基于C8051F340和Si4432的無線收發(fā)模塊設(shè)計

為了節(jié)省成本和降低用戶對無線通信使用的難度。設(shè)計基于C8051F340和Si4432的一款無線收發(fā)模塊。通過大量的干擾實驗，證實模塊在一些比較惡劣的環(huán)境下也能穩(wěn)定工作。此模塊具有較小的PCB尺寸，通過串口透明傳輸，方便嵌入到用戶的產(chǎn)品中，縮短了用戶開發(fā)無線產(chǎn)品的周期。
目前市場上各類無線產(chǎn)品種類及應(yīng)用越來越廣泛，如何讓廣大學(xué)生、電子研發(fā)人員及一些小公司能快速在自己的產(chǎn)品中使用無線技術(shù)、降低無線技術(shù)的門檻，是本設(shè)計的初衷。對一些沒有接觸無線技術(shù)的人，從學(xué)到最后的設(shè)計應(yīng)用需要比較長的時間。本文設(shè)計了一種基于無線收發(fā)芯片Si4432和單片機C8051F340的無線射頻收發(fā)系統(tǒng)。基于串口透明傳輸，用戶只需要了解一些串口指令即可方便實現(xiàn)無線收發(fā)。多種標(biāo)準(zhǔn)接口方便用戶把模塊嵌入到自己的產(chǎn)品中去。模塊經(jīng)過大量的試驗、改進，能實現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的穩(wěn)定傳輸。

1 系統(tǒng)總體方案
無線射頻收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由單片機C8051F340控制Si4432實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。

發(fā)送模塊中的C8051F340將數(shù)據(jù)傳送給Si4432進行編碼處理，并以特定的格式經(jīng)天線發(fā)送給接收模塊。接收模塊對接收到的射頻信號放大、解調(diào)之后，再將數(shù)據(jù)送給主控制器C8051F340進行相應(yīng)的處理，如送液晶顯示等。為測試方便，系統(tǒng)提供了按鍵和液晶(OCM12864-9)等人機交互接口(模塊本身不帶顯示部分，開發(fā)板留有12864接口)，還留有RS 232，TTL，RS 485等接口?？梢詫崿F(xiàn)模塊之間各種標(biāo)準(zhǔn)通信及與PC機通信。

2 硬件設(shè)計

Si4432芯片是SILICon Labs公司推出的一款高集成度、低功耗、多頻段的EZ Radio PRO系列無線收發(fā)芯片。Si4432在使用時所需的外部元件很少，1個30 MHz的晶振、幾個電容和電感就可組成一個高可靠性的收發(fā)系統(tǒng)，設(shè)計簡單且成本低。Si4432的接收靈敏度達(dá)到-117 dB，可提供極佳的鏈路質(zhì)量，在擴大傳輸范圍的同時將功耗降至最低；最小濾波帶寬達(dá)8 kHz，具有極佳的頻道選擇性；在240～960 MHz頻段內(nèi)，不加功率放大器時的最大輸出功率就可達(dá)20 dBm，設(shè)計良好時收發(fā)距離最遠(yuǎn)可達(dá)2 km。C8051F340也是Silicon Labs公司推出的單片機。具有4 KB的RAM和64 KB的FLASH，片上集成了豐富的外圍模塊(包括串口，SPI，10位A／D轉(zhuǎn)換器等)，很好地滿足了本系統(tǒng)對微控制器的要求；支持快速喚醒和最低0．9 V的供電；有多種電源管理模式(如正常模式、空閑模式、休眠模式等)，內(nèi)部集成的2個內(nèi)建欠壓檢測器分別適用于休眠模式和正常模式，典型休眠模式下電流僅為50 nA。C8051F340包含1個高效率直流升壓轉(zhuǎn)換器，最多提供65 mW給內(nèi)部微控制器和其他元器件，為了減少正常模式下的電池耗電，C8051F340的省電架構(gòu)能將操作模式下的電流減小到170μA／MHz。無線收發(fā)硬件設(shè)計原理圖如圖2所示。

