专利名称：一种微功率无线通信系统及设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及通信技术领域，尤其涉及一种微功率无线通信设备。
背景技术：
微功率(短距离)无线通信技术在上世纪末开始出现，经过十几年的发展，已经广泛应用于工业控制、家庭智能、无线遥控、安防报警、环境监测、智能抄表、有毒有害气体监测、物流、RFID等领域。近年来，国内国际上又将物联网作为金融危机后，未来经济发展新的增长点。而短距离无线通信技术，将在物联网(尤其是传感网)应用中得到更大的发展。物联网概念几乎是伴随着低碳经济同时到来的。作为物联网的主要通信方式之一的短距离无线数字通信技术，必然要顺应低碳、低能耗的发展潮流，向低功耗、微功耗方向发展。另外，随着移动通信设备应用越来越广，电池供电的产品也越来越多，对功耗的要求更加苛刻。那么，如何降低无线通信设备的总体功耗？显然，只降低发射机的发射功率，或者只降低接收机的电流消耗是不现实的。这种方法的效果不但不明显，而且会带来通信质量下降的恶劣后果。只有采用空闲时通信设备休眠的方式，才能大大地降低通信设备的平均功耗，达到降耗的目的。同时，用电池供电的设备，可以数倍甚至数千倍地延长电池的使用
寿命ο对于由两个以上无线收发设备组成的任何结构、任何协议的半双工无线通信系统或网络，其中的某一个设备真正工作于发射或接收的时间是很少的。当通信设备不工作于发射，也不工作于接收时，使其进入休眠状态，则可大大降低平均功耗。因为休眠状态的电流消耗，只有微安级，甚至几个微安。而无线通信设备发射时的电流是数十毫安以上，接收电流也在十几到数十毫安之间。因此，引入休眠机制的通信系统，休眠时间越长，则平均能耗越低。当某个或某组无线通信设备处于休眠状态时，其不接收也不发射，处于非工作状态，但是，当其它通信设备需要和其进行通信时，通信是不会成功的。这样，就需要一套流程或方法，使处于休眠状态的无线通信设备，在其它设备需要和它进行通信时，能感知并完成通信，即将处于休眠状态的无线通信设备唤醒，当前，将无线通信设备从休眠状态下唤醒的方法有多种，其中一种是定时唤醒通信法，该方法是将参与通信的所有无线通信设备，按照一定的定时周期，或每次通信时约定下次通信的定时时间，定时时间到，则参与通信的多个设备同时从休眠状态进入工作状态，完成通信后再进入休眠的方法。定时唤醒通信法的工作时序如图1所示。实现该方法有2个前提，一是系统初始建立时，需要首先完成系统内所以设备的初始时钟同步问题；二是由于存在积累误差，无线通信设备必须定期消除积累误差。然而实现这两个前提，现有技术一般只能采用复杂的通信协议和流程来实现，会占用大量的通信时间和通信资源用于非业务通信上。图1中T可以是常数，也可以是变量。当T是变量时，每次通信，所有参与通信的设备，必须约定下次通信的时间间隔T。t是工作时间，在这个工作时间内的某一时刻，当且仅当只能有一个设备处于发射状态，其它设备处于接收状态。很显然，T/t的比值越大，平均功耗就越小。定时唤醒通信法的缺点有1)参与通信的所有无线通信设备，必须在时间上同步，则对时钟的要求较高，成本则增加；2)采用通信流程和协议的方法完成初始同步需要较长的时间和复杂的流程，并占用大量的通信时间和资源，消耗电流也比较大；3)不同无线通信设备的本地时钟，由于存在误差，会产生漂移，需要一套建立在通信协议和流程之上的校准机制进行校准，仍然占用通信时间和通信资源，电流消耗也比较大；4)休眠时间越长，时钟漂移越大，一旦漂移过大或其它原因导致设备脱离同步，重新同步需要花费很大的代价，因为而脱离同步的设备，就脱离了系统。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述通过通信协议和流程来校准参与通信的微功率无线通信设备的本地时钟而导致功耗大的缺陷，提供一种微功率无线通信设备，不但能校准本地时钟，而且功耗小。