CC1100的無線數(shù)據(jù)通信與時分多址通信協(xié)議

引 言
無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)被越來越多地使用到嵌入式系統(tǒng)中，在簡化布線的同時，也使數(shù)據(jù)交換變得更加便捷。本文介紹一種適用于遠(yuǎn)程計數(shù)無線傳輸?shù)臏y試系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由德州儀器(TI)公司的CC1100射頻收發(fā)器和飛利浦(Philips)公司的微處理器P89LPC922構(gòu)成。

1 硬件設(shè)計
    (1)總體方案設(shè)計
    本設(shè)計由1個主機和1～32臺終端從機組成。從機通過內(nèi)部傳感器計數(shù)后將數(shù)據(jù)以無線方式傳送給主機，主機負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的調(diào)度、顯示、配置。
    (2)微控制器P89LPC922
    P89LPC922芯片具有8 KB Flash程序存儲器、1 KB可擦除扇區(qū)和64字節(jié)可擦除頁，可擦除單個字節(jié)，指令執(zhí)行時間只需2～4個時鐘周期，指令執(zhí)行速率6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件，有可配置的片內(nèi)振蕩器和 RC振蕩器、增強型UART，具有波特率發(fā)生器及自動地址識別和通用的中斷功能。
    (3)射頻芯片CC1100
    CC1100的主要特點有：體積小(20引腳，QLP 4 mm×4 mm)，工作頻率為300～1000 MHz，接收靈敏度高(1．2 kb／s下110 dBm)，數(shù)據(jù)傳輸率最大可達(dá)500 kb／s，功耗低(RX中15．6 mA，2．4 kb／s，433 MHz)，在所有頻段輸出功率高達(dá)+10 dBm；SPI接口，支持ASK、OOK、2-FSK、GF-SK和MSK調(diào)制模式，具有無線喚醒(WOR)功能等。
    由于高頻收發(fā)信號會對MCU部分產(chǎn)生干擾，所以無線通信部分應(yīng)單獨做1塊PCB板，并外加屏蔽。P89LPC922和CC1100的連接如圖1所示。

2 軟件設(shè)計
    (1)數(shù)據(jù)包格式
    CC1100數(shù)據(jù)包格式包含以下幾部分：前導(dǎo)、同步詞匯、可控數(shù)據(jù)包長度、可選地址字節(jié)、有效載荷、可選的2字節(jié)CRC。它支持恒定長度和可變長度數(shù)據(jù)包協(xié)議，其數(shù)據(jù)長度可達(dá)255字節(jié)，對于更長的數(shù)據(jù)包，必須使用無限長度數(shù)據(jù)包協(xié)議。本系統(tǒng)采用可變長度數(shù)據(jù)包格式。
    (2)狀態(tài)及寄存器設(shè)置
    CC1100有一個內(nèi)置的狀態(tài)機，用來在不同的操作狀態(tài)(模式)之間切換。狀態(tài)的變化要么通過命令濾波，要么通過內(nèi)部事件(如TX FIFO下溢)改變。當(dāng)前狀態(tài)可從狀態(tài)寄存器MARCSTATE獲得。CC1100的寄存器比較多，可根據(jù)需要配置，有一部分需由軟件SmartRF Studio給出。
    CC1100的3個數(shù)字輸出引腳SO(GDO1)、GDO0、GDO2也可以通過IOCFGX寄存器配置成所需的功能接口。設(shè)計中，GDO0 IOCFGO=Ox06，引腳會在收發(fā)到同步詞匯的時候置成高電平，當(dāng)數(shù)據(jù)包傳輸結(jié)束時變成低電平。此外，當(dāng)收發(fā)FIFO溢出時也將變成低電平。 GDO2IOCFG2=Ox0B，引腳輸出一連續(xù)時鐘，可以用來檢測CC1100是否工作。
    (3)收發(fā)數(shù)據(jù)
    CC1100上電后，需要依次對芯片進(jìn)行復(fù)位、寄存器設(shè)置、功率設(shè)置等。收發(fā)數(shù)據(jù)可以通過GPO0引腳產(chǎn)生中斷，然后依據(jù)不同的情況處理。程序如下：

3 通信協(xié)議
    在大多數(shù)主從式結(jié)構(gòu)通信中，一般主機和從機之間的通信都是采用查詢方式進(jìn)行，然而當(dāng)從機數(shù)量較多時，效率并不高。因此，設(shè)計一種快速實用的通信模式就很有必要。時分多址(time division multiple access)是把時間分割成互不重疊的時段(幀)，再將幀分割成互不重疊的時隙(信道)，與用戶具有一一對應(yīng)關(guān)系；依據(jù)時隙區(qū)分來自不同地址的用戶信號，從而完成多址連接。時分多址簡稱TDMA。
    根據(jù)上述定義，在設(shè)計中主機采用定時發(fā)送命令的方式，每個從機則分配1個時間段用于和主機通信。時間段的選擇要根據(jù)從機的數(shù)量、同步的時間，以及通信速率來決定。具體約定如下：
    主機定時向終端從機發(fā)送命令，命令中包含下次同步的時間以及其他所需信息，命令周期可以自行定義，這里命令周期為1 s。
    從機接收到主機命令后首先同步自己的時鐘，然后再做出相應(yīng)的動作。
    ①對于無應(yīng)答的命令，從機立刻進(jìn)入休眠狀態(tài)，只在下一個接收主機命令時刻到來之前，提前2 ms退出休眠。
    ②對于有應(yīng)答的命令，從機則在接收到主機命令之后延時(N×30)ms應(yīng)答主機，在沒有應(yīng)答之前，從機也先進(jìn)入休眠，只是在應(yīng)答時刻到來之前，提前2ms 醒來，準(zhǔn)備應(yīng)答。從機應(yīng)答時間為1～25 ms，剩余的5 ms是為了把一個時間段和另一個時間段分開(即保護(hù)時間)。當(dāng)應(yīng)答結(jié)束后延時2 ms進(jìn)入休眠。
    ③當(dāng)從機未能和主機同步時，應(yīng)開啟CC1100電磁波激活功能，搜尋主機信息。
    其中N為從機地址號，設(shè)置范圍1～32，具體通信協(xié)議如圖2所示。

結(jié) 語
    本文介紹的無線數(shù)據(jù)通信方案，適用于工業(yè)信號監(jiān)控、無線儀器儀表測試、樓宇智能系統(tǒng)等，性價比高，所提出的通信協(xié)議具有較強的實時性、可靠性?，F(xiàn)場工作表明，在計數(shù)測試系統(tǒng)中，距離100 m內(nèi)未發(fā)生通信錯誤的情況，滿足了測試要求。