劉雪亭

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 廣元 628040）

基于CC1101的無線收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉雪亭

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 廣元 628040）

無線射頻收發(fā)系統(tǒng)是近年來通信領(lǐng)域中發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的模塊電路。該系統(tǒng)由發(fā)射模塊和接收模塊組成，以單片機(jī)C8051F310作為控制核心部件，基于無線收發(fā)芯片CC1101構(gòu)成的通信傳輸模塊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息的無線收發(fā)。本文對(duì)其工作原理和工作方式進(jìn)行了分析，給出了其軟硬件設(shè)計(jì)過程。

CC1101；C8051F310；發(fā)射模塊；接收模塊

無線射頻收發(fā)系統(tǒng)是近年來通信領(lǐng)域中發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的技術(shù)。它由單片微控制器和集成射頻無線通信模塊組成，其具有短距離、小功耗、效率高等傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)[1]，在民用、工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。作為一種無線通信傳輸系統(tǒng)的實(shí)用技術(shù)，只需使用單片微控制器，加上無線集成射頻收發(fā)芯片和少量外圍器件便構(gòu)成專用或通用無線通信收發(fā)模塊[2]，只要改變軟件程序進(jìn)行控制操作，就可實(shí)現(xiàn)信息的無線傳輸和收發(fā)功能，且具有傳輸效率高，誤碼率低的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于CC1101的無線收發(fā)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)的收發(fā)模塊由C8051F310微控制器、CC1101無線射頻收發(fā)模塊、外圍輔助電路和顯示電路等組成。短距離無線收發(fā)模塊包括無線發(fā)射器和無線接收器兩部分，其通信的基本原理是發(fā)射模塊的數(shù)據(jù)通過天線發(fā)射出去，接收模塊天線接收后，進(jìn)行一系列數(shù)據(jù)處理，得到正確的、經(jīng)過糾錯(cuò)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)[3]，從而實(shí)現(xiàn)信息的雙工通信。

圖1 無線收發(fā)系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1）CC1101模塊

CC1101是一款針對(duì)極低功耗、射頻頻段在 433/868/ 915MHz應(yīng)用的無線傳輸芯片，能夠提供對(duì)數(shù)據(jù)包處理、接收信號(hào)強(qiáng)度指示、突發(fā)傳輸、數(shù)據(jù)緩沖、空閑信道評(píng)估、鏈路質(zhì)量指示以及無線喚醒等功能的硬件支持。其具有高效的SPI接口；利用一次“突發(fā)”數(shù)據(jù)傳輸便可對(duì)所有寄存器進(jìn)行編程；支持64字節(jié)發(fā)送/接收FIFO，用戶可以設(shè)計(jì)高效編程緩沖，以達(dá)到最快傳輸波特率。目前，CC1101已在無線通信系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

圖2 CC1101原理框圖

CC1101芯片內(nèi)部的模塊化原理框圖如圖2所示。其工作原理如下：從RF_N與RF_P的端口輸入兩路的射頻差分接收信號(hào)，首先被低噪聲放大器放大，隨后經(jīng)下變頻處理，分解為同相（I）和正交（Q）的中頻信號(hào)，經(jīng)中頻濾波器后，其I、Q兩路信號(hào)分別通過A/D變換器和解調(diào)器還原為數(shù)字基帶信號(hào)，經(jīng)過前向糾錯(cuò)與交織處理、數(shù)據(jù)包處理，再經(jīng)過收、發(fā)緩沖器后，從GDO0和GDO2的兩個(gè)通用數(shù)據(jù)輸出端輸出。其中，自動(dòng)增益控制（AGC）、信道濾波以及同步等功能模塊均通過數(shù)字的方式實(shí)現(xiàn)。信號(hào)的發(fā)射過程是通過對(duì)基帶數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行頻譜搬移來實(shí)現(xiàn)的。信號(hào)接收和發(fā)射過程中所需的本振信號(hào)均通過（基于鎖相環(huán)路的）直接頻率合成的方式獲得。該頻率合成器包含一個(gè)全片上的LC型壓控振蕩器VCO和一個(gè)900的移相器，用于產(chǎn)生同相和正交信號(hào)在變頻時(shí)所需的本振信號(hào)。外接石英晶體為頻率合成器提供參考頻率，同時(shí)也為芯片的數(shù)字電路提供系統(tǒng)時(shí)鐘，從SCLK的腳輸入。

