基于STM32F103的433MHz頻段無(wú)線(xiàn)數傳模塊的設計

0 引言

隨著(zhù)近些年無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的無(wú)線(xiàn)技術(shù)開(kāi)始涌現，GSM/GPRS、Wlan、Zigbee等，為了更方便人們生產(chǎn)生活，以及改變現有的無(wú)線(xiàn)頻道變得越來(lái)越擁擠的現狀，不同國家相繼開(kāi)通了一些用于免費的ISM頻段，其中430M～510M的頻段在中國最為常用。

本文選用ST公司生產(chǎn)的STM32F103RB作為主控芯片，TI公司生產(chǎn)的CC1101作為射頻芯片，設計一種工作在433.05MHZ頻段的MCU+RF無(wú)線(xiàn)數傳射頻模塊，并編寫(xiě)相應的測試函數，用來(lái)對無(wú)線(xiàn)模塊輸出功率，通信距離等參數進(jìn)行了測試和驗證。

1 總體結構概述

根據實(shí)際的應用要求，無(wú)線(xiàn)數傳模塊主要包含以下幾個(gè)部分：主控部分、射頻部分、外圍接口部分。主控部分負責數據處理堯控制射頻部分的收發(fā)工作;射頻部分負責交換控制信息和相關(guān)數據;外圍接口部分為整個(gè)模塊提供工作電源，同時(shí)為整個(gè)模塊提供串行接口，方面模塊進(jìn)行測試。整個(gè)無(wú)線(xiàn)數傳模塊硬件體系結構如圖1所示。

圖1 無(wú)線(xiàn)數傳模塊硬件框圖

2 模塊硬件電路部分設計

2.1 射頻部分設計

射頻通信的具體實(shí)現需通過(guò)射頻電路完成，隨著(zhù)微電子技術(shù)和集成電路的發(fā)展，現代射頻通信電路都已集成在射頻芯片內部。目前市場(chǎng)上的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片的種類(lèi)比較多，生產(chǎn)廠(chǎng)家有德州儀器、ATMEL、飛思卡爾、笙科電子等，而基于430MHz～510MHz的無(wú)線(xiàn)計量頻段的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片較少，其原因是該頻段是剛剛發(fā)布的僅針對中國市場(chǎng)的頻段，在國內也是近兩年才開(kāi)始發(fā)展該頻段的無(wú)線(xiàn)計量系統。

德州儀器在2010年專(zhuān)門(mén)針對中國市場(chǎng)設計了一款基于430MHz～510MHz頻段的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片CC1101，本文也采用該芯片。CC1101 射頻芯片數據速率支持1.2到500kBaud可編程速率，支持2-FSK、GFSK、MSK以及OOK等調試方式，發(fā)射功率可達+10dBm，接收靈敏度最高可達-112dBm，該芯片的最大優(yōu)勢在于低功耗特性，睡眠模式電流消耗為700nA，且外圍器件相對較少，采用QFN封裝，可大大降低無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本。

CC1101內部集成了射頻通信的收發(fā)電路。發(fā)送時(shí)，信號來(lái)源于外部的串行外設接口(SPI，Serial Peripheral Interface)，CC1101收到數據后會(huì )將其放在TXFIFO中，經(jīng)過(guò)數據包處理器堯前向糾錯/信道交織編碼，進(jìn)入調制器中，從調制器中出來(lái)的已調信號通過(guò)混頻器(上變頻)，將頻率調節為適合在信道上傳輸的信號，之后通過(guò)功率放大器，將信號放大傳輸到差分信號引腳上。接收時(shí)，數據從差分信號引腳輸入，經(jīng)過(guò)低噪音放大器，將信號放大，同時(shí)降低了噪音的產(chǎn)生，放大后的信號經(jīng)過(guò)混頻器(下變頻)進(jìn)行變頻，產(chǎn)生中頻信號，中頻信號經(jīng)AD轉換，自動(dòng)增益控制，頻率濾波后，由解調器將信號解調出來(lái)，再經(jīng)過(guò)糾錯/交織編碼，最后將數據放在RXFIFO中，通過(guò)SPI口發(fā)送到微控制器。

