基于HW2181B的航模無(wú)線(xiàn)遙控通信系統設計與實(shí)現

（上海東軟載波微電子有限公司  200030

0 引言

HW2181B 是一款高集成度的2.4 GHz ISM頻段無(wú)線(xiàn)SoC芯片，可應用于無(wú)線(xiàn)航模、智能家居、以及其它無(wú)線(xiàn)數據傳輸和遠程控制等領(lǐng)域。片上集成高性能、低功耗的RF收發(fā)器和32位MCU(單片機)。本設計采用HW2181B SoC單片機作為航模無(wú)線(xiàn)遙控通信系統的核心芯片，在單片機的控制下實(shí)現航模無(wú)線(xiàn)遙控通信系統的遙控器端與接收器端的數據傳輸及2.4G 通信頻道的自動(dòng)跳頻，有效地改善了通信質(zhì)量和通信距離。

1 HW2181B簡(jiǎn)介

HW2181B是一款高集成度的2.4 GHz ISM頻段無(wú)線(xiàn)SoC芯片，片上集成高性能、低功耗的RF收發(fā)器和32位MCU。工作電壓范圍：2.2~3.6V，工作主頻最高48 MHz，

片上RF收發(fā)器的外圍電路簡(jiǎn)單，只需少數外圍被動(dòng)器件即可構成完整的2.4 GHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統。RF 收發(fā)器發(fā)射功率最大可以到8 dBm ，接收靈敏度可達到-93 dBm@250 kbps、-89 dBm@1Mbps。

片上 MCU內部集成32位ARM Cortex-M0 CPU內核，具備36 kB的Flash程序存儲空間。

HW2181B單片機系統框圖如圖1所示。

圖1 HW2181B單片機系統框圖

2 RF收發(fā)器介紹

RF收發(fā)器特性：使用國際通用的2.4 GHz ISM工作頻段(2 402~2 483) MHz，支持GFSK 調制方式，支持250 kbps / 1 Mbps 兩種數據速率，支持數字 RSSI 測量，支持4 PIPE 多邏輯通道傳輸。

2.1 RF收發(fā)器工作模式如圖2所示。

圖2 RF收發(fā)器工作模式

當使能RF收發(fā)器DBUS_TXEN并且發(fā)送FIFO處于有效狀態(tài)后，RF收發(fā)器進(jìn)入TX模式。在發(fā)送完成之后，RF收發(fā)器進(jìn)入IDLE模式，關(guān)閉DBUS_TXEN后，RF收發(fā)器進(jìn)入SLEEP模式。

當使能RF收發(fā)器DBUS_RXEN并且接收FIFO處于有效狀態(tài)后，RF收發(fā)器進(jìn)入RX模式。若FIFO為占用狀態(tài)不滿(mǎn)足接收條件時(shí)，RF收發(fā)器進(jìn)入IDLE模式，關(guān)閉DBUS_RXEN后，

RF收發(fā)器進(jìn)入SLEEP模式。

2.2 RF收發(fā)器數據包

結構如圖3所示。

圖3 RF收發(fā)器數據包結構

Preamble

支 持 2,4,6…16bytes, 長(cháng) 度 可 通 過(guò) 寄 存 器 PREAMBLE_LEN （ PKTCTRL 寄 存 器 的Bit15-Bit13）配置。

PIPE Address(Syncword)

支持16/32/48 bit, 長(cháng)度可通過(guò)寄存器 SYNCWORD_LEN（PKTCTRL 寄存器的 Bit12-Bit11）

配置。支持4路數據通道，PIPE Address 可通過(guò)寄存器0x40~0x47配置。

Trailer

支持 4~18 bit, 長(cháng)度可通過(guò) TRAILER_LEN（PKTCTRL 寄存器的 Bit10-Bit8）配置。

PID

PID 長(cháng)度為2 bit，發(fā)送時(shí)由硬件自動(dòng)產(chǎn)生。 PTX 每發(fā)送1次新的數據包 PID 將自動(dòng)加‘1’。

