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第二章
WSN與RFID硬體設計與規劃
章節大綱
2.1 MCU選用標準
2.2 RF選用標準
2.3 Smart Sensor Interface
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2.1 MCU選用標準
2.1.1 MSP430 家族
2.1.2 PIC 家族
2.1.3 AVR 家族
2.1.4 結論
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2.1.1 MSP430 家族
MSP430 簡介
德州儀器(Taxes Instruments, TI)於1996年推出MSP430族系的
混合信號單晶片微控器(mixed-signal, MCU)，為了因應各種不
同的需求，所以MSP430系列也發展出數種不同的族系並以不
同的型號來區分。MSP430系列微控器的軟硬體結構，除了硬
體的結構之外，也學習其定址模式(addressing mode)與指令集
(instruction set)。硬體架構的學習首重記憶體、暫存器的組識
，這是微控器程式設計者必須先了解的重要關鍵。另外，學
習定址模式的目的是要了解指令存取運算元的方法，以便程
式設計時能夠靈活運用各種運算元存取的技巧；學習微控器
的指令集可以充分了解指令運用的限制，於程式時可以提高
程式設計技巧。
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2.1.1 MSP430 家族
MSP430 微控器架構圖
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2.1.1 MSP430 家族
MSP430 簡介
MSP430 晶 片 內 包 含 一 個 16-bit 精 簡 指 令 集 電 腦 (Reduced
Instruction Set Computer , RISC) CPU，周邊模組及一個具有彈
性的時脈模組。MSP430使用馮紐曼架構的位址記憶體匯流排
(memory address bus, MAB)及資料記憶體匯流排(memory data
bus, DAB)來連接周邊模組與核心處理器。
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2.1.1 MSP430 家族
MSP430 特徵
主要特徵分類說明如下：
1.極省電架構可延長電池壽命
0.1-uA隨機記憶體保存關機模式(power down mode)
0.8-uA待機模式(stand by mode)
250-uA/MIPS工作模式(run time mode)
2.類比量測精確度的完善表現
12位元數位類比轉換器(DAC)
12位元或10位元的類比數位轉換器(ADC)的取樣速率
可達每秒20萬次(200kps)
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2.1.1 MSP430 家族
MSP430 特徵
3.具有現代16位元RISC核心處理器
擁有較大的暫存器空間
核心簡潔的設計來減少功率消耗及降低成本
具有現代化高效能程式設計編譯的能力
強大的中斷向量能力
效能可達每秒16MPIS(million instructions per second)
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2.1.1 MSP430 家族
MSP430 特徵
4.嵌入式模擬
系統內建可程式快閃記憶體(flash memory)，能夠彈性的對程式碼做修
改更新，和檔案升級及記錄資料。使用本身的內建模擬電路，可以透
過JTAG介陎來連接而不需要用到額外的系統資源。使用內建模擬電路
的好處包括：
可支援全進執行、中斷點及單步執行
可支援全進執行、中斷點及單步執行
混合訊號的完整性被保存，不被其他干擾
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2.1.1 MSP430 家族
MSP430 特徵
5.具有彈性的時脈模組
為了能符合一些以電池為電源的應用，MSP430的時脈模組被特別設計
。低頻輔助時脈(low-frequency auxiliary clock, ACLK)由32kHz石英振盪
產生，提供自我喚醒功能為背景的即時時鐘(real-time clock, RTC)使用
。高速的數位控制振盪器(digital control oscillator, DCO)產生主時脈
(master clock, MCLK), 供給CPU及高速的周邊模組使用。
低頻輔助時脈(low-frequency auxiliary clock)通常用於極低功率的待機模式
高速主時脈(high-speed master clock)通常用於需要高效能的訊號處理上
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2.1.1 MSP430 家族
MSP430 特徵
5.具有彈性的時脈模組
時脈模組架構圖
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2.1.1 MSP430 家族
MSP430 特徵
6.定址空間
MSP430 採用馮紐曼架構，其定址空間分配給特殊功能暫存器(special
function register, SFR)、硬體周邊(memory mapping I/O)、隨機存取記憶
體(RAM)及Flash/ROM。
MSP430 記憶體儲存資料的格式分bit、byte 及word 三種.記憶體是以位
元組為單位(byte addressable)，所以word 格式的資料必須符合 little
endian 方式儲存在記憶體位置
Flash/ROM
RAM
周邊模組(Peripheral Modules)
特殊功能暫存器(Special Function Register, SFRs)
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2.1.1 MSP430 家族
MSP430 特徵
6.定址空間
記憶體配置圖
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2.1.1 MSP430 家族
MSP430 F1XX 族系
MSP430F1XX族系的微控器提供不同的解決方案給應用系統
的發展者做極有彈性的選擇，這個族系最小的版本是僅有一
個比較器功能低功率控制器；當然也有包含完整系統於一個
晶 片 的 選 擇 ， 這 樣 的 晶 片 包 含 高 效 能 資 料 轉 換 (high-
performance data converters)、周邊介陎及乘法器，符合一個較
大系統發展的需要。
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2.1.1 MSP430 家族
MSP430 F2XX 族系
MSP430F2XX系列為2004年德州儀器所發表新一代的族系，
擁有16MHz的時脈頻率使其處理效能提升兩倍以上，而待機
的功率消耗減半且改善低功耗的可靠度。此外，此族系增強
了晶片內部份功能，如晶片內振盪器、軟體可選擇的內部昇/
下拉電阻(pull up/down resistors)、增加類比輸入的數量等，對
於減少晶片外加元件數量的需求及降低應用系統整體的直接
成本助益頗大。晶片為64bytes，每個byte17微秒的快速燒錄時
間及低達2.2伏特的燒錄電壓，所以大號MSP430F2131每顆僅
1.7美金、MSP430F2101則只要0.89美金。極適合應用在大量
且低價的消費性裝置。
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2.1.1 MSP430 家族
MSP430 F4XX 族系
MSP430F4XX都有一個LCD控制器，這個族系的某些晶片會
提供一些以應用為主(application-based)的周邊模組，如flow-
meter、E meter、OP AMP及DAC12等。使得一些量測方陎的
應用可以單一晶片的方式完成，這樣可以降低晶片的數量、
系統的成本及功率的消耗。此族系的價格稍高，大約介於美
金1.9元至7.95元，但是因為內含特殊應用的周邊模組及LCD
模組驅動介陎，所以其價格仍然具有極大的競爭力。
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2.1.1 MSP430 家族
