基于Si4432A的無線射頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計了一種基于無線收發(fā)芯片Si4432和C8051F930單片機的無線射頻收發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由發(fā)送模塊和接收模塊組成。發(fā)送模塊主要將要發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)C8051F930處理后，通過Si4432發(fā)送出去；在接收模塊中，Si4432則將數(shù)據(jù)正確接收后通過液晶顯示出來，從而實現(xiàn)短距離的無線通信。該系統(tǒng)實現(xiàn)了低功耗、小體積、高靈敏度條件下的高質(zhì)量無線數(shù)據(jù)傳輸。

1  無線收發(fā)芯片Si4432

Si4432芯片是Silicon Labs公司推出的一款高集成度、低功耗、多頻段的EZRadioPRO系列無線收發(fā)芯片。其工作電壓為1.9～3.6 V，20引腳QFN封裝(4 mm×4 mm)，可工作在315／433／868／915 MHz四個頻段；內(nèi)部集成分集式天線、功率放大器、喚醒定時器、數(shù)字調(diào)制解調(diào)器、64字節(jié)的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)FIFO，以及可配置的GPIO等。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+20dBm，設(shè)計良好時收發(fā)距離最遠可達2 km。Si4432可適用于無線數(shù)據(jù)通信、無線遙控系統(tǒng)、小型無線網(wǎng)絡(luò)、小型無線數(shù)據(jù)終端、無線抄表、門禁系統(tǒng)、無線遙感監(jiān)測、水文氣象監(jiān)控、機器人控制、無線RS485／RS232數(shù)據(jù)通信等諸多領(lǐng)域。

2 無線射頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計

2.1  系統(tǒng)總體方案

無線射頻收發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由C8051F930單片機控制Si4432實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。發(fā)送模塊中的C8051F930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C8051F930進行相應(yīng)的處理，如送液晶顯示等。系統(tǒng)提供了按鍵和液晶(OCM12864-9)等人機交互界面，還留有RS232接口可以實現(xiàn)與PC機通信。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

主控芯片選用Silicon Labs公司推出的單片機C8051F930。C8051F930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。C8051F930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，C8051F930的省電架構(gòu)能將操作模式下的電流減小到170μA／MHz。

C8051F930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nSEL。MOSI用于從C8051F930到Si4432的串行數(shù)據(jù)傳輸；MISO用于從Si4432到C8051F930的串行數(shù)據(jù)傳輸；SCK用于同步C8051F930和Si4432之間在MOSI和MISO線上的串行數(shù)據(jù)傳輸；nSEL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。硬件設(shè)計原理圖如圖2所示。

Si4432的13～16腳是標(biāo)準的SPI接口，17腳(nIRQ)是中斷狀態(tài)輸出引腳。當(dāng)FIFO溢出、有有效的數(shù)據(jù)包發(fā)送或接收、CRC錯誤、檢測到前導(dǎo)位和同步字、上電復(fù)位等情況發(fā)生，且相應(yīng)的中斷被使能時，17腳都會產(chǎn)生一個低電平以通知C8051F930有中斷產(chǎn)生。20腳(SDN)決定了Si4432芯片的工作狀態(tài)。當(dāng)SDN接地(SDN=0)時，芯片處于常規(guī)工作模式；接高電平(SDN=1)時，芯片處于掉電模式。掉電模式下寄存器中的內(nèi)容會丟失，且不允許SPI訪問，但芯片的電流損耗只有10 nA，功耗很低，因此適合要求極低功耗的應(yīng)用。在連接到電源后，在SDN的下降沿上電復(fù)位，根據(jù)指令轉(zhuǎn)換到其他工作模式。

