关于Si4432的无线射频收发系统设计

关于关于 Si4432Si4432 的无线射频收发系统设计的无线射频收发系统设计 本文设计了一种基于无线收发芯片 Si4432 和 C8051F930 单片机的无线射频收发系统 该 系统由发送模块和接收模块组成 发送模块主要将要发送的数据经 C8051F930 处理后 通 过 Si4432 发送出去 在接收模块中 Si4432 则将数据正确接收后通过液晶显示出来 从而 实现短距离的无线通信 该系统实现了低功耗 小体积 高灵敏度条件下的高质量无线数 据传输 1 无线收发芯片 Si4432 Si4432 芯片是 Silicon Labs 公司推出的一款高集成度 低功耗 多频段的 EZRadioPRO 系 列无线收发芯片 其工作电压为 1 9 3 6 V 20 引脚 QFN 封装 4 mm 4 mm 可工作 在 315 433 868 915 MHz 四个频段 内部集成分集式天线 功率放大器 唤醒定时器 数字调制解调器 64 字节的发送和接收数据 FIFO 以及可配置的 GPIO 等 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 20dBm 设计良好时收发距离最远可达 2 km Si4432 可适用于无线数据通信 无线遥控系统 小型无线网络 小型无线数据终端 无线抄表 门禁系统 无线遥感监测 水文气象监控 机器人控制 无线 RS485 RS232 数据通信等诸多领域 2 无线射频收发系统设计 2 1 系统总体方案 无线射频收发系统的结构框图如图 1 所示 由 C8051F930 单片机控制 Si4432 实现无线数 据的收发 发送模块中的 C8051F930 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 C8051F930 进行相应的处理 如送液晶显示等 系统提供了按键和液晶 OCM12864 9 等人机交互界面 还留有 RS232 接口可以实现与 PC 机通信 2 2 系统硬件设计 主控芯片选用 Silicon Labs 公司推出的单片机 C8051F930 C8051F930 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 C8051F930 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 C8051F930 的省电架构能将操作模式下的电流减小到 170 A MHz C8051F930 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 nSEL MOSI 用于从 C8051F930 到 Si4432 的串行数据传输 MI SO 用于从 Si4432 到 C8051F930 的串行数据传输 SCK 用于同步 C8051F930 和 Si4432 之间在 MOSI 和 MISO 线上的串行 数据传输 nSEL 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 硬 件设计原理图如图 2 所示 Si4432 的 13 16 脚是标准的 SPI 接口 17 脚 nIRQ 是中断状态输出引脚 当 FIFO 溢出 有有效的数据包发送或接收 CRC 错误 检测到前导位和同步字 上电复位等情况发生 且相应的中断被使能时 17 脚都会产生一个低电平以通知 C8051F930 有中断产生 20 脚 SDN 决定了 Si4432 芯片的工作状态 当 SDN 接地 SDN 0 时 芯片处于常规工作模式 接高电平 SDN 1 时 芯片处于掉电模式 掉电模式下寄存器中的内容会丢失 且不允许 SPI 访问 但芯片的电流损耗只有 10 nA 功耗很低 因此适合要求极低功耗的应用 在连 接到电源后 在 SDN 的下降沿上电复位 根据指令转换到其他工作模式 为了达到较好的通信效果 Si4432 的接收低噪声放大器匹配电路和发射功率放大器匹配电 路的阻容参数 应严格按照数据手册提供的参数选型 前端的分集式电路采用 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 2 3 系统软件设计 软件编程采用模块化设计思想 系统中各主要功能模块均编成独立的函数由主程序调用 功能模块包括 初始化程序 包括初始化 C8051F930 SPI Si4432 无线发送程序 无线 接收程序等 无线发送程序负责写入数据载荷 并根据通信协议为数据载荷加上前导码 同步字 数据载荷长度及 CRC 校验字节 形成数据包将其发送出去 无线接收程序负责接 收并检验数据包中的 CRC 字节 以确保接收到的数据的正确性 无线收发模块之间的通信是以数据包的形式发送的 本系统定义的数据包格式如下 其中 Preamble 前导码 是一连串的 10101010 其数量为 8n 位 n 的大小由用户编程决定 数据包在传输过程中会在每个包的前面加上可设置长度的前导码 接收端为了识别帧的到 来 需要前导码进行帧同步 从而确定收发系统之间何时发送和接收数据 SyncWord 同 步字 在前导码之后 要用设定好的同步字来作为同步模式的标志码 本系统设定的同步字 为 2 个字节 同步字内容为 0 x2DD4 接收端在检测到同步字后才开始接收数据 Packet Length 是数据载荷长度 PAYLOAD 有效数据载荷 是用户所发送的数据 CRC CRC 校验和 由内置 CRC 校检 Si4432 内部集成有调制 解调 编码 解码等功能 从而 Preamble Syncword Packet Length 和 CRC 都是硬件自动加上去的 用户只需设定数据包的组成结构和部分结构的具 