基于STM8及UHF RF收發(fā)器SX1231的無線射頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2008年中國政府為微功率（短距離）無線電應(yīng)用增加了868MHz~ 868.6MHz的工作頻率。其對無線電設(shè)備的射頻要求如下：

（1）發(fā)射功率限值：5mW（e.r.p）；

（2）發(fā)射信號的占空比限值：1%；

（3）載波頻率容限：100×10-6；

并把該類設(shè)備歸類于“各類民用設(shè)備的無線電控制裝置中。

從上面的規(guī)定中可以看到，該頻段可用帶寬為600kHz，但并沒有明確在該頻道使用的帶寬，數(shù)據(jù)速率以及調(diào)制方式方面要求，這就給予了應(yīng)用很大的空間。本文主要是基于868MHz頻段的要求，設(shè)計(jì)了比較簡單通用的無線收發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可適用于該頻段的不同的無線傳輸應(yīng)用。

SX1231介紹及性能描述

SX1231芯片是Semtech公司推出的一款高集成度、低功耗、多頻段的UHF RF收發(fā)器。其工作電壓為1.8V~3.6V，24引腳QFN封裝，工作頻率包括3155MHz、4335MHz、 8685MHz和915MHz無許可證的ISM頻段；內(nèi)部集成SIGMA-DELTA小數(shù)分頻鎖相環(huán)、功率放大器、喚醒定時(shí)器、數(shù)字調(diào)制解調(diào)器、66字節(jié)的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)FIFO、數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)加密功能AES，以及6個(gè)可配置的DIO等，所有主要的RF通信參數(shù)是可編程的，大多數(shù)可動態(tài)設(shè)定。采用16節(jié)的FIR通路濾波器，因而有好的選擇性；發(fā)射功率可編程輸出，從-18dBm到+17dBm；有多種調(diào)制解調(diào)方式：FSK、GFSK、MSK、GMSK和OOK等；SX1231在使用時(shí)所需的外部元件很少，1個(gè)32MHz的晶振、幾個(gè)電容和電感就可組成一個(gè)高可靠性的收發(fā)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)簡單且成本低。SX1231在1.2kbps時(shí)的靈敏度高達(dá)-120dBm，主要用在無線抄表（AMR）、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭和建筑物自動化、無線告警和安全系統(tǒng)、工業(yè)監(jiān)視和控制等領(lǐng)域。

無線射頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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STM8L151K2單片機(jī)控制SX1231實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。發(fā)送模塊中的STM8L151K2將數(shù)據(jù)傳送給SX1231，然后SX1231對數(shù)據(jù)進(jìn)行包格式處理，包括增加前導(dǎo)碼、同步字、CRC校驗(yàn)碼，如果需要也可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理。最后數(shù)據(jù)包經(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)、解包之后，再將數(shù)據(jù)送給主控制器STM8L151K2進(jìn)行相應(yīng)的處理，如送顯示屏或PC數(shù)據(jù)處理中心等。該系統(tǒng)包括按鍵和液晶顯示屏等人機(jī)交互界面，以及RS232接口，這實(shí)現(xiàn)了與PC的通信功能。

圖1 系統(tǒng)方框圖

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

主控芯片選用ST公司推出的單片機(jī)STM8L151K2。STM8L151K2有1K bytes的RAM和8K bytes的Flash以及256bytes的EEPROM，片上集成了包括串口、SPI、I2C、ADC、觸摸屏控制功能等外圍模塊接口，完全滿足本系統(tǒng)對微控制器的要求；有多種電源管理模式(如等待模式、低功耗運(yùn)行模式、低功耗等待模式等)。

STM8L151K2可以通過SPI接口對SX1231的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作，靈活配置各項(xiàng)參數(shù)。通過4線SPI接口完成對SX1231的初始化配置、讀寫數(shù)據(jù)、訪問FIFO等操作，使SX1231正常工作在發(fā)射、接收模式，完成數(shù)據(jù)在空中的傳播。

SX1231是15腳~18腳的標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，DIO0~DIO5可以通過內(nèi)部寄存器來配置成不同的中斷信號。映射關(guān)系如表1所示，這樣可以很方便地獲取SX1231的工作狀態(tài)。如果需要了解FIFO滿、FIFO不是完全空，工作模式Ready，有效的數(shù)據(jù)包發(fā)送或接收、電池電壓低、RSSI、PLL鎖定等狀態(tài)，都可以配置寄存器來把這些信號映射到DIO PIN，然后單片機(jī)STM8L151K2通過檢測這些DIO PIN的電平來獲得或者主動通知MCU某個(gè)狀態(tài)發(fā)生。可用19腳（RXTX）控制射頻收發(fā)開關(guān)以進(jìn)行發(fā)射通路和接收通路的切換，高電平時(shí)為發(fā)射狀態(tài)。圖2中采用UPG2214TB射頻開關(guān)，V1和V2分別為開關(guān)的控制腳。由于SX1231只有一個(gè)控制腳，因此增加一個(gè)三極管反相器就完成了開關(guān)的控制。21腳（RFIO）是發(fā)射和接收共用的PIN，但是該P(yáng)IN的最高輸出功率為13dBm。如果需要輸出更高的功率（17dBm或20dBm），就必須把發(fā)射接至23腳（PABOOST），這時(shí)21腳（RFIO）只當(dāng)作接收PIN。

圖2 硬件設(shè)計(jì)原理圖

SX1231接收端的輸入阻抗可設(shè)置成50Ω和200Ω，通常設(shè)成200Ω，此時(shí)同一匹配值在全頻段仍可獲得很好的靈敏度。