基于Si4432的無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)系統設計

本文設計了一種基于無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片Si4432和C8051F930單片機的無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)系統。該系統由發(fā)送模塊和接收模塊組成。發(fā)送模塊主要將要發(fā)送的數據經(jīng)C8051F930處理后，通過(guò)Si4432發(fā)送出去；在接收模塊中，Si4432則將數據正確接收后通過(guò)液晶顯示出來(lái)，從而實(shí)現短距離的無(wú)線(xiàn)通信。該系統實(shí)現了低功耗、小體積、高靈敏度條件下的高質(zhì)量無(wú)線(xiàn)數據傳輸。

1 無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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；內部集成分集式天線(xiàn)、功率放大器、喚醒定時(shí)器、數字調制解調器、64字節的發(fā)送和接收數據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，設計簡(jiǎn)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(zhì)量，在擴大傳輸范圍的同時(shí)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，不加功率放大器時(shí)的最大輸出功率就可達+20dBm，設計良好時(shí)收發(fā)距離最遠可達2 km。Si4432可適用于無(wú)線(xiàn)數據通信、無(wú)線(xiàn)遙控系統、小型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、小型無(wú)線(xiàn)數據終端、無(wú)線(xiàn)抄表、門(mén)禁系統、無(wú)線(xiàn)遙感監測、水文氣象監控、機器人控制、無(wú)線(xiàn)RS485／RS232數據通信等諸多領(lǐng)域。

2 無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)系統設計
2．1 系統總體方案
無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)系統的結構框圖如圖1所示，由C8051F930單片機控制Si4432實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據的收發(fā)。發(fā)送模塊中的C8051F930將數據傳送給Si4432進(jìn)行編碼處理，并以特定的格式經(jīng)天線(xiàn)發(fā)送給接收模塊。接收模塊對接收到的射頻信號放大、解調之后，再將數據送給主控制器C8051F930進(jìn)行相應的處理，如送液晶顯示等。系統提供了按鍵和液晶(OCM12864-9)等人機交互界面，還留有RS232接口可以實(shí)現與PC機通信。

2．2 系統硬件設計
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(mǎn)足了本系統對微控制器的要求；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)，內部集成的2個(gè)內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(gè)高效率直流升壓轉換器，最多提供65 mW給內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(guò)內置增強型SPI對Si4432的內部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，靈活配置各項參數。通過(guò)SPI接口完成對Si4432的初始化配置、讀寫(xiě)數據、訪(fǎng)問(wèn)FIFO等操作。使用4線(xiàn)SPI，即MOSI、MISO、SCK和nSEL。
MOSI用于從C8051F930到Si4432的串行數據傳輸；MI-SO用于從Si4432到C8051F930的串行數據傳輸；SCK用于同步C8051F930和Si4432之間在MOSI和MISO線(xiàn)上的串行數據傳輸；nSEL作為片選信號，只有片選信號為低電平時(shí)，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、有有效的數據包發(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(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SDN接地(SDN=0)時(shí)，芯片處于常規工作模式；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容會(huì )丟失，且不允許SPI訪(fǎng)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用。在連接到電源后，在SDN的下降沿上電復位，根據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，應嚴格按照數據手冊提供的參數選型。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(guò)這款交叉開(kāi)關(guān)實(shí)現分集式天線(xiàn)發(fā)送和接收通道的自動(dòng)切換。