PRX 針對當前接收的 PIPE 地址，依據 PID 與 CRC 值確定當前包為新接收包或重傳包（重

傳包會(huì )被丟棄）。PTX 若重發(fā)超時(shí)，在下一次重新發(fā)送時(shí) PID 不累加。

NOACK

此指示位用于當 ACK 功能使能時(shí)，PTX 告知 PRX 當前包無(wú)需 ACK 的特例情況?？梢酝ㄟ^(guò)

PTX_FIFOn_NOACK（FIFOnCTRL 寄存器的 Bit4）進(jìn)行設置。

PAYLOAD

硬件鏈路控制方式下，每級 FIFO 最大支持 63bytes 的 PAYLOAD，非定長(cháng)模式 FIFO 的第1個(gè) byte 代表 PAYLOAD 的長(cháng)度，定長(cháng)模式 PAYLOAD 長(cháng)度由寄存器 FIX_PLD_LEN 配置。

軟件鏈路控制方式下，PAYLOAD 的長(cháng)度由主控 MCU 芯片決定。

CRC

硬件鏈路控制方式下，支持 CRC16 與 CRC8 兩種模式，可通過(guò) CRC_SEL（MISC1 寄存器

的 Bit14）配置。

CRC16 生成多項式為：x 16 +x 12 +x 5 +1

CRC8 生成多項式為 ：x 8 +x 2 +x+1

軟件鏈路控制方式下不支持硬件 CRC 功能。

3 系統硬件設計

3.1 原理圖設計

HW2181B 是一款高集成度的 2.4 GHz 無(wú)線(xiàn)SoC 芯片，片上集成高性能、低功耗的射頻收發(fā)器和32位MCU。片上射頻收發(fā)器的外圍電路簡(jiǎn)單，只需少數外圍被動(dòng)器件即可構成完整的2.4 GHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統。HW2181B無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統原理圖如圖4所示。

圖4 HW2181B無(wú)線(xiàn)遙控通信系統原理圖

HW2181B 應用電路主要由晶體振蕩電路、射頻匹配網(wǎng)絡(luò )、電源去耦網(wǎng)絡(luò )和數字 I/O 四部分構成。

晶體振蕩電路支持 12 MHz、16 MHz 無(wú)源晶振。根據應用需求的不同，晶振選取原則如下：晶振的頻率公差（Frequency Tolerance）越小，收發(fā)兩端之間的頻率差越小，則遠距離通信成功率將顯著(zhù)提高。因此遠距離應用請盡量選用公差小的無(wú)源晶振，推薦使用公差±10 ppm(10-6) 的無(wú)源晶振。晶振兩邊的負載電容 C7 和 C8 一般不需要焊接，只有在一些對頻率要求比較苛刻的應用，才需要增加電容進(jìn)行微調。電容越大則晶振頻率越低，但需要注意的是，電容太大會(huì )導致晶振不振，由于不同廠(chǎng)家的晶振參數不同，所以具體取值要通過(guò)實(shí)際調試來(lái)確定。

射頻前端匹配網(wǎng)絡(luò )主要完成射頻信號諧波抑制、天線(xiàn)端阻抗匹配等功能，該部分元器件選型對通信將產(chǎn)生較大影響。因此，C1、C2請盡量選用高頻性能好，精度高、穩定性高的電容，推薦用材質(zhì)為 NP0（C0G）的電容，至少也要用 X7R 電容。      

外圍電源去耦電容 C4、C6 和 C9，可以濾除電源上的干擾信號。其中，特別需要注意的是 C6，建議最小取值 10uF，對于一些干擾很大的應用，建議增加到 22 μF 以上。C4和 C9一般取0.1 μF即可。需要注意的是 C5，是芯片內部數字模塊的濾波電容，推薦焊接，可以增強數字電路的穩定性。C3 是內部射頻模塊的濾波電容，一般不用焊接。

3.2   PCB設計

HW2181B 2.4 GHz無(wú)線(xiàn)通信系統對PCB(印制板)設計有比較高的要求，設計不好會(huì )影響通信距離。本設計PCB 如圖5所示。