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是构造一种微功率无线通信设备，包括电波钟天线；连接于电波钟天线，用于通过电波钟天线接收电波钟信号的电波钟接收芯片；连接于电波钟接收芯片，用于根据所接收的电波钟信号校准晶体振荡源所产生的本地时钟的MCU ；连接于MCU，用于根据校准后的本地时钟进行无线信号收发的射频电路。在本实用新型所述的微功率无线通信设备中，所述MCU包括用于控制电波钟接收芯片工作和休眠的工作控制单元；连接于工作控制单元，用于在电波钟接收芯片的工作周期内，根据所接收的电波钟的起始标志脉冲校准本地时钟的起始时刻以消除本地时钟初始误差的初始误差消除单元；计数器；连接于工作控制单元和计数器，用于在电波钟接收芯片的工作周期内，控制计数器清零，并以电波钟的第一个秒脉冲的起始沿为基准开始计数，到第N个秒脉冲的起始沿停止计数，得到计数器的计数值，其中，N为大于1的整数，将所述计数值除以N得到每秒的平均值，根据所述每秒的平均值计算出晶体振荡源相对于电波钟的误差，并通过所计算出的误差补偿本地时钟积累误差的积累误差补偿单元。在本实用新型所述的微功率无线通信设备中，所述MCU和所述射频电路集成在 SOC芯片上。本实用新型还构造一种微功率无线通信系统，包括至少两个微功率无线通信设备，每个微功率无线通信设备均包括[0026]电波钟天线；连接于电波钟天线，用于通过电波钟天线接收电波钟信号的电波钟接收芯片；连接于电波钟接收芯片，用于根据所接收的电波钟信号校准晶体振荡源所产生的本地时钟的MCU ；连接于MCU，用于根据校准后的本地时钟进行无线信号收发的射频电路。在本实用新型所述的微功率无线通信系统中，所述MCU包括用于控制电波钟接收芯片工作和休眠的工作控制单元；连接于工作控制单元，用于在电波钟接收芯片的工作周期内，根据所接收的电波钟的起始标志脉冲校准本地时钟的起始时刻以消除本地时钟初始误差的初始误差消除单元；计数器；连接于工作控制单元和计数器，用于在电波钟接收芯片的工作周期内，控制计数器清零，并以电波钟的第一个秒脉冲的起始沿为基准开始计数，到第N个秒脉冲的起始沿停止计数，得到计数器的计数值，其中，N为大于1的整数，将所述计数值除以N得到每秒的平均值，根据所述每秒的平均值计算出晶体振荡源相对于电波钟的误差，并通过所计算出的误差补偿本地时钟积累误差的积累误差补偿单元。在本实用新型所述的微功率无线通信系统中，所述MCU和所述射频电路集成在 SOC芯片上。实施本实用新型的技术方案，电波钟接收芯片可通过电波钟天线接收电波钟信号，然后，MCU根据所接收的电波钟信号校准本地时钟，这样就充分利用了公共资源，不需要复杂的通信协议和通信开销，该微功率无线通信设备可得到精准的本地时钟。在多个微功率无线通信设备进行定时通信时，由于所有参与通信的微功率无线通信设备都可根据电波钟信号校准本地时钟，也就将所有微功率无线通信设备的本地时钟同步在一个准确的公共实时时钟之上，为实现低功耗无线通信提供低成本和有效手段。
下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中图1是定时唤醒法的工作时序图；图2是本实用新型微功率无线通信设备实施例一的逻辑图；图3是本实用新型微功率无线通信设备中MCU实施例一的逻辑图；图4是本实用新型微功率无线通信设备实施例二的逻辑图。
具体实施方式
