基于Si4432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。

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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170μA／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。

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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：

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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0x2DD4，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。

(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。

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(3)无线接收程序
        无线接收程序流程如图4所示。

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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：
        ①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。
        ②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。
        ③Si4432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。
        ④Si4432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。
        ⑤晶振的选择参照以下参数：等效串联电阻是60 Ω，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。
        ⑥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。
        ⑦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4 000个数据包，实验结果如表1所列。

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从表1中可以看出，在传输速率较低时，误码率为0；在传输速率为100 kbps(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、通信误码率低的特点。
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，具有较高的市场应用价值，为无线数据传输提供了一个很好的解决方案。