MSP430 F4XX 族系主要特徵
工作電壓由1.8V~3.6V。
超低功率消耗：一般模式下工作電流僅有280μA (1MHz, 2.2V)
省電模式下工作電流僅有1.1μA。
5 種省電模式，從待機恢復所需的時間小於6μs。
16 位元RISC 架構，指令週期僅需125ns。
60KB 程式記憶體，2048B 資料記憶體。
8 個通道(channel)的12-bit ADC，其轉換速率最高可達每秒20 萬次取樣
基本計時器可做8-bit 計時/計數。
計時器A 可做16-bit 計時/計數器，包含3 組抓取/比較暫存器。
計時器B 可做8~16-bit 計時/計數器，包含7 組抓取/比較暫存器
內建獨立的硬體乘法器(hardware multiplier)，提供高速的乘加(multiply
accumulate calculation, MAC)運算以支援數位信號處理的需求。
支援多達160 段(segment)的LCD 驅動介陎。
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2.1.1 MSP430 家族
MSP430 F4XX 族系編號與區別原則
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2.1.1 MSP430 家族
MSP430 命名規則
MSP430 F 1121 A I PM
(發展型號) (製造技術) (序列編號) (修定版本) (溫度範圍) (封裝類型)
項目 說明
發展型號 ■MSP：標準型 ■MSX：實驗型 ■PMS：原始型
裝造技術 ■E：EPROM ■P：OTP ■F：FLASH ■C：ROM
■U：User S/W#
序列編號 ■包含`x1xx `x2xx `x3xx `x4xx等族系，其中第3位為程式
記憶體大小。0>1K、1>2K、2>4K、3>8K、4>12K、
5>16K、6>24K、7>32K、8>48K、9>60K(Bytes)
溫度範圍 ■C：商業 ■I：工業
封裝類型 ■DW：SOIC30 ■JL：CDIP20 ■DL：QFP64 ■PG：
SSOP48/56 ■PM：QFP64
■PJM：QPF100 ■HFD：CQFP100 ■FN/FZ：
PLCC,CLCC
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2.1.2 PIC 家族
PIC簡介
在複雜指令集CISC (complex instruction set code)掛帥的單晶片
市場中，美國MICROCHIP公司獨出一幟推出了PIC-16C5X列
單晶片，它是類精簡指令集RISC-like (Reduce Instruction Set
Code-like)的架構，資料匯流排8位元，也就是8位元的CPU，
指令只有33個，但可不要小看這幾個指令，但可不要小看這
幾個指令，PIC的指令效率是一般單晶片指令的好幾倍，拿
8051來說，8051接上12MHz的振盪器執行最短的指令需要1us
，而PIC只需要1/3振盪頻率—4MHz就可跑到1us，而PIC除了
分支的指令佔兩個指令週期外，所有的指令都只須一個指令
週期。
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2.1.2 PIC 家族
PIC簡介
在程式效益上，PIC因為是精簡指令集架構，所有的指令都只
佔一個WORD，並且PIC所有暫存器都可直接定址做邏輯或數
學運算，這可在程式的撰寫方陎非常方便，程式設計師就不
須要用暫存器指位器在暫存指來指去，跳來跳去了。
在保護方陎，PIC提供了程式保護熔絲，防止產品被人隨意抄
襲和拷貝，這在今日注重智慧財產權的社會，提供了一項非
常有用的保護功能。另外PIC有一組佔4個位元組的辨識碼，
可燒錄產品的編號、CHECK-SUM或是提供使用者管理IC之用
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2.1.2 PIC 家族
PIC簡介
在PIC系統架構穩定性方陎，IC內部有一個看門狗計時器，
WDT (Watch Dog Timer)。所謂看門狗計時器我們可以把它想
像是一條忠心的看門狗，當有異狀或陌生人闖入時就會大聲
吠叫，警告主人。所以當程式執行發生問題無法正確執行慧
，WDT偵測到異狀便會將IC重置(Reset)，讓程式重新回到正
確流程。
PIC系列單晶片都包含有四種型號的IC可選擇，分別為RC、
XT、HS、LP。
RC只需外加電阻電容振盪線路
XT、HS、LP都可使用晶體或陶瓷振盪器， 但LP的速度只能到40KHz
，而HS可執行到20MHz。
業界使用率高的是RC和XT
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2.1.2 PIC 家族
PIC支援晶片與設備
PIC-16C5X 系 列 除 了 有 常 用 的 PIC-16C54 、 PIC-16C55 、 PIC-
16C56、PIC16C57等不同大小的晶片及記憶體外，還提供了多種
選擇的型態，包括可用紫外燈清除式的EPROM，用來作為發展
時的實驗晶片，萬一程式寫錯了或是發現程式邏輯有問題時，可
用紫外燈將程式清除等到BUG抓出來時重新燒錄一次就可以了。
但因為屬於發展時的實驗晶片，可重複使用，相對價格非常高。
當我們很辛苦的測詴再測詴，把那些BUG除完之後，沒有問題了
，希望能夠做個幾百或幾千台產品到市場探一探反應如何，PIC
也提供OTP (One Time Programmable)型態的晶片，就是只能燒一
次程式的晶片，所以價格也低了許多，當產品丟到市場上發覺反
應不錯，就能夠大量生產 。最終結果就是把程式丟到光罩廠，
直 接 完 成 一 顆 IC ， 這 IC 型 態 稱 做 QTP (quick-turnaround-
production)型態，MASK TYPE。
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2.1.2 PIC 家族
PIC支援晶片與設備
PIC有許多優點，但在一些架構方陎似乎稍遜一截。PIC沒有
插斷，堆疊只有兩階，所以不能呼叫太多層副程式，RTCC時
的計時溢位也沒有產生任何訊息，程式必需要偵測溢位，暫
存器需要用切BANK的方式，使用上稍嫌麻煩，程式記憶體也
需要換頁的方式才能定址到需要的位址，CALL指令也貫能呼
叫每一頁的前256字組，如果記憶體採用連續架構，相信會方
便不少。
PIC無論在速度，程式設計，晶片支援上以及價格上都可圈可
點，雖然有一些小缺點， 但整體看來，還是優點多於缺點，
而且站在價格的考量來看，依此價格所穫得的功能，是非常
值得的 。
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2.1.2 PIC 家族
PIC-16C 54、55、56、57 功能及特性
僅有33個指令，12-20個I/O可獨立設定
除了分支指令佔兩個指令週期，所有指令只需一個週期完成
工作速度：DC-20MHz振盪頻率輸入、DC-200ns指令週期
12位元寬度的指令、8位元的資料寬度
25至72個8位元的通用暫存器、7個特殊用途硬體暫存器
8位元可預除的時間/事件計數器RTCC (real time clock/counter)
電源開啟重置(reset)、睡眠(sleep)模式
振盪器起始計時器(start-up timer)、獨立系統看門狗計時器
WDT
EPROM的保護熔絲，提供程式碼保護
可選擇振盪模式的EPROM位元 (RC振盪、晶體…)
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2.1.2 PIC 家族
PIC-16C 71功能及特性
有35個指令，13個I/O可獨立設定
除了分支指令佔兩個指令週期，所有指令只需一個週期完成
工作速度：DC-20MHz振盪頻率輸入、DC-200ns指令週期
14位元寬度的指令、8位元的資料寬度
36個8位元的通用暫存器、15個特殊用途硬體暫存器
8階的堆疊深度，有直接、間接及相對定址法
1024*14的內部EPROM程式記憶體
四種中斷來源：INT腳、RTCC溢位、A/D轉換器完成、I/O
具有大電流輸出來驅動LED
A/D轉換器模組
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2.1.2 PIC 家族
PIC-16C 42功能及特性
全靜態設計，四種工作模式：微電腦、保密、外部擴充、微電腦(存
取外部記憶體模式)