2）無線收發(fā)電路設(shè)計(jì)

基于CC1101的無線通信電路如圖3所示。其中，電容C124是耦合電容，用于隔離直流；電容C121、C131與電感L121、L131組成巴倫電路（平衡-不平衡變換器），用于12、13引腳的差分信號(hào)與單端射頻信號(hào)間的轉(zhuǎn)換；電容C122、C123與電感L122、L123組成低通型的LC選頻網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)將輸出阻抗匹配到50 Ω（依據(jù)芯片手冊(cè)可知，433 MHz頻率下，芯片射頻端口的差分輸出阻抗為116+j41Ω）；石英晶振頻率為26 MHz；SI、SO。SCLK以及CSn組成的4線SPI接口用于配置和數(shù)據(jù)緩沖器的訪問。

圖3 基于CC1101的433MHz無線通信電路原理圖

依據(jù)上述電路圖制作的無線傳輸模塊，至少達(dá)到最低1.2 kbps、最高500 kbps的信息傳輸速率。使用單片機(jī)SPI總線對(duì)模塊內(nèi)部寄存器和I/O口進(jìn)行訪問和控制，達(dá)到數(shù)據(jù)收發(fā)之目的，模塊數(shù)據(jù)速率和收發(fā)頻率可調(diào)?？伸`活使用51，AVR，PIC等單片機(jī)作為控制器，組成一個(gè)數(shù)據(jù)收發(fā)站點(diǎn)。

3）微處理器設(shè)計(jì)

C8051F3l0是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU芯片，其具有簡(jiǎn)單實(shí)用、抗干擾能力強(qiáng)，控制靈活等優(yōu)點(diǎn)[4]，通常配以簡(jiǎn)單的外圍電路就可以構(gòu)成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。C8051F310單片機(jī)采用射頻SoC（片上系統(tǒng)）進(jìn)行無線通信設(shè)計(jì)，是開發(fā)低成本、低功耗無線通訊應(yīng)用系統(tǒng)的理想方案。MCU有多達(dá)8個(gè)復(fù)位源：一個(gè)看門狗定時(shí)器、一個(gè)片內(nèi)VDD監(jiān)視器、上電復(fù)位電路（POR）、、一個(gè)由比較器提供的電壓檢測(cè)器、一個(gè)時(shí)鐘丟失檢測(cè)器、一個(gè)軟件強(qiáng)制復(fù)位、外部復(fù)位輸入引腳和FLASH讀/寫錯(cuò)誤保護(hù)復(fù)位。除了POR、復(fù)位輸入引腳及FLASH操作錯(cuò)誤這3個(gè)復(fù)位源之外，其他復(fù)位源都可以被軟件禁止[5]。C8051F3l0單片機(jī)與CC1101接口電路如圖4所示。

在文中的收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，CC1101與一個(gè)微控制器C8051F3l0和少數(shù)幾個(gè)外接元件便可組成一個(gè)完整的無線信息收發(fā)系統(tǒng)。使用MCU的P2.0口對(duì)CC1101進(jìn)行控制和信息的收發(fā)傳輸，其P2.0口、P2.1口、P2.2口、P2.5口組成串行外設(shè)接口（SPI[6]；MCU的P2.1口提供串行時(shí)鐘控制；P2.3與P2.4口是通用數(shù)據(jù)輸出端，可用于出理微處理器（MCU）的相關(guān)中斷。CC1101在1.8～3.6 V的低電壓下工作，在CC1101的電源供電端DVDD加一個(gè)PNP開關(guān)三極管來控制CC1101與電源的通斷：當(dāng)P3.5輸出為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，CC1101與電源連接；當(dāng)P3.5輸出高電平時(shí)，三極管截止，CC1101與電源斷開。在不需要CC1101進(jìn)行無線通信時(shí)將其關(guān)閉，需要時(shí)再打開，這樣做的目的是為了降低功耗，延長電池的使用壽命。

