基于串口透明传输的无线射频收发系统设计

目前市场上各类无线产品种类及应用越来越广泛，如何让广大学生、电子研发人员及一些小公司能快速在自己的产品中使用无线技术、降低无线技术的门槛，是本设计的初衷。对一些没有接触无线技术的人，从学到最后的设计应用需要比较长的时间。本文设计了一种基于无线收发芯片Si4432和单片机C8051F340的无线射频收发系统。基于串口透明传输，用户只需要了解一些串口指令即可方便实现无线收发。多种标准接口方便用户把模块嵌入到自己的产品中去。模块经过大量的试验、改进，能实现较远距离的稳定传输。

1、系统总体方案

无线射频收发系统结构框图如图1所示，由单片机C8051F340控制Si4432实现无线数据的收发。

发送模块中的C8051F340将数据传送给Si4432进行编码处理，并以特定的格式经天线发送给接收模块。接收模块对接收到的射频信号放大、解调之后，再将数据送给主控制器C8051F340进行相应的处理，如送液晶显示等。为测试方便，系统提供了按键和液晶（OCM12864-9）等人机交互接口（模块本身不带显示部分，开发板留有12864接口），还留有RS 232，TTL，RS 485等接口。可以实现模块之间各种标准通信及与PC机通信。

2、 硬件设计

Si4432芯片是Silicon Labs公司推出的一款高集成度、低功耗、多频段的EZ Radio PRO系列无线收发芯片。Si4432在使用时所需的外部元件很少，1个30 MHz的晶振、几个电容和电感就可组成一个高可靠性的收发系统，设计简单且成本低。Si4432的接收灵敏度达到-117 dB，可提供极佳的链路质量，在扩大传输范围的同时将功耗降至最低；最小滤波带宽达8 kHz，具有极佳的频道选择性；在240～960 MHz频段内，不加功率放大器时的最大输出功率就可达20 dBm，设计良好时收发距离最远可达2 km。C8051F340也是Silicon Labs公司推出的单片机。具有4 KB的RAM和64 KB的FLASH，片上集成了丰富的外围模块（包括串口，SPI，10位A／D转换器等），很好地满足了本系统对微控制器的要求；支持快速唤醒和最低0．9 V的供电；有多种电源管理模式（如正常模式、空闲模式、休眠模式等），内部集成的2个内建欠压检测器分别适用于休眠模式和正常模式，典型休眠模式下电流仅为50 nA。C8051F340包含1个高效率直流升压转换器，最多提供65 mW给内部微控制器和其他元器件，为了减少正常模式下的电池耗电，C8051F340的省电架构能将操作模式下的电流减小到170μA／MHz。无线收发硬件设计原理图如图2所示。

C8051F340可以通过内置增强型SPI对Si4432的内部寄存器进行读写操作，灵活配置各项参数。通过SPI接口完成对Si4432的初始化配置、读写数据、访问FIFO等操作。使用4线SPI，即MOSI、MISO、SCK和SEL。MOSI用于从C8051F340到Si4432的串行数据传输；MISO用于从Si4432到C8051F340的串行数据传输；SCK用于同步C8051F340和Si4432之间在MOSI和MISO线上的串行数据传输；SEL作为片选信号，只有片选信号为低电平时，对Si4432的操作才有效。Si4432的13～16脚是标准的SPI接口，17脚（IRQ）是中断状态输出引脚。

为了达到较好的通信效果，Si4432的接收低噪声放大器匹配威廉希尔官方网站 和发射功率放大器匹配威廉希尔官方网站 的阻容参数，应严格按照数据手册提供的参数选型。前端的分集式威廉希尔官方网站 采用SKY13267，其V1脚和V2脚分别连接Si4432的GPIO1和GPIO2。通过这款交叉开关实现分集式天线发送和接收通道的自动切换。

3、系统软件设计

软件的开发环境为KeilμVision 3，使用的语言为KeilC51。软件的功能为完成MCU和Si4432的缺省配置；软件设计的目的是完成微控制器和Si4432的初始化配置、数据的接收与发送。