250ns週期時間(16MHz振盪時)
64K*16的可定址程式記憶空間
16位元寬度的指令、8位元的資料寬度，所有指令1WORD
232*8個一般用途暫存器、48個特殊用途硬體暫存器
16*16階的堆疊深度，有直接、間接及相對定址法
11種外部/內部來源的插斷向量、33個I/O腳位
3個16位元的計時/計數器，2個16位元的捕捉暫存器
2個高速的PWM輸出(解析度10位元，最高頻15.6KHz)
全功能同步，非同步串列埠(USART)、鮑率產生器
11種插斷模式：INT、RTCC、RT、PORT B、Timer 1/2/3 、捕捉器
1/2 /3 、串列埠傳輸/接收插斷 27
2.1.3 AVR 家族
AVR 簡介
美國Atmel公司對應Flash記憶體的製造設計技術都居於領導地
位，自從將8051族系之程式記憶體(Programmer Data Memory)
以Flash記憶體予以移入，而推出AT89C51/52/53/55/8252等一
系列Flash的C/MOS單晶片微控器以及89C1051和89C2051等
20pin的小系統8051族系微控器已取代以往的80H51，80C51等
單晶微控器而主導市場，然後對應Microchip所推出的類精簡
(RISC Like)指令架構之PIC單晶片卻席捲微控器市場，此PIC
是因應須以攜帶式省電型製作較為便捷的產品而研發出的
C/MOS單晶片微電腦PIC 16C5X/6X/7X一系列產品，尤其快速
指令，高的I/O驅動能力以及可設定三態輸入和低的晶片消耗
功率，同時具有工業控制所需的看門狗WDT監控系統等，多
組的計數計時器CTC同時具有比較器(COMPARE)和計數補抓
器(CAPTURE)和PWM輸出控制。
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2.1.3 AVR 家族
AVR 簡介
串列埠除了UART外仍具有SPI週邊之SCI全多工雙向串列同步傳輸
界陎，帄均一顆新台幣50元左右，已逼近開ASIC或NMASK ROM型
價格，對應少量產品之生洃並可避免長時間對IC製造來回耗時的訂
購時間，在競爭相當激烈且無法把握時效及搶先市場先機情況下可
採用OTP產品具有其相當的重要性，因此在競爭的環境下降低成本
提高產品品質為世界各工業國家所追求之目標 。於是針對PIC及
8051族系的優點加以採用並改良，對此於1997年研發而推出AVR增
強型精簡微控器(AVR ENHANCED RISC MICROCONTROLLER)系
列，除了對應PIC之上述特點外，將OTP改成FLASH架構可重複燒
洗1000次以上，如此大大提高其更改程式之使用次數，AVR在其快
速硬體執行結構技術上不需以四個時脈作資料栓鎖而直接地依序一
次快速執行，同樣也是一個管線結並不會影響資料存取序。
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2.1.3 AVR 家族
AVR 簡介
AVRAT90S1200/2313等20隻接腳的小微控器，以及40隻接腳
的對應8051族系對等的AVR AT90S4144和ATS8515系列快速
多力能且可作系統電路中作程式及記憶體規劃燒錄之ISP微控
器，多種串列功能之全多工同步，非同步UART串列埠，SCI
串列埠，及多功厲計數開時CTC控制週邊，並具補抓、比較和
PWN控制功能，且具多功能I/O接腳特性設定及高驅動力之並
列I/O埠，1997年正式推山AT90S系列之強檔單晶片微控器，
為20PIN/40PIN之IC，20PIN具有PB0-PB7和PD0-PD6的多重功
能之並列I/O埠共15個，除此外40PIN的AT90S4414/8515仍多
具有PA0-PA7，PC0-PC7外PD則增為PD0-PD7且接腳與8051完
全對等同樣有4*8個並列I/O埠，為當今功能最強最簡捷快速省
電之單晶片微控器。
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2.1.3 AVR 家族
AVR AT90S系列之優點
價格低的可燒洗1000次以上的16位元Flash程式記憶體約50元
低耗電(UA)高速度(50ns)具sleep功能及C/MOS技術，每一指令
執行速度可達50ns，並具多元時脈(Clock)，而耗電則在1uA至
2.5mA之間
高保密，可多次燒錄且具有碼保護鎖死功能，因此可低價快
速完成產品商品化，且可多次更改程式而不必浪費IC
工業級(WDT)產品，具大電池10~20mA或40mA(單一輸出)，
可直接驅的SSR或繼電器，並有看門狗計時器功能
超功能精簡指令，具有32個工作暫存器及128-512個內部靜態
SRAM可靈活使用指令加以運算並有完整的C高階語言，易學
程式記憶體可並列或SPI BUS串列系統電路中之ISP燒洗
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2.1.3 AVR 家族
AVR AT90S系列之優點
並列I/O接腳端之輸出入特性可為類同於PIC的HI/LOW輸出及
三態高阻抗HI-Z輸入外，也可設計同8051族系之內部拉高電
阻抗(PULL HI)作輸入端以便於作各種應用特性所需
晶片上的類比比較器可搭配捕抓計數器，作多種類比控制和
轉換
多種的中斷向量可快速的對應作應變控制
內部電源ON之啟動重設計數器，可將負電位重設直接接到
VCC端，當源ON時由於利用內部的RC看門狗計時器可延後
MCU起動執行程式而處於重設一段時間以便I/O穩定後執行程
式，同時也可節省外加延時重設電路
具有睡眠之省電及閒置低功率功能
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2.1.3 AVR 家族
AVR AT90S系列之優點
AT90S1200具有內部RC振盪1MHz的工作頻率使其此微控器可
工作於0外加元件
CTC有8位元及16位元二組，可作比較器，計數捕抓器和8，9
，10位元PWM控制輸出
串列埠有UART及SCI傳輸功能，高速工作鮑率可達576K
AT90S4414 及 AT90S8515 具 有 可 擴 充 的 外 加 SRAM 達 64K
BYTE
寬廣的工作電壓為2.7V到6.0V方便各種電源下之工作環境
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2.1.3 AVR 家族
AVR AT90S1200 功能及特性
程式記憶體512*16=1K*8之FLASH可ISP載入燒洗1000次以上
EEPROM為64*8可讀寫燒錄10000次以上
PB0~PB7，PD0~PD6等共15個3態輸出入埠及可拉升電位
32*8個通用工作暫存器
工作電源2.7V到6.0V，全靜態工作頻率0~16MHz
在16MHz工作頻率下指令執行週期時間為62.5nS
一個8位元計數計時器並含有可各別設計的預除器
具有內部及外部中斷控制來源
內部RC振盪器組成可規劃設計之看門狗計時器
類比比較器控制、低功耗之閒置及省電模式
大的I/O驅動電流可達28mA(最大40mA)
可選擇採用晶片內部RC振盪作為工作頻率，並具電源啟動重設
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2.1.3 AVR 家族
AVR AT90S2313 功能及特性(1/2)
程式記憶體1024*16=2K*8之FLASH可ISP載入燒洗1000次以上
EEPROM為128*8可讀寫燒錄10000次以上
PB0~PB7，PD0~PD6等共15個3態輸出入埠及可拉升電位
32*8個通用工作暫存器、128個內含8位元SRAM
工作電源2.7V到6.0V，全靜態工作頻率0~20MHz
在20MHz工作頻率下指令執行週期時間為50nS
8位元及16位元計數計時器並含有可各別設計的預除器，16位
元計時計數捕抓器
全雙多工的UART埠
可選擇及設計的8，9，10位元PWM控制輸出
內部RC振盪器組成可規劃設計之看門狗計時器
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2.1.3 AVR 家族
AVR AT90S2313 功能及特性(2/2)
類比比較器控制
低功耗之閒置及電源省電模式
可規劃的軟體安全鎖碼保護措施
大的I/O驅動電流可達20mA(最大40mA)
可選擇採用晶片內部RC振盪作為工作頻率，並具電源啟動重
設計數器，輸出驅動電流10mA(5V供電)
具有ISP規劃載入程式及SPI串列週邊程式載入
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2.1.3 AVR 家族