圖4 MCU與CC1101接口電路示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1）CC1101無線收發(fā)流程設(shè)計(jì)

對(duì)CC1101的收發(fā)過程進(jìn)行正確的程序設(shè)計(jì)，就能夠?qū)崿F(xiàn)信息的無線收發(fā)傳輸。無線通信收發(fā)模塊CC1101接收到微處理器的控制命令后，根據(jù)這些命令進(jìn)行信息的模/數(shù)轉(zhuǎn)換、解調(diào)、打包和數(shù)據(jù)包傳輸?shù)炔僮?，其無線收發(fā)程序流程如圖5所示。

圖5 無線通信收發(fā)程序流程圖

2）CC1101無線收發(fā)程序設(shè)計(jì)

①無線通信模塊的發(fā)射部分程序如下：

②無線通信模塊的發(fā)射部分程序如下：

4 系統(tǒng)測(cè)試

在發(fā)射信息時(shí)，將CC1101設(shè)置為待機(jī)和編程狀態(tài)，然后再初始化射頻寄存器參數(shù)。C8051F3l0單片機(jī)通過掃描鍵盤讀出按鍵值后，把該按鍵值打包，等待發(fā)送。C8051F3l0發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，按照SPIO接口時(shí)序把要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入CC1101收發(fā)模塊中，再初始化發(fā)射端的地址，在初始化過程中一定要保證發(fā)送端與接收端的地址相互匹配，且發(fā)射端發(fā)射的數(shù)據(jù)有效寬度必須與接收端接收的數(shù)據(jù)一致。然后把C8051F3l0設(shè)置為發(fā)送模式，并且完成數(shù)據(jù)的打包處理，給數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、調(diào)制以及發(fā)送。在發(fā)送完成后，相應(yīng)的引腳被設(shè)置為低電平0，CC1101回到待機(jī)模式。

圖6 無線通信模塊誤碼率測(cè)試圖

在接收信息時(shí)，初始化的設(shè)置過程同發(fā)射時(shí)基本一致。先將CC1101設(shè)置為接收模式，不斷地檢測(cè)載波，等待接收數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到同頻段的載波并且收發(fā)兩端地址也匹配時(shí)，CC1101進(jìn)行數(shù)據(jù)包的接收，并完成A/D轉(zhuǎn)換、解碼、解調(diào)、糾錯(cuò)等相關(guān)工作。然后將數(shù)據(jù)通過SPIO接口傳輸?shù)紺8051F3l0單片機(jī)中，接收完成后CC1101繼續(xù)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

在無線通信模塊和無線反饋控制器調(diào)試成功后，對(duì)無線通信模塊進(jìn)行了誤碼率測(cè)試，如圖6所示。測(cè)試條件為使用串行口COM1，波特率為19.2 kbps，數(shù)據(jù)位為8位，停止位為1位，測(cè)試距離為20 m，發(fā)送了17千個(gè)字節(jié)，錯(cuò)誤字節(jié)為19個(gè)，誤碼率為0.11‰。

5結(jié) 論

通過對(duì)以C8051F3l0單片機(jī)為微控制器，以CC1101射頻收發(fā)模塊為無線通信系統(tǒng)，對(duì)其軟、硬件電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的雙向傳輸，其接口簡(jiǎn)單、節(jié)省I/O口線，保證系統(tǒng)通信的可靠性，減少通信沖突和降低誤碼率等問題的特點(diǎn)，因此有很強(qiáng)的應(yīng)用性。

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Design of wireless transceiver system based on CC1101

LIU Xue-ting
（Sichuan Information Technology College，Guangyuan 628040，China）

Wireless RF transceiver system is the fastest and most widely used in the communication field in recent years.The system is composed of a transmitting module and a receiving module.The system is composed of a single chip microcomputer C8051F310 as the core component，and a communication transmission module system based on the wireless transceiver CC1101 is realized.In this paper，the working principle and working mode are analyzed，and the software and hardware design process is given.

CC1101；C8051F310；transmitting module；receiving module

TN929-5

A

1674－6236（2016）18-0123-03

2015-10-09 稿件編號(hào)：201510033

劉雪亭（1974—），女，陜西西安人，碩士，副教授。研究方向：電子與通信。