為了達到較好的通信效果，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。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件編程采用模塊化設(shè)計思想，系統(tǒng)中各主要功能模塊均編成獨立的函數(shù)由主程序調(diào)用。功能模塊包括：初始化程序(包括初始化C8051F930、SPI、Si4432)，無線發(fā)送程序，無線接收程序等。無線發(fā)送程序負責(zé)寫入數(shù)據(jù)載荷，并根據(jù)通信協(xié)議為數(shù)據(jù)載荷加上前導(dǎo)碼、同步字、數(shù)據(jù)載荷長度及CRC校驗字節(jié)，形成數(shù)據(jù)包將其發(fā)送出去；無線接收程序負責(zé)接收并檢驗數(shù)據(jù)包中的CRC字節(jié)，以確保接收到的數(shù)據(jù)的正確性。

無線收發(fā)模塊之間的通信是以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送的，本系統(tǒng)定義的數(shù)據(jù)包格式如下：

其中，Preamble(前導(dǎo)碼)是一連串的10101010，其數(shù)量為8n位，n的大小由用戶編程決定。數(shù)據(jù)包在傳輸過程中會在每個包的前面加上可設(shè)置長度的前導(dǎo)碼；接收端為了識別幀的到來，需要前導(dǎo)碼進行幀同步，從而確定收發(fā)系統(tǒng)之間何時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。SyncWord(同步字)在前導(dǎo)碼之后，要用設(shè)定好的同步字來作為同步模式的標(biāo)志碼。本系統(tǒng)設(shè)定的同步字為2個字節(jié)，同步字內(nèi)容為0x2DD4，接收端在檢測到同步字后才開始接收數(shù)據(jù)。Packet Length是數(shù)據(jù)載荷長度。PAYLOAD(有效數(shù)據(jù)載荷)是用戶所發(fā)送的數(shù)據(jù)。CRC(CRC校驗和)由內(nèi)置CRC校檢。Si4432內(nèi)部集成有調(diào)制／解調(diào)、編碼／解碼等功能，從而Prearnble、SyncWord、Packet Length和CRC都是硬件自動加上去的，用戶只需設(shè)定數(shù)據(jù)包的組成結(jié)構(gòu)和部分結(jié)構(gòu)的具體內(nèi)容(如前導(dǎo)碼和同步字)。

本文以半雙工通信為例，介紹通信的實現(xiàn)過程。編程環(huán)境為Silabs IDE V3.61，并在該編譯環(huán)境下測試通過。Silabs IDE集成了源代碼編輯、程序源代碼級調(diào)試程序和在系統(tǒng)Flash編程器。同時支持第三方編譯器和匯編器的使用，

(1)初始化程序

初始化程序包括C8051F930的初始化，SPI的初始化，以及Si4432的關(guān)于無線收發(fā)頻率、工作模式、發(fā)射速率等內(nèi)部寄存器的初始化配置。

系統(tǒng)上電后，C8051F930處于默認狀態(tài)，根據(jù)系統(tǒng)功能需求重新進行初始化配置。C8051F930的數(shù)字交叉開關(guān)允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到端口I／O引腳，可通過設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器，將片內(nèi)資源配置到具體的端口I／O引腳上。這一特性允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用選擇通用端口I／O和所需數(shù)字資源的組合，提高了應(yīng)用的靈活性。本系統(tǒng)中，主要配置了SPI通信的4線，液晶LCD的數(shù)據(jù)線接口、控制線接口和RS232串口數(shù)據(jù)輸入／輸出等。

初始化SPI時，可以通過對SPIlCFG寄存器和SPIlCN寄存器的配置來選擇具體使用規(guī)則。這里，選擇主SPI，4線模式，時鐘極性為低電平，在時鐘上升沿時對數(shù)據(jù)采樣；通過配置SPIlCKR寄存器，可將同步時鐘頻率設(shè)為晶振頻率的1／4。

上電之初，Si4432也處于默認狀態(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C8051F930通過SPI配置Si4432的1ch、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、傳輸方式等)；通過配置33h、34h等寄存器來設(shè)置包的結(jié)構(gòu)、前導(dǎo)碼長度、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)。