內(nèi)嵌51MCU的射頻收發(fā)芯片CC1010及其應用

    摘要：簡要介紹內(nèi)嵌8051MCU的射頻收發(fā)芯片CC1010的特性和各引腳功能；分析芯片的功能結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)嵌51MCU的性能和片內(nèi)收發(fā)器的工作原理；給出參考應用電路；說明在PCB布線時應當注意的一些問題。

    關(guān)鍵詞：CC1010 射頻收發(fā)芯片 單片機 應用

引言

CC1010是挪威Chipcon公司推出的單片、多頻段、低功耗、超高頻射頻芯片。芯片采用Chipcon公司的0.35μmCMOS技術(shù)制成，內(nèi)嵌高性能的8051微控制器、32KB的Flash程序存儲器2176字節(jié)的SRAM，能夠工作于315/433/868和915MHz四個ISM（工業(yè)、科學和醫(yī)學）頻段，可通過編程控制其工作于300～1000MHz頻率范圍之內(nèi)。芯片低電壓（2.7～3.6V）供電并且功耗非常低（接收數(shù)據(jù)時工作電流只有9mA），高靈敏度（-107dBm），最大發(fā)射頻輸出為+10dBm，通信速率為76.8kb/s，符合EN 300 220和FCCCFR47規(guī)范。CC1010適用于家庭自動化、安防系統(tǒng)、遙控開鎖、遙感勘測、遙控玩具等諸多無線應用領(lǐng)域。

1 芯片引腳

CC1010采用TQFP-64封裝，芯片尺寸為12mm×12mm。

2 芯片結(jié)構(gòu)

CC1010片內(nèi)集成了微處理器內(nèi)核、Flash程序存儲器、SRAM數(shù)據(jù)存儲器、定時器/計數(shù)器、看門狗、SPI接口、A/D轉(zhuǎn)換器、射頻收發(fā)器等功能模塊。芯片的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2．1 8051內(nèi)核

CC1010的微處理器內(nèi) 核基于標準的8位8051內(nèi)核，支持直接尋址、間接尋址和寄存器尋址等尋址方式，內(nèi)核寄存器有累加器A、堆棧指針SP、數(shù)據(jù)指針DPTR和程序狀態(tài)字PSW等。

CC1010的數(shù)據(jù)存儲器分為內(nèi)部128字節(jié)SRAM和外部1024字節(jié)SRAM兩個。這里所說的內(nèi)部和外部是相對于尋址方式而言的。實際上，這兩個寄存器都在CC1010片內(nèi)，但外部1024字節(jié)的SRAM只能通過標準8051的幾條指令進行訪問。訪問比較頻繁的數(shù)據(jù)一般都放在內(nèi)部128字節(jié)的SRAM中，如堆棧數(shù)據(jù)。內(nèi)部SRAM的高64位為特殊功能寄存器SFR，用于控制微控制器的各種特殊功能，部分特殊功能寄存器可以位尋址。

圖1

    芯片指令周期為4個時鐘周期，其在上電時必須復位。復位方式有：RESET引腳復位、上電復位、低電壓復位、看門狗復位和ADC復位。上電復位和ADC復位信號需要1024個時鐘周期，以保證內(nèi)部時鐘能夠穩(wěn)定啟動。

CC1010共有15個中斷源，包括Flash/Debug中斷、外部中斷0、外部中斷1、定時器0中斷、定時器1中斷、定時器2中斷、定時器3中斷、串口0發(fā)送中斷、串口0接收中斷、串口1發(fā)送中斷、串口1接收中斷、射頻發(fā)射頻中斷、ADC中斷、實時時鐘中斷。其中的部分斷菜用相同的中斷優(yōu)先級和中斷向量，如串口0發(fā)送中斷和串口0接中斷。CC1010的中斷控制方法和8051相似。

XOSC_Q1和XOSC_Q2為芯片時鐘信號接口引腳，可接3～24MHz的外部晶振。為了得到更好的芯片使用性能，推薦使用的晶振頻率范圍為3～4MHz、6～8MHz和9～24MHz。以下列晶振頻率便于得到標準的數(shù)據(jù)速率，如3.6864MHz、7.3728MHz、11.0592MHz、14.7456MHz、18.4320MHz和22.1184MHz。

CC1010片內(nèi)集成了32KB的Flash程序存儲器，每128個字節(jié)1頁，共256頁，可通過SPI接口進行編程/擦除或通過8051分頁進行讀寫。通過SPI接口對Flash程序存儲器編程是用SPI-Flash編程協(xié)議實現(xiàn)的。當PROG引腳為低時，SPI-Flash編程使能，SPI器件可通過SCK引腳、SI引腳和SO引腳對片內(nèi)Flash程序存儲器進行讀寫。用戶可到Chipcon網(wǎng)站下載CC1010的編程軟件。為了便于節(jié)能，CC1010還提供了幾種不同的Flash程序存儲器工作方式，并提供了相應的接口。為了支持在系統(tǒng)調(diào)試功能，CC1010擴展了一些標準8051內(nèi)核沒有的功能，如在指令集中加入了斷點調(diào)試，單步執(zhí)行指令等。

