基于lora调制模式的SPI接口物联网无线收发器的制作方法

本实用新型属于收发器技术领域，尤其是涉及一种基于lora调制模式的SPI接口物联网无线收发器。

背景技术：

目前无线收发器硬件平台大多采用FSK和GFSK的通信方式及基于跳频的抗干扰技术，主要问题是其通讯距离较短，仅能实现1Km左右可视距离的收发数据，若环境有较强的干扰、收发的成功率及收发的距离等指标将会大大降低；而且还存在着使用模块多，电路复杂，出错率高，能与之连接的节点数量少，功耗高等问题。

为了解决现有技术存在的问题，人们进行了长期的探索，提出了各式各样的解决方案。例如，中国专利文献公开了一种用于物联网短距离无线互联无线节点的超低功耗收发机[申请号：201210517565.8]，包括发射机电路和接收机电路，所述发射机电路包括：LC压控振荡器和预分频器用于产生载频信号；信号调制器将方波基带信号调制到载频信号上形成发射信号；功率放大器用于放大发射信号；所述接收机电路包括：低噪声放大器和射频自动增益放大器用于放大收到的信号；用于将放大的信号解调出来；模数转换器将解调出的模拟信号转换为数字信号。

上述方案虽然在一定程度上解决了现有技术功耗高的问题，但是该方案依然存在着：通讯距离较短，使用模块多，电路复杂，出错率高，能与之连接的节点数量少，无法适应复杂环境，抗干扰能力差等问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对上述问题，提供一种设计合理、结构简单，通讯距离长的基于lora调制模式的SPI接口物联网无线收发器。

为达到上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：本基于lora调制模式的SPI接口物联网无线收发器，本无线收发器包括能够对接收信号进行lora解调和/或对发送信号进行lora调制的信号处理模块，所述的信号处理模块上设有与外部MCU模块相连的SPI接口，且所述的信号处理模块分别与信号接收模块和信号发送模块相连，所述的信号接收模块和信号发送模块分别与能够控制信号处理模块对发送的信号进行处理或者对接收的信号进行处理的接收发送切换开关相连，所述的接收发送切换开关与能够接收或发送外部的无线信号的无线信号收发装置相连。

在上述的基于lora调制模式的SPI接口物联网无线收发器中，所述的信号发送模块包括第一信号处理电路和发送器，所述的信号接收模块包括第二信号处理电路和接收器，所述的发送器与第一信号处理电路的输入端相连，所述的第一信号处理电路的输出端与接收发送切换开关相连，所述的接收器与第二信号处理电路的输出端相连，所述的第二信号处理电路的输入端与接收发送切换开关相连。

在上述的基于lora调制模式的SPI接口物联网无线收发器中，所述的信号处理模块为SX1301芯片，且所述的SX1301芯片接收GPS信号，所述的发送器和接收器为SX1255芯片或SX1257芯片。

在上述的基于lora调制模式的SPI接口物联网无线收发器中，所述的发送器与第一信号处理电路之间设有发射BALUN模块，所述的接收发送切换开关与无线信号收发装置之间设有低通椭圆滤波电路。

在上述的基于lora调制模式的SPI接口物联网无线收发器中，所述的无线信号收发装置为天线，所述的天线与50欧姆天线接口相连，所述的50欧姆天线接口与低通椭圆滤波电路相连，所述的50欧姆天线接口连接有天线检测电路，所述的天线检测电路在检测到天线与50欧姆天线接口的连接断开后切断信号发送模块与信号处理模块的连接。

在上述的基于lora调制模式的SPI接口物联网无线收发器中，所述的第一信号处理电路包括依次连接的第一前滤波电路、第一放大电路和第一后滤波电路；所述的第二信号处理电路包括依次连接的第二前滤波电路、第二放大电路和第二后滤波电路。

在上述的基于lora调制模式的SPI接口物联网无线收发器中，所述的第一前滤波电路为发射带通滤波器，所述的第一放大电路为功率放大器，所述的第一后滤波电路为低通滤波器。

