基于Si4432A的無線射頻收發(fā)系統(tǒng)設計
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。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/271483.htm1 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)的結構框圖如圖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。
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置長度的前導碼;接收端為了識別幀的到來,需要前導碼進行幀同步,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)在前導碼之后,要用設定好的同步字來作為同步模式的標志碼。本系統(tǒng)設定的同步字為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,用戶只需設定數(shù)據(jù)包的組成結構和部分結構的具體內(nèi)容(如前導碼和同步字)。
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,可通過設置交叉開關控制寄存器,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)自己的特定應用選擇通用端口I/O和所需數(shù)字資源的組合,提高了應用的靈活性。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等寄存器來設置包的結構、前導碼長度、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)的同步標志,接收端在檢測到同步字后才開始接收數(shù)據(jù)。
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