基于Si4220的315、433、868、915无线发射系统设计(南华大学)

1 基于 Si4220 的 315/433/868/915MHz 无线发射系统的设计 1.系统方案设计与论证 1.1 设计要求 设计一个无线收发信通，实现短距离单向数据传输，要求： （1）工作于免许可证的 315/433/868/915MHz 频段。 （2）低功耗，高灵敏度（高于-100dBm） ，传输距离不低于 50 米。 （3）具有 FSK 调制功能，采用时隙发送，空中速率大于 500bps。 （4）可编程控制、设计简单、操作方便、使用灵活性大。 （5）便宜、便携，容易推广。 1.2 设计方案与论证 对无线系统方案的选择关键是选择合适的发射。 要从琳琅满目的无线产品中选出 满足设计要求，并使设计、操作难度，价格等其它各项指标达到最优化。设计的整体 思路是采用模块化设计，分为无线发射模块，控制模块和电源模块三个部分。 设计方案如图（1）所示： 无线发射模块 控 制 模 块 天线 电源模块 图（1）系统设计方案框图 .1 无线发射模块无线发射模块 2 对照设计要求，首先查找 Nordic、Maxic、TI、Silicon Labs 等各大公司相关无线收发 产品的数据手册，由于设计要求收发分离，单向传输，传输距离和数据率要求不是很高，综 合考虑到性能、价格、可操作性等因素，最终选定美国 Silicon Labs 生产的高性能、低功耗、 多通道，具有可选择的微控制器模式和 EEPROM 模式两种的 FSK 无线发射芯片 Si4220 发 射模块无线核心。根据设计要求，本设计采用微控制器模式。 .2 控制模块控制模块 由于该芯片需要对寄存器进行设置来控制芯片的各项性能参数， 为了尽量做到匹配， 本 设计采用 Silicon Labs 推荐的由其生产的小体积高性能微控制器 C8051F311 作为无线控制 核心。 这样可以减少考虑引脚匹配， 时延和速率计算等各个因素， 减小硬、 软件的设计难度。 同时也能使操作简单， 并减小模块体积， 增加其便携性。 此方案显然是可行的并且是最佳的。 .3 电源模块电源模块 查找数据手册，Si4220 的工作电压范围为 2.2V5.4V，为满足无线发射功率要求，本设 计无线供电电压选择为 5V。C8051F311 的供电电压的典型值为 3.3V。本设计拟采用相应的 稳压芯片对设备进行供电，设计中 5V 稳压芯片采用 IA2112-5V，3.3V 稳压芯片采用 IA2112-3.3V。 通过仔细的对比，筛选，所选的无线发射芯片 Si4220 和控制芯片 C8051F311 和稳压芯 片都满足设计要求的最佳匹配，价格、设计难度、操作性等各项指标都能达到最优化，电源 也能满足芯片所提出的要求。因此，本方案是可实现的。 2.硬件设计 2.1 无线模块 无线发射模块采用美国 Silicon Labs 公司生产的 Si4220（原 IA4220）为核心芯片。这 是一款高集成度、低功耗、多通道的 EZRadioPRO 系列无线发射芯片，生产商建议和接收 芯片 Si4320 配合使用使用。 .1Si4220Si4220 发射芯片简介发射芯片简介 Si4220 采用 16 脚的 TSSOP 封装和 FSK 调制方式，工作在无需申请注册的 315、433、 868、915MHz 频段，设计应用完全符合 FCC（联邦通讯委员会）和 ETSI 认证的相关规定。 Si4220 发射芯片以 EZradio 技术为主要特性，是一款有弹性、低成本、高集成、在生产中 无需调整的产品。所需的 RF 功能都高度集成，仅需要一个晶振和几颗退藕（旁路）电容。 图（2）是芯片的引脚分布图，由于芯片有微控制器模式和 EEPROM 模式可选择，两种模 3 式下的引脚功能不同，本设计采用微控制器模式，有关 EEPROM 的部分不予介绍（下同） ， 表（1）是微控制器模式下的引脚功能介绍。 