基于Si4432A的無線射頻收發(fā)系統(tǒng)設計
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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、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。硬件設計原理圖如圖2所示。
Si4432的13～16腳是標準的SPI接口，17腳(nIRQ)是中斷狀態(tài)輸出引腳。當FIFO溢出、有有效的數(shù)據(jù)包發(fā)送或接收、CRC錯誤、檢測到前導位和同步字、上電復位等情況發(fā)生，且相應的中斷被使能時，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用。在連接到電源后，在SDN的下降沿上電復位，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)軟件設計
軟件編程采用模塊化設計思想，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。
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