單片機(jī)無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃 婷，施國(guó)梁，黃 坤

(蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，蘇州215006)

1 引言

無線通信是當(dāng)前發(fā)展最快的技術(shù)之一，已滲透到社會(huì)的各個(gè)角落，有著廣闊的市場(chǎng)和業(yè)務(wù)需要。目前主要的無線技術(shù)有:藍(lán)牙(Bluetooth)，紅外數(shù)據(jù)傳輸(IrDA)，無線局域網(wǎng)(Wi－ Fi)等［1］。Bluetooth是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，其實(shí)質(zhì)是為固定設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備之間的通信環(huán)境建立通用的近距無線接口，但由于芯片大小和價(jià)格難以下調(diào)，使得許多用戶不愿意花大價(jià)錢來購買這種無線設(shè)備;IrDA是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的技術(shù)，是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)無線個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)的技術(shù)，但它對(duì)于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信顯得無能為力，且紅外技術(shù)只能在視線可以達(dá)到的范圍內(nèi)定向傳輸，中間不能有任何阻擋，同時(shí)要求通信設(shè)備的位置相對(duì)固定，這樣就無法應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備;Wi－Fi是以太網(wǎng)的一種無線擴(kuò)展，主要目的是提供WLAN接入，但由于其硬件實(shí)現(xiàn)需要很大的容納空間，且往往在商用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，這就限制了其在工業(yè)領(lǐng)域，尤其是在某些不依賴通用計(jì)算機(jī)的特殊工業(yè)場(chǎng)合的應(yīng)用。

針對(duì)這些問題提出了一種功耗低、成本低且利于在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的通用無線通信系統(tǒng)，它基于無需申請(qǐng)就可使用的433MHz ISM頻段，可廣泛適用于消費(fèi)類電子、無線遙控玩具、汽車用自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化控制及建筑安全裝置等領(lǐng)域。

2 系統(tǒng)組成及功能概述

系統(tǒng)主要包括兩個(gè)分別具有收發(fā)功能的無線通信模塊，每個(gè)模塊均由單片機(jī)和無線收發(fā)芯片RF組成。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，發(fā)送時(shí)，單片機(jī)通過SPI總線向RF寫入控制命令及所需發(fā)送的數(shù)據(jù)，RF通過天線發(fā)送出去;接收時(shí)，單片機(jī)通過SPI總線讀取RF的工作狀態(tài)，獲取芯片相關(guān)信息及接收到的數(shù)據(jù)。兩個(gè)收發(fā)模塊之間相互通信，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

在本無線通信系統(tǒng)中，單片機(jī)作為系統(tǒng)核心主要完成數(shù)據(jù)處理和控制功能，保證系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。選用宏晶科技生產(chǎn)的 STC12C5A60S2［2］，它是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代51系列單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度快8－12倍，工作頻率范圍是0MHz～35MHz。該型單片機(jī)有一個(gè)顯著特點(diǎn)是使用時(shí)無需專用編程器/仿真器，而是通過串口(P3.0/P3.1)即可直接下載用戶程序，且同一串口還可用于調(diào)試。它還具有高速SPI串行通信端口和硬件看門狗功能(WDT)，采用宏晶最新的第六代加密技術(shù)，有全球唯一ID號(hào)，無法解密，能完全滿足本系統(tǒng)低成本和相應(yīng)的功能要求。

無線收發(fā)芯片用于在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高性能雙向無線通信，要求它同時(shí)能滿足低成本與低功耗的要求，本系統(tǒng)選用了Integration Associates公司的射頻芯片IA4421［3］，這是款全集成的低功耗、多頻道的 FSK收發(fā)器，應(yīng)用時(shí)具有高度靈活性且無需統(tǒng)調(diào)。該收發(fā)器內(nèi)部集成包括高頻功率放大器(PA)、低噪聲放大器(LNA)、I/Q轉(zhuǎn)換混頻器、基帶濾波器、放大器、I/Q解調(diào)器，可見它已集成全部的射頻功能，使用時(shí)僅需要附加晶振與去耦電容。

