基于Si4432的無線射頻收發(fā)系統(tǒng)設計

?本文設計了一種基于無線收發(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量無線數(shù)據(jù)傳輸。

1 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；MI-SO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Preamble、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SPI1CFG寄存器和SPI1CN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SPI1CKR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)。
??? (2)無線發(fā)送程序
??? 無線發(fā)送程序流程如圖3所示。完成C8051F930、SPI和Si4432的初始化后，配置寄存器寫入相應的初始化RF控制字。接下來，通過配置Si4432的寄存器3eh來設置包的長度，通過SPI連續(xù)寫寄存器7fh，往TX FIFO里寫入需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。然后打開“發(fā)送完中斷允許”標志，將其他中斷都禁止。當有數(shù)據(jù)包發(fā)送完時，引腳nIRQ會被拉低以產(chǎn)生一個低電平從而通知C8051F930數(shù)據(jù)包已發(fā)送完畢。完成中斷使能后，使能發(fā)送功能，數(shù)據(jù)開始發(fā)送。等待nIRQ引腳因中斷產(chǎn)生而使電平拉低，當nIRQ引腳變?yōu)榈蜁r讀取中斷狀態(tài)并拉高nIRQ，否則繼續(xù)等待。如果數(shù)據(jù)發(fā)送成功，指示燈會變亮。一次數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，進入下一次數(shù)據(jù)循環(huán)發(fā)送狀態(tài)。

??? (3)無線接收程序
??? 無線接收程序流程如圖4所示。

??? 程序完成C8051F930、SPI接口和Si4432的初始化后，配置寄存器寫入相應的初始化RF控制字。通過訪問寄存器7fh從RX FIFO中讀取接收到的數(shù)據(jù)。相應的控制字設置好之后，若引腳nIRQ變成低電平，則表示Si4432準備好接收數(shù)據(jù)。完成這些初始化配置后，通過寄存器4bh讀取包長度信息。
??? 然后，打開“有效包中斷”和“同步字檢測中斷”，將其他中斷都禁止。引腳nIRQ用來檢測是否有有效包被檢測到，若引腳nIRQ變?yōu)榈碗娖?，則表示有有效的數(shù)據(jù)包被檢測到。本系統(tǒng)用Ox2DD4作為同步模式的標志碼，接收模塊通過檢測這個同步字來同步接收數(shù)據(jù)。最后，使能接收功能，數(shù)據(jù)開始接收。等待nIRQ引腳因中斷產(chǎn)生而使電平拉低，讀取中斷標志位復位nIRQ引腳，使nIRQ恢復至初始的高電平狀態(tài)以準備下一次中斷觸發(fā)的檢測。通過SPI讀取RX FIFO中的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)送至液晶OCM12864-9顯示，之后進入下一次數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。

3 PCB設計的注意事項
??? PCB設計對整個系統(tǒng)的性能影響很大。以下是設計Si4432的PCB時需要注意的地方：
??? ①為了消除走線間的感性效應，應在PCB上空余的地方盡量多布置一些過孔。為了達到較好的射頻通信效果，應對整個PCB都覆地銅。當提供了一個較好的RF地之后，TX／RX區(qū)域的對地敷銅區(qū)有助于減少甚至避免輻射干擾。
??? ②電源接入端要添加去耦電容，且盡量靠近Si4432芯片。濾波電容也應該盡量靠近相應引腳，這樣可以得到更好的濾波性能。
??? ③Si4432的外圍元件很少，應盡量使用體積小的0402封裝貼片器件。其中，電感屬于關鍵器件，需選用高精度電感。
??? ④Si4432的扼流電感L1應盡量靠近Tx引腳；并聯(lián)在RXn和RXp上的電感L2在PCB平面上應與L1垂直布局，Tx通道上的電感L1、L3、L4、L5的方向需保證互相垂直以減少耦合；Tx通道和RXn/p通道之間未布線的區(qū)域應以接地的覆銅隔離開來，Tx通道匹配電路的布線區(qū)應盡可能不要占用太大的板上區(qū)域。
??? ⑤晶振的選擇參照以下參數(shù)：等效串聯(lián)電阻是60 Ω，負載電容是12 pF，頻率準確度是±20×10-6。讓晶振與芯片的晶振接入引腳盡量靠近，并用地線把時鐘區(qū)隔離起來。
??? ⑥設計PCB時，QFN封裝的Si4432芯片底部接地。在Si4432芯片底部打9個12 mil(1 000 mail=25．4 mm)大小的接地過孔，以確保良好的接地和散熱能力，增強通信可靠性。
??? ⑦板上的走線盡可能不要經(jīng)過Tx／RXn/p區(qū)域，以防止匹配網(wǎng)絡的耦合效應。

4 系統(tǒng)測試與分析
??? 為驗證本無線射頻收發(fā)系統(tǒng)設計的可靠性，進行了7組“發(fā)射模塊一接收模塊”通信實驗。在空曠地通信距離約為1 500 m時7組“發(fā)射模塊一接收模塊”分別工作在430．50 MHz、431．50 MHz、432．50 MHz等7個中心頻率上，帶寬均取112．8 kHz，頻率偏移取士25 kHz，發(fā)送4 000個數(shù)據(jù)包，實驗結果如表1所列。

??? 從表1中可以看出，在傳輸速率較低時，誤碼率為0；在傳輸速率為100 kbps(或以上)時，有一定的誤碼，但誤碼率低于0．075％。因此，該無線射頻收發(fā)系統(tǒng)具有傳輸距離遠、穿墻能力強、通信誤碼率低的特點。

結 語
??? 本系統(tǒng)完全可以擴充為一個網(wǎng)絡系統(tǒng)，形成一個無線網(wǎng)絡，以應用到現(xiàn)場控制或測控系統(tǒng)中。本文所設計的無線射頻收發(fā)系統(tǒng)工作可靠、穩(wěn)定，具有很好的通用性，稍作改動就可以應用到小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集、生物信號采集、無線遙控等其他一些短距離無線通信領域，具有較高的市場應用價值，為無線數(shù)據(jù)傳輸提供了一個很好的解決方案。