SPIRIT1
Low data rate, low power sub-1GHZ transceiver
Datasheet
-
production data
•
Wake-up on internal timer and wake-up on
external event
•
Flexible packet length with dynamic payload
length
•
Sync word detection
QFN20
•
Address check
•
Automatic CRC handling
•
FEC with interleaving
•
Digital RSSI output
•
Programmable carrier sense (CS) indicator
•
Automatic clear channel assessment (CCA)
before transmitting (for listen-before-talk
systems). Embedded CSMA/CA protocol
•
Programmable preamble quality indicator
(PQI)
•
Link quality indication (LQI)
•
Whitening and de-whitening of data
•
Wireless M-BUS, EN 300 220, FCC CFR47 15
(15.205, 15.209, 15.231, 15.247, 15.249), and
ARIB STD T-67, T93, T-108 compliant
•
QFN20 4x4 mm RoHS package
•
Operating temperature range from -40 °C to 85
°C
Features
•
Frequency bands: 150-174 MHz, 300-348
MHz, 387-470 MHz, 779-956 MHz
•
Modulation schemes: 2-FSK, GFSK, MSK,
GMSK, OOK, and ASK
•
Air data rate from 1 to 500 kbps
•
Very low power consumption (9 mA RX and 21
mA TX at +11 dBm)
•
Programmable RX digital filter from 1 kHz to
800 kHz
•
Programmable channel spacing (12.5 kHz
min.)
•
Excellent performance of receiver sensitivity (-
118 dBm), selectivity, and blocking
•
Programmable output power up to +16 dBm
•
Fast startup and frequency synthesizer settling
time (6
μs)
•
Frequency offset compensation
•
Integrated temperature sensor
•
Battery indicator and low battery detector
•
RX and TX FIFO buffer (96 bytes each)
•
Configurability via SPI interface
•
Automatic acknowledgment, retransmission,
and timeout protocol engine
•
AES 128-bit encryption co-processor
•
Antenna diversity algorithm
•
Fully integrated ultra low power RC oscillator
Applications
•
AMR (automatic meter reading)
•
Home and building automation
•
WSN (wireless sensors network)
•
Industrial monitoring and control
•
Wireless fire and security alarm systems
•
Point-to-point wireless link
Table 1. Device summary
Order code
SPIRIT1QTR
Package
QFN20
Packing
Tape and reel
May 2013
This is information on a product in full production.
DocID022758 Rev 5
1/101
www.st.com
101
Contents
SPIRIT1
Contents
1
2
3
Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Typical application diagram and pin description . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1
Typical application diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4
5
6
Pinout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Absolute maximum ratings and thermal data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
6.1
6.2
General characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Electrical specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
6.2.1
6.2.2
6.2.3
6.2.4
6.2.5
6.2.6
Electrical characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Digital SPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
RF receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
RF transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Crystal oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
7
Operating modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
7.1
7.2
7.3
Reset sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Timer usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Low duty cycle reception mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
7.3.1
LDC mode with automatically acknowledgement. . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
7.4
CSMA/CA engine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
8
Block description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
8.1
Power management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
8.1.1
Switching frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
8.2
8.3
8.4
Power-on-reset (POR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Low battery indicator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Voltage reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2/101
DocID022758 Rev 5
SPIRIT1
Contents
8.5
8.6
Oscillator and RF synthesizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
RCO: features and calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
8.6.1
RC oscillator calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
8.7
8.8
8.9
AGC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
AFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Symbol timing recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
8.9.1
8.9.2
DLL mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
PLL mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
8.10
8.11
8.12
8.13
Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Temperature sensors (TS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
AES encryption co-processor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
9
Transmission and reception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
9.1
9.2
9.3
9.4
9.5
PA configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
RF channel frequency settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
RX timeout management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Intermediate frequency setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Modulation scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
9.5.1
9.5.2
Data rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
RX channel bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
9.6
Data coding and integrity check process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
9.6.1
9.6.2
9.6.3
9.6.4
FEC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
CRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Data whitening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Data padding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
9.7
Packet handler engine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
9.7.1
9.7.2
9.7.3
9.7.4
9.7.5
STack packet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Wireless M-Bus packet (W M-BUS, EN13757-4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Basic packet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Automatic packet filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Link layer protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
9.8
9.9
9.10
Data modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Data FIFO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Receiver quality indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
9.10.1
RSSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
DocID022758 Rev 5
3/101
Contents
SPIRIT1
9.10.2
9.10.3
9.10.4
9.10.5
Carrier sense . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
LQI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
PQI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
SQI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
9.11
9.12
Antenna diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Frequency hopping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
10
MCU interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
10.1
10.2
10.3
10.4
Serial peripheral interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Interrupts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
GPIOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
MCU clock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
11
12
13
Register table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Package mechanical data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Revision history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4/101
DocID022758 Rev 5
SPIRIT1
List of tables
List of tables
Table 1.
Table 2.
Table 3.
Table 4.
Table 5.
Table 6.
Table 7.
Table 8.
Table 9.
Table 10.
Table 11.
Table 12.
Table 13.
Table 14.
Table 15.
Table 16.
Table 17.
Table 18.
Table 19.
Table 20.
Table 21.
Table 22.
Table 23.
Table 24.
Table 25.
Table 26.
Table 27.
Table 28.
Table 29.
Table 30.
Table 31.
Table 32.
Table 33.
Table 34.
Table 35.
Table 36.
Table 37.
Table 38.
Table 39.
Table 40.
Table 41.
Table 42.
Table 43.
Table 44.
Table 45.
Table 46.
Table 47.
Table 48.
Device summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Description of the external components of the typical application diagram . . . . . . . . . . . . 12
BOM for different bands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Pinout description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Absolute maximum ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Thermal data. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Recommended operating conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
General characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Power consumption static modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Power consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Digital SPI input and output (SDO, SDI, SCLK, CSn, and SDN) and GPIO specification (GPI-
O_1-4). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
RF receiver characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
RF receiver characteristics - sensitivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
RF transmitter characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Crystal oscillator characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Ultra low power RC oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
N-Fractional
Σ∆
frequency synthesizer characteristics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Analog temperature sensor characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Battery indicator and low battery detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Commands list . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
POR parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
SPIRIT1 timers description and duration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
SMPS configuration settings. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Programmability of trans-conductance at startup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
CP word look-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
RC calibrated speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
PA_level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Frequency threshold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
RX timeout stop condition configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
IF_OFFSET settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
CHFLT_M and CHFLT_E value for channel filter bandwidth (in kHz, for fclk = 24 MHz) . . 57
CHFLT_M and CHFLT_E value for channel filter bandwidth (in kHz, for fclk = 26 MHz) . . 57
Packet configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
SPI interface timing requirements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Interrupts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Digital outputs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Digital inputs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
MCU_CK_CONF configuration register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
MCU clock vs. state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
General configuration registers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Radio configuration registers (analog blocks). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Radio configuration registers (digital blocks) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Packet/protocol configuration registers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Frequently used registers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
General information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
QFN20 (4 x 4 mm.) mechanical data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
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