基于STM32F103的433MHz頻段無線數(shù)傳模塊的設(shè)計(jì)

0 引言

隨著近些年無線通信技術(shù)的發(fā)展，越來越多的無線技術(shù)開始涌現(xiàn)，GSM/GPRS、Wlan、Zigbee等，為了更方便人們生產(chǎn)生活，以及改變現(xiàn)有的無線頻道變得越來越擁擠的現(xiàn)狀，不同國家相繼開通了一些用于免費(fèi)的ISM頻段，其中430M～510M的頻段在中國最為常用。

本文選用ST公司生產(chǎn)的STM32F103RB作為主控芯片，TI公司生產(chǎn)的CC1101作為射頻芯片，設(shè)計(jì)一種工作在433.05MHZ頻段的MCU+RF無線數(shù)傳射頻模塊，并編寫相應(yīng)的測試函數(shù)，用來對無線模塊輸出功率，通信距離等參數(shù)進(jìn)行了測試和驗(yàn)證。

1 總體結(jié)構(gòu)概述

根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用要求，無線數(shù)傳模塊主要包含以下幾個(gè)部分：主控部分、射頻部分、外圍接口部分。主控部分負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理堯控制射頻部分的收發(fā)工作;射頻部分負(fù)責(zé)交換控制信息和相關(guān)數(shù)據(jù);外圍接口部分為整個(gè)模塊提供工作電源，同時(shí)為整個(gè)模塊提供串行接口，方面模塊進(jìn)行測試。整個(gè)無線數(shù)傳模塊硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線數(shù)傳模塊硬件框圖

2 模塊硬件電路部分設(shè)計(jì)

2.1 射頻部分設(shè)計(jì)

射頻通信的具體實(shí)現(xiàn)需通過射頻電路完成，隨著微電子技術(shù)和集成電路的發(fā)展，現(xiàn)代射頻通信電路都已集成在射頻芯片內(nèi)部。目前市場上的無線收發(fā)芯片的種類比較多，生產(chǎn)廠家有德州儀器、ATMEL、飛思卡爾、笙科電子等，而基于430MHz～510MHz的無線計(jì)量頻段的無線收發(fā)芯片較少，其原因是該頻段是剛剛發(fā)布的僅針對中國市場的頻段，在國內(nèi)也是近兩年才開始發(fā)展該頻段的無線計(jì)量系統(tǒng)。

德州儀器在2010年專門針對中國市場設(shè)計(jì)了一款基于430MHz～510MHz頻段的無線收發(fā)芯片CC1101，本文也采用該芯片。CC1101 射頻芯片數(shù)據(jù)速率支持1.2到500kBaud可編程速率，支持2-FSK、GFSK、MSK以及OOK等調(diào)試方式，發(fā)射功率可達(dá)+10dBm，接收靈敏度最高可達(dá)-112dBm，該芯片的最大優(yōu)勢在于低功耗特性，睡眠模式電流消耗為700nA，且外圍器件相對較少，采用QFN封裝，可大大降低無線產(chǎn)品開發(fā)成本。

CC1101內(nèi)部集成了射頻通信的收發(fā)電路。發(fā)送時(shí)，信號來源于外部的串行外設(shè)接口(SPI，Serial Peripheral Interface)，CC1101收到數(shù)據(jù)后會(huì)將其放在TXFIFO中，經(jīng)過數(shù)據(jù)包處理器堯前向糾錯(cuò)/信道交織編碼，進(jìn)入調(diào)制器中，從調(diào)制器中出來的已調(diào)信號通過混頻器(上變頻)，將頻率調(diào)節(jié)為適合在信道上傳輸?shù)男盘枺笸ㄟ^功率放大器，將信號放大傳輸?shù)讲罘中盘栆_上。接收時(shí)，數(shù)據(jù)從差分信號引腳輸入，經(jīng)過低噪音放大器，將信號放大，同時(shí)降低了噪音的產(chǎn)生，放大后的信號經(jīng)過混頻器(下變頻)進(jìn)行變頻，產(chǎn)生中頻信號，中頻信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換，自動(dòng)增益控制，頻率濾波后，由解調(diào)器將信號解調(diào)出來，再經(jīng)過糾錯(cuò)/交織編碼，最后將數(shù)據(jù)放在RXFIFO中，通過SPI口發(fā)送到微控制器。