在硬件接口方面主要考慮系統(tǒng)部件之間的兼容性和效率。而 SPI(Serial Peripheral Interface)［2］總線是Motorola公司提出的一種同步串行接口技術(shù)，允許MCU之間及MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信與數(shù)據(jù)交換。本系統(tǒng)中的MCU與射頻芯片同時(shí)支持SPI接口，因此在設(shè)計(jì)時(shí)SPI將被用于系統(tǒng)內(nèi)部控制與數(shù)據(jù)通信接口。SPI使用的是四線制，分別是:SS(從器件選擇線)、MISO(主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線)、MOSI(主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線)和SCK(串行時(shí)鐘信號(hào))。SPI傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，在主機(jī)輸出時(shí)鐘SCK的控制下，主機(jī)與從機(jī)的兩個(gè)雙向移位寄存器進(jìn)行循環(huán)數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)全雙工數(shù)據(jù)傳輸。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本無線通信系統(tǒng)硬件電路主要由三個(gè)部分組成:STC12C5A60S2單片機(jī)、IA4421收發(fā)器、MAX232芯片。具體電路實(shí)現(xiàn)如圖2所示，其中STC12C5A60S2通過SPI總線讀寫IA4421的工作狀態(tài)與控制字，獲取并處理相關(guān)信息，系統(tǒng)中設(shè)置了RS232串行接口，主要用于實(shí)現(xiàn)程序下載和調(diào)試功能。

圖2 STC12C5A60S2與IA4421的SPI接口電路

STC12C5A60S2單片機(jī)的從選擇線(SS)、主輸出線(MOSI)、主輸入線(MISO)和時(shí)鐘信號(hào)(SCLK)分別連接到 IA4421的相應(yīng)功能引腳 nSEL、SDI、SDO和SCK。IA4421支持天線直接驅(qū)動(dòng)，這使得天線部分實(shí)現(xiàn)起來相當(dāng)簡(jiǎn)單，僅需使用一個(gè)50Ω的外接螺旋天線加上對(duì)應(yīng)的差分電路就可以了［4］。為了節(jié)省成本，對(duì)于不需要遠(yuǎn)距傳輸?shù)那樾?，可以在模塊中使用螺旋導(dǎo)線制作的簡(jiǎn)易天線來滿足數(shù)據(jù)通信要求，本系統(tǒng)正是這樣實(shí)現(xiàn)的，并且經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使用適當(dāng)形狀的螺旋導(dǎo)線制作的簡(jiǎn)易天線實(shí)際有效的通信距離能達(dá)到100m左右，對(duì)于一般實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求是足夠了。若用戶需要更遠(yuǎn)的傳輸距離則應(yīng)設(shè)計(jì)433MHz的外接 PCB諧振天線［3］。STC12C5A60S2單片機(jī)、IA4421和MAX232的其它外圍電路，如電源、時(shí)鐘、復(fù)位電路等有許多標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)方案，不再贅述，讀者可參照相關(guān)的文獻(xiàn)［2－3］。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)首先需完成對(duì)各個(gè)芯片的初始化設(shè)計(jì)，接下來其主要工作是數(shù)據(jù)發(fā)送和接收程序。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)單片機(jī)直接通過MOSI端口控制射頻器件發(fā)送數(shù)據(jù)，而接收時(shí)則要掃描單片機(jī)的MISO口，判斷是否有待接收的數(shù)據(jù)，下面具體說明單片機(jī)如何實(shí)現(xiàn)SPI與IA4421的初始化程序，及發(fā)送、接收子程序的功能與實(shí)現(xiàn)。

4.1 SPI初始化程序設(shè)計(jì)

本無線通信系統(tǒng)幾乎所有的數(shù)據(jù)傳輸與芯片控制都是通過SPI實(shí)現(xiàn)的，SPI讀寫程序是軟件控制的基礎(chǔ)。為了使單片機(jī)的SPI控制器正常工作，需要先對(duì)其進(jìn)行初始化設(shè)置，這可通過向SPI控制寄存器SPCTL和狀態(tài)寄存器SPSTAT寫入適當(dāng)?shù)目刂谱謱?shí)現(xiàn)。它們是二個(gè)8位的寄存器，其中SPCTL的第2位時(shí)鐘相位CPHA允許用戶設(shè)置采樣和改變數(shù)據(jù)的時(shí)鐘邊沿，第3位時(shí)鐘極性位CPOL允許用戶設(shè)置時(shí)鐘極性。SPI接口有四種不同的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序，取決于CPOL和CPHL這兩位的組合。本系統(tǒng)中，STC12C5A60S2為 SPI主設(shè)備，IA4421為從設(shè)備，且要求SPICLK的極性在空閑時(