在上述的基于lora调制模式的SPI接口物联网无线收发器中，所述的第二前滤波电路为前置带通滤波器，所述的第二放大电路为低噪声放大器，所述的第二后滤波电路为后置带通滤波器。

在上述的基于lora调制模式的SPI接口物联网无线收发器中，所述的信号处理模块、信号接收模块、信号发送模块、接收发送切换开关和低通椭圆滤波电路均设置在屏蔽罩内。

在上述的基于lora调制模式的SPI接口物联网无线收发器中，所述的SX1301芯片上的RESET引脚、GPIO0-GPIO4引脚和SPI接口分别与外部控制模块相连。

与现有的技术相比，本基于lora调制模式的SPI接口物联网无线收发器的优点在于：传输距离远，可靠性为工业级，抗干扰能力强，中心频率稳定，接收灵敏度高，二次谐波低；应用范围广，特别适用低功耗广域网的网关、集中器、采集器、手持机等各种中心节点，用于采集终端节点数据、控制终端节点等应用场合；多信道多扩频因子并行接收，从而保证了大规模结点能与它可靠通信，尽量避免不同结点之间通信的干扰；工作频带较宽，在433MHz-443MHz、470-510MHz、510-518MHz、859-871MHz、900-930MHz的频段内各项性能指标都能可靠保证；最大发射功率为30dbm；发射电流≤1000mA，接收电流≤760mA，静态电流≤360mA；接收灵敏度为-142.5dBm；CW插入损耗在1Mhz时70dB；在SNR为负数时可以工作，CCR最高到9dB；模拟49个lora解调器和1个(G)FSK解调器；具有两个数字TX&RX射频前端接口，可以同时收发不同通道的数据；具有10个并行的可编程解调通路；支持动态数据速率调整；真正的分集天线可同时支持双频操作；同外部MCU据通信采用SPI接口，可直接与MCU相连，软件编程非常方便；可靠传输大于15Km；体积小，不含天线的外观尺寸为55×40mm；同时具有传统的FSK/GFSK通信模式和扩频模式，且在扩频模式下所具有的通信距离和收发误码率较FSK通信模式的性能提高明显，特别是低速率的传输情形下更是优势明显，更适合环境干扰强、环境复杂、节点数量多、对通信距离要求远的网关、集中器、采集器、手持机等产品中。

附图说明

图1提供了本实用新型实施例的结构示意图。

图中，GPS信号 1、RESET引脚 2、GPIO0—GPIO4引脚 4、SPI接口 5、电源输入端 6、50欧姆天线接口 7、天线检测电路 8、天线 9、第一TCXO晶振 11、第二TCXO晶振 12、SX1301芯片 13、发送器 14、接收器 15、发射BALUN模块 16、发射带通滤波器 17、功率放大器 18、低通滤波器 19、后置带通滤波器 20、低噪声放大器 21、前置带通滤波器 22、接收发送切换开关 23、低通椭圆滤波电路 24、第一供电电路 25、第二供电电路 26、第三供电电路 27、第四供电电路 28、第五供电电路 29。

具体实施方式

如图1所示，本基于lora调制模式的SPI接口物联网无线收发器，本无线收发器包括能够对接收信号进行lora解调和/或对发送信号进行lora调制的信号处理模块，信号处理模块上设有与外部MCU模块相连的SPI接口5，且信号处理模块分别与信号接收模块和信号发送模块相连，信号接收模块和信号发送模块分别与能够控制信号处理模块对发送的信号进行处理或者对接收的信号进行处理的接收发送切换开关23相连，接收发送切换开关23与能够接收或发送外部的无线信号的无线信号收发装置相连；信号发送模块包括第一信号处理电路和发送器14，信号接收模块包括第二信号处理电路和接收器15，发送器14与第一信号处理电路的输入端相连，第一信号处理电路的输出端与接收发送切换开关23相连，接收器15与第二信号处理电路的输出端相连，第二信号处理电路的输入端与接收发送切换开关23相连。