3．1 初始化

初始化程序主要包括C8051F340的初始化，串口的配置、SPI的配置，无线数据接收与发送的频率、传输速率、工作模式等内部寄存器的初始化配置。

C8051F340的数字交叉开关可以将内部的系统资源映射到端口I／O引脚，通过设置交叉开关控制寄存器，将片内资源配置到相应的I／O引脚上，提高了配置的灵活性。在配置SPI时，可以通过对4个特殊功能寄存器：配置寄存器SPI0CFG、控制寄存器SPI0CN、数据寄存器SPI0DAT和时钟频率寄存器SPI0CKR的控制实现，采用4线主SPI模式，通过设置SPI0CKR寄存器，将同步时钟频率设为晶振的1／4，在时钟的每一个上升沿进行操作。

上电之初，Si4432也处于默认状态，需要进行配置才能工作。Si4432有70多个寄存器需要配置，它们决定了Si4432的工作模式，具体配置可以参考Si4432的数据手册。Si4432的初始化是一个重要的部分，配置的恰当与否对系统最终的通信效果有很大的影响。主控制器C8051 F340通过SPI配置Si4432的1ch和1dh等寄存器，写入相应的初始化RF控制字（主要是频率、传输速度和传输方式等）；通过配置33h和34h等寄存器来设置包的结构、前导码长度以及同步字内容等。本系统采用同步传输模式，以0x2DD4作为同步模式的标志码，传输完同步字后才开始传输数据载荷。每次发送数据必须以同步字0x2DD4作为发送数据的同步标志，接收端在检测到同步字后才开始接收数据。

3．2 无线发送程序

无线发送程序流程如图3所示。完成C8051F340、串口发送、SPI和Si4432的初始化后，配置寄存器写入相应的初始化RF控制字。接下来，通过配置Si4432的寄存器3eh来设置包的长度，通过SPI连续写寄存器7fh，往TXFIFO里写入需要发送的数据。然后打开“发送完中断允许标志”，将其他中断都禁止。当有数据包发送完时，引脚IRQ会被拉低以产生一个低电平从而通知C8051F340数据包已发送完毕。完成中断使能后，使能发送功能，数据开始发送。等待IRQ引脚因中断产生而使电平拉低，当IRQ引脚变为低时读取中断状态并拉高IRQ，否则继续等待。如果数据发送成功，指示灯会变亮。一次数据发送成功后，进入下一次数据循环发送状态。

3．3 无线接收程序

无线接收程序流程如图4所示。程序完成C8051F340、串口接收、SPI接口和Si4432的初始化后，配置寄存器写入相应的初始化RF控制字。通过访问寄存器7fh从RX FIFO中读取接收到的数据。相应的控制字设置好之后，若引脚IRQ变成低电平，则表示Si4432准备好接收数据。完成这些初始化配置后，通过寄存器4bh读取包长度信息。然后，打开有效包中断和同步字检测中断，将其他中断都禁止。引脚IRQ用来检测是否有有效包被检测到，若引脚IRQ变为低电平，则表示有有效的数据包被检测到。本系统用0x2DD4作为同步模式的标志码，接收模块通过检测这个同步字来同步接收数据。最后，使能接收功能，数据开始接收。等待IRQ引脚因中断产生而使电平拉低，读取中断标志位复位IRQ引脚，使IRQ恢复至初始的高电平状态以准备下一次中断触发的检测。通过SPI读取RX FIFO中的数据，将数据送至液晶OCM12864显示，之后进入下一次数据接收状态。

4、系统测试与分析

为验证本无线射频收发系统设计的可靠性，进行了7组“发射模块一接收模块”通信实验。在空旷地通信距离约为1 500 m时，7组“发射模块-接收模块”分别工作在430．50 MHz，431．50 MHz，432．50 MHz等7个中心频率上，带宽均取112．8 kHz，频率偏移取±25 kHz，发送4000个数据包。实验证明，在传输速率较低时，误码率为0；在传输速率为100Kb／s（或以上）时，有一定的误码，但误码率低于0．075％。因此，该无线射频收发系统具有传输距离远、穿墙能力强以及通信误码率低的特点。设计良好时，收发距离最远可达2 km。

5、结语

本系统完全可以扩充为一个网络系统，形成一个无线网络，以应用到现场控制或测控系统中。本文所设计的无线射频收发系统工作可靠、稳定，具有很好的通用性，稍作改动就可以应用到小区传呼、工业数据采集、生物信号采集、无线遥控等其他一些短距离无线通信领域，对于一些小公司、电子爱好者可以不管模块里面的无线通信协议及硬件，快速、简单地嵌入到自己产品中去。

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