射頻模塊的設(shè)計(jì)電路圖如圖2所示。

圖2 射頻部分原理圖

圖2中，CC1101引出SPI接口和微控制器進(jìn)行通信，且CC1101為從機(jī)模式，GDO0和GDO2引腳與微控制器的中斷引腳相連，用來產(chǎn)生FIFO狀態(tài)信號(中斷信號)，來判斷數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)。XOSC_Q引腳用來外接26M晶振，為頻率合成器提供參考頻率，同時(shí)為CC1101的ADC和數(shù)字部分提供時(shí)鐘信號。RF_P和RF_N是一個(gè)差分信號引腳，是射頻信號發(fā)射和接收端口。

2.2 主控部分電路

作為單純的射頻收發(fā)器，CC1101需要額外的微控制器通過SPI接口實(shí)現(xiàn)對該射頻芯片的控制。除此之外，微控制器還負(fù)責(zé)與計(jì)量設(shè)備進(jìn)行通信。

相對于射頻收發(fā)器，微控制器的類型更為繁多，從8位的微控制器到64位的處理器都可以作為射頻芯片的控制器。主流的有51系列的8位控制器，16位的MSP430系列和AVR系列單片機(jī)，32位的ARM7系列和STM32系列處理器以及64位的ARM9系列等處理器。選擇合適的控制器對射頻芯片來說尤為重要，制約因素包括兼容性堯低功耗性能堯低成本等。本文選用的微控制器為STM32F103RB，該芯片具有超低功耗特性，它的代碼執(zhí)行速度高達(dá)1.25MIPS/MHZ，它內(nèi)置高128K的FLASH和20K的SRAM，同時(shí)具備豐富的I/O端口和外設(shè)，包含16通道12位的ADC，4通用16位定時(shí)器，電機(jī)控制PWM接口，2個(gè)I2C，2個(gè)SPI，3個(gè)串口，1個(gè)USB控制器，一路總線接口等。

主控部分電路包含了STM32F103RB的最小系統(tǒng)，包括晶振電路堯復(fù)位電路以及外接接口，如圖3所示。

圖3 主控部分原理圖

3 無線射頻模塊PCB設(shè)計(jì)

采集模塊的PCB制板重點(diǎn)是射頻部分的設(shè)計(jì)。PCB布局對射頻電路具有很大的影響，在制板時(shí)如果不合理布局會(huì)導(dǎo)致模塊整體性能下降，甚至無法工作。對于射頻電路，首先盡量選用封裝小的元器件，CC1101模塊中電容堯電感和電阻都采用0402封裝。其次，元器件排列要緊密，尤其是巴倫電路和相應(yīng)的濾波電路，這樣做能夠有效的抑制分布參數(shù)的產(chǎn)生，降低分布參數(shù)對電路輸出阻抗的影響。再次對射頻芯片的電源做隔離處理，和其他模塊的電源要分開，CC1101模塊采用磁珠和微控制器電源進(jìn)行隔離。最后濾波電容要盡量靠近需要濾波的器件或者網(wǎng)絡(luò)，減少外部干擾的幾率，提高抗干擾能力。射頻模塊PCB圖以及實(shí)物圖如4所示。

圖4 射頻模塊PCB和實(shí)物圖

4 實(shí)物測試

通過優(yōu)化得到電路圖，投板，生產(chǎn)PCB。焊接好元器件。為了檢驗(yàn)輸出模塊的性能，要進(jìn)行測試無線模塊通信鏈路的輸出功率測試。選用安捷倫頻譜分析儀E9060A測試模塊的最大輸出功率。設(shè)置CC1101輸出功率寄存器PATABALE=0xC0，即輸出功率預(yù)設(shè)10dbm。實(shí)際測試輸出端功率為10.16dbm，如圖5所示。

圖5 無線模塊最大輸出功率測試圖

在空曠場地實(shí)際測量，最大穩(wěn)定通信距離可達(dá)到400m，數(shù)據(jù)丟包小于1.5%。

5 結(jié)束語

根據(jù)實(shí)際要求，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了工作在430.99-434MHz的無線數(shù)傳模塊。由測量得到的數(shù)據(jù)可知，該無線數(shù)傳模塊在400米范圍內(nèi)可正常使用。由于受設(shè)備和測量條件的限制，對一些其他參數(shù)并未進(jìn)行測量，這是日后要完善的地方。當(dāng)有特殊場合需較遠(yuǎn)的通信距離的應(yīng)用時(shí)，可以在CC1101的輸出端加上功率放大器，提高發(fā)射功;曰在RF輸入端加一級低噪聲放大器，以一步提高接收靈敏度。根據(jù)應(yīng)用場合，對電路的改進(jìn)也是日后工作的重點(diǎn)之一。