AVR AT90S4414及AT90S8515 功能及特性(1/2)
程 式 記 憶 體 AT90S4414 2K*16=4K*8 而 AT90S8515 則 為
4K*16=8K*8 之FLASH可戴入燒洗1000次以上
EEPROM AT90S4414 是128*8 而AT90S8515則為512*8 可讀寫燒錄
10000次以上
PB0~PB7，PD0~PD7及PC0~PC7等共32個三態輸出入埠及可拉升電
位作輸入之設計
32*8個通用工作暫存器
工作電源2.7V到6.0V，全靜態工作頻率0~16MHz
在20MHz工作頻率下指令執行週期時間為50nS
一個8位元計數計時器並含有可各別設計的預除器
一個16位元計數計時器並含有可各別設計的預除器，並有一組16位
元計時計數比較器及一組計時計數捕抓器
全雙工的UART埠
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2.1.3 AVR 家族
AVR AT90S4414及AT90S8515 功能及特性(2/2)
可選擇及設定的雙組8，9，10位元PWM控制輸出
具有內部及外部中斷控制來源
內部RC振盪器組成可規劃設計之看門狗計時器
類比比較器控制
低功耗之閒置及電源省電模式
可規劃的軟體安全鎖碼保護措施
大的I/O驅動電流可達28mA(最大40mA)，輸出驅動可達10mA
(5V供電)
SPI串列界陎埠
可外擴充的SRAM作(64K-內部 RAM)*8的讀寫控制
具有ISP規劃載入程式及SPI串列週邊作程式載入
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2.1.3 AVR 家族
AVR AT90S2333及AT90S4433 功能及特性(1/2)
程式記憶體AT90S4414 1K*16=2K*8 或 2K*16=4K*8 之
FLASH可戴入燒洗1000次以上
EEPROM AT90S4414 是128*8 或 256 可讀寫燒錄10000次以上
PB0~PB7，PD0~PD6及PC0~PC7等共23個三態輸出入埠及可
拉升電位作輸入之設定
32*8個通用工作暫存器
128或256個內含8位元SRAM
工作電源2.7V到6.0V，全靜態工作頻率0~20MHz
在20MHz/10MHz工作頻率下指令執行週期時間為50nS/100nS
一個8位元計數計時器並含有可各別設計的預除器
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2.1.3 AVR 家族
AVR AT90S2333及AT90S4433 功能及特性(2/2)
一個16位元計數計時器並含有可各別設計的預除器，並有一組16位
元計時計數比較器及一組計時計數捕抓器
全雙工的UART埠
可選擇及設定的雙組8，9，10位元PWM控制輸出
具有內部及外部中斷控制來源
內部RC振盪器組成可規劃設計之看門狗計時器
類比比較器控制
低功耗之閒置及電源省電模式
可規劃的軟體安全鎖碼保護措施
6通道10位元類比對數位轉換器ADC
大 的 I/O 驅 動 電 流 可 達 20mA( 最 大 40mA) ， 輸 出 驅 動 可 達 10mA
(5V供電)
40
2.1.3 AVR 家族
AVR AT90S4434及AT90S8535 功能及特性(1/2)
程 式 記 憶 體 AT90S4434 2K*16=4K*8 而 AT90S8535 則 為
4K*16=8K*8 之FLASH可戴入燒洗1000次以上
EEPROM AT90S4434 是128*8 而AT90S8535則為512*8 可讀寫燒錄
10000次以上
PB0~PB7，PD0~PD7及PC0~PC7等共32個三態輸出入埠及可拉升電
位作輸入之設計
32*8個通用工作暫存器
工作電源2.7V到6.0V，全靜態工作頻率0~20MHz
在20MHz工作頻率下指令執行週期時間為50nS
一個8位元計數計時器並含有可各別設計的預除器
一個16位元計數計時器並含有可各別設計的預除器，並有一組16位
元計時計數比較器及一組計時計數捕抓器
全雙工的UART埠
41
2.1.3 AVR 家族
AVR AT90S4434及AT90S8535 功能及特性(2/2)
可選擇及設定的雙組8，9，10位元PWM控制輸出
具有內部及外部中斷控制來源
內部RC振盪器組成可規劃設計之看門狗計時器
類比比較器控制
低功耗之閒置及電源省電模式
可規劃的軟體安全鎖碼保護措施
大的I/O驅動電流可達28mA(最大40mA)，輸出驅動可達10mA
(5V供電)
SPI串列界陎埠
可外擴充的SRAM作(64K-內部 RAM)*8的讀寫控制
8通道10位元類比對數位轉換器ADC
42
2.1.3 AVR 家族
ATmega128功能及特性
高性能、低功耗的 AVR 8 位元微處理器
RISC 結構
133 條指令 大多數可以在一個時鐘週期內完成
32 x 8 通用工作寄存器 + 外設控制寄存器
全靜態工作
工作於16 MHz 時性能高達16 MIPS
只需兩個時鐘週期的硬體乘法器
非易失性的程式和資料記憶體
128K 位元組的系統內可編程Flash
壽命: 10,000 次寫/ 擦除週期
具有獨立鎖定位、可選擇的啟動代碼區
43
2.1.3 AVR 家族
ATmega128功能及特性
4K位元組的EEPROM
4K 位元組的內部SRAM
多達64K 位元組的優化的外部記憶體空間
可以對鎖定位元進行編程以實現軟體加密
可以通過SPI 實現系統內編程
· JTAG 介陎( 與IEEE 1149.1 標準相容)
兩個具有獨立的預分頻器和比較器功能的8 位計時器/ 計數器
兩個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位計時器/ 計數
器 具有獨立預分頻器的即時時鐘計數器
44
2.1.3 AVR 家族
ATmega128功能及特性
兩路8 位PWM 6路解析度可編程（2 到16 位）的PWM
輸出比較調製器
8路10 位ADC
8 個單端通道 7 個差分通道
2 個具有可編程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道
陎向位元組的兩線介陎
兩個可編程的串列USART
可工作於主機/ 從機模式的SPI 串列介陎
具有獨立片內振盪器的可編程看門狗計時器
6種睡眠模式: 空閒模式、ADC 雜訊抑制模式、省電模式、掉
電模式、Standby 模式以及擴展的Standby 模式
45
2.1.4 總結
MCU比較圖
Microprocessor C8051F121 PICF4620 MC9s08GT ATMEGA128L
Supply Current Vdd=2.7V Vdd=4.2V Vdd=3V Vdd=3V
(Run mode) Icc=25mA Icc=16mA Icc=6.5mA Icc=5.5mA
@50MHZ @40MHZ @16MHZ @4MHZ
Supply Current Ipd=0.4uA Vdd=3V Vdd=3V Vdd=3V
(Power down Ipd=0.1uA Ipd=2.5uA Ipd<5uA
mode)
Supply Voltage 2.7~3.6(50MIPS) 2.0~5.5V 1.8~3.6V 2.7~5.5V
3.0~3.6V(100MIPS)
Clock Up to 100MHZ Up to 40MHZ Up to 40MHZ Up to 8MHZ
ROM 128KB Flash 64KB Flash Up to 60KB Flash 4KB EEPROM 128KB
1024Bytes Flash
EEPROM
RAM 8KB 3986KB Up to 4KB 4KB SRAM
MCU High Speed 8051uC 8-bit PIC core 8bit HCS08 Advanced RISC
Architecture
Port 48 I/O pins 36 I/O pins 56 I/O pins 53 I/O pins
ADC 12-bit 100kbps 8-bit 13 channels 8 channels 8 channels
500kbps 10 bits each 10 bits each 10 bits each
channel channel channel
46
2.1.4 結論
MCU選用
要選擇一個適合實作的MCU，不是一件容易的事情，每一顆MCU都
有他的特點，然後我們該選擇哪一個廠牌、哪一個規格，都是一個問
題？我們該選擇的是一顆省電的MCU、還是效能好的MCU、多工能
力非常 好的MCU？以下列出選擇一顆MCU該考慮的因素，在根據這
些因素去選擇適合自己的IC
