2.4 GHz REB233SMAD评估套件的无线应用

随着机器对机器（M2M）应用以指数级增长，竞争正在进行，以确定哪些无线协议将占据主导地位。与往常一样，解决方案取决于问题。对于长距离，无线2G蜂窝电话可能最适合该法案。对于更短的无线距离，Wi-Fi®，Bluetooth®和许多基于802.15.4的协议（ZigBee是其中的主要协议）都可以正常工作。但是，如果您的预期应用需要超低功耗但在链路可靠性可能存在问题的环境中工作，Atmel的2.4 GHz REB233SMAD评估套件（见图1）值得一看。

图1：Atmel REB233SMAD评估套件。 （由Atmel提供。）

REB233SMAD-EK包含两个基于Atmel AT86RF233 2.4 GHz RF收发器的无线电扩展板（REB）;围绕ATxmega256A3 MCU构建的两个控制器基板（CBB）;两个USB适配器，带有用于编程MCU的电缆;四个SMA天线;加电池和快速入门指南。无线板插入MCU板，使您可以使用简单的运行范围测量应用程序对两个完整的无线节点进行即时测试。

该套件旨在成为一个完整的平台，用于设计和原型化ZigBee兼容的无线应用，如ZigBee SmartEnergy和家庭自动化系统。为此，Atmel提供BitCloud™堆栈（ZigBee®PRO认证平台）和BitCloud Profile Suite。

控制器基板

控制器基板（REB-CBB）围绕8位Atmel AVR ATxmega256A3 MCU构建。该板具有一个连接器，用于使用Atmel AVR JTAGICE编程器进行编程和调试。

该套件中使用的ATxmega256A3-AU（见图2）是一款低功耗，高性能8/16位MCU，工作频率为32 MIPS，32 MIPS。它具有256 KB的可编程闪存程序存储器，8 KB的数据闪存，4 KB的EEPROM和16 KB的SRAM。外设包括一个4通道DMA控制器;一个8通道的事件系统;七个16位定时器/计数器;七个UART;两个8通道12位，2个MSPS ADC;一个2通道，12位，1 MSPS DAC;和一个可编程的多级中断控制器。

图2：AVRxmegaA3框图。 （由Atmel提供。）

为了降低功耗，芯片有五种睡眠模式：空闲，掉电，待机，省电和延长待机。在工作模式下（32 MHz VCC = 3.0 V），芯片通常消耗15.7 mA;在空闲模式下，6.89 mA;断电（ULP，WDT，采样BOD），1μA;省电（RTC 1 kHz），0.7μA;和扩展待机（禁用所有功能），0.1μA。毋庸置疑，随着时钟频率的下降（32 kHz时为71μA），有源模式电流可以快速缩小。

有关此产品和其他Atmel MCU的更多信息，请查看其MCU产品线简介培训模块。

无线电扩展板

无线电扩展板（REB）围绕2.4 GHz Atmel AT86RF233收发器芯片构建，该芯片面向IEEE 802.15.4，ZigBee，RF4CE，6LoPAN和ISM应用。

只需添加几个外部组件 - 所有这些都包含在电路板上（参见图3） - AT86RF233构成了完整的FCC Part 15认证的RF前端模块。

图3：REB233SMAD框图。 （由Atmel提供。）

该板有两个SMA连接器，可支持天线分集。在接收模式下，芯片在两个天线之间连续切换，以选择提供最佳接收路径的天线。一旦检测到IEEE 802.15.4同步头，提供更好信号质量的天线就接收帧的其余部分。当信号链路遭受噪声或多径衰落时，这可以大大提高可靠性。

在接收模式下，AT86RF233的电流为11.8 mA，采用聆听模式，可进一步降低10％至50％的电流消耗。对于250 Kbps的数据速率和小于或等于1％的分组错误率（PER），接收灵敏度为-101 dBm;对于非IEEE 802.15.4网络，这降低到-88 DBM，最大数据速率为2000 Kbps。噪声系数为6 dB，相邻信道抑制为35 dB（+ 5 MHz，PRF = -82 dBm）。

在发送模式下，AT86RF233的电流消耗随输出功率而变化，输出功率可在-17 dBm（7.2 mA）至+4 dBm（13.8 mA）范围内编程。关闭发射器（IGTRX_OFF）后，电流消耗降至300μA。在睡眠模式下，芯片仅消耗0.2μA;在深度睡眠模式下，这进一步降至0.02μA。这款芯片符合Atmel的超低功耗要求。

