陳嚴(yán)君 張帥 王永利

摘要 針對無線產(chǎn)品成本高、安全性差、功耗大、距離短等問題，設(shè)計(jì)了一款基于SX1278和MSP430的無線多路遙控收發(fā)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了一對多雙向通信機(jī)制和低功耗處理機(jī)制。本文對其硬件和軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了說明。試驗(yàn)表明，該收發(fā)機(jī)具有優(yōu)良的性能，能廣泛地應(yīng)用于礦山工程、建筑工程、安防系統(tǒng)等領(lǐng)域。

[關(guān)鍵詞]SX1278 MSP430 無線收發(fā)模塊 低功耗

隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)等飛速發(fā)展，無線通信IC的性能日益提升，無線應(yīng)用領(lǐng)域亦不斷擴(kuò)大，為適應(yīng)新趨勢下發(fā)展的需要，研究設(shè)計(jì)了一種基于SX1278的無線多路遙控收發(fā)機(jī)。該無線遙控收發(fā)機(jī)抗干擾能力強(qiáng)、頻率穩(wěn)定、可靠性高、耐低溫、抗振動(dòng)能力強(qiáng)，可用于礦山工程、建筑工程、安防系統(tǒng)、電力設(shè)備控制等領(lǐng)域。比如礦山爆破，使用這種遙控收發(fā)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，不僅方便，也防止了給操作人員帶來安全隱患。

1 硬件設(shè)計(jì)

無線遙控收發(fā)機(jī)主要由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩大部分組成，發(fā)射機(jī)為主控設(shè)備，接收機(jī)為被控設(shè)備，1臺發(fā)射機(jī)可同時(shí)控制多臺接收機(jī)。

1.1 硬件模塊組成

硬件模塊組成如圖1所示。

CPU通過鍵盤接收操作人員的輸入信息，并通過顯示電路將系統(tǒng)狀態(tài)和接收機(jī)回復(fù)信息顯示在OLED顯示屏上。

CPU通過接口電路實(shí)現(xiàn)配置編程，可對裝置進(jìn)行現(xiàn)場配對（即編址編組）。

發(fā)射/接收電路主要是實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)處理。

功率放大電路將發(fā)射電路輸出信號放大到更高的功率電平后，發(fā)送到RF收發(fā)開關(guān)。

RF收發(fā)開關(guān)在發(fā)射時(shí)將功率放大模塊輸出與天線連接;接收時(shí)將天線直接與發(fā)射/接收電路相連。

機(jī)電控制電路用于執(zhí)行接收到的機(jī)電控制指令，實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程設(shè)備的可靠控制。

1.2 主要電路的設(shè)計(jì)

發(fā)射機(jī)和接收機(jī)電路均由數(shù)字部分和射頻部分兩部分組成，通過電磁屏蔽罩的設(shè)計(jì)減小射頻部分對數(shù)字部分的電磁干擾。

1.2.1 CPU控制電路實(shí)現(xiàn)

CPU采用MSP430F5438，該芯片是一款16位超低功耗的混合信號處理器，采用精簡指令集計(jì)算機(jī)架構(gòu)。它具有256kB的程序存儲(chǔ)器、16kB的隨機(jī)存儲(chǔ)器、512B的信息存儲(chǔ)器，13個(gè)定時(shí)器，8個(gè)串口，內(nèi)置模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器等。

如圖2，由于CPU控制板外圍電路較大，此處以框圖進(jìn)行敘述，CPU （MSP430）通過SPI與無線收發(fā)芯片SX1278進(jìn)行通信。同時(shí)主控芯片通過通用輸入輸出接口（ GeneralPurpose I/O，GPIO）對射頻開關(guān)、指示燈、OLED顯示屏、機(jī)電設(shè)備等進(jìn)行控制。主控芯片也通過GPIO接收鍵盤輸入與電量檢測等的反饋信息。

1.2.2 RF收發(fā)電路實(shí)現(xiàn)

發(fā)射/接收單元采用SX1278擴(kuò)頻無線數(shù)字收發(fā)芯片，靈敏度為-148dBm，工作頻率137MHz～525MHz，輸出功率20dBm;采用GFSK等編碼方式;數(shù)據(jù)速率lOObps-lMbps;工作電壓1.8V～3.7V，低功耗模式接收電流9.9mA。

功率放大芯片采用RA07H4047M，最大輸出功率7W，工作頻段：400-470MHz，工作電壓12.5V，效率≥40%。

RF無線收發(fā)芯片（SX1278）在本設(shè)計(jì)中工作頻率為430MHz，發(fā)射功率7W，在發(fā)射通路與接收通路分別連接RA07M4047M功率放大器與BGA2001低噪聲放大器。主控芯片MSP430通過串行外設(shè)接口（Serial PeripheralInterface，SPI）與SX1278進(jìn)行通信。同時(shí)MSP430通過RF收發(fā)開關(guān)控制接收與發(fā)射的切換。具體電路實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

1.2.3 射頻開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)