对于系统的电源与晶振，电源输入端6为5V直流电源，给整个系统各部分供电电路提供电源，且电源输入端6采用合理的电容去耦合技术，减小了外部输入电源的纹波对模块性能的影响；第一供电电路25为SX1301芯片13提供两路电源供电，一路3.3V，一路1.8V；第二供电电路26为发送器14提供3.3V电源；第三供电电路27为接收器15提供3.3V电源；第四供电电路28为第一放大电路提供3.3V电源；第五供电电路29为第二放大电路提供3.3V电源；多个模块分别供电，提高了供电稳定度；各供电电路采用合理的电感、电容去耦合技术，减小了输入电源的纹波影响。第一TCXO晶振11为SX1301芯片13提供了133MHz时钟，第二TCXO晶振12为发送器14和接收器15提供了32MHz时钟，保证了模块中心频率的稳定性和生产中频率的一致性，从而间接提高了模块的通信性能。

具体地，信号处理模块为SX1301芯片13，且SX1301芯片13接收GPS信号1，发送器14和接收器15为SX1255芯片或SX1257芯片；GPS信号1输入给SX1301芯片13，用于定位。SX1301芯片13上的RESET引脚2、GPIO0-GPIO4引脚4和SPI接口5分别与外部控制模块相连。通过RESET引脚2，外部控制模块通过简单的IO口操作即可实现对模块复位控制；外部控制模块可通过SX1301芯片13的GPIO0-GPIO4引脚4获得SX1301芯片13的各种信息，同时外部控制模块可通过SPI接口5对SX1301芯片13进行操作。使用者通过外部控制模块对系统进行接收、发射、睡眠、速率、功率等符合系统性能的多种操作，从而避免在系统有效通信范围之内需要通信的两个或多个产品间由外设设备直接连接时可能产生的线路配置上的问题，同时提高整套产品的综合竞争能力。信号处理模块、信号接收模块、信号发送模块、接收发送切换开关23和低通椭圆滤波电路24均设置在屏蔽罩内。整个系统主要的射频部分全方位覆盖在屏蔽罩内，并做良好接地处理，从而大大减小外界高频噪声对系统性能的影响。

对于本基于lora调制模式的SPI接口物联网无线收发器的电路，无线信号收发装置为天线9，天线9与50欧姆天线接口7相连，50欧姆天线接口7与低通椭圆滤波电路24相连，50欧姆天线接口7连接有天线检测电路8，天线检测电路8在检测到天线9与50欧姆天线接口7的连接断开后切断信号发送模块与信号处理模块的连接；50欧姆天线接口7支持弹簧天线9、胶棒天线9、吸盘天线9、铜棒天线9、钢化天线9等各种形式。发送器14与第一信号处理电路之间设有发射BALUN模块16，可以对输入、输出两端进行匹配，接收发送切换开关23与无线信号收发装置之间设有低通椭圆滤波电路24。接收发射切换开关，通过SX1301引脚进行控制，选通接收功能还是发送功能；低通椭圆滤波器可以提高信号接收模块和信号发送模块相对天线9的匹配性，从而有效增加了发射功率、天线9对功率的辐射效率和接收灵敏度。第一信号处理电路包括依次连接的第一前滤波电路、第一放大电路和第一后滤波电路；第二信号处理电路包括依次连接的第二前滤波电路、第二放大电路和第二后滤波电路。第一前滤波电路为发射带通滤波器17，对通带内的频率信号呈现匹配传输，对阻带频率信号失配而进行发射衰减，并能有效的过滤谐波，抑制衰减；第一放大电路为功率放大器18，提高发射功率，最高可达30dbm；第一后滤波电路为低通滤波器19，对通带内的频率信号呈现匹配传输，对阻带频率信号失配而进行发射衰减，并能有效的过滤谐波，抑制衰减。第二前滤波电路为前置带通滤波器22，对通带内的频率信号呈现匹配传输，对阻带频率信号失配而进行发射衰减，并能有效的过滤谐波，抑制衰减；第二放大电路为低噪声放大器21，用于放大微弱的输入信号，并减小自身噪声，提高输出的信噪比，接收端灵敏度为-142.5dBm，使得各项性能指标符合相关认证要求；第二后滤波电路为后置带通滤波器2，对通带内的频率信号呈现匹配传输，对阻带频率信号失配而进行发射衰减，并能有效的过滤谐波，抑制衰减。