首先说明的是，中国国家授时中心低频时码授时台于2002年4月1日正式发播电波钟信号，该电波钟信号覆盖全国，利用该电波钟信号，可以校准通信系统内的所有参与通信的无线通信设备的本地时钟(或调整降低到系统允许的误差范围以内)，使各个无线通信设备在时间上同步，以达到定时唤醒的目的，且降低了功耗。如图2所示，在本实用新型微功率无线通信设备实施例一的逻辑图中，该微功率无线通信设备包括依次相连的电波钟天线11、电波钟接收芯片12、MCU 13和射频电路14。应当理解，MCU 13本身有一个本地晶体振荡源，考虑通信定时误差和成本的需要，该晶体振荡源的误差可以设计在50ppm以内，MCU 13以本地晶体振荡源为本地时钟，可产生一个包括年、月、日、分、秒的本地日历。在该无线通信设备中，电波钟接收芯片12通过电波钟天线 11接收电波钟信号；MCU 13根据所接收的电波钟信号校准晶体振荡源所产生的本地时钟； 射频电路14根据校准后的本地时钟进行无线信号收发或休眠。图3是本实用新型微功率无线通信设备中MCU实施例一的逻辑图，该MCU 13包括工作控制单元131、初始误差消除单元132、计数器133和积累误差补偿单元134，其中， 初始误差消除单元132和积累误差补偿单元134分别连接工作控制单元131，且积累误差补偿单元134还连接计数器133。在该MCU 13中，工作控制单元131用于控制电波钟接收芯片的工作和休眠，如，每隔45分钟、1小时、1天开启一次电波钟接收芯片。下面说明该MCU 13是如何根据所接收的电波钟信号来校准本地时钟的，具体为如何将本地时钟的初始误差和积累误差调整到系统允许的范围以内。1.初始误差的消除初始误差消除单元132用于在电波钟接收芯片的工作周期内，根据所接收的电波钟的起始标志脉冲校准本地时钟的起始时刻以消除本地时钟初始误差，这样，该无线通信设备就可将其本地时钟与无线电波钟校准到同一起始时刻，误差可达士5ms以内。2.积累误差的补偿首先说明的是，由于国家授时中心并不是每天M小时连续发送电波钟信号的，我国的授时中心发射时间为8 00-12 30和22 15-0 15。中间最长停止9小时45分钟。在电波钟信号停播期间，只能由晶体振荡源驱动本地时钟。由于晶体振荡源存在误差，那么在电波钟停播的约10个小时内，会产生一定的积累误差。例如，晶体振荡源的误差为士30ppm， 则10小时的积累误差为(30 χ 3600 χ 10)/1000000 =1. 08 秒=1080 毫秒这个积累误差，在很多无线通信系统中，是不能容忍的，那么可以利用电波钟输出的秒脉冲信号，校正晶体振荡源的误差，将其误差从士 30ppm值降低到3ppm以内，则10小时的积累误差，可以降低到士 108毫秒以内。具体做法如下积累误差补偿单元134用于在电波钟接收芯片的工作周期内，控制计数器133清零，并以电波钟的第一个秒脉冲的起始沿为基准开始计数，到第N个秒脉冲的起始沿停止计数，得到计数器133的计数值，其中，N为大于1的整数，将所述计数值除以N得到每秒的平均值，根据所述每秒的平均值计算出晶体振荡源相对于电波钟的误差，并通过所计算出的误差补偿本地时钟积累误差。通过以上的方法，利用电波钟消除或降低了本地时钟的起始误差和积累误差，然后可以使系统中的所有无线通信设备同步在一个相对更准确的时间之内，从而完成定时通信，不通信时，设备进入休眠状态，只用极小的能量维持本地时钟振荡即可，大大降低了功
^^ ο图4是本实用新型微功率无线通信设备实施例二的逻辑图，该微功率无线通信设备包括依次相连的电波钟天线11、电波钟接收芯片12和集成有MCU和射频电路的SOC (System On a Chip，片上系统)芯片15。该实施例相比图2所示的实施例一，每个模块的逻辑结构是相同的，在此不做赘述，所不同的仅是，MCU和射频电路集成在SOC芯片上。[0054]另外，本实用新型还构造了一种微功率无线通信系统，该微功率无线通信系统包括至少两个微功率无线通信设备，且每个微功率无线通信设备可为上述任一实施例中所描述的逻辑结构。这样，当该微功率无线通信系统中的无线通信设备进行定时通信时，由于每个无线通信设备都在时钟上保持同步，则所有无线通信设备可以做到几乎同时休眠或同时工作，这样就可大大降低功耗。以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。