主控芯片MSP430通過一路IO Ctrl輸出高低電平，以控制射頻開關(guān)在發(fā)射與接收時(shí)對射頻收發(fā)電路實(shí)現(xiàn)通斷切換。電路實(shí)現(xiàn)如圖4所示。當(dāng)IO Ctrl為高時(shí)，01導(dǎo)通，D2處于正向偏置狀態(tài)，發(fā)射信號由TX經(jīng)D2傳遞至天線;當(dāng)IO Ctrl為低時(shí)，D2處于反向偏置狀態(tài)，Q3導(dǎo)通，D3處于正向偏置狀態(tài)，接收信號經(jīng)由D3傳遞至RX接收端。為了防止接收機(jī)收到電涌沖擊，在接收機(jī)前端接入肖特基二極管限流器。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件的開發(fā)環(huán)境為IAR EmbeddedWorkbench，使用語言為C語言。軟件主要功能是CPU（MSP430）和RF收發(fā)芯片（SX1278）的初始化、設(shè)備自檢、SX1278的管理、無線數(shù)據(jù)的收發(fā)、數(shù)據(jù)滾動(dòng)加解密、處理按鍵輸入和OLED顯示等。軟件編譯后的執(zhí)行代碼固化在CPU內(nèi)部的電可擦除只讀存儲(chǔ)器（Electrically Erasable Programmable Read-OnlyMemory， EEPROM）中。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的軟件流程如圖5和圖6所示。

正常使用前先要進(jìn)行配對操作，即對接收機(jī)和發(fā)射機(jī)進(jìn)行配對。發(fā)射機(jī)通過串口通信電纜將配置信息、地址信息傳送給接收機(jī)，由接收機(jī)保存到內(nèi)部信息存儲(chǔ)器（Info Flash）中。存儲(chǔ)信息掉電不丟失，使用前先進(jìn)行安全校驗(yàn)。

正常工作時(shí)，發(fā)射機(jī)向己配對的多臺接收機(jī)同時(shí)發(fā)射遙控指令，接收機(jī)按時(shí)隙分時(shí)回復(fù)。每個(gè)遙控指令由兩部分組成，即“遙控指令下發(fā)”和“執(zhí)行結(jié)果（ACK）接收、顯示”，如果發(fā)射機(jī)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未收到ACK回應(yīng)，會(huì)啟動(dòng)重發(fā)機(jī)制。如果超過規(guī)定的時(shí)間仍未收到ACK則在顯示屏上顯示故障信息。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的通信采用滾動(dòng)編碼加密，信令發(fā)送前會(huì)與信息存儲(chǔ)區(qū)的動(dòng)態(tài)密鑰進(jìn)行運(yùn)算變換后再發(fā)出，以提高信息的安全性，糾錯(cuò)性。

3 低功耗處理機(jī)制

3.1 CPU的低功耗設(shè)計(jì)

MSP430支持6種類型的工作模式：活動(dòng)模式（AM）、低功耗模式（LPM 0-4）。在本設(shè)計(jì)中MCU的常態(tài)設(shè)為低功耗模式LPM3，在該模式下，CPU處于關(guān)閉狀態(tài)，程序停止執(zhí)行，直到被中斷喚醒或CPU復(fù)位，才切換到AM活動(dòng)模式，在中斷處理結(jié)束后再切換回LPM3低功耗模式。

3.2 接收機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)

對于接收機(jī)而言，無線收發(fā)芯片的功耗將直接影響到接收機(jī)的待機(jī)能力，為此設(shè)計(jì)了接收機(jī)的間歇接收工作機(jī)制以滿足接收機(jī)的待機(jī)需求。

具體實(shí)現(xiàn)是，當(dāng)接收機(jī)在一定時(shí)間段內(nèi)沒有收到發(fā)射機(jī)的遙控指令，接收機(jī)將進(jìn)入以3s為周期的省電模式，每周期內(nèi)無線收發(fā)芯片休眠2.8s，接收0.2s。無線收發(fā)芯片休眠時(shí)功耗極小，從而節(jié)省了電池電量。

為了在短暫的接收時(shí)間段能收到發(fā)射機(jī)的喚醒指令以退出省電工作模式，發(fā)射機(jī)需要在3s的時(shí)間內(nèi)連續(xù)發(fā)射喚醒指令確保覆蓋接收機(jī)的喚醒時(shí)間窗口。

3.3 電路的節(jié)能設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)中強(qiáng)化節(jié)約電能的機(jī)制配置。器件選型時(shí)優(yōu)選低功耗的器件，凡電流大的器件均加裝電子開關(guān)，嚴(yán)格控制其用電。合理控制休眠、待機(jī)、接收、發(fā)射等狀態(tài)的切換，盡量降低電池消耗。

4 試驗(yàn)結(jié)果

在城市邊緣的平坦地帶與山地條件下對無線遙控收發(fā)機(jī)進(jìn)行了多輪實(shí)地測試。試驗(yàn)結(jié)果如表1。

由上述實(shí)測結(jié)果可得，此無線遙控收發(fā)機(jī)在平坦空曠地帶最遠(yuǎn)遙控距離可達(dá)5km，可靠性高，待機(jī)時(shí)間長，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)論

本文基于SX1278提出的無線多路遙控收發(fā)機(jī)，工作可靠、待機(jī)時(shí)間長，具有很強(qiáng)的通用性，針對長距離無線通信或機(jī)電設(shè)備操作既提供了便利又避免現(xiàn)場操作人員的人身安全隱患。該設(shè)計(jì)方案應(yīng)有很廣范的應(yīng)用領(lǐng)域和良好的應(yīng)用前景。

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