体内容 如前导码和同步字 本文以半双工通信为例 介绍通信的实现过程 编程环境为 Silabs IDE V3 61 并在该编 译环境下测试通过 Silabs IDE 集成了源代码编辑 程序源代码级调试程序和在系统 Flash 编程器 同时支持第三方编译器和汇编器的使用 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 的关于无线收发频率 工作模式 发射速率等内部寄存器的初始化配置 系统上电后 C8051F930 处于默认状态 根据系统功能需求重新进行初始化配置 C8051F930 的数字交叉开关允许将内部数字系统资源映射到端口 I O 引脚 可通过设置 交叉开关控制寄存器 将片内资源配置到具体的端口 I O 引脚上 这一特性允许用户根 据自己的特定应用选择通用端口 I O 和所需数字资源的组合 提高了应用的灵活性 本 系统中 主要配置了 SPI 通信的 4 线 液晶 LCD 的数据线接口 控制线接口和 RS232 串 口数据输入 输出等 初始化 SPI 时 可以通过对 SPI1CFG 寄存器和 SPI1CN 寄存器的配置来选择具体使用规则 这里 选择主 SPI 4 线模式 时钟极性为低电平 在时钟上升沿时对数据采样 通过配置 SPI1CKR 寄存器 可将同步时钟频率设为晶振频率的 1 4 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 C8051F930 通过 SPI 配置 Si4432 的 1ch 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 传输方式等 通过配置 33h 34h 等寄存器来设置包的结构 前导码长度 同步字内容等 本系统采用同步传输模式 以 0 x2DD4 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 0 x2DD4 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 2 无线发送程序 无线发送程序流程如图 3 所示 完成 C8051F930 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 TX FIFO 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 nIRQ 会被拉低以产生一个低电 平从而通知 C8051F930 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 nIRQ 引脚因中断产生而使电平拉低 当 nIRQ 引脚变为低时读取中断状态并拉高 nIRQ 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 无线接收程序 无线接收程序流程如图 4 所示 程序完成 C8051F930 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 nIRQ 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 nIRQ 用来检测是 否有有效包被检测到 若引脚 nIRQ 变为低电平 则表示有有效的数据包被检测到 本系 统用 Ox2DD4 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 nIRQ 引脚因中断产生而使电平拉低 读取中断 标志位复位 nIRQ 引脚 使 nIRQ 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 9 显示 之后进入下一次 数据接收状态 3 PCB 设计的注意事项 PCB 设计对整个系统的性能影响很大 以下是设计 Si4432 的 PCB 时需要注意的地方 为了消除走线间的感性效应 应在 PCB 上空余的地方尽量多布置一些过孔 为了达到较 好的射频通信效果 应对整个 PCB 都覆地铜 当提供了一个较好的 RF 地之后 TX RX 区域的对地敷铜区有助于减少甚至避免辐射干扰 电源接入端要添加去耦电容 且尽量靠近 Si4432 芯片 滤波电容也应该尽量靠近相应引 脚 这样可以得到更好的滤波性能 Si4432 的外围元件很少 应尽量使用体积小的 0402 封装贴片器件 其中 电感属于关 键器件 需选用高精度电感 Si4432 的扼流电感 L1 应尽量靠近 Tx 引脚 并联在 RXn 和 RXp 上的电感 L2 在 PCB 平 面上应与 L1 垂直布局 Tx 通道上的电感 L1 L3 L4 L5 的方向需保证互相垂直以减少 耦合 Tx 通道和 RXn p 通道之间未布线的区域应以接地的覆铜隔离开来 Tx 通道匹配电 路的布线区应尽可能不要占用太大的板上区域 晶振的选择参照以下参数 等效串联电阻是 60 负载电容是 12 pF 频率准确度是 20 10 6 让晶振与芯片的晶振接入引脚尽量靠近 并用地线把时钟区隔离起来 设计 PCB 时 QFN 封装的 Si4432 芯片底部接地 在 Si4432 芯片底部打 9 个 12 mil 1 000 mail 25 4 mm 大小的接地过孔 以确保良好的接地和散热能力 增强通信可靠性 板上的走线尽可能不要经过 Tx RXn p 区域 以防止匹配网络的耦合效应 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 发射模块一接收模块 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 取士 25 kHz 发送 4