本基于lora调制模式的SPI接口物联网无线收发器的主要工作机制是：需要通信的数据通过SPI接口5，以SPI数据格式发送给本无线收发器，本无线收发器将数字信号通过lora、2-FSK、GFSK、等调试方式调制后加载到所需频段上，以电磁波的形式发送出去；当本无线收发器接收到有效的无线信号后，经过模拟部分的解调处理，再进过数字部分的处理，最后通过SPI接口5将接收到的数据输出。

SX1301芯片13是一个巨大的数字信号处理机，它专为全球范围的ISM频段突破网关的而功能设计，它集成了LORA集中器IP，LORA集中器IP是一种多通道高性能发射机/接收机设计，同时采用随机扩频因子随机信道接收几个LORA数据包。它的目标是使中央无线数据集中器和分布在很宽的范围内的距离的巨大数量无线端点之间建立强大的连接，SX1301芯片13是针对智能计量固定网络和适度干预的环境中每平方公里达5000个节点的物联网应用。

LoRa调制模式能够在低功耗情况下实现超长距离无线通信及高抗干扰能力。完美解决了小数据量在复杂环境中的超远距通信问题。与传统调制技术相比解决了传统设计需要在通信范围、抗干扰能力以及功耗上需要作出妥协的问题，也就是说它具有通信范围大、抗干扰能力强、功耗低的优越性能。LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，拥有前所未有的性能。此前，只有那些高等级的工业无线电通信会融合这些技术，采用源自军用战术通信系统的LoRa调制技术设计，嵌入式无线通信领域的局面发生了彻底的改变。前向纠错编码技术是给待传输数据序列中增加了一些冗余信息，这样，数据传输进程中注入的错误码元在接收端就会被及时纠正。这一技术减少了以往创建"自修复"数据包来重发的需求，且在解决由多径衰落引发的突发性误码中表现良好。一旦数据包分组建立起来且注入前向纠错编码以保障可靠性，这些数据包将被送到数字扩频调制器中。这一调制器将分组数据包中每一比特馈入一个"展扩器"中，将每一比特时间划分为众多码片。LoRa调制解调器经配置后，可划分的范围为64-4096码片/比特。AngelBlocks配置调制解调器可使用4096码片/比特中的最高扩频因子(12)。相对而言，ZigBee仅能划分的范围为10-12码片/比特。通过使用高扩频因子，LoRa技术可将小容量数据通过大范围的无线电频谱传输出去。实际上，当你通过频谱分析仪测量时，这些数据看上去像噪音，但区别在于噪音是不相关的，而数据具有相关性，基于此，数据实际上可以从噪音中被提取出来。其实，扩频因子越高，越多数据可从噪音中提取出来。在一个运转良好的GFSK接收端，8dB的最小信噪比(SNR)需要可靠地解调信号，采用配置AngelBlocks的方式，LoRa可解调一个信号，其信噪比为-20dB，GFSK方式与这一结果差距为28dB，这相当于范围和距离扩大了很多。在户外环境下，6dB的差距就可以实现2倍于原来的传输距离。为了有效地对比不同技术之间传输范围的表现，我们使用一个叫做"链路预算"的定量指标。链路预算包括影响接收端信号强度的每一变量，在其简化体系中包括发射功率加上接收端灵敏度。因此，使用LoRa技术我们能够以低发射功率获得更广的传输范围和距离，这种低功耗广域技术正是我们所需的。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了GPS信号1、RESET引脚2、GPIO0—GPIO4引脚4、SPI接口5、电源输入端6、50欧姆天线接口7、天线检测电路8、天线9、第一TCXO晶振11、第二TCXO晶振12、SX1301芯片13、发送器14、接收器15、发射BALUN模块16、发射带通滤波器17、功率放大器18、低通滤波器19、后置带通滤波器20、低噪声放大器21、前置带通滤波器22、接收发送切换开关23、低通椭圆滤波电路24、第一供电电路25、第二供电电路26、第三供电电路27、第四供电电路28、第五供电电路29等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。