图（2）Si4220 引脚分布图 引脚名称类型功能 SDIDISPI 串口数据输入 SCKDISPI 串口时钟输入 nSELDISPI 串口片选输入（低电平有效） PB1DI1 号输入按钮（内置上拉电阻条件下低电平有效） PB2DI2 号输入按钮（内置上拉电阻条件下低电平有效） PB3DI3 号输入按钮（内置上拉电阻条件下低电平有效） PB4DI4 号输入按钮（内置上拉电阻条件下低电平有效） CLKDO微控制器时钟信号（1MHz-10MHz） XTLAIO晶振连接（另一个端子连在 VSS） 10VSSS地参考面 11MODDI连向逻辑高（微控制器模式） 12RFNAO功放输出（集电极开路） 13RFPAO功放输出（集电极开路） 14nIRQDO微控制器中断请求输出（低电平有效）和状态读出输出 15VDDS电源 16FSKDIFSK 调制串行数据输出 表（1）Si4220 引脚功能介绍 4 .2 Si4220Si4220 发射芯片内部结构发射芯片内部结构 为了使 RF 设计简单化， Si4220 内部集成了所有射频功能模块， 详细的介绍如下， 图 （3） 是芯片内部结构模块框图， 锁相环（PLL） 可编程的合成器决定了工作频率， 锁相环的高精度性允许在任何规定的频段使多 个通道。可选的（从，保留的盈余）调制偏移能适应 多种带宽。 高精度要求的数据率和晶振公差归功于的直接锁相环调制。 需发射的数字 数据能够经引脚或者是用适当的命令来控制接口通过异步发射方式发射。 锁相环中的F VCO(射频压强振荡器)仅仅需要数微秒就能完成自动校准功能。为了确 保在编程设定的频段进行合适的操作运行， 射频压强振荡器通过激活合成器唤醒自动频率调 整。如果温度或者是电压变化不可忽略，VCO 重调整能够被很方便的调用，重调整能够通 过合成器开关的开合在任何时刻加入。 图（3）Si4220 芯片内部结构框图 RF 功率放大器 发射端的集成功率放大通过一个差动的集电极开路输出， 用可编程输出阵列来驱动环形 天线， 不需要额外的匹配网络。 芯片植入一个自动天线调谐电路来避免复杂的程序上的调整 和重调谐，这一切都应归功于“手效应” 。 发射器能够通过功率放大器的开合来运行 OOK 模块，当适当的控制比特通过功率设定 5 命令设定以后，FSK 引脚产生一个有效的功率放大输出（高电平有效） 。 晶振 芯片内置单引脚晶振电路产生 10MHz 的基准信号提供给 PLL。 为了减少额外部件,简化 设计，晶振负载电容是内置的并且可编程。工作晶振的选择方针见后面的介绍。 发射芯片为微控制器提供时钟信号， 所以精确的时钟信号可能不再需要第二颗晶振， 当 芯片从微控制器收到一个休眠命令， 它让自己关机以后还继续为微控制器提供几个时钟脉冲 （ “尾随时钟” ） ，使微控制器能够进入空转状态或者是休眠模式，尾随时钟脉冲的长度是可 编程的。 低电压侦测 如果电压低于可编程门限电压以下，低电压侦测电路监控提供电压和产生中断信号。 唤醒时钟 唤醒时钟工作于低待机电流（典型值 1.5uA）下，然后能够编程从 1MS 到数天都把误 差控制在 5%以内。 芯片能够在每次启动的时候进行晶振自我校准，然后在没 30 秒自动校准一次，当振荡 器关闭的时候，校准电路打开晶振，使有足够长的时间用于快速校准（数毫秒的时间）来促 进定时时钟更加精确。 事件处理 为了尽可能减小待机电流，设备提供休眠模式，通过几个唤醒事件工作模式能够加入： 唤醒时钟超时，低电压侦测，按下四个输入按键的任意一个，或者是通过串行接口，输入按 钮能够被来自微处理器或者是微控制器的逻辑信号直接驱动通过正常打开开关。 上拉电阻集 成在芯片里面。 如果有任何的唤醒事件产生， 唤醒逻辑电路都会产生一个中断信号来用于唤醒微控制器， 有效的减少微控制器的激活时间。中断产生的原因能够被微控制器从 nIRQ 引脚读出。 接口 SPI 兼容的串行接口提供给用户选择合成器的工作频段和中心频率。 FSK 调制的极性和 频偏，输出功率水平，微控制器时钟的分频比，唤醒时钟周期和低电压侦测门限同样是可编 程的， 任何这些辅助功能可能在不需要的时候用不到， 在上电的时候所有的参数都设置为默 认，即使在休眠模式，可编程的功能也被保留。 .2 Si4220Si4220 发射芯片电性能参数发射芯片电性能参数 芯片的电性能参数反映出芯片的工作状况，决定许多硬件设计参数，芯片要求工作在 6 2.25.4 V 电压范围内，开环输出电压为 Vdd-1 Vdd+1 范围内（最大不超过 6V） ，芯片工作 环境温度应在-4085C 之内。表（2）是芯片在不工作是的最高额定参数，超过其中任意 一项，都可能对芯片造成不可修复的损坏。表（3）是芯片在 27C，Vdd=Vcc=2.7时的 直流特性参数，表（）是在相同条件下的交流参数。 