2.2 射頻收發(fā)器

CC1010的超高頻調(diào)頻收發(fā)器為低電壓供電和低功耗設計，收發(fā)器的電路如圖1所示。芯片設計時的目標收發(fā)頻率為315、433、868和915MHz，但可通過編程使其工作于300～1000MHz頻率范圍之內(nèi)。收發(fā)器的主要操作參數(shù)均可通過特殊功能寄存器（SFR）來進行。

可通過程序把CC1010配置為射頻接收方式或射頻發(fā)射方式。當把其配置為接收方式時，射頻輸入信號先通過低噪聲放大器進行放大，然后通過混頻器把輸入信號轉(zhuǎn)換為中頻信號，在送給解調(diào)器之前，中頻信號被進一步放大和濾波。在混頻后，接收信號強度指示器的信號或中頻濾波器信號通過AD2引腳輸出。解調(diào)之后，接收到的信號送給射頻寄存器（RFBUF）?？赏ㄟ^程序設置，使CC1010在接收方式下，每接收到1位或1個字節(jié)發(fā)生一次接收中斷。

當CC1010工作在發(fā)射方式下，壓控振蕩器（VCO）的輸出信號直接反饋給信號放大器（PA）。射頻輸出信號通過頻移鍵控的調(diào)制方式，以位數(shù)據(jù)流的形式送給射頻寄存器（RFBUF）。與在接收方式下的工作原理相似，在發(fā)射方式下，也可以通過程序設置，每發(fā)射1位或1個字節(jié)發(fā)生1次發(fā)射中斷。接收/發(fā)射（T/R）電路的作用是控制天線接口，用于接收或發(fā)射。

頻率合成器由晶體振蕩器（XOSC）、相位檢測器（PD）、充電泵（charge pump）、片內(nèi)環(huán)形濾波器（LPF）、壓控振蕩器（VCO）和分頻器組成。其主要作用是產(chǎn)生本振信號，并在接收方式下送給混頻器，在發(fā)射方式下送給頻率放大器。CC1010工作時，晶體振蕩器（XOSC）必須連到外部晶振，壓控振蕩器（VCO）也需要接1個外部電感。在868和915MHz收發(fā)頻率下，CC1010的外圍元器件基本相同。

通過特殊功能寄存器（SFR）可配置的與收發(fā)相關(guān)的主要參數(shù)有：接收/發(fā)射方式、射頻輸出的功率、射頻輸出頻率、頻移鍵控的頻率、關(guān)/開機工作方式、數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)格式、外部中頻輸出等。Chipcon給用戶提供Windows界面的芯片參數(shù)配置軟件SmartRF Studio。

3 應用電路

CC1010的應用參考電路如圖2所示。由圖2可見，需要的外圍元器件非常少。

C31/L32為輸入匹配電容/電感，L32同時也用于防止直流偏置信號的輸入。C41、L41和C42用于發(fā)射時的信號匹配。通過發(fā)射/接收開關(guān)電路，收發(fā)器得以通過同一個50W的天線進行接收/發(fā)射操作。壓控振蕩器完全整合在芯片內(nèi)，因此在使用時只需要1個電感L101，通過SmartRF Studio軟件，可容易地計算出各個頻率的L101的值。在某些有特殊要求的場合下，可通過外加外部電感電容濾波器或聲表濾波器來提高芯片的收發(fā)性能。為了使芯片能夠穩(wěn)定工作，在芯片電源輸入端必須加上濾波電容。濾波電容一般需要兩個：一個為高頻濾波電容，另一個為低頻濾波電容。

4 PCB布板

射頻收發(fā)產(chǎn)品的PCB布局對整個系統(tǒng)的性能影響很大。為了能使用戶得到最好的收發(fā)性能，Chipcon給用戶提供了參考PCB布局，用戶可到其網(wǎng)站下載。CC1010的PCB一般至少為4層板。Chipcon也極力推薦用戶使用4層板，這4層分別為頂層、中間地層、中間正電源層和底層。各層通過過孔連接。芯片和大部分的外圍元器件布置在頂層，少數(shù)外圍元器件布置在底層，如壓控振蕩器的電感和電源濾波電容。芯片的接地引腳應該盡量靠近與中間地層連接的過孔，所以，在PCB上空余的地方應盡量多布置一些過孔。濾波電容也應該盡量靠相應的引腳布置，這樣可以得到更好的濾波性能。外圍元器件應盡量小，盡量使用何種小的貼片器件。在PCB上，壓控振蕩器的電感應盡量靠近L1和L2引腳，并相對這兩個引腳呈對稱布置。

