一种LoRa通信模块及其控制方法与流程

本发明涉及lora扩频通信技术，尤其涉及一种lora通信模块及其控制方法。

背景技术：

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。

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。

附图说明

图1是现有技术中lora通信模块的原理框图。

图2是本发明一种lora通信模块的电原理框图。

图3是本发明一种lora通信模块中电源开关的电路原理图。

图4是本发明一种lora通信模块中温度补偿晶振、射频集成收发电路及阻抗匹配电路的电路原理图。

图5是本发明一种lora通信模块中射频前端芯片的电路原理图。

图6是本发明一种lora通信模块中微控制器的电路原理图。

图7是本发明一种lora通信模块控制方法中发射状态的流程图。

图8是本发明一种lora通信模块控制方法中接收状态的流程图。

图9是本发明一种lora通信模块控制方法中休眠状态的流程图。

图10本发明一种lora通信模块控制方法的主节点cad监测步骤的流程图。

图11本发明一种lora通信模块控制方法的从节点cad监测步骤的流程图。

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(temperaturecompensationxtaloscillator)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。