基于Si4432A的無線射頻收發系統設計
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1 無線收發芯片Si4432
Si4432芯片是Silicon Labs公司推出的一款高集成度、低功耗、多頻段的EZRadioPRO系列無線收發芯片。其工作電壓為1.9～3.6 V，20引腳QFN封裝(4 mm×4 mm)，可工作在315／433／868／915 MHz四個頻段；內部集成分集式天線、功率放大器、喚醒定時器、數字調制解調器、64字節的發送和接收數據FIFO，以及可配置的GPIO等。Si4432在使用時所需的外部元件很少，1個30 MHz的晶振、幾個電容和電感就可組成一個高可靠性的收發系統，設計簡單，且成本低。
Si4432的接收靈敏度達到-117 dB，可提供極佳的鏈路質量，在擴大傳輸范圍的同時將功耗降至最低；最小濾波帶寬達8 kHz，具有極佳的頻道選擇性；在240～960 MHz頻段內，不加功率放大器時的最大輸出功率就可達+20dBm，設計良好時收發距離最遠可達2 km。Si4432可適用于無線數據通信、無線遙控系統、小型無線網絡、小型無線數據終端、無線抄表、門禁系統、無線遙感監測、水文氣象監控、機器人控制、無線RS485／RS232數據通信等諸多領域。
2 無線射頻收發系統設計
2.1 系統總體方案
無線射頻收發系統的結構框圖如圖1所示，由C8051F930單片機控制Si4432實現無線數據的收發。發送模塊中的C8051F930將數據傳送給Si4432進行編碼處理，并以特定的格式經天線發送給接收模塊。接收模塊對接收到的射頻信號放大、解調之后，再將數據送給主控制器C8051F930進行相應的處理，如送液晶顯示等。系統提供了按鍵和液晶(OCM12864-9)等人機交互界面，還留有RS232接口可以實現與PC機通信。
2.2 系統硬件設計
主控芯片選用Silicon Labs公司推出的單片機C8051F930。C8051F930有4 KB的RAM和64 KB的Flash，片上集成了豐富的外圍模塊(包括串口、SPI、10位A／D轉換器等)，很好地滿足了本系統對微控制器的要求；支持快速喚醒和最低0.9 V的供電；有多種電源管理模式(如正常模式、空閑模式、休眠模式等)，內部集成的2個內建欠壓檢測器分別適用于休眠模式和正常模式，典型休眠模式下電流僅為50 nA。C8051F930包含1個高效率直流升壓轉換器，最多提供65 mW給內部微控制器和其他元器件，為了減少正常模式下的電池耗電，C8051F930的省電架構能將操作模式下的電流減小到170μA／MHz。
C8051F930可以通過內置增強型SPI對Si4432的內部寄存器進行讀寫操作，靈活配置各項參數。通過SPI接口完成對Si4432的初始化配置、讀寫數據、訪問FIFO等操作。使用4線SPI，即MOSI、MISO、SCK和nSEL。MOSI用于從C8051F930到Si4432的串行數據傳輸；MISO用于從Si4432到C8051F930的串行數據傳輸；SCK用于同步C8051F930和Si4432之間在MOSI和MISO線上的串行數據傳輸；nSEL作為片選信號，只有片選信號為低電平時，對Si4432的操作才有效。硬件設計原理圖如圖2所示。
Si4432的13～16腳是標準的SPI接口，17腳(nIRQ)是中斷狀態輸出引腳。當FIFO溢出、有有效的數據包發送或接收、CRC錯誤、檢測到前導位和同步字、上電復位等情況發生，且相應的中斷被使能時，17腳都會產生一個低電平以通知C8051F930有中斷產生。20腳(SDN)決定了Si4432芯片的工作狀態。當SDN接地(SDN=0)時，芯片處于常規工作模式；接高電平(SDN=1)時，芯片處于掉電模式。掉電模式下寄存器中的內容會丟失，且不允許SPI訪問，但芯片的電流損耗只有10 nA，功耗很低，因此適合要求極低功耗的應用。在連接到電源后，在SDN的下降沿上電復位，根據指令轉換到其他工作模式。
為了達到較好的通信效果，Si4432的接收低噪聲放大器匹配電路和發射功率放大器匹配電路的阻容參數，應嚴格按照數據手冊提供的參數選型。前端的分集式電路采用SKY13267，其V1腳和V2腳分別連接Si4432的GPIO1和GPIO2。通過這款交叉開關實現分集式天線發送和接收通道的自動切換。
2.3 系統軟件設計
軟件編程采用模塊化設計思想，系統中各主要功能模塊均編成獨立的函數由主程序調用。功能模塊包括：初始化程序(包括初始化C8051F930、SPI、Si4432)，無線發送程序，無線接收程序等。無線發送程序負責寫入數據載荷，并根據通信協議為數據載荷加上前導碼、同步字、數據載荷長度及CRC校驗字節，形成數據包將其發送出去；無線接收程序負責接收并檢驗數據包中的CRC字節，以確保接收到的數據的正確性。
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