基于Si4432A的無(wú)線射頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　一種基于無(wú)線收發(fā)芯片Si4432和C8051F930單片機(jī)的無(wú)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(lái)，從而實(shí)現(xiàn)短距離的無(wú)線通信。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低功耗、小體積、高靈敏度條件下的高質(zhì)量無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

　　1 無(wú)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(wú)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(gè)頻段;內(nèi)部集成分集式天線、功率放大器、喚醒定時(shí)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(shí)所需的外部元件很少，1個(gè)30 MHz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(jiǎn)單，且成本低。

　　Si4432的接收靈敏度達(dá)到-117 dB，可提供極佳的鏈路質(zhì)量，在擴(kuò)大傳輸范圍的同時(shí)將功耗降至最低;最小濾波帶寬達(dá)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(shí)的最大輸出功率就可達(dá)+20dBm，設(shè)計(jì)良好時(shí)收發(fā)距離最遠(yuǎn)可達(dá)2 km。Si4432可適用于無(wú)線數(shù)據(jù)通信、無(wú)線遙控系統(tǒng)、小型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、小型無(wú)線數(shù)據(jù)終端、無(wú)線抄表、門禁系統(tǒng)、無(wú)線遙感監(jiān)測(cè)、水文氣象監(jiān)控、機(jī)器人控制、無(wú)線RS485/RS232數(shù)據(jù)通信等諸多領(lǐng)域。

　　2 無(wú)線射頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)總體方案

　　無(wú)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(jī)控制Si4432實(shí)現(xiàn)無(wú)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(jìn)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(duì)接收到的射頻信號(hào)放大、解調(diào)之后，再將數(shù)據(jù)送給主控制器C8051F930進(jìn)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(jī)交互界面，還留有RS232接口可以實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)通信。

　　2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　主控芯片選用Silicon Labs公司推出的單片機(jī)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(duì)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(gè)內(nèi)建欠壓檢測(cè)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(gè)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(qiáng)型SPI對(duì)Si4432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SPI接口完成對(duì)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(hào)，只有片選信號(hào)為低電平時(shí)，對(duì)Si4432的操作才有效。硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

　　Si4432的13～16腳是標(biāo)準(zhǔn)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(cuò)誤、檢測(cè)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(shí)，17腳都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(shí)，芯片處于常規(guī)工作模式;接高電平(SDN=1)時(shí)，芯片處于掉電模式。掉電模式下寄存器中的內(nèi)容會(huì)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(dá)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(yán)格按照數(shù)據(jù)手冊(cè)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(shí)現(xiàn)分集式天線發(fā)送和接收通道的自動(dòng)切換。

　　2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件編程采用模塊化設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)中各主要功能模塊均編成獨(dú)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(wú)線發(fā)送程序，無(wú)線接收程序等。無(wú)線發(fā)送程序負(fù)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(zhǎng)度及CRC校驗(yàn)字節(jié)，形成數(shù)據(jù)包將其發(fā)送出去;無(wú)線接收程序負(fù)責(zé)接收并檢驗(yàn)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(wú)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(huì)在每個(gè)包的前面加上可設(shè)置長(zhǎng)度的前導(dǎo)碼;接收端為了識(shí)別幀的到來(lái)，需要前導(dǎo)碼進(jìn)行幀同步，從而確定收發(fā)系統(tǒng)之間何時(shí)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(lái)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(gè)字節(jié)，同步字內(nèi)容為0x2DD4，接收端在檢測(cè)到同步字后才開始接收數(shù)據(jù)。Packet Length是數(shù)據(jù)載荷長(zhǎng)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(yàn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)過程。編程環(huán)境為Silabs IDE V3.61，并在該編譯環(huán)境下測(cè)試通過。Silabs IDE集成了源代碼編輯、程序源代碼級(jí)調(diào)試程序和在系統(tǒng)Flash編程器。同時(shí)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(wú)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(rèn)狀態(tài)，根據(jù)系統(tǒng)功能需求重新進(jìn)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(shí)，可以通過對(duì)SPIlCFG寄存器和SPIlCN寄存器的配置來(lái)選擇具體使用規(guī)則。這里，選擇主SPI，4線模式，時(shí)鐘極性為低電平，在時(shí)鐘上升沿時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)采樣;通過配置SPIlCKR寄存器，可將同步時(shí)鐘頻率設(shè)為晶振頻率的1/4。

　　上電之初，Si4432也處于默認(rèn)狀態(tài)，需要進(jìn)行配置才能工作。Si4432有70多個(gè)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(cè)。Si4432的初始化是一個(gè)重要的部分，配置的恰當(dāng)與否對(duì)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(lái)設(shè)置包的結(jié)構(gòu)、前導(dǎo)碼長(zhǎng)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(cè)到同步字后才開始接收數(shù)據(jù)。