基于Si4432A的無線射頻收發系統設計

　　一種基于無線收發芯片Si4432和C8051F930單片機的無線射頻收發系統。該系統由發送模塊和接收模塊組成。發送模塊主要將要發送的數據經C8051F930處理后，通過Si4432發送出去;在接收模塊中，Si4432則將數據正確接收后通過液晶顯示出來，從而實現短距離的無線通信。該系統實現了低功耗、小體積、高靈敏度條件下的高質量無線數據傳輸。

　　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。

　　無線收發模塊之間的通信是以數據包的形式發送的，本系統定義的數據包格式如下：

　　其中，Preamble(前導碼)是一連串的10101010，其數量為8n位，n的大小由用戶編程決定。數據包在傳輸過程中會在每個包的前面加上可設置長度的前導碼;接收端為了識別幀的到來，需要前導碼進行幀同步，從而確定收發系統之間何時發送和接收數據。SyncWord(同步字)在前導碼之后，要用設定好的同步字來作為同步模式的標志碼。本系統設定的同步字為2個字節，同步字內容為0x2DD4，接收端在檢測到同步字后才開始接收數據。Packet Length是數據載荷長度。PAYLOAD(有效數據載荷)是用戶所發送的數據。CRC(CRC校驗和)由內置CRC校檢。Si4432內部集成有調制/解調、編碼/解碼等功能，從而Prearnble、SyncWord、Packet Length和CRC都是硬件自動加上去的，用戶只需設定數據包的組成結構和部分結構的具體內容(如前導碼和同步字)。

　　本文以半雙工通信為例，介紹通信的實現過程。編程環境為Silabs IDE V3.61，并在該編譯環境下測試通過。Silabs IDE集成了源代碼編輯、程序源代碼級調試程序和在系統Flash編程器。同時支持第三方編譯器和匯編器的使用，

　　(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的關于無線收發頻率、工作模式、發射速率等內部寄存器的初始化配置。

　　系統上電后，C8051F930處于默認狀態，根據系統功能需求重新進行初始化配置。C8051F930的數字交叉開關允許將內部數字系統資源映射到端口I/O引腳，可通過設置交叉開關控制寄存器，將片內資源配置到具體的端口I/O引腳上。這一特性允許用戶根據自己的特定應用選擇通用端口I/O和所需數字資源的組合，提高了應用的靈活性。本系統中，主要配置了SPI通信的4線，液晶LCD的數據線接口、控制線接口和RS232串口數據輸入/輸出等。

　　初始化SPI時，可以通過對SPIlCFG寄存器和SPIlCN寄存器的配置來選擇具體使用規則。這里，選擇主SPI，4線模式，時鐘極性為低電平，在時鐘上升沿時對數據采樣;通過配置SPIlCKR寄存器，可將同步時鐘頻率設為晶振頻率的1/4。

　　上電之初，Si4432也處于默認狀態，需要進行配置才能工作。Si4432有70多個寄存器需要配置，它們決定了Si4432的工作模式，具體配置可以參考Si4432的數據手冊。Si4432的初始化是一個重要的部分，配置的恰當與否對系統最終的通信效果有很大的影響。主控制器C8051F930通過SPI配置Si4432的1ch、1dh等寄存器，寫入相應的初始化RF控制字(主要是頻率、傳輸速度、傳輸方式等);通過配置33h、34h等寄存器來設置包的結構、前導碼長度、同步字內容等。本系統采用同步傳輸模式，以0x2DD4作為同步模式的標志碼，傳輸完同步字后才開始傳輸數據載荷。每次發送數據必須以同步字0x2DD4作為發送數據的同步標志，接收端在檢測到同步字后才開始接收數據。