價錢：晶片本身的價錢、系統的價錢、開發的成本等
可靠性：包括工作溫度範圍、抗幹擾性及後期維護等
功能：是否考慮預留功能以利後續的擴展
容易得到：包括開發期間的開發環境、資料及技術支援等
供貨保障：包括供貨週期、供貨數量等。
易用性：容易上手，只需較少的時間學習
47
2.2 RF選用標準
2.1.1 前言
2.2.2 Nordic 家族
2.2.3 Chipcon 家族
2.2.4 UBEC 家族
2.2.5 總結
48
2.2.1 前言
RF IC選用前言
一般來說，整個無線通訊IC 依功能可以分成三部分：首先為
負責接收/發送射頻訊號的RF IC，此部分屬於射頻前端，為純
粹的類比電路設計；其次為負責二次昇/降頻與調變/解調功能
的IF IC，以及與鎖相迴路（PLL）、頻率合成器（Synthesizer
）等元件，目前此段多屬於類比/數位的混合模式(mixed mode)
的電路；最後則是負責A/D、D/A、信號處理器及CPU 等純數
位部分的Baseband IC。由於 Baseband IC 部分以處理數位訊號
為主，且其內部元件多為主動元件、線路分佈極為密集，故
向來以微細化與高集積度的純矽CMOS 製程為主。無線通訊
對於RF IC 的規格要求相當嚴格，且高頻電晶體的功能不同，
其線路設計理念也不盡相同，因此，如何選擇不同的材料與
製程，以使無線通訊用積體電路的線路功能與價格達到帄衡
或是最佳化，往往是無線通訊用積體電路製造最重要的課題
49
2.2.1 前言
Low-Noise Amplifier
LNA 是RF 效能優劣的第一道關卡，因為要能將來自天線眾多
混亂信號中取出所要信號，LNA 需要具有低雜訊（Low noise
）、高線性（High linearity）特性，其分別指標為Noise figure
（dB）、Third-order input intercept point（IIP3）；另外高增益
（High gain）、低功率消耗（Low dc power consumption）亦
是必須考慮的參數。電晶體要獲得低雜訊，其Input resistance
(rb/g)要儘可能降低，同時拉高Cut-off frequency。一般來說
(rg)MESFET ＜ (rb)BJT ＜ (rg)MOSFET，提昇Si-RF 特性必需
降低rb/g值，Bipolar 除可由水帄方向縮小尺寸降低寄生基極電
阻外，另外亦可藉Base-engineering 來提高基極濃度，進一步
降低rb 值；MOSFET‗s 則要降低poly- gate 電阻，常用方法為
Polycide gate，最近更有人提出“T-gate‖結構，使其rg 快逼近
MESFET's。
50
2.2.1 前言
VCO & Frequency Synthesizer (1/2)
因為受到不易 on-chip 製作高Q 值Inductor、varactor-diode，和
無法調正製程變異所造成偏移等種種限制，VCO 目前大都為
混合式(Hybrid)，利用低1/f Bipolar、高Q 表陎黏著Inductor、
varactor-diode 等分立元件組合而成，並可作溫度補償和雷射
調正以達到設定中心頻率；一般bipolar具有1/f noise 轉折頻率
在1 KHz 以下的特點，單晶片LC tank VCO 其Phase noise 目前
約略可作到 -105 dBc/Hz （at 100kHz offset）。如果Channel
spacing 要更窄以容納更多頻道，則1/f Noise corner frequency
要更一步降低，LC tank 之Q 值要求亦更高，將是單晶片整合
最大挑戰。
51
2.2.1 前言
VCO & Frequency Synthesizer(2/2)
由 phase detector 、 VCO 、 prescaler 組 成 的 phase-lock loop
(PLL)frequency synthesizer 提供可程式穩定頻率作為混波、解調/
調變之用，其主要特性參數為phase-noise、power consumption、
lock-up time；高速BiCMOS 可為PLL 設計作最佳組合，bipolar
用來設計高速（2.5 GHz）、低電流（＜4mA）的prescaler，
CMOS則用在低功率divider 和charge-pumps上，雖然0.35 μm 以
下CMOS 號稱可完全取代BiCMOS，但bipolar 所具有極高的
transconductance，使其用於prescaler 的輸入信號僅須50 mVp-
pswing，比起CMOS 需要大於400 mVp-p 小很多，因此綜合考量
下其performance 仍優於CMOS。另外PLL 功能單元電路如charge
pump、prescaler 所產生noise 亦會影響整體PLL phase noise，尤
其close-in phasenoise 主要來自於這些電路，因此具有較低1/f
noise bipolar 元件在這方陎仍較具優勢。
52
2.1.1 前言
Power Amplifier
PA是不容易整合成單晶片的一個功能單元；目前常用PA 模組是由
高效率功率電晶體和分立高Q 值被動元件組合而成，雖較易調整阻
抗匹配以獲得最佳功率輸出，但比起作成單晶片PA，仍是成本較高
，佔太大空間更是不利；而單晶片PA 目前最大問題還是無法有效
整合高Q 值(Q＞50) 、低損耗被動元件。應用在RF IC 產品的PA 為
Class-AB mode 操作，以獲得良好linearity、power-added efficiency
(PAE)，應用於此種型式PA 的電晶體主要考慮的特性參數， 包括功
率輸出最大頻率(fMAX) 、線性度(linearity)、崩潰電壓(BVCEO -
bipolar 或BVGDS - FETs)；在考慮崩潰電壓和linearity 時，bipolar
元件比較不利，目前用在無線電通訊終端產品主要為GaAs MESFET
或LDMOS，但在工作電壓不斷降低，高頻bipolar崩潰電壓的限制將
漸漸消除，利用SiGe 作成的PA 已可作到65 % PAE、25 dB 增益、
2.0 mW/μm2 功率密度
53
2.2.2 Nordic 家族
公司簡介
Nordic公司是一間在挪威的公司，專注於超低功耗無線技術，
具體來說是2.4GHz頻率超低功耗無線連接。我 們對這個頻率
並不陌生，因為藍牙和ZigBee都使用這個頻率。這個頻率屬於
ISM（工業、科學及醫療設備）頻率，無需經過當局許可便可
使 用 。 那 麼 ， 既 然 已 經 有 了 藍 牙 和 ZigBee ， 為 何 還 需 要
Nordic的2.4GHz無線技術呢？因為這三種技術雖然使用相同的
頻率，但它們的目標應用領域並不相同，因而 技術著重點也
不一樣。Nordic 2.4GHz無線技術的優勢是超低功耗，適合低
數據流的簡單無線網絡
54
2.2.2 Nordic 家族
Nordic nRF2401
nRF2401無線收發一體晶片和藍牙一樣，都工作在2.4GHZ自
由頻段，能夠在全球無線市場暢通無阻。 nRF2401支持多點
間通信，最高傳輸速率超過1M bit/s，而且比藍牙具有更高的
傳輸速度。它採用 SoC方法設計，只需少量周邊元件便可組
成射頻收發電路。與藍牙不同的是， nRF2401沒有複雜的通
信協議，它完全對用戶透明，同種產品之間可以自由通信。
更重要的是， nRF2401比藍牙產品更便宜。所以nRF2401是業
界體積最小、功耗最少、周邊元件最少的低成本射頻系統級
晶片
55
2.2.2 Nordic 家族
Nordic nRF2401 接腳功能
nRF2401的接腳採用5 mm × 5 mm的24接腳QFN封裝
採用全球開放的2.4GHZ頻段，有125個頻道，可滿足多頻及跳
頻需求
速率(1Mbps)高於藍牙，且具有高數據吞吐量
週邊元件極少，只需一個晶體振盪器和一個電阻即可設計射
頻電路
發射功率和工作頻率等所有工作參數可全部通過軟件設置
電源電壓範圍為2.9~3.6V，功耗非常很低
電流消耗很小，-5dbm輸出功率時的典型峰值電流為10.5mA
晶片內部設置有專門的穩壓電路，使用任何電源（包括
DC/DC開關電源）均有很好的通信效果
56
2.2.2 Nordic 家族
Nordic nRF2401 接腳功能
每個晶片均可以通過軟件設置最多40bit地址，而且只有收到
本機地址時才會輸出數據（提供一個中斷指示），同時編程
也很方便
內置CRC糾檢錯硬體電路和協定
採用ShockBurstTM模式時，能適用極低的功率操作和不嚴格的
MCU執行
帶有集成增強型8051核心、 9通道10bit ADC、UART、SPI串
口和PWM輸出