符号参数最小值最大值单位 Vdd供电电压-0.56.0V Vid任意引脚电压 （除了集电极开路引 脚输出） -0.5Vdd+0.5V Vcc开环输出电压-0.56.0V Iin任何引脚输入电流（除了 Vss 和 Vdd） -2525mA ESD人体模型静电放电1000V Tst贮存温度-55125C Tit焊接温度（锡焊，最大 10m）260C 表（）不工作时的最高额定参数 符号参数条件/注意事项最小值典型最大单位 Idd_tx_0供电电流（发射模 式，Pout=0dB） 315MHz0dBm 输出功率工作状 态 9mA 433MHz10mA 868MHz12mA 915MHz13mA Idd_tx_pmax供电电流（发射模 式，Pout=Pmax） 315MHz最大输出功率工作状 态 11 mA433MHz12 868MHz14 915MHz15 Ipd休眠模式待机电流（注意事项 1）所有模块不可用0.3uA Iwt唤醒定时器电流1.5uA Iib低电压侦测电流消耗0.5uA Ix空载电流晶振运行时1.5mA 7 Viba低电压侦测精确度75mA Vib低电压侦测门限编程设定 0.1V 阶跃2.25.3V Vii数字输入低电平0.3*V dd V Vih数字输入高电平0.7*VddV Iii数字输入电流Vii=0V-11V Iih数字输入电流Vih=Vdd；Vdd=5.4V-11V Vol数字输出低电平Iol=2mA0.4V Voh数字输出高电平Ioh=-2mAVdd-0.4V 表（3）直流特性参数 符号参数条件/注意事项最小值典型值最大值单位 frefPLL 参考频率晶振运行模式是并行的（注 意事项 2） 81012MHz fo 输出频率 （编程） 315MHz；2.5KHz 选频步长310.24319.75MHz 433 MHz；2.5KHz 选频步长430.24439.75MHz 868 MHz；2.5KHz 选频步长860.48879.51MHz 915 MHz；2.5KHz 选频步长900.72929.27MHz tlockPLL 锁定时间以 10MHZ 频率测量后误差 小于 10KHz 20us tspPLL 启动时间晶振处于工作状态（从空载 模式转换后） 250us Iout开集电极输出电流 （Note3） 在所有波段0.12.5us Pmaxl可用输出功率（315 和 433MHz 频段） 使用 opt.独立天线（注意事 项 3） 3dBm Pmaxh可用功率输出（868 和 915MHz 频段） 使用 opt.独立天线（注意事 项 4） 1dBm Pout典型输出功率在 3dB 可选（注意事项 3）Pmax 21 PmaxdBm 8 Psp散射发射环形天线最大功率时（注意 事项 5） -50 Co输出电容（通过天线自 动调谐电路设置） 在低波段 在高波段 1.5 1.6 2.3 2.2 3.1 2.8 pF Qo输出电容的品质因数161822 Lout输出相位噪声源自载波 100KHz 源自载波 1MHz -75 -85 dBc/Hz BPfskFSK 比特率256Kbps BRookOOK 比特率512Kbps dffakFSK 频率偏差编程设定在 30KHz 级30240Kbps Cxl晶振载入电容（参考晶 振选择准则） 编程设定在 0.5pF 级 （+10%）8.516pF tPOR内部 POR 超时（注意事 项 6） 当 Vdd 上升到最终值的 90% 时 100ms tax晶振启动时间晶振 ESR100Ohm5ms tPBt唤醒定时器锁定周期每 30 秒自动校准0.951.05us twake-up可编程唤醒时间12*109ms Cin,d数字输出电容2pF tr,r数字输出上升/下降时 间 15pF 静载电容10ns 表（4）交流特性参数 注意事项： （1）用一块 CR2032 电池供电（容量 225mAh） ，使用 60 秒唤醒时钟周期时电池的理想寿命大于 两年（在 915MHz 频段时以 19.2kbps 速率，+3dB 输出功率发射 100 比特的数据包时） 。 （2）不用 10MHZ 的晶振是可以的，但是不推荐，因为所有的晶振参考时间和频率参数都会相应 的发生变化。 （3）在 8 个步骤上可调整 （4）Si4220 最理想的天线导纳阻抗匹配 9 Si4220天线（西门子）天线（欧姆）天线（纳亨） 315MHz9.4E-4 j4.5E-343+j214112.00 433MHz8.4E-4j6.25E-321+j15759.00 868MHz1.15E-3j1.2E-27.9+j8315.30 915MHz1.2E-3j1.25E-27.6+j7913.90 （5）可选择的共振天线（应用手册请访问：http:/www. ） （6）在此期间，芯片不接受命令。 