗能的重要部分。需要說明的是，發射功率越大，通信距離越遠。

整個系統無論處于何種模式，供電電壓均為5 V，最大電流消耗不到20 mA，與其他一些無線通信系統的設計相比較，功耗已經大大降低。本設計是在用STM32作為微控制器實現通信技術的基礎上完成的，但STM32系統并未考慮如何大幅度降低功耗，其正常運行時電流消耗最大為38.3 mA，最小為25.8 mA，此前，也有不少有關低功耗無線通信系統的設計，但其電流消耗大部分都大于20 mA。因此，在軟件編程的控制下，將STM32L系列芯片作為微控制器并結合UTC4433系列無線通信模塊時，可以使整個系統的功耗大幅度降低。

5 結 語

本文詳細分析了整個系統的設計方案，并對設計方案中涉及的兩大模塊MCU和無線通信模塊做重點介紹，說明了兩模塊的連接方式以及采用何種工作模式可使系統功耗降到最低，對STM32L這一新型超低功耗微控制器使用的恰到好處，同時也凸顯出本設計方案的特點所在。實現了基于RealView MDK軟件平臺的軟件程序設計。結合理論知識并熟練掌握軟件操作方法，在μVision4集成開發環境下用C語言編寫程序完成軟件設計。然后通過與硬件電路系統相連反復調試實現兩模塊之間的無線通信。最后測量系統功耗，經比較表明，本次設計成功完成了對無線接收電路系統的低功耗設計，對低功耗無線通信模塊設計具有借鑒意義。

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

由表3，表4可以看出，芯片在不同工作模式下的功耗不同，處于運行模式時功耗最高，待機模式時功耗最低。并且可以發現系統的功耗隨發射功率的減小而減小，這是因為無線通信模塊在整個系統中是耗能的重要部分。需要說明的是，發射功率越大，通信距離越遠。

整個系統無論處于何種模式，供電電壓均為5 V，最大電流消耗不到20 mA，與其他一些無線通信系統的設計相比較，功耗已經大大降低。本設計是在用STM32作為微控制器實現通信技術的基礎上完成的，但STM32系統并未考慮如何大幅度降低功耗，其正常運行時電流消耗最大為38.3 mA，最小為25.8 mA，此前，也有不少有關低功耗無線通信系統的設計，但其電流消耗大部分都大于20 mA。因此，在軟件編程的控制下，將STM32L系列芯片作為微控制器并結合UTC4433系列無線通信模塊時，可以使整個系統的功耗大幅度降低。

5 結 語

本文詳細分析了整個系統的設計方案，并對設計方案中涉及的兩大模塊MCU和無線通信模塊做重點介紹，說明了兩模塊的連接方式以及采用何種工作模式可使系統功耗降到最低，對STM32L這一新型超低功耗微控制器使用的恰到好處，同時也凸顯出本設計方案的特點所在。實現了基于RealView MDK軟件平臺的軟件程序設計。結合理論知識并熟練掌握軟件操作方法，在μVision4集成開發環境下用C語言編寫程序完成軟件設計。然后通過與硬件電路系統相連反復調試實現兩模塊之間的無線通信。最后測量系統功耗，經比較表明，本次設計成功完成了對無線接收電路系統的低功耗設計，對低功耗無線通信模塊設計具有借鑒意義。

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