射頻模塊的設計電路圖如圖2所示。

圖2 射頻部分原理圖

圖2中，CC1101引出SPI接口和微控制器進(jìn)行通信，且CC1101為從機模式，GDO0和GDO2引腳與微控制器的中斷引腳相連，用來(lái)產(chǎn)生FIFO狀態(tài)信號(中斷信號)，來(lái)判斷數據收發(fā)狀態(tài)。XOSC_Q引腳用來(lái)外接26M晶振，為頻率合成器提供參考頻率，同時(shí)為CC1101的ADC和數字部分提供時(shí)鐘信號。RF_P和RF_N是一個(gè)差分信號引腳，是射頻信號發(fā)射和接收端口。

2.2 主控部分電路

作為單純的射頻收發(fā)器，CC1101需要額外的微控制器通過(guò)SPI接口實(shí)現對該射頻芯片的控制。除此之外，微控制器還負責與計量設備進(jìn)行通信。

相對于射頻收發(fā)器，微控制器的類(lèi)型更為繁多，從8位的微控制器到64位的處理器都可以作為射頻芯片的控制器。主流的有51系列的8位控制器，16位的MSP430系列和AVR系列單片機，32位的ARM7系列和STM32系列處理器以及64位的ARM9系列等處理器。選擇合適的控制器對射頻芯片來(lái)說(shuō)尤為重要，制約因素包括兼容性堯低功耗性能堯低成本等。本文選用的微控制器為STM32F103RB，該芯片具有超低功耗特性，它的代碼執行速度高達1.25MIPS/MHZ，它內置高128K的FLASH和20K的SRAM，同時(shí)具備豐富的I/O端口和外設，包含16通道12位的ADC，4通用16位定時(shí)器，電機控制PWM接口，2個(gè)I2C，2個(gè)SPI，3個(gè)串口，1個(gè)USB控制器，一路總線(xiàn)接口等。

主控部分電路包含了STM32F103RB的最小系統，包括晶振電路堯復位電路以及外接接口，如圖3所示。

圖3 主控部分原理圖

3 無(wú)線(xiàn)射頻模塊PCB設計

采集模塊的PCB制板重點(diǎn)是射頻部分的設計。PCB布局對射頻電路具有很大的影響，在制板時(shí)如果不合理布局會(huì )導致模塊整體性能下降，甚至無(wú)法工作。對于射頻電路，首先盡量選用封裝小的元器件，CC1101模塊中電容堯電感和電阻都采用0402封裝。其次，元器件排列要緊密，尤其是巴倫電路和相應的濾波電路，這樣做能夠有效的抑制分布參數的產(chǎn)生，降低分布參數對電路輸出阻抗的影響。再次對射頻芯片的電源做隔離處理，和其他模塊的電源要分開(kāi)，CC1101模塊采用磁珠和微控制器電源進(jìn)行隔離。最后濾波電容要盡量靠近需要濾波的器件或者網(wǎng)絡(luò )，減少外部干擾的幾率，提高抗干擾能力。射頻模塊PCB圖以及實(shí)物圖如4所示。

圖4 射頻模塊PCB和實(shí)物圖

4 實(shí)物測試

通過(guò)優(yōu)化得到電路圖，投板，生產(chǎn)PCB。焊接好元器件。為了檢驗輸出模塊的性能，要進(jìn)行測試無(wú)線(xiàn)模塊通信鏈路的輸出功率測試。選用安捷倫頻譜分析儀E9060A測試模塊的最大輸出功率。設置CC1101輸出功率寄存器PATABALE=0xC0，即輸出功率預設10dbm。實(shí)際測試輸出端功率為10.16dbm，如圖5所示。

圖5 無(wú)線(xiàn)模塊最大輸出功率測試圖

在空曠場(chǎng)地實(shí)際測量，最大穩定通信距離可達到400m，數據丟包小于1.5%。

5 結束語(yǔ)

根據實(shí)際要求，設計和生產(chǎn)了工作在430.99-434MHz的無(wú)線(xiàn)數傳模塊。由測量得到的數據可知，該無(wú)線(xiàn)數傳模塊在400米范圍內可正常使用。由于受設備和測量條件的限制，對一些其他參數并未進(jìn)行測量，這是日后要完善的地方。當有特殊場(chǎng)合需較遠的通信距離的應用時(shí)，可以在CC1101的輸出端加上功率放大器，提高發(fā)射功;曰在RF輸入端加一級低噪聲放大器，以一步提高接收靈敏度。根據應用場(chǎng)合，對電路的改進(jìn)也是日后工作的重點(diǎn)之一。