基于Si4432A的無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)系統設計

　　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;MISO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。

　　2.3 系統軟件設計

　　軟件編程采用模塊化設計思想，系統中各主要功能模塊均編成獨立的函數由主程序調用。功能模塊包括：初始化程序(包括初始化C8051F930、SPI、Si4432)，無(wú)線(xiàn)發(fā)送程序，無(wú)線(xiàn)接收程序等。無(wú)線(xiàn)發(fā)送程序負責寫(xiě)入數據載荷，并根據通信協(xié)議為數據載荷加上前導碼、同步字、數據載荷長(cháng)度及CRC校驗字節，形成數據包將其發(fā)送出去;無(wú)線(xiàn)接收程序負責接收并檢驗數據包中的CRC字節，以確保接收到的數據的正確性。

　　無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊之間的通信是以數據包的形式發(fā)送的，本系統定義的數據包格式如下：

　　其中，Preamble(前導碼)是一連串的10101010，其數量為8n位，n的大小由用戶(hù)編程決定。數據包在傳輸過(guò)程中會(huì )在每個(gè)包的前面加上可設置長(cháng)度的前導碼;接收端為了識別幀的到來(lái)，需要前導碼進(jìn)行幀同步，從而確定收發(fā)系統之間何時(shí)發(fā)送和接收數據。SyncWord(同步字)在前導碼之后，要用設定好的同步字來(lái)作為同步模式的標志碼。本系統設定的同步字為2個(gè)字節，同步字內容為0x2DD4，接收端在檢測到同步字后才開(kāi)始接收數據。Packet Length是數據載荷長(cháng)度。PAYLOAD(有效數據載荷)是用戶(hù)所發(fā)送的數據。CRC(CRC校驗和)由內置CRC校檢。Si4432內部集成有調制/解調、編碼/解碼等功能，從而Prearnble、SyncWord、Packet Length和CRC都是硬件自動(dòng)加上去的，用戶(hù)只需設定數據包的組成結構和部分結構的具體內容(如前導碼和同步字)。

　　本文以半雙工通信為例，介紹通信的實(shí)現過(guò)程。編程環(huán)境為Silabs IDE V3.61，并在該編譯環(huán)境下測試通過(guò)。Silabs IDE集成了源代碼編輯、程序源代碼級調試程序和在系統Flash編程器。同時(shí)支持第三方編譯器和匯編器的使用，

　　(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(xiàn)收發(fā)頻率、工作模式、發(fā)射速率等內部寄存器的初始化配置。

　　系統上電后，C8051F930處于默認狀態(tài)，根據系統功能需求重新進(jìn)行初始化配置。C8051F930的數字交叉開(kāi)關(guān)允許將內部數字系統資源映射到端口I/O引腳，可通過(guò)設置交叉開(kāi)關(guān)控制寄存器，將片內資源配置到具體的端口I/O引腳上。這一特性允許用戶(hù)根據自己的特定應用選擇通用端口I/O和所需數字資源的組合，提高了應用的靈活性。本系統中，主要配置了SPI通信的4線(xiàn)，液晶LCD的數據線(xiàn)接口、控制線(xiàn)接口和RS232串口數據輸入/輸出等。

　　初始化SPI時(shí)，可以通過(guò)對SPIlCFG寄存器和SPIlCN寄存器的配置來(lái)選擇具體使用規則。這里，選擇主SPI，4線(xiàn)模式，時(shí)鐘極性為低電平，在時(shí)鐘上升沿時(shí)對數據采樣;通過(guò)配置SPIlCKR寄存器，可將同步時(shí)鐘頻率設為晶振頻率的1/4。

　　上電之初，Si4432也處于默認狀態(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的數據手冊。Si4432的初始化是一個(gè)重要的部分，配置的恰當與否對系統最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(xiě)入相應的初始化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)設置包的結構、前導碼長(cháng)度、同步字內容等。本系統采用同步傳輸模式，以0x2DD4作為同步模式的標志碼，傳輸完同步字后才開(kāi)始傳輸數據載荷。每次發(fā)送數據必須以同步字0x2DD4作為發(fā)送數據的同步標志，接收端在檢測到同步字后才開(kāi)始接收數據。