尽管功耗很低，但芯片并不缺乏功能。它包括一个集成的快速建立PLL，支持500 kHz信道间隔的跳频。 IEEE 802.15.4-2011支持包括帧校验序列（FCS）计算，无干扰信道评估，RSSI测量，能量检测和链路质量指示。发射调制方案是具有半正弦脉冲整形和32长度块编码（扩展）的偏移QPSK（O-QPSK）。安全功能包括128位AES引擎，可为安全应用程序生成真正的随机数。

Atmel生产其他众多无线芯片。有关详细信息，请查看Digi-Key网站上的无线解决方案产品线简介培训模块。

范围检查

REB233SMAD带有预闪范围测量应用程序，我可以在打开包装盒的几分钟内开始使用。入门只需将无线电卡插入底板即可;将天线插入无线电卡;将提供的AAA电池插入底板，然后打开两个底板。

当我打开电源开关时，三个LED的中间点亮表示程序初始化成功（参见图4）。按下按钮T1启动应用程序。 LED-D2闪烁表示传输成功，LED-D3接收成功。

图4：范围测量界面。 （由Atmel提供。）

我打开了两个电路板并将其中一个放入发送模式，让另一个充当接收器。对于范围测试，我在两块板上启动了程序以进行全双工操作。我之前测试过的2.4 GHz套件通常很幸运地通过我们（不是很大的）房子传输。这个套件没有显示丢包的迹象，所以我把它带到室外并使用我的传统测距平台（见图5）。

图5：传统的测距平台。

虽然只收到了套件附带的两个较大的铰链式天线，但我使用了四个匹配的¼波天线。重复测试显示有效范围约为350英尺。在一端替换较大的天线将范围增加到大约500英尺。即使使用Wi-Fi以相同频率在家中使用范围扩展器，这也是我能够获得的距离大约十倍。高接收器灵敏度和天线分集的结合 - 更不用说低数据速率协议 - 绝对可以完成工作。

数据包错误率测量

支持快速范围检查的相同程序还允许进行数据包错误率（PER）测量，以及调整不同的收发器功能。要执行此操作，请将随套件提供的USB适配器之一连接到电路板，然后将其插入PC，首先下载适配器的驱动程序。然后，您可以启动UART终端程序（9600，N，8，1）并将其指向正确的端口。然后，您可以配置收发器并执行各种服务功能。虽然PER程序可以从GUI中受益，但它仍然非常强大，使您能够尝试众多功能和参数。

天线分集

AT86RF233最有趣的特性是它内置支持天线分集 - 在这种情况下，2 x 2 MIMO - 可以在不增加链路预算的情况下显着提高网络可靠性 - 也就是说，没有在接收器之前使用更高的发射功率或额外的低噪声放大器（LNA）。

图6：多径衰落场景中每个天线的接收电平。 （由Atmel提供。）

随着两个网络节点之间的多径衰落的引入，到达收发器板上的每个双天线的信号可能随时间变化很大。在没有天线分集的情况下，这些衰落效应可能很快导致增加的错误率或网络节点之间的连接丢失。图6显示了在多径衰落情况下REB233SMAD无线电扩展板（REB）上每个天线的典型接收电平。在天线之间切换并选择接收更好的天线会增加连接的可靠性。 AT86RF233可以连续自动执行此操作。

REB上的两个匹配的1/4波天线连接到RF开关和平衡 - 不平衡变压器（见图7）。 RF开关依次由AT86RF233上的DIG1/2控制。

图7：使用AT86RF233的天线分集。 （由Atmel提供。）

接收分集

如果打开天线分集（参见图8），收发器会在搜索IEEE 802.15.4同步头（SHR）的同时在两个天线之间连续切换。当检测到足够强的SHR时（图8（1）），该天线锁定（图8（2））以接收PHY头（PHR）和PHY服务数据单元（PSDU）。在接收到完整帧后，搜索继续（图8（3）），直到检测到新的SHR报头或者由于某种原因终止接收状态。

图8：接收期间的天线分集工作原理。 （由Atmel提供。）

发送分集

成功接收PHY报头后（见图9（1）），可以自动选择发送天线（RX_START），尽管最好留下它直到它有确定该帧具有有效的FCS（图9（2））。在预定的周转时间之后发送确认帧（RX_AACK）（图9（3））。

图9：扩展工作模式下的天线分集。 （由Atmel提供。）

所选天线将取决于最后一次数据交换的结果，或者您可以选择永久使用一个天线用于接收器，另一个天线用于发射器。使用天线分集算法选择天线时，您需要微调接收阈值以反映本地RF环境的实际情况。