基于PIC16F73和CC1000的無(wú)線(xiàn)數字傳輸模塊設計

在工業(yè)、科學(xué)研究以及醫療設備中，目前出現了大量需要進(jìn)行通信的設備，這些設備通信距離較近、數據量較小、不適合布線(xiàn)。比如自動(dòng)抄表系統、酒店點(diǎn)菜系統以及現場(chǎng)數據采集系統等，其中有很多設備是可移動(dòng)的，而且要求何種小便于攜帶。因此，要求其通過(guò)設備具有體積小、功耗低、成本低、使用方便等特點(diǎn)?；谶@些需求，本文給出了一款超低功耗的無(wú)線(xiàn)數字傳輸模塊的設備及實(shí)現方法。

該模塊采用Chipcon公司的超低功耗FSK調制解調芯片CC1000和Microchip公司的低功耗單片機PIC16F73，從而保證了系統的超低功耗。同時(shí)，為了適應電池供電系統的應用，該模塊支持查詢(xún)方式的無(wú)線(xiàn)通信，可以使系統的平均工作電流低至10μA。該模塊具有8組信道，可以實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)的半雙工通信，并且提供標準串行數據接口，支持TTL、RS232和RS485通信接口，可以方便地與其它控制器或計算機連接。

1 模塊硬件設計

模塊結構框圖如圖1所示。

作為工作在物理層和數據鏈路層的底層通信設備，該系統完成數據的調制解調、假數據過(guò)濾、數據組合、解碼數據幀、數據校驗等功能。在接收過(guò)程中完成數據由電信號向位流、由位流數據向字節，由字節向數據幀的變換，而在發(fā)送過(guò)程中則完成接收到的逆向過(guò)程。數據發(fā)送過(guò)程中數據流的變化如圖2所示。

調制解調由CC1000完成。系統采用頻移鍵控調制(FSK)，載波頻率為434MHz，帶寬為64kHz，數據采用差分曼徹斯特編碼發(fā)送，空中發(fā)送數據速率可以根據需要設置，最高FSK數據速率為76.8kpbs。CC1000采用三線(xiàn)命令接口和兩線(xiàn)數據接口，可編程配置載波頻率和數據速率等內容。有關(guān)CC1000的詳細內容見(jiàn)參考文獻。

模塊控制器在發(fā)送時(shí)從用戶(hù)接口接數據和命令，并將用戶(hù)數據轉換成數據幀傳送給CC1000，控制CC1000進(jìn)行數據發(fā)送。在接收時(shí)，控制器接收從CC1000傳送過(guò)來(lái)的數據，分析數據，過(guò)濾噪聲，將數據由位流轉換為字節，進(jìn)行校驗并將用戶(hù)數據通過(guò)串行口傳送給用戶(hù)，使用戶(hù)可以實(shí)現所發(fā)即所收。

模塊是為低功耗系統而設計的，除了具有SLP引腳可以直接休眠模塊外，還有一些專(zhuān)門(mén)設計的命令來(lái)支持使用查詢(xún)方式的通信。PCMD、RX、TX三線(xiàn)組成模塊的三線(xiàn)接口，配置命令時(shí)PCMD必須為高電平。配置命令工作時(shí)序如圖3所示。

發(fā)送數據時(shí)PCMD應置為低電平，通過(guò)串行口發(fā)送數據即可。模塊使用時(shí)間間隔區分數據幀，如果有傳輸半個(gè)字節的時(shí)間沒(méi)有接收到數據，則認為此前接收到的為一幀數據，系統將編碼該幀數據并通過(guò)CC1000進(jìn)行調制和發(fā)送。因此，如果用戶(hù)數據是以數據幀的格式發(fā)送的，用戶(hù)應當連續發(fā)送數據，以避免模塊將一幀數據分割為兩幀數據發(fā)送，從而降低發(fā)送效率。模塊只能進(jìn)行半雙工通信，沒(méi)有數據發(fā)送時(shí)模塊處于接收狀態(tài);有休眠信號時(shí)模塊進(jìn)入體眠狀態(tài)，此時(shí)模塊無(wú)法接收和發(fā)送數據，只有將模塊喚醒后，才能發(fā)送和接收數據。READY信號是模塊工作狀態(tài)指示信號。當READY長(cháng)時(shí)間處于低電平狀態(tài)時(shí)，可以使用RST將模塊復位，重新設置模塊的工作狀態(tài)，以避免模塊處于錯誤工作狀態(tài)。

2 軟件設計

系統軟件采用專(zhuān)門(mén)為PIC單片機進(jìn)行了優(yōu)化，能夠為PIC系列單片機產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)高效的代碼，具體內容參考文獻。系統控制器軟件設計是本系統的核心內容，由于控制器要完成與用戶(hù)和CC1000雙方的通信及數據封裝，因此系統軟件借用Windows系統的消息循環(huán)機制設計，采用消息循環(huán)的體系結構。這種結構使得程序結構清晰、可擴展性強、可移植性強。經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的初中，證明這種結構非常適合單片機系統軟件的開(kāi)發(fā)。

圖4為程序初始化和主函數部分的結構框圖。系統程序總線(xiàn)結構采用消息驅動(dòng)機制。在系統內部寄存器和變量初始化完成后便可以進(jìn)入消息循環(huán)程序查詢(xún)系統消息。系統消息一般是CPU外部或內部的事件通過(guò)CPU中斷系統激勵CPU運行的。為了能夠使系統產(chǎn)生和響應消息，必須啟動(dòng)CPU的中斷系統，因而在進(jìn)入消息循環(huán)前啟動(dòng)CPU定時(shí)中斷、串行通信中斷、外部觸發(fā)中斷。程序初始化部分在CPU上電或復位后只執行一次，CPU在正常工作時(shí)即將終都在消息循環(huán)中反復檢測消息是否存在，并根據消息的種類(lèi)做不同的操作，最后清除相應的消息標志，再進(jìn)行循環(huán)檢測消息。本系統中消息共有三種，分別是程序節拍控制信號、與CC1000通信的信號以及與用戶(hù)通信的信號。程序節拍控制信號控制程序的運行過(guò)程，包括時(shí)間信號、外部中斷信號(休眠、喚醒)以及其它定時(shí)動(dòng)作信號;與CC1000通信的信號包括CC1000狀態(tài)轉換信號、接收完成信號、發(fā)送開(kāi)始信號以及發(fā)送完畢信號等，負責管理與CC1000的通信和控制工作;與用戶(hù)通信的信號包括接收用戶(hù)數據完畢信號、用戶(hù)數據發(fā)送完畢信號以及向用戶(hù)發(fā)送數據開(kāi)始信號等，負責與用戶(hù)的通信管理。程序的消息循環(huán)結構如圖5所示。