C8051F340可以通過內(nèi)置增強型SPI對Si4432的內(nèi)部寄存器進行讀寫操作，靈活配置各項參數(shù)。通過SPI接口完成對Si4432的初始化配置、讀寫數(shù)據(jù)、訪問FIFO等操作。使用4線SPI，即MOSI、MISO、SCK和SEL。MOSI用于從C8051F340到Si4432的串行數(shù)據(jù)傳輸；MISO用于從Si4432到C8051F340的串行數(shù)據(jù)傳輸；SCK用于同步C8051F340和Si4432之間在MOSI和MISO線上的串行數(shù)據(jù)傳輸；SEL作為片選信號，只有片選信號為低電平時，對Si4432的操作才有效。Si4432的13～16腳是標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，17腳(IRQ)是中斷狀態(tài)輸出引腳。

為了達(dá)到較好的通信效果，Si4432的接收低噪聲放大器匹配電路和發(fā)射功率放大器匹配電路的阻容參數(shù)，應(yīng)嚴(yán)格按照數(shù)據(jù)手冊提供的參數(shù)選型。前端的分集式電路采用SKY13267，其V1腳和V2腳分別連接Si4432的GPIO1和GPIO2。通過這款交叉開關(guān)實現(xiàn)分集式天線發(fā)送和接收通道的自動切換。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件的開發(fā)環(huán)境為KeilμVision3，使用的語言為KeilC51。軟件的功能為完成MCU和Si4432的缺省配置；軟件設(shè)計的目的是完成微控制器和Si4432的初始化配置、數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。

3．1初始化

初始化程序主要包括C8051F340的初始化，串口的配置、SPI的配置，無線數(shù)據(jù)接收與發(fā)送的頻率、傳輸速率、工作模式等內(nèi)部寄存器的初始化配置。

C8051F340的數(shù)字交叉開關(guān)可以將內(nèi)部的系統(tǒng)資源映射到端口I／O引腳，通過設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器，將片內(nèi)資源配置到相應(yīng)的I／O引腳上，提高了配置的靈活性。在配置SPI時，可以通過對4個特殊功能寄存器：配置寄存器SPI0CFG、控制寄存器SPI0CN、數(shù)據(jù)寄存器SPI0DAT和時鐘頻率寄存器SPI0CKR的控制實現(xiàn)，采用4線主SPI模式，通過設(shè)置SPI0CKR寄存器，將同步時鐘頻率設(shè)為晶振的1／4，在時鐘的每一個上升沿進行操作。

上電之初，Si4432也處于默認(rèn)狀態(tài)，需要進行配置才能工作。Si4432有70多個寄存器需要配置，它們決定了Si4432的工作模式，具體配置可以參考Si4432的數(shù)據(jù)手冊。Si4432的初始化是一個重要的部分，配置的恰當(dāng)與否對系統(tǒng)最終的通信效果有很大的影響。主控制器C8051F340通過SPI配置Si4432的1ch和1dh等寄存器，寫入相應(yīng)的初始化RF控制字(主要是頻率、傳輸速度和傳輸方式等)；通過配置33h和34h等寄存器來設(shè)置包的結(jié)構(gòu)、前導(dǎo)碼長度以及同步字內(nèi)容等。本系統(tǒng)采用同步傳輸模式，以0x2DD4作為同步模式的標(biāo)志碼，傳輸完同步字后才開始傳輸數(shù)據(jù)載荷。每次發(fā)送數(shù)據(jù)必須以同步字0x2DD4作為發(fā)送數(shù)據(jù)的同步標(biāo)志，接收端在檢測到同步字后才開始接收數(shù)據(jù)。