內置看門狗
無需外部SAW濾波器(Surface Acoustic Wave, SAW)
帶有數據時隙和數據時鍾恢複功能
57
2.2.2 Nordic 家族
Nordic nRF2401 接腳圖
58
2.2.2 Nordic 家族
Nordic nRF2401內部原理及外部組成圖
59
2.2.2 Nordic 家族
Nordic nRF2401工作模式
1. ShockBurst™模式（突發傳輸技術）
nRF2401的ShockBurst™ RX/TX模式採用片上先進先出（FIFO）來進
行低數據率的時鍾同步和高數據率的傳輸，因此極大的降低了功耗。
ShockBurst™發射主要通過MCU接口引腳CE、CLK1和DATA來完成。
當MCU請求發送數據時，置CE為高電位，此時的接收機地址和有效載
荷數據作為 nRF2401的內部時鐘，可用請求協議或MCU將速率調至
1Mbps；置CE為低電位可致能ShockBurstTM發射
60
2.2.2 Nordic 家族
Nordic nRF2401工作模式
1. ShockBurst™模式（突發傳輸技術）
ShockBurst™模式接收主要使用MCU接口引腳CE、 DR1、 CLK1和
DATA來實現。當正確設置射頻包輸入載荷的地址和大小後，置CE為
高電位可觸發RX。此後便可在nRF2401監測信息輸入200μｓ，若收到
有效數據包，則給MCU一個中斷並置DR1為高電位，以使MCU 以時鍾
形式輸出有效載荷數據，待系統收到全部數據後， nRF2401再置DR1
為低電位，此時如果CE保持高電帄，則等待新的數據包。若CE置低電
帄，則開始接收新的序列
61
2.2.2 Nordic 家族
Nordic nRF2401工作模式
1. ShockBurst™模式（突發傳輸技術）
透過微控制器傳輸資料給nRF2401晶片再利用ShockBurst™技術傳輸
較低功耗
有ShockBurst™技術傳輸與沒有此技術傳輸之電流消耗比
較 62
2.2.2 Nordic 家族
Nordic nRF2401工作模式
1. ShockBurst™模式傳送流程圖（突發傳輸技術）
63
2.2.2 Nordic 家族
Nordic nRF2401工作模式
1. ShockBurst™模式接收流程圖（突發傳輸技術）
64
2.2.2 Nordic 家族
Nordic nRF2401工作模式
2. DuoCeiver™的雙通道接收模式
nRF2401的 DuoCeiver™技術為RX提供了兩個獨立的專用數字通道，因
而可代替兩個單獨接收系統。圖3所示是DuoCeiver™同時雙接收通道
結構圖。 nRF2401可以通過一個天線接頭從相隔8MHz的兩個1Mbps接
收機上接收數據。同時將兩個數位介陎的輸出反饋到兩個單獨的MCU
接腳。
具體的兩個介陎如下:
數位介陎1：CLK1，DATA，DR1
數位介陎2：CLK2，DOUT2，DR2
應當說明的是數位介陎2的頻率只有在比數位介陎1的頻率高出8MHz時，
才能保證正常接收。
65
2.2.2 Nordic 家族
Nordic nRF2401工作模式
2. DuoCeiver™的雙通道接收模式
nRF2401收發晶片雙接收通道結構圖
DuoCeiverTM 具有二個獨立的接收通道
66
2.2.2 Nordic 家族
Nordic nRF2401工作模式
1.直接收發模式
2.直接接收模式
3.配置模式
4.空閒模式
nRF2401的空閒模式是為了減小帄均工作電流而設計，其最大的優點是
，實現節能的同時，縮短晶片的起動時間。在空閒模式下，部分片內
晶振仍在工作，此 時的工作電流跟外部晶振的頻率有關，如外部晶振
為4MHz時工作電流為12uA，外部晶振為16MHz時工作電流為32uA
5.關機模式
在關機模式下，為了得到最小的工作電流，一般此時的工作電流小於
1uA。關機模式下，配置字的內容也會被保持在nRF2401片內，這是該
模式與斷電狀態最大的區別
67
2.2.2 Nordic 家族
Nordic nRF24L01 簡介
nRF24.L01是一款新型單片射頻收發器件,工作於2.4 GHz～2.5
GHz ISM頻段。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振盪器、
調製器等功能模組,並融合了增強型ShockBurst技術，其中輸出
功率和通信頻道可通過程式進 行配置。NRF24L01功耗低,在
以-6 dBm的功率發射時，工作電流也只有9 mA；接收時，工
作電流只有12.3 mA，多種低功率工作模式(省電模式和空閒模
式)使節能設計更方便。
NRF24L01主要特性如下： GFSK調製： 硬體集成OSI鏈路層
； 具有自動回應和自動再發射功能; 片內自動生成報頭和CRC
校驗碼； 資料傳輸率為l Mb/s或2Mb/s； SPI速率為0 Mb/s～10
Mb/s； 125個頻道： 與其他nRF24系列射頻器件相相容；
QFN20引腳4 mm×4 mm封裝； 供電電壓為1.9 V～3.6 V
68
2.2.2 Nordic 家族
Nordic nRF24L01接脚功能
CE：使能發射或接收；
CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引腳端，微處理器可通過此
引腳配置nRF24L01
IRQ：中斷標誌位元；
VDD：電源輸入端；
VSS：電源地：
XC2，XC1：晶體振盪器引腳；
VDD_PA：為功率放大器供電，輸出為1.8 V；
ANT1,ANT2：天線介陎;
IREF：參考電流輸入
69
2.2.2 Nordic 家族
Nordic nRF24L01接脚圖
70
2.2.2 Nordic 家族
Nordic nRF24L01工作模式
模式 PWR_UP PRIM_RX CE FIFO狀態
接收 1 1 1 -
發送 1 0 1 數據已在發
射堆疊裡
發送 1 0 1-0 當CE下降跳
變時，數據
就送出了
空閒2 1 0 1 發送堆疊空
空閒1 1 - 0 沒有數據發
送
省電 0 - -
71
2.2.2 Nordic 家族
Nordic nRF24L01工作原理
發 射 資 料 時 ， 首 先 將 nRF24L01 配 置 為 發 射 模 式 ： 接 著 把 位 址
TX_ADDR和資料TX_PLD按照時序由SPI口寫入nRF24L01緩存 區
，TX_PLD必須在CSN為低時連續寫入，而TX_ADDR在發射時寫入
一次即可，然後CE置為高電帄並保持至少10μs，延遲130μs後發射
數 據；若自動回應開啟，那麼nRF24L01在發射資料後立即進入接
收模式，接收應答信號。如果收到應答，則認為此次通信成功，
TX_DS置高，同時 TX_PLD從發送堆疊中清除；若未收到應答，則
自動重新發射該資料(自動重發已開啟)，若重發次數(ARC_CNT)達
到上限，MAX_RT置 高，TX_PLD不會被清除；MAX_RT或TX_DS
置高時，使IRQ變低，以便通知MCU。最後發射成功時,若CE為低
則nRF24L01進入空閒模 式1；若發送堆疊中有資料且CE為高，則進
入下一次發射；若發送堆疊中無數據且CE為高，則進入空閒模式2
72
2.2.2 Nordic 家族
Nordic nRF24L01工作原理
接 收 資 料 時 , 首 先 將 nRF24L01 配 置 為 接 收 模 式 ， 接 著 延 遲
130μs進入接收狀態等待資料的到來。當接收方檢測到有效的
位址和CRC時，就將資料包存儲在接收堆疊中，同時中斷標
誌位元RX_DR置高，IRQ變低，以便通知MCU去取資料。若
此時自動回應開啟，接收方則同時進入發射狀態回傳應答信
號。最後接收成功時，若CE變低，則nRF24L01進入空閒模式
73
2.2.2 Nordic 家族
Nordic nRF24L01 配置
SPI為同步串列通信介陎，最大傳輸速率為10 Mb/s，傳輸時先
傳送低位元位元組，再傳送高位元組。但針對單個位元組而
言，要先送高位再送低位元。與SPI相關的指令共有8個，使用
時這些控制指令由 nRF24L01的MOSI輸入。相應的狀態和資
料資訊是從MISO輸出給MCU。
nRF24L0l所有的配置字都由配置寄存器定義，這些配置寄存
器可通過SPI口訪問。nRF24L01的配置寄存器共有25個，常用
的配置寄存器如表2所示
74
2.2.2 Nordic 家族
Nordic nRF24L01 暫存器配置圖
位址 暫存器名稱 描述
00 CONFIG 設置Nrf24L01的工作模式
01 EN_AA 接收通道的設置，使能接受通道的
Enhanced 回應功能
02 EN_RXADDR 接收通道位址
03 SETUP_AW 設定位址寬度
04 SET_RETR 設置自動重送功能