为了直观的了解信号发送情况，图（4）给出在 433MHz 和 868MHz 频率时，50 欧姆 匹配网络，180KHz 频率偏差，以 64kbps 传输时 RF 输出的已调信号频谱的图像（数据手 册提供） 图（4）指定条件下的调制信号谱 .4 Si4220Si4220 发射芯片寄存器描述发射芯片寄存器描述 对无线收发芯片进行控制的关键是对其寄存器进行合理配置， 送往发射器的命令是串行 传输的，在片选引脚 nSEL 是低电平的时候，引脚 SDI 的数据比特通过 SCK 引脚的时钟上 升沿移动到设备。当 nSEL 时高电平时，它将串口初始化，所有的命令码的命令组成，附带 许多不同的参数和数据位，所有的数据是从最高有效位（MSB）开始传送（例如 16 位命令 的 15 位） ，不受影响的数据位（无关的）用 X 表示。上电和复位电路把所有的控制和命令 寄存器都设定为默认值。表（5）是 Si4220 的定时特性参数，图（5）是工作时序图，表（6） 是芯片需要配置的寄存器控制命令。 符号参数最小值（ns） 10 tCH时钟高电平持续时间25 tCL时钟低电平持续时间25 tSS选择设定时间（nSEL 下降沿到 SCK 上升沿）10 tSH选择保持时间（SCK 下降沿到 nSEl 上升沿）10 tSHI选择高电平持续时间25 tDS数据设定时间（SDI 过渡时间到 SCK 上升沿）5 tDH数据保持时间（SCK 上升沿到 SDI 过渡时间）5 tOD数据延迟时间10 tBL按键输入低电平时间25 表（5）定时特性参数 图（5）芯片时序图 控制命令相关参数/功能 1配置设定命令频率波段、微控制器时钟输出、晶振负载电容、频率偏移 2电源管理命令晶振、合成器、功放、低电压侦测、唤醒定时器、时钟输出缓冲 3频率设定命令载波频率 4数据采样率命令比特率（只有模式） 5功率设定命令正常输出功率（模式） 6低电压侦测命令低电压门限限制 7休眠命令断电后的跟随时钟脉冲长度 8按键命令与按钮相关的功能 9唤醒定时器命令唤醒时间周期 10数据发射命令数据传输 11状态寄存器命令读发射器状态 11 表（6）需要配置的控制命令介绍 CC2500 只需要对一个 16 位寄存器进行正确的配置就可以控制芯片的所有的功能，对 芯片所有的参数进行设置， 相对于其他的芯片复杂的寄存器而言， 真正做到了傻瓜式的操作， 极大简化了其软件设计， 也简化了用户操作， 具体的设定方法和设定值请参见芯片的数据手 册（下载地址 http/ ） 。在设置频率时，合成器的中心频率可以根据下式得到 其中 F 在 963903 之间，C1、C2 的取值见下表： 表（7）C1、C2 的取值 Si4220 不需要编程设置纠错处理，只要对寄存器设定需要发送的数据位数，就能自动生成 发送的数据格式，做到全智能化处理，下图（6）是一切配置就绪后芯片通过 FSK 引脚发射 数据的时序图： 图（6）FSK 引脚发射数据时序图 .5 无线发射模块原理图设计无线发射模块原理图设计 根据数据手册提出的要求，无线模块的原理图如下： 12 图（7）无线模块原理图 Si4220 的晶振需要一个 10MHz 的并行晶振，为了将额外的元件数减到最小，电路包括 一颗集成的负载电容。内部的负载电容值可以编程设定为从 8.5 到 16pF，变化量 0.5pF。因 为 PCB 的合理布局，总的负载电容值可能有 10 到 20pF，所以可以使用多样的晶振值。这 里 C8、C9 取其标称值 16pF。50ohm 单端输出匹配网络如下图（8）所示，表（8）是图中 对应参数。 图（8）内部天线匹配网络 13 表（8）参数表 2.2 微处理器模块 .1 C8051P311C8051P311 微处理器简介微处理器简介 本设计的微控制器采用无线芯片 Si4220 推荐使用的 C8051F311，这也是硅实验室生产 的一款 28 脚封装的高集成度混合信号高速、高性能 MCU，它体积小，功能强大特别适合做 无线控制。图（9）是 C8051F311 从上往下看的引脚分布，引脚功能描述请参看芯片数据手 册。 （下载地址：http/ ） 图（9）从上向下看引脚分布 C8051F311采用高速、流水线结构的与8051 兼容的CIP-51 内核（可达25MIPS），具 有全速、非侵入式的片内系统调试接口。它还带有模拟多通路、真正10 位200 ksps 的25 通道单端/差分ADC，高精度可编程的25MHz 内部振荡器。