3．2無線發(fā)送程序

無線發(fā)送程序流程如圖3所示。完成C8051F340、串口發(fā)送、SPI和Si4432的初始化后，配置寄存器寫入相應(yīng)的初始化RF控制字。接下來，通過配置Si4432的寄存器3eh來設(shè)置包的長度，通過SPI連續(xù)寫寄存器7fh，往TXFIFO里寫入需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。然后打開“發(fā)送完中斷允許標(biāo)志”，將其他中斷都禁止。當(dāng)有數(shù)據(jù)包發(fā)送完時，引腳IRQ會被拉低以產(chǎn)生一個低電平從而通知C8051F340數(shù)據(jù)包已發(fā)送完畢。完成中斷使能后，使能發(fā)送功能，數(shù)據(jù)開始發(fā)送。等待IRQ引腳因中斷產(chǎn)生而使電平拉低，當(dāng)IRQ引腳變?yōu)榈蜁r讀取中斷狀態(tài)并拉高IRQ，否則繼續(xù)等待。如果數(shù)據(jù)發(fā)送成功，指示燈會變亮。一次數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，進入下一次數(shù)據(jù)循環(huán)發(fā)送狀態(tài)。

3．3 無線接收程序
無線接收程序流程如圖4所示。程序完成C8051F340、串口接收、SPI接口和Si4432的初始化后，配置寄存器寫入相應(yīng)的初始化RF控制字。通過訪問寄存器7fh從RX FIFO中讀取接收到的數(shù)據(jù)。相應(yīng)的控制字設(shè)置好之后，若引腳IRQ變成低電平，則表示Si4432準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)。完成這些初始化配置后，通過寄存器4bh讀取包長度信息。然后，打開有效包中斷和同步字檢測中斷，將其他中斷都禁止。引腳IRQ用來檢測是否有有效包被檢測到，若引腳IRQ變?yōu)榈碗娖?，則表示有有效的數(shù)據(jù)包被檢測到。本系統(tǒng)用0x2DD4作為同步模式的標(biāo)志碼，接收模塊通過檢測這個同步字來同步接收數(shù)據(jù)。最后，使能接收功能，數(shù)據(jù)開始接收。等待IRQ引腳因中斷產(chǎn)生而使電平拉低，讀取中斷標(biāo)志位復(fù)位IRQ引腳，使IRQ恢復(fù)至初始的高電平狀態(tài)以準(zhǔn)備下一次中斷觸發(fā)的檢測。通過SPI讀取RX FIFO中的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)送至液晶OCM12864顯示，之后進入下一次數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。

4 系統(tǒng)測試與分析
為驗證本無線射頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計的可靠性，進行了7組“發(fā)射模塊一接收模塊”通信實驗。在空曠地通信距離約為1 500 m時，7組“發(fā)射模塊-接收模塊”分別工作在430．50 MHz，431．50 MHz，432．50 MHz等7個中心頻率上，帶寬均取112．8 kHz，頻率偏移取±25 kHz，發(fā)送4000個數(shù)據(jù)包。實驗證明，在傳輸速率較低時，誤碼率為0；在傳輸速率為100Kb／s(或以上)時，有一定的誤碼，但誤碼率低于0．075％。因此，該無線射頻收發(fā)系統(tǒng)具有傳輸距離遠(yuǎn)、穿墻能力強以及通信誤碼率低的特點。設(shè)計良好時，收發(fā)距離最遠(yuǎn)可達(dá)2 km。

5 結(jié)語
本系統(tǒng)完全可以擴充為一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，形成一個無線網(wǎng)絡(luò)，以應(yīng)用到現(xiàn)場控制或測控系統(tǒng)中。本文所設(shè)計的無線射頻收發(fā)系統(tǒng)工作可靠、穩(wěn)定，具有很好的通用性，稍作改動就可以應(yīng)用到小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集、生物信號采集、無線遙控等其他一些短距離無線通信領(lǐng)域，對于一些小公司、電子愛好者可以不管模塊里面的無線通信協(xié)議及硬件，快速、簡單地嵌入到自己產(chǎn)品中去。