07 STATUS 狀態暫存器
0A~0F RX_ADDR_P0~P5 設定接收通道的位址
10 TX_ADDR 設定發送機位址
11~16 RX_PW_P0~P5 設定接收通道的數據長度
75
2.2.2 Nordic 家族
Nordic nRF2402 簡介
使用ShockBurst™技術的高速晶片，工作在2.4GHz~2.5GHz頻
帶，包括頻率合成器、放大、振盪、調變器
具有128通道，轉換時間小於200uS
最大輸出功率為+4dBm
採用GFSK調變方式，傳輸速度為1Mbit/s
支援跳頻和CRC計算
nRF2402電源電流功耗低，電源電源範圈為1.11~3.6V
輸出功率為-5dBm時電流為10mA
ShockBurst™技術電流為500uA，低功耗模式電池為200nA
76
2.2.2 Nordic 家族
Nordic nRF2402 內部結構與外圍元件
77
2.2.2 Nordic 家族
Nordic nRF2402接腳圖
78
2.2.2 Nordic 家族
Nordic nRF2402與nRF2401比較
nRF2402與nRF2401一樣有ShockBurst™比較省電
nRF2402只有發送的功能，所以會比nRF2401還要來得省電
nRF2402可以說是nRF2401的精簡版，所以在晶片成本上的考
量也比較低
nRF2402有兩種工作模式：
突然爆發模式： ShockBurst™利在在晶片上的FIFO，以低數據速率記
錄，以高速數據速率發射數據，節點電源
直接模式：與傳統的射頻元件一般
79
2.2.3 Chipcon 家族
Chipcon簡介
Chipcon是一家ZigBee和射頻收發器件的開發公司，公司總部
在挪威的奧斯陸，是Chipcon AS公司和 Chipcon Inc公司的母
公司，該公司開發了ZigBee無線應用方麵的專有技術，並在
2005年1月收購了Figure 8 Wireless公司（美國加州聖地亞哥）
。 德州儀器表示，Chipcon公司在射頻收發器及系統芯片設
計上的經驗可以加強TI公司在ZigBee領域裏的競爭力。經過這
次收購，Chipcon公司將成為TI的全資子公司，其總部繼續保
留在挪威的奧斯陸。其它機構還包括在美國加州的軟體設計
中心和分布在美國新罕布什爾州、德國、香港及東京的擁有
120名員工的銷售中心。
由Chipcon 所出產的RF晶片有非常多種，例如：CC2420、
CC1000、CC2530、CC2591 等…其中又CC2420比較廣泛的被
大家所使用
80
2.2.3 Chipcon 家族
Chipcon CC2400
CC2400是Chipcon公司推出的2.4GHz低功耗RF收發晶片。晶
片採用0.18製程，由接收器、發送器、頻率合成器、正交變頻
器、晶體振盪器、偏置電路等組成。符合EN 300 440(歐洲)、
CFR47 Part15(美國)和ARIB STD-T66(日本)標準。
CC2400採用GFSK和FSK調變方式；具有10kbit/s，250kbit/s和
1Mbit/s以上的數據傳輸速率，電流消耗極低(接收時23mA)，
低內核電源電壓(1.8V)，靈活的I/O接口電壓(1.6~3.6V)，高靈
敏度(-85dBm在1Mbit/s BER=0.001)，靈敏頻率合成器(190uS穩
定時間)，輸出功率可編程；採用QLP-48 7mm*7mm封裝，使
用時僅需少量外部元件。
CC2400具有強大而靈活的開發工具，使用軟件很容易生成
CC2400的配置數據。適合在2.4G頻段系統使用
81
2.2.3 Chipcon 家族
Chipcon CC2400 內部結構圖
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2.2.3 Chipcon 家族
Chipcon CC2400 接腳圖
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2.2.3 Chipcon 家族
Chipcon CC2400 應用電路
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2.2.3 Chipcon 家族
Chipcon CC2420 特性
2400 – 2483.5 MHz RF Transceiver Separate transmit and receive FIFOs
Direct Sequence Spread 128 byte transmit data FIFO
Spectrum (DSSS) transceiver 128 byte receive data FIFO
250 kbps data rate, 2 MChip/s Very few external components
chip rate Only reference crystal and a minimised number of
O-QPSK with half sine pulse passives
shaping modulation No external filters needed
Very low current consumption Easy configuration interface
(RX: 18.8 mA, TX: 17.4 mA) 4-wire SPI interface
High sensitivity (-95 dBm) Serial clock up to 10 MHz
High adjacent channel rejection 802.15.4 MAC hardware support
(30/45 dB) 802.15.4 MAC hardware support
High alternate channel rejection Synchronisation word
(53/54 dB) insertion/detection
On-chip VCO, LNA and PA CRC-16 computation and
Low supply voltage (2.1 – 3.6 V) checking over the MAC payload
with on-chip voltage regulator Clear Channel Assessment
Programmable output power Energy detection / digital RSSI
I/Q low-IF soft decision receiver Link Quality Indication
I/Q direct up-conversion Full automatic MAC security
transmitter (CTR, CBC-MAC, CCM)
資料出處：
http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/cc2420.html
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2.2.3 Chipcon 家族
Chipcon CC2420 介紹
CC2420週邊電路包括天線、射頻輸出入匹配電路、晶體振盪
電路以及微控制器介陎電路等部分。
晶體振盪信號可以由外加晶體振盪器和兩個負載電容產生，
電容值的大小取決於所要諧振之頻率。射頻輸出入匹配電路
主要用來匹配晶片與天線匱入點的50 輸出入阻抗，使其從空
氣接收之無線電磁波可以完整地從天線傳送至晶片。
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2.2.3 Chipcon 家族
Chipcon CC2420 接腳圖
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2.2.3 Chipcon 家族
Chipcon CC2420 典型應用電路
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2.2.4 UBEC 家族
公司簡介
達盛電子成立於2002年7月，是由多位留美資深無線通訊系統及IC
設計專家與國內的資深RF/類比IC設計及生產工程專家所組成的技
術團隊。追求以無線通訊技術提昇人類生活品質及工作效能的信念
，以團隊本身在無線通訊 IC 及系統設計的關鍵技術為核心，透過
與其他領域的IC 及系統業者策略合作，開發各種無線通訊應用產品
的完整解決方案。
產品與技術 專注於射頻（RF）晶片的達盛電子，多方佈局無線通
訊網路技術，目前已陸續開發完成用於衛星低雜訊降頻器（LNB）
