本文設(shè)計(jì)了一種基于無(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)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。

    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(guò)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(guò)液晶顯示出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)短距離的無(wú)線通信。

    1 無(wú)線收發(fā)芯片Si4432

    采用Silicon Labs EZRadioPRO系列ISM頻段無(wú)線芯片SI4432,在240-960 MHZ頻段下輸出功率可以達(dá)到+20DBm。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分為PC機(jī)、中繼器和節(jié)點(diǎn)三部分，此方案為無(wú)線工程師們使用SI4432芯片開發(fā)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，提供了完整的硬件和軟件參考。SI4432芯片參數(shù)：

    ◆頻率范圍 240—960MHZ

    ◆接收靈敏度 -117dBm

    ◆通訊波特率 1—128kbps

    ◆發(fā)射功率 11—20dBm

    ◆供電電壓 1.8—3.6v

    ◆在關(guān)斷模式下電流為10nA

    ◆在休眠模式下電流為 300nA

    ◆集成電池低電量檢測(cè)、溫度傳感器、電壓調(diào)節(jié)器和8bitADC

    ◆具有自動(dòng)斜率控制功率放大器/頻譜整形

    ◆嵌入式天線多樣算法

    應(yīng)用領(lǐng)域：

    ◆遙控器

    ◆家居安全與報(bào)警器

    ◆遙控鑰匙

    ◆天氣預(yù)報(bào)機(jī)及天氣監(jiān)控器

    ◆個(gè)人/病人數(shù)據(jù)記錄

    ◆遠(yuǎn)程抄表

    ◆智能家居

    ◆無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

    ◆物品監(jiān)控器

    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的接收靈敏度達(dá)到-117 dB，可提供的鏈路質(zhì)量，在擴(kuò)大傳輸范圍的同時(shí)將功耗降至；濾波帶寬達(dá)8 kHz，具有的頻道選擇性；在240～960 MHz頻段內(nèi)，不加功率放大器時(shí)的輸出功率就可達(dá)+20dBm，設(shè)計(jì)良好時(shí)收發(fā)距離遠(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。

    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，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(guò)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(guò)SPI接口完成對(duì)Si4432的初始化配置、讀寫數(shù)據(jù)、訪問(wèn)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(wèn)，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。

    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。

    本系統(tǒng)定義的數(shù)據(jù)包格式如下：

    （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(guò)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。

    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)終的通信效果有很大的影響。主控制器C8051F930通過(guò)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(guò)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)。

    （2）無(wú)線發(fā)送程序

    無(wú)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(yīng)的初始化RF控制字。接下來(lái)，通過(guò)配置Si4432的寄存器3eh來(lái)設(shè)置包的長(zhǎng)度，通過(guò)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(biāo)志，將其他中斷都禁止。當(dāng)有數(shù)據(jù)包發(fā)送完時(shí)，引腳nIRQ會(huì)被拉低以產(chǎn)生一個(gè)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(dāng)nIRQ引腳變?yōu)榈蜁r(shí)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(huì)變亮。數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，進(jìn)入下數(shù)據(jù)循環(huán)發(fā)送狀態(tài)。

    （3）無(wú)線接收程序

    3 PCB設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

    PCB設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能影響很大。以下是設(shè)計(jì)Si4432的PCB時(shí)需要注意的地方：

    ①為了消除走線問(wèn)的感性效應(yīng)，應(yīng)在PCB上空余的地方盡量多布置一些過(guò)孔。為了達(dá)到較好的射頻通信效果，應(yīng)對(duì)整個(gè)PCB都覆地銅。當(dāng)提供了一個(gè)較好的RF地之后，TX／RX區(qū)域的對(duì)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(yīng)該盡量靠近相應(yīng)引腳，這樣可以得到更好的濾波性能。

    ③Si4432的外圍元件很少，應(yīng)盡量使用體積小的0402封裝貼片器件。其中，電感屬于關(guān)鍵器件，需選用高電感。

    ④Si4432的扼流電感L1應(yīng)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(yīng)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(yīng)以接地的覆銅隔離開來(lái)，Tx通道匹配電路的布線區(qū)應(yīng)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(fù)載電容是12 pF，頻率準(zhǔn)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(shí)鐘區(qū)隔離起來(lái)。

    ⑥設(shè)計(jì)PCB時(shí)，QFN封裝的Si4432芯片底部接地。在Si4432芯片底部打9個(gè)12 mil（1000 mil=25.4 mm）大小的接地過(guò)孔，以確保良好的接地和散熱能力，增強(qiáng)通信可靠性。

    ⑦板上的走線盡可能不要經(jīng)過(guò)Tx／RXn／p區(qū)域，以防止匹配網(wǎng)絡(luò)的耦合效應(yīng)。

    4系統(tǒng)測(cè)試與分析

    為驗(yàn)證本無(wú)線射頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性，進(jìn)行了7組“發(fā)射模塊—接收模塊”通信實(shí)驗(yàn)。在空曠地通信距離約為1 500 m時(shí)7組“發(fā)射模塊—接收模塊”分別工作在430.50 MHz、431.50 MHz、432.50 MHz等7個(gè)中心頻率上，帶寬均取112.8 kHz，頻率偏移取±25 kHz，發(fā)送4 000個(gè)數(shù)據(jù)包，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所列。

    從表1中可以看出，在傳輸速率較低時(shí)，誤碼率為0；在傳輸速率為100 kbps（或以上）時(shí)，有一定的誤碼，但誤碼率低于0.075％。因此，該無(wú)線射頻收發(fā)系統(tǒng)具有傳輸距離遠(yuǎn)、穿墻能力強(qiáng)、通信誤碼率低的特點(diǎn)。

    結(jié) 語(yǔ)

    本系統(tǒng)完全可以擴(kuò)充為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，形成一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)控制或測(cè)控系統(tǒng)中。本文所設(shè)計(jì)的無(wú)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(dòng)就可以應(yīng)用到小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集、生物信號(hào)采集、無(wú)線遙控等其他一些短距離無(wú)線通信領(lǐng)域，具有較高的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值，為無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸提供了一個(gè)很好的解決方案。