基于CC1010芯片的微型無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的設計

摘    要：本文介紹了基于SmartRF CC1010芯片的微型無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的設計，給出了采用CC1010芯片設計微型無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的設計方案，并提出了在PCB板制作過程中應注意的問題。
關鍵詞：SmartRF CC1010；8051內(nèi)核；Flash

引言
無線射頻傳輸主要應用于家庭自動化控制、工業(yè)系統(tǒng)控制、自動儀表檢測系統(tǒng)、安防報警系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡控制以及掌上PDA無線數(shù)據(jù)通信方面。CC1010是根據(jù)SmartRF技術，在0.35mm CMOS工藝下研制出的一種理想的超高頻單片收發(fā)通信芯片。與以往RF芯片不同的是，CC1010內(nèi)部集成了高性能的8051微處理器。它具有低電壓、低功耗、高靈敏度、尺寸小等特點，與很少的一些外圍器件搭配就可以設計成強大的具備無線通信能力的嵌入式系統(tǒng)。

CC1010芯片的功能結(jié)構(gòu)和工作原理
功能結(jié)構(gòu)
CC1010芯片主要有8051處理器、Flash編程DMA、數(shù)據(jù)加密模塊、看門狗時鐘、PWM、特殊功能寄存器、RF收發(fā)器等部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
工作原理
CC1010芯片工作頻帶可選擇315、433、868、915MHz，而且可以通過軟件編程使它運行在300~1000MHz范圍內(nèi)。內(nèi)部具備快速鎖相環(huán)設置功能，可采用跳頻協(xié)議。在FSK調(diào)制模式下，數(shù)據(jù)速率可達到76.8K波特。
在發(fā)送數(shù)據(jù)時，CC1010有兩種工作模式：一種是字節(jié)模式，另一種是位模式。在字節(jié)模式中，從緩沖寄存器RFBUF中一次取8位到移位寄存器，經(jīng)過調(diào)制發(fā)射出去，當移位寄存器空時，再從RFBUF中取8位，而RFBUF中數(shù)據(jù)的裝入，是由中斷引發(fā)的。在位模式下，每次只是從RFBUF寄存器的最低位取數(shù)據(jù)，當此位數(shù)據(jù)發(fā)送出去后，再從RFBUF最低位取，發(fā)送一位產(chǎn)生一個中斷，通知RFBUF裝載一位新的數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)采用的是FSK方式，VCO輸出的信號直接送入功率放大器(PA)，然后經(jīng)天線發(fā)射出去。
在接收數(shù)據(jù)時，CC1010可看成是一個傳統(tǒng)的超外差接收器。RF輸入信號經(jīng)低噪聲放大器(LNA)放大后翻轉(zhuǎn)進入混頻器，通過混頻器混頻產(chǎn)生中頻(IF)信號。在中頻處理階段，該信號送入解調(diào)器之前被放大和濾波。解調(diào)的數(shù)據(jù)被送進移位寄存器中，然后再存入到緩沖器RFBUF中，經(jīng)由處理器把數(shù)據(jù)取出，這個過程也有字節(jié)和位兩種工作模式，情況正好與發(fā)送過程相逆。頻率合成器產(chǎn)生的本振信號，在接收狀態(tài)下送入功放，它由晶振(XOSC)、鑒相器(PD)、充電脈沖、VCO以及分頻器(/R和/N)構(gòu)成。外接的晶振必須與XOSC引腳相連，只有外圍電感需要與VCO相連。
收發(fā)模式的切換是由內(nèi)部寄存器控制的，這樣使得天線與外圍器件的連接和匹配比較容易，而且增加了硬件電路工作的可靠性。

無線數(shù)據(jù)收發(fā)的硬件電路設計
硬件電路
在本電路設計中，為了減少干擾以及節(jié)省空間，采取把I/O口集中引線出來的方式，給用戶提供更大的自由開發(fā)空間。電路的功能框圖如圖2所示，DSUB口由SCK、MOSI、MISO和PROG四個引腳組成，用來與PC機的并行端口建立連接，中間要通過雙向電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC4245A，因為收發(fā)模塊的工作電壓選擇了＋3.3V，而PC機的并口需要＋5V電平。其功能是完成對芯片內(nèi)部的32KB Flash的編程工作，當程序在PC機上調(diào)試通過后，通過此接口就可以把程序完整地下載到Flash中去。COM0和COM1口都是符合RS-232接口標準的串行端口，都可以與PC機串接通信。在與PC機串口相連時，要通過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3243完成CMOS電平與RS-232雙極性+5V/-5V信號電平之間的轉(zhuǎn)換。PWM端口可用于脈沖寬度調(diào)制輸出。INTERRUPT端口是兩個中斷輸入口，在寄存器IE中，如果中斷使能標志被置位，就可以允許產(chǎn)生中斷，中斷方式可設置為電平觸發(fā)或邊沿觸發(fā)。AD端口是三路模擬輸入A/D轉(zhuǎn)換，其中AD2口也能被設置成接收信號強度指示輸出或者中頻輸出，這個引腳由FREND寄存器設置，不用的時候這三個腳可以懸空。
電壓轉(zhuǎn)換模塊
在實際應用中，5V電源比較常見，又由于本電路需要3.3V和5V的工作電壓， 故在此電路中設計了一個電壓轉(zhuǎn)換模塊，如圖3所示。二極管D0起到穩(wěn)壓的作用，芯片LP2981把從1腳輸入的5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V并從5腳輸出。
收發(fā)電路
電路的接收和發(fā)射部分是設計的重點，具體電路如圖4所示。 芯片CC1010內(nèi)部已經(jīng)集成了接收和發(fā)射部分的硬件，重點是外圍天線部分的設計。CC1010可以使用各種各樣的天線，短距離最常用的天線有單極型、螺線型、環(huán)型等。本電路采用的是單極型天線，主要考慮的是它的方便性。天線的長度可由公式：L=7125/f計算得出。本電路的工作頻率設計為434MHz，天線的長度是16.4cm。元件L4、C10、C11構(gòu)成LC濾波器，主要是用來減少諧波干擾，在這里應用于終端阻抗為50W的天線。L2、L3、C12、C13、C14的值隨工作頻率的不同而變化，電感L1的精度要求比較高，它決定了發(fā)射和接收的頻率，在電路中為了避免耦合感應，它應被緊靠著引腳放置。
PCB板制作
本電路工作頻率較高，為了減少信號間的干擾，增加電路工作的穩(wěn)定性，在PCB板制作過程中采取了如下措施：
1. 采用了四層板布線，大部分元器件放在了最上面一層，中間兩層分別是電源和地層，把VCO電感和I/O引腳的上拉電阻放在了底層。
2. 盡量避免信號線近距離平行走線，并使相鄰兩層間走線相互垂直，在電路板表面層沒有走線的地方布滿柵格狀的鋪銅。
3. 減少引線彎折，縮短引線長度，需要轉(zhuǎn)折的地方，采用45巰呋蛟不∽?。?/span>