SPIRIT1QTR

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 • Address check QFN20 • Automatic CRC handling • FEC with interleaving Features • Digital RSSI output • 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 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) • 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 105 °C • Programmable output power up to +16 dBm • Fast startup and frequency synthesizer settling time (6 µs) • Frequency offset compensation Applications • AMR (automatic meter reading) • Home and building automation • 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 • WSN (wireless sensors network) • Industrial monitoring and control • Wireless fire and security alarm systems • Point-to-point wireless link Table 1. Device summary • Antenna diversity algorithm Order code Package Packing • Fully integrated ultra low power RC oscillator SPIRIT1QTR QFN20 Tape and reel August 2021 This is information on a product in full production. DocID022758 Rev 11 1/104 www.st.com Contents SPIRIT1 Contents 1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3 Typical application diagram and pin description . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.1 Typical application diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 4 Pinout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 5 Absolute maximum ratings and thermal data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 6 Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 7 6.1 General characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 6.2 Electrical specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 6.2.1 Electrical characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 6.2.2 Digital SPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 6.2.3 RF receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 6.2.4 RF transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 6.2.5 Crystal oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 6.2.6 Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Operating modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 7.1 Reset sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 7.2 Timer usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 7.3 Low duty cycle reload mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 7.3.1 7.4 8 CSMA/CA engine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Block description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 8.1 Power management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 8.1.1 2/104 LDC mode with automatically acknowledgement. . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Switching frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 8.2 Power-on-reset (POR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 8.3 Low battery indicator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 8.4 Voltage reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 DocID022758 Rev 11 SPIRIT1 Contents 8.5 Oscillator and RF synthesizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 8.6 RCO: features and calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 8.6.1 9 RC oscillator calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 8.7 AGC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 8.8 AFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 8.9 Symbol timing recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 8.9.1 DLL mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 8.9.2 PLL mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 8.10 Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 8.11 Transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 8.12 Temperature sensors (TS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 8.13 AES encryption co-processor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Transmission and reception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 9.1 PA configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 9.2 RF channel frequency settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 9.3 RX timeout management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 9.4 Intermediate frequency setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 9.5 Modulation scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 9.6 9.7 9.5.1 Data rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 9.5.2 RX channel bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Data coding and integrity check process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 9.6.1 FEC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 9.6.2 CRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 9.6.3 Data whitening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 9.6.4 Data padding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Packet handler engine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 9.7.1 STack packet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 9.7.2 Wireless M-Bus packet (W M-BUS, EN13757-4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 9.7.3 Basic packet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 9.7.4 Automatic packet filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 9.7.5 Link layer protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 9.8 Data modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 9.9 Data FIFO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 9.10 Receiver quality indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 DocID022758 Rev 11 3/104 104 Contents 10 SPIRIT1 9.10.1 RSSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 9.10.2 Carrier sense . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 9.10.3 PQI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 9.10.4 SQI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 9.11 Antenna diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 9.12 Frequency hopping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 MCU interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 10.1 Serial peripheral interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 10.2 Interrupts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 10.3 GPIOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 10.4 MCU clock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 11 Register table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 12 Package mechanical data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 13 Revision history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4/104 DocID022758 Rev 11 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. Device summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Description of the external components of the typical application diagram . . . . . . . . . . . . 13 BOM for different bands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Pinout description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Absolute maximum ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Thermal data. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Recommended operating conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 General characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Power consumption static modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Power consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Digital SPI input and output (SDO, SDI, SCLK, CSn, and SDN) and GPIO specification (GPIO_1-4)18 RF receiver characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 RF receiver characteristics - sensitivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 RF transmitter characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Crystal oscillator characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Ultra low power RC oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 N-Fractional ΣΔ frequency synthesizer characteristics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Analog temperature sensor characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Battery indicator and low battery detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Commands list . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 POR parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 SPIRIT1 timers description and duration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 SMPS configuration settings. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Programmability of trans-conductance at startup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 CP word look-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 RC calibrated speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 PA_level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Frequency threshold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 RX timeout stop condition configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 IF_OFFSET settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 CHFLT_M and CHFLT_E value for channel filter bandwidth (in kHz, for fclk = 24 MHz) . . 60 CHFLT_M and CHFLT_E value for channel filter bandwidth (in kHz, for fclk = 26 MHz) . . 60 Packet configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 SPI interface timing requirements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Interrupts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Digital outputs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Digital inputs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 MCU_CK_CONF configuration register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 MCU clock vs. state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 General configuration registers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Radio configuration registers (analog blocks). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Radio configuration registers (digital blocks) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Packet/protocol configuration registers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Frequently used registers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 General information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 QFN20 (4 x 4 mm.) mechanical data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 DocID022758 Rev 11 5/104 104 List of tables Table 48. 6/104 SPIRIT1 Document revision history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 DocID022758 Rev 11 SPIRIT1 List of figures List of figures Figure 1. Figure 2. Figure 3. Figure 4. Figure 5. Figure 6. Figure 7. Figure 8. Figure 9. Figure 10. Figure 11. Figure 12. Figure 13. Figure 14. Figure 15. Figure 16. Figure 17. SPIRIT1 block diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Suggested application diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Application diagram for Tx boost mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Application diagram for SMPS OFF mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Diagram and transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Power-on reset timing and limits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 LDCR for Tx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 LDCR for Rx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 CSMA flowchart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Shaping of ASK signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Output power ramping configuration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 LFSR block diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Threshold of the linear FIFO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 SPI “write” operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 SPI “read” operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 SPI “command” operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 QFN20 (4 x 4 mm.) drawing dimension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 DocID022758 Rev 11 7/104 104 Description 1 SPIRIT1 Description The SPIRIT1 is a very low-power RF transceiver, intended for RF wireless applications in the sub-1 GHz band. It is designed to operate both in the license-free ISM and SRD frequency bands at 169, 315, 433, 868, and 915 MHz, but can also be programmed to operate at other additional frequencies in the 300-348 MHz, 387-470 MHz, and 779-956 MHz bands. The air data rate is programmable from 1 to 500 kbps, and the SPIRIT1 can be used in systems with channel spacing of 12.5/25 kHz, complying with the EN 300 220 standard. It uses a very small number of discrete external components and integrates a configurable baseband modem, which supports data management, modulation, and demodulation. The data management handles the data in the proprietary fully programmable packet format also allows the M-Bus standard compliance format (all performance classes). However, the SPIRIT1 can perform cyclic redundancy checks on the data as well as FEC encoding/decoding on the packets. The SPIRIT1 provides an optional automatic acknowledgement, retransmission, and timeout protocol engine in order to reduce overall system costs by handling all the high-speed link layer operations. Moreover, the SPIRIT1 supports an embedded CSMA/CA engine. An AES 128-bit encryption co-processor is available for secure data transfer. The SPIRIT1 fully supports antenna diversity with an integrated antenna switching control algorithm. The SPIRIT1 supports different modulation schemes: 2-FSK, GFSK, OOK, ASK, and MSK. Transmitted/received data bytes are buffered in two different three-level FIFOs (TX FIFO and RX FIFO), accessible via the SPI interface for host processing. 8/104 DocID022758 Rev 11 SPIRIT1 Introduction A simplified block diagram of the SPIRIT1 is shown in Figure 1. Figure 1. SPIRIT1 block diagram $'& 7; 3$ 02'8/$725 '6  )5(4 6