权利要求1.一种微功率无线通信设备，其特征在于，包括电波钟天线(11);连接于电波钟天线(11)，用于通过电波钟天线(11)接收电波钟信号的电波钟接收芯片(12);连接于电波钟接收芯片(12)，用于根据所接收的电波钟信号校准晶体振荡源所产生的本地时钟的MCU (13)；连接于MCU (13)，用于根据校准后的本地时钟进行无线信号收发的射频电路(14)。
2.根据权利要求1所述的微功率无线通信设备，其特征在于，所述MCU(13)包括用于控制电波钟接收芯片(12)工作和休眠的工作控制单元(131);连接于工作控制单元(131)，用于在电波钟接收芯片(12)的工作周期内，根据所接收的电波钟的起始标志脉冲校准本地时钟的起始时刻以消除本地时钟初始误差的初始误差消除单元(132);计数器(133)；连接于工作控制单元(131)和计数器(133)，用于在电波钟接收芯片(12)的工作周期内，控制计数器清零，并以电波钟的第一个秒脉冲的起始沿为基准开始计数，到第N个秒脉冲的起始沿停止计数，得到计数器的计数值，其中，N为大于1的整数，将所述计数值除以N 得到每秒的平均值，根据所述每秒的平均值计算出晶体振荡源相对于电波钟的误差，并通过所计算出的误差补偿本地时钟积累误差的积累误差补偿单元(Π4)。
3.根据权利要求1或2所述的微功率无线通信设备，其特征在于，所述MCU和所述射频电路集成在SOC芯片(15)上。
4.一种微功率无线通信系统，其特征在于，包括至少两个微功率无线通信设备，每个微功率无线通信设备均包括电波钟天线(11);连接于电波钟天线(11)，用于通过电波钟天线(11)接收电波钟信号的电波钟接收芯片(12);连接于电波钟接收芯片(12)，用于根据所接收的电波钟信号校准晶体振荡源所产生的本地时钟的MCU (13)；连接于MCU (13)，用于根据校准后的本地时钟进行无线信号收发的射频电路(14)。
5.根据权利要求4所述的微功率无线通信系统，其特征在于，所述MCU(13)包括用于控制电波钟接收芯片(12)工作和休眠的工作控制单元(131);连接于工作控制单元(131)，用于在电波钟接收芯片(12)的工作周期内，根据所接收的电波钟的起始标志脉冲校准本地时钟的起始时刻以消除本地时钟初始误差的初始误差消除单元(132);计数器(133)；连接于工作控制单元(131)和计数器(133)，用于在电波钟接收芯片(12)的工作周期内，控制计数器清零，并以电波钟的第一个秒脉冲的起始沿为基准开始计数，到第N个秒脉冲的起始沿停止计数，得到计数器的计数值，其中，N为大于1的整数，将所述计数值除以N 得到每秒的平均值，根据所述每秒的平均值计算出晶体振荡源相对于电波钟的误差，并通过所计算出的误差补偿本地时钟积累误差的积累误差补偿单元(Π4)。
6.根据权利要求4或5所述的微功率无线通信系统，其特征在于，所述MCU和所述射频电路集成在SOC芯片(15)上。
专利摘要本实用新型公开了一种微功率无线通信系统及设备，该微功率无线通信设备包括电波钟天线；用于通过电波钟天线接收电波钟信号的电波钟接收芯片；用于根据所接收的电波钟信号校准晶体振荡源所产生的本地时钟的MCU；用于根据校准后的本地时钟进行无线信号收发的射频电路。实施本实用新型的技术方案，不需要复杂的通信协议和通信开销，微功率无线通信设备就可得到精准的本地时钟。在多个微功率无线通信设备进行定时通信时，由于所有参与通信的微功率无线通信设备都可根据电波钟信号校准本地时钟，也就将所有微功率无线通信设备的本地时钟同步在一个准确的公共实时时钟之上，为实现低功耗无线通信提供低成本和有效手段。
文档编号H04W88/02GK202043293SQ20112014620
公开日2011年11月16日 申请日期2011年5月10日 优先权日2011年5月10日
发明者曹辉, 雷兆军 申请人:深圳市华奥通通信技术有限公司