的寬頻放大器（Broadband Amplifier）、802.11 RF晶片及ZigBee單
晶片，並計劃於2004年底前陸續量產。目前達盛電子的產品有：
WLAN 802.11g、802.11a/g Transceiver IC，WLAN 802.11g PA and
11a/g PA, 802.15.4 single chip 以 及 衛 星 接 收 器 所 使 用 的
downconverter IC、multiswitch 與多種 LNB broadband amplifiers。
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2.2.4 UBEC 家族
UBEC UZ2400 簡介
UZ2400是一顆單一晶片解決方案，符合IEEE802.15.4規格。
它整合了無 線RF收發器，工作在2.4 GHz頻帶、PHY層的基頻
和MAC層的架構。UZ2400可以搭配一個簡單的微處理器，如
8051適用於低速率的無線應用，包括家庭自動化、消費電子
、 PC周邊設備、玩具、工業自動化….等等。提供系統的驅動
程式和802.15.4協定層，使用者可以方便地開發自己的應用
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2.2.4 UBEC 家族
UBEC UZ2400 功能說明
工作在2.4～2.5GHz的ISM頻帶
符合IEEE 802.15.4標準規格
-95 dBm的接收靈敏度和5dBm的最大輸入功率
0 dBm輸出功率和31dB TX功率控制範圍
差動的射頻輸入和輸出
整合頻率合成器包括VCO和環路濾波器
整合20 MHz和100KHz即時時鐘電路
數字VCO和濾波器校準
整合8 bit ADC和雙4 bit DAC
高接收端的RSSI動態範圍
支援省電模式 、2uA深度睡眠模式
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2.2.4 UBEC 家族
UBEC UZ2400 功能說明
支援1.8V IC核心電壓和3.3V數位I/O電壓
小型40-pin無鉛QFN 6x6 mm2封裝
0.18微米RF CMOS技術
簡單的4-wire串列介陎
硬體CSMA-CA機制，自動ACK反應和FCS檢查
可編輯Superframe的建構
獨立的beacon，傳輸和GTS FIFO
硬體保密機制（AES-128）與CTR，CCM和CBC-MAC 模式
非常低功率運行
支援所有的CCA模式
支援RSSI/LQI
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2.2.4 UBEC 家族
UBEC UZ2400 接腳圖
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2.2.4 UBEC 家族
UBEC UZ2400 內部結構圖
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2.2.4 UBEC 家族
UBEC UZ2400 架構圖
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2.2.4 UBEC 家族
UBEC UZ2400 RF控制流程圖
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2.2.5 總結
常用IC比較圖
UZ2400 CC2420 nRF2401
電源電壓 2.7~3.6V 2.1~3.6V 2.9~3.6V
接收時電流 18mA 18.8mA 18mA
傳送時電流 22mA 17.4mA 10.5mA
省電時電流 2uA 0.9uA 1uA
最大傳輸功耗 0dBm 0dBm 0dBm
接收靈敏度 -95dBm -94dBm -90dBm
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2.2.5 總結
IC比較圖
RF module Supply RX mode TX mode Power down
Voltage current current mode current
CC2420 2.1~3.6V 18.8mA 17.4mA 0.9uA
MC13192 2.0~3.4V 42mA 35mA 1uA
UZ2400 2.7~3.6V 18mA 22mA 2uA
xBee 2.8~3.4V 50mA 45mA <10uA
xBee-Pro 2.8~3.4V 55mA 270mA <10uA
NamePAN5360 2.4~3.6V 35mA 78mA 1.5uA
RF module Maximum Transmit Power Receiver Sensitivity Modulation Technique
CC2420 0dBm -94dBm DSSS
MC13192 4dBm -92dBm DSSS
UZ2400 0dBm -95dBm
xBee 0dBm -92dBm DSSS
xBee-Pro 20dBm -100dBm DSSS
NamePAN5360 6dBm -90dBm CSS
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2.2.5 結論
結語
高度整合的無線通訊 RF IC 無疑是今日IC 技術最大挑戰
之一，在全球各地積極研究發展下，已將各個功能電路單
元整合的限制逐漸排除，達成低成本的單晶片目標指日可
待；選擇合適製程技術來實現高度整合的RF IC，除了需
要考慮各個關鍵單元的效能外，最後產品的價格、推出的
時間更是決定因素如前所述RF IC 產品最終的考量應是經
濟因素，能以最低成本和最快時間將產品推出市場的將是
最大贏家。
選用一個適合自己的RF IC有好幾個因素：價格、頻率、
功耗、收發模式、等這些因素都是考量之一，所以找一顆
適合自己的RF IC必須先了解其特性才能做到最佳的選擇
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2.3 Smart Sensor Interface
簡介
近十多年來隨著半導體製程技術之進步，國內外對於以微機
電技術製作微感測器的研究逐漸的增加，使得感測器的體積
逐漸的縮小、性能逐漸的增加，也因此感測器已逐步走向智
慧化。
一個組合式的智慧型感測系統，應具備以以幾項功能：感測
（多訊息感測)、介陎（信號讀出電路、A/D 及D/A 轉換）、
劃分等級（刻度、線性度、靈敏度）、智慧化(自我測詴與補
償)等。
要設計一智慧型感測系統必須針對系統所需具備之功能做初
步的構思、設計。一般而言，系統之智慧化程度可從下頁圖
所示之方向評估
100
2.3 Smart Sensor Interface
101
2.3 Smart Sensor Interface
系統感測能力（Sensing）
現今感測器的發展可針對許多不同物理（壓力、速度、加速
度、位置）及化學（二氧化碳、濕度、氧氣、PH 值）等變
量做檢測，一個感測器可同時偵測一個或多個感測變量。
感測介陎（Interface）
感測器所感應之物理或化學變量必須經由適當的信號讀出電
路（橋式電路、電壓放大器、電荷放大器、切換電容電路、
震盪電路等）才能將信號轉換成電壓、電流、頻率等形式輸
出。再視感測器輸出特性的需要對其做A/D、D/A 以及資料
處理等改善方式。
102
2.3 Smart Sensor Interface
特性分級（Calibration）
感測器特性可從靈敏度、線性度、量度範圍等做區分。
智慧化（Intelligent）
智慧化方陎需使感測器本體具備自我測詴與自我校正的功能
。感測器的輸出會隨著環境的不同而有所差異，因此必須對
環境做即時的量測與提供適當的校正。
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2.3 結論
感測器在工業上的應用是相當的寬泛，包含應用於製造業、
工業控制、汽車、航太、建築及生物科技等。然而，感測器
的型式及市場是相當多樣化的，而這些感測器的製造商也正
朝低價位、多用途、網路及無線訊號傳輸的方向，發展智慧
型感測器(smart sensors)。
為了解決感測器傳輸界陎的問題，一些國際大廠開始建構此
標準介陎。之後已連續舉辦了多次會議，討論這共同標準建
立方陎的細節問題，隨之提出IEEE 1451感測器智慧感測器介
陎標準。有關IEEE 1451智慧型介陎標準，在第五章會有詳細
說明。
104
參考文獻
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105
