基于串口透明传输的无线射频收发系统设计

电子

目前市场上各类无线产品种类及应用越来越广泛，如何让广大学生、电子研发人员及一些小公司能快速在自己的产品中使用无线技术、降低无线技术的门槛，是本设计的初衷。对一些没有接触无线技术的人，从学到最后的设计应用需要比较长的时间。本文设计了一种基于无线收发芯片Si4432和单片机C8051F340的无线射频收发系统。基于串口透明传输，用户只需要了解一些串口指令即可方便实现无线收发。多种标准接口方便用户把模块嵌入到自己的产品中去。模块经过大量的试验、改进，能实现较远距离的稳定传输。
1、系统总体方案
无线射频收发系统结构框图如图1所示，由单片机C8051F340控制Si4432实现无线数据的收发。

发送模块中的C8051F340将数据传送给Si4432进行编码处理，并以特定的格式经天线发送给接收模块。接收模块对接收到的射频信号放大、解调之后，再将数据送给主控制器C8051F340进行相应的处理，如送液晶显示等。为测试方便，系统提供了按键和液晶（OCM12864-9）等人机交互接口（模块本身不带显示部分，开发板留有12864接口），还留有RS 232，TTL，RS 485等接口。可以实现模块之间各种标准通信及与PC机通信。
2、硬件设计
Si4432芯片是Silicon Labs公司推出的一款高集成度、低功耗、多频段的EZ Radio PRO系列无线收发芯片。Si4432在使用时所需的外部元件很少，1个30 MHz的晶振、几个电容和电感就可组成一个高可靠性的收发系统，设计简单且成本低。Si4432的接收灵敏度达到-117 dB，可提供极佳的链路质量，在扩大传输范围的同时将功耗降至最低；最小滤波带宽达8 kHz，具有极佳的频道选择性；在240～960 MHz频段内，不加功率放大器时的最大输出功率就可达20 dBm，设计良好时收发距离最远可达2 km。C8051F340也是Silicon Labs公司推出的单片机。具有4 KB的RAM和64 KB的FLASH，片上集成了丰富的外围模块（包括串口，SPI，10位A／D转换器等），很好地满足了本系统对微控制器的要求；支持快速唤醒和最低0．9 V的供电；有多种电源管理模式（如正常模式、空闲模式、休眠模式等），内部集成的2个内建欠压检测器分别适用于休眠模式和正常模式，典型休眠模式下电流仅为50 nA。C8051F340包含1个高效率直流升压转换器，最多提供65 mW给内部微控制器和其他元器件，为了减少正常模式下的电池耗电，C8051F340的省电架构能将操作模式下的电流减小到170μA／MHz。无线收发硬件设计原理图如图2所示。