16KB可在系统编程的FLASH 存储器，1280 字节片内RAM，具有硬件实现的SMBus/ I2C、增强型UART和增强型SPI 串行接口，4 个通用的16 位定时器，5 个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程 计数器/定时器阵列（PCA）。另外还有片内上电复位、VDD 监视器和温度传感器片内 电压比较器和25 个I/O端口 （允许5V输入） 。 FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力， 可用于非易失性数据存储， 并允许现场更新8051 固件。用户软件对所有外设具有完全 的控制，可以关断任何一个或所有 外设以节省功耗，下图（10）是C8051F311的内部结 14 构模块图。 由于C8051F311采用与8051完全兼容的内核， 编程的原则和语法都和8051完全相同， 内 部寄存器和特殊功能的不同请参看芯片数据手册（下载地址：http/ ）。 图（10）C8051F311内部结构框图 .2 微控制器模块原理图设计微控制器模块原理图设计 由于设计采用了与无线发射芯片完全匹配的微控制器，不用考虑接口的电压匹配，设 计中微控制器可以和键盘连接，下图（11）是微控制器模块的原理图，其中 1014 脚是通 过一个指拨开关控制电平高低，22、23 脚与键盘相连，2、2427 脚与无线模块相连，LED 用来指示发射情况。 15 图（11）微控制器模块原理图 2.3 供电模块 供电采用对无线模块和微处理器模块分别供电的方式，其中5V稳压芯片采用 IA2112-5V,3.3V稳压芯片采用IA2112-3.3V，供电部分的原理图见下图（12），其前级输入 可以是市电变压后的开关电源，也可以是蓄电池，电压输入可以是6。 图（12）电压模块原理图 2.4 总原理图和 PCB 设计 由于工作的频率不同系统所需元器件参数和规格也不同，PCB 设计也有一些差别，这 里给出在 915MHz 时系统的总原理图和 PCB 设计图，如下所示图（13）是系统总原理图，图 （14）是 PCB 布局顶部图，图（15）是 PCB 布局底层图图（16）是 PCB 顶层视觉图，图（17） 16 是 PCB 底层视觉图。 图（13）系统总原理图 图（15）PCB 布局顶层图图（16）PCB 布局底层图 17 图（16）PCB 顶层视觉图图（17）PCB 底层视觉图 3.软件设计 3.1 软件设计思想 Si4220 没有复杂的数据协议要求，16 位寄存器也很容易操作，因此软件设计要做到的 主要是： （1）初始化 Si4220，对寄存器进行配置（2）无线数据收发和处理。 程序采用 C 语言来设计，当数据发送完毕以后，系统自动进入休眠模式，以达到省电要 求，图（18）是软件设计流程图 18 开始 MCU 和 Si4220 初始化 进入激活模式 发送数据 发送准备就绪？ 发送成功？ 继续发送？ 结束 否 否 否 是 是 图（18）软件设计流程图 3.2 程序设计举例 为了方便更好的编程，设计给出接键盘时发送数据时的主程序，相关的配置、控制和 处理子程序模块用户可以根据需要灵活编写，本设计中不再给出。 #include “Device.h“ #include “CommonTypedefs.h“/通用定义 #include “PS2_Host.h“/PS2 设备功能定义 #include “CommonConfigdevice.h“ /最初设备配置 #include “Scheduler.h“ #include “CommonTxProtocol.h“ #include “CommonDeviceData.h“ 19 #include “CommonTxCntl.h“ #include PS2HOST_TXDATASTRstrPS2Tx = PS2HOST_SEND_OK, 0x00; PS2HOST_RXDATASTRstrPS2Rx = PS2HOST_SEND_OK, 0x00; unsigned charcMode; unsigned intiPktCnt = 0; bitbStartFlag = 0; bitbStopFlag = 0; void main (void) ConfigDevice();/ 配置微控制器 init_crc_tab(); SetDeviceData(); PS2Host_Initialize(); InitializeScheduler(); EA = 1;/开中断 InitTxProtocol(); setup_tx();/ 设置发射芯片，开晶振