圖2

    CC1010可使用單鞭天線、螺旋天線或在PCB上的環(huán)形天線。單鞭天線的長度為波長的1/4，可通過式（1）計算。其中，L表示單鞭天線的長度，f為接收/發(fā)射頻率。環(huán)形天線布在PCB上，使用非常方便；但由于其福射能力較差，所以接收/發(fā)射性能也稍差些。螺旋天線是單鞭天線和環(huán)形天線的一種折衷方案，其尺寸大小和接收/發(fā)射能力介于單鞭天線和環(huán)形天線之間。

L=7125/f   (1)

5 應用程序

以下程序代碼均在Keil C51 V7.07(要打上CC1010 Development Tools補丁)編譯環(huán)境下調(diào)試通過。下面是部分代碼。

（1）收發(fā)頻段配置

#ifdefFREQ868 //868 MHz頻段

RF_RXTXPAIR_SETTINGS code RF_SETTINGS={//配置字

0x4B,0x2F,0x15,//曼徹斯特編碼，波特率為2.4kbps

0x75,0xA0,0x00,//Freq A,868.277200MHz，發(fā)送

0x58,0x32,0x8D,//Freq B,868.277200MHz，接收

0x01,0xAB, //64kHz分離頻率

0x40, //PLL_RX

0x30, //CURRENT_RX

0xF3, //CURRENT_TX

0x32, //FREND

0xFF, //PA_POW,功率放大器的電源

0x00, //MATCH，頻率匹配

0x00, //PRESCALER

};

#endif

#ifdefFREQ915 //915MHz頻段

………… //與868MHz頻段相似

#endif

#ifdefFREQ433 //433MHz頻段

………… //與868MHz頻段相似

#endif

(2)接收配置函數(shù)

void RFSetupReceive(void){

INT_GLOBAL_ENABLE(INT_OFF); //關(guān)全局中斷

INT_SETFLAG(INUM_RF,INT_CLR); //設置RF中斷

INT_PRIORITY(INUM_RF,INT_HIGH); //RF中斷優(yōu)先級

INT_ENABLE(INUM_RF,INT_ON); //使能RF中斷

RF_SET_BYTEMODE(); //使能字節(jié)方式的RF中斷

RF_SET_PREAMBLE_COUNT(16); //設置字頭配置

RF_SET_SYNC_BYTE(RF_SUITABLE_SYNC_BYTE);

MODEM1=(MODEM1&0x03)|0x24; //確保avg濾波器空閑

PDET &=～0x80; //重置字頭檢測

PDET|=0x80； //重置字頭檢測

RF_START_RX(); //開始發(fā)送

INT_GLOBAL_ENABLE(INT_ON); //開全局中斷

}

（3）發(fā)送配置函數(shù)

void RFSetupTransmit(void){

………… //接收頻率配置，代碼與6.1相似

RF_RXTXPAIR_CALDATA xdata RF_CALDATA; //校準數(shù)據(jù)

WDT_ENABLE(FALSE); //禁能看門狗定時器

MEM_NO_WAIT_STATES(); //設置適當?shù)陌l(fā)送速度

FLASH_SET_POWER_MODE(FLASH_STANDBY_BETWEEN_READS);

HalRFCalib(&RF_SETTINGS,&RF_CALDATA)；//校準配置是否正確

HalRFSetRxTxOff(RF_TX,&RF_SETTINGS,&RF_CALDATA); //準備發(fā)送

RF_START_TX(); //開始發(fā)送

}

（4）其它代碼

限于篇幅，只列出CC1010設計當中的部分代碼。其它代碼還有開始發(fā)送函數(shù)RF_START_TX()、開始接收函數(shù)RF_START_RX()等。

結(jié)語

在目前國內(nèi)外出現(xiàn)的射頻芯片當中，嵌入MCU內(nèi)核的芯片為作不多。在這些嵌入式芯片當中，CC1010是性能比較出眾的一個。其低電壓供電和低功耗的特性適合于多種嵌入式系統(tǒng)應用，另一個比較優(yōu)秀的特點是能夠工作在300～1000MHz的寬頻率范圍。在某些需要大容量程序存儲和數(shù)據(jù)存儲器的地方，CC1010的優(yōu)點就更加明顯了，其片內(nèi)的32KB的Flash存儲器和2176字節(jié)的SRAM，足夠用于大部分的射頻收發(fā)應用系統(tǒng)中?？上攵?，CC1010將會得到越來越廣泛的應用。