C8051F340可以通过内置增强型SPI对Si4432的内部寄存器进行读写操作，灵活配置各项参数。通过SPI接口完成对Si4432的初始化配置、读写数据、访问FIFO等操作。使用4线SPI，即MOSI、MISO、SCK和SEL。MOSI用于从C8051F340到Si4432的串行数据传输；MISO用于从Si4432到C8051F340的串行数据传输；SCK用于同步C8051F340和Si4432之间在MOSI和MISO线上的串行数据传输；SEL作为片选信号，只有片选信号为低电平时，对Si4432的操作才有效。Si4432的13～16脚是标准的SPI接口，17脚（IRQ）是中断状态输出引脚。
为了达到较好的通信效果，Si4432的接收低噪声放大器匹配电路和发射功率放大器匹配电路的阻容参数，应严格按照数据手册提供的参数选型。前端的分集式电路采用SKY13267，其V1脚和V2脚分别连接Si4432的GPIO1和GPIO2。通过这款交叉开关实现分集式天线发送和接收通道的自动切换。
3、系统软件设计
软件的开发环境为KeilμVision 3，使用的语言为KeilC51。软件的功能为完成MCU和Si4432的缺省配置；软件设计的目的是完成微控制器和Si4432的初始化配置、数据的接收与发送。
3．1 初始化
初始化程序主要包括C8051F340的初始化，串口的配置、SPI的配置，无线数据接收与发送的频率、传输速率、工作模式等内部寄存器的初始化配置。
C8051F340的数字交叉开关可以将内部的系统资源映射到端口I／O引脚，通过设置交叉开关控制寄存器，将片内资源配置到相应的I／O引脚上，提高了配置的灵活性。在配置SPI时，可以通过对4个特殊功能寄存器：配置寄存器SPI0CFG、控制寄存器SPI0CN、数据寄存器SPI0DAT和时钟频率寄存器SPI0CKR的控制实现，采用4线主SPI模式，通过设置SPI0CKR寄存器，将同步时钟频率设为晶振的1／4，在时钟的每一个上升沿进行操作。
上电之初，Si4432也处于默认状态，需要进行配置才能工作。Si4432有70多个寄存器需要配置，它们决定了Si4432的工作模式，具体配置可以参考Si4432的数据手册。Si4432的初始化是一个重要的部分，配置的恰当与否对系统最终的通信效果有很大的影响。主控制器C8051 F340通过SPI配置Si4432的1ch和1dh等寄存器，写入相应的初始化RF控制字（主要是频率、传输速度和传输方式等）；通过配置33h和34h等寄存器来设置包的结构、前导码长度以及同步字内容等。本系统采用同步传输模式，以0x2DD4作为同步模式的标志码，传输完同步字后才开始传输数据载荷。每次发送数据必须以同步字0x2DD4作为发送数据的同步标志，接收端在检测到同步字后才开始接收数据。
3．2 无线发送程序
无线发送程序流程如图3所示。完成C8051F340、串口发送、SPI和Si4432的初始化后，配置寄存器写入相应的初始化RF控制字。接下来，通过配置Si4432的寄存器3eh来设置包的长度，通过SPI连续写寄存器7fh，往TXFIFO里写入需要发送的数据。然后打开“发送完中断允许标志”，将其他中断都禁止。当有数据包发送完时，引脚IRQ会被拉低以产生一个低电平从而通知C8051F340数据包已发送完毕。完成中断使能后，使能发送功能，数据开始发送。等待IRQ引脚因中断产生而使电平拉低，当IRQ引脚变为低时读取中断状态并拉高IRQ，否则继续等待。如果数据发送成功，指示灯会变亮。一次数据发送成功后，进入下一次数据循环发送状态。

3．3 无线接收程序
无线接收程序流程如图4所示。程序完成C8051F340、串口接收、SPI接口和Si4432的初始化后，配置寄存器写入相应的初始化RF控制字。通过访问寄存器7fh从RX FIFO中读取接收到的数据。相应的控制字设置好之后，若引脚IRQ变成低电平，则表示Si4432准备好接收数据。完成这些初始化配置后，通过寄存器4bh读取包长度信息。然后，打开有效包中断和同步字检测中断，将其他中断都禁止。引脚IRQ用来检测是否有有效包被检测到，若引脚IRQ变为低电平，则表示有有效的数据包被检测到。本系统用0x2DD4作为同步模式的标志码，接收模块通过检测这个同步字来同步接收数据。最后，使能接收功能，数据开始接收。等待IRQ引脚因中断产生而使电平拉低，读取中断标志位复位IRQ引脚，使IRQ恢复至初始的高电平状态以准备下一次中断触发的检测。通过SPI读取RX FIFO中的数据，将数据送至液晶OCM12864显示，之后进入下一次数据接收状态。

4、系统测试与分析
为验证本无线射频收发系统设计的可靠性，进行了7组“发射模块一接收模块”通信实验。在空旷地通信距离约为1 500 m时，7组“发射模块-接收模块”分别工作在430．50 MHz，431．50 MHz，432．50 MHz等7个中心频率上，带宽均取112．8 kHz，频率偏移取±25 kHz，发送4000个数据包。实验证明，在传输速率较低时，误码率为0；在传输速率为100Kb／s（或以上）时，有一定的误码，但误码率低于0．075％。因此，该无线射频收发系统具有传输距离远、穿墙能力强以及通信误码率低的特点。设计良好时，收发距离最远可达2 km。
5、结语

本系统完全可以扩充为一个网络系统，形成一个无线网络，以应用到现场控制或测控系统中。本文所设计的无线射频收发系统工作可靠、稳定，具有很好的通用性，稍作改动就可以应用到小区传呼、工业数据采集、生物信号采集、无线遥控等其他一些短距离无线通信领域，对于一些小公司、电子爱好者可以不管模块里面的无线通信协议及硬件，快速、简单地嵌入到自己产品中去。

犀利的美好生活 · 2021-5-18 12:06:40

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