圖5 HW2181B無(wú)線(xiàn)遙控通信系統PCB

射頻 PCB 對于布局和布線(xiàn)都有一定的要求，注意事項如下。

1)   需要特別注意的是ANT 腳有直流電壓輸出，所以推薦使用電容方案，此方案可以外接 PCB天線(xiàn)和導線(xiàn)天線(xiàn)。

2)   芯片底部中間的大焊盤(pán)（EP）腳必須接地，建議在此焊盤(pán)上添加 9 個(gè)均勻排列的接地過(guò)孔。推薦過(guò)孔尺寸為 0.3 mm，減小漏錫的風(fēng)險。3 腳和 5 腳不需要和底部大焊盤(pán)連接，主要用于射頻信號隔離。

3)   射頻器件必須優(yōu)先布局布線(xiàn)。C1 和 C2 是射頻匹配元件，必須盡可能靠近芯片的 ANT腳（PIN4），推薦的布局方式是 C1 垂直放置，C2 水平放置。射頻電路（包括射頻走線(xiàn)、器件和天線(xiàn)接口）周?chē)家?，并均勻放置一些接地過(guò)孔。

4)   C4 和 C6 是芯片電源的濾波電容，是系統穩定工作的保證，不能省略。

特別是和芯片 PIN1和 PIN2 連接的 C6，應該選取大容量電容，建議最小取值為 10 μF，推薦 22 μF 以上。C5 推薦焊接，可以增強芯片的可靠性。C3 電容一般不需要焊接，可以在PCB板上預留位置。

5)   芯片內部RF收發(fā)器的電源管腳是PIN1、PIN2、PIN9，MCU的電源管腳是PIN36，它們在內部無(wú)連接，所以需要在外部連接到電源上。RF 收發(fā)器的電源線(xiàn)可以在芯片管腳和中間大焊盤(pán)（EP）之間的區域之間走線(xiàn)（見(jiàn)圖中的高亮線(xiàn)），由于是在芯片底部，為了避免短路，需要在電源走線(xiàn)上增加一層絲印保護。電源線(xiàn)盡量不要在底層走線(xiàn)，以免破壞底層地平面的完整性。

6)   晶振兩邊的C7和C8電容一般不需要焊接，只有在需要調整晶振頻率時(shí)才使用，可以在PCB板上預留位置。

4   遙控器和接收器通信算法概述

1)  系統根據遙控器端產(chǎn)生的5個(gè)隨機地址碼及1-16組成的數進(jìn)行哈希運算，在80個(gè)頻點(diǎn)中生成1個(gè)含16個(gè)頻點(diǎn)的跳頻表，跳動(dòng)時(shí)間間隔為15 ms，精度為±500 μs，采用hash 算法算出此跳頻表，預先存儲1個(gè)16個(gè)頻點(diǎn)的hash table在遙控器端，對碼時(shí)傳給接收器端，接收器端進(jìn)行表的存儲。

2)  遙控器端和接收器端對碼時(shí)均使用同一個(gè)16個(gè)頻點(diǎn)的table，同時(shí)存儲在遙控器端和接收器端。

3)  接收器端通過(guò)依次停留在跳頻表的每個(gè)頻點(diǎn)搜索遙控器端數據，每頻點(diǎn)最多停16×15 ms+2 ms=242 ms，收不到再依次切換到下一個(gè)頻點(diǎn)，收到后即按跳頻表跳動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行時(shí)間同步清零操作。接收器端在計算出的監聽(tīng)點(diǎn)+2 ms區間內監聽(tīng)，收到后即進(jìn)行同步清零，沒(méi)收到計算下一頻點(diǎn)時(shí)間并等候。

5   結語(yǔ)

本文介紹的基于HW2181B SOC MCU航模無(wú)線(xiàn)遙控通信系統的設計與實(shí)現具有很好的實(shí)用價(jià)值和成本優(yōu)勢。特別是本設計采用的通信跳頻算法，提高了系統的抗干擾能力，有效地改善了通信質(zhì)量?；贖W2181B方案的航模無(wú)線(xiàn)遙控通信系統在眾多航模產(chǎn)品研發(fā)企業(yè)中得到廣泛的應用，獲得開(kāi)發(fā)工程師的一致好評。

參考文獻：

[1] 上海東軟載波微電子有限公司.HW2181B數據手冊[Z].

[2] 上海東軟載波微電子有限公司.東軟載波單片機應用系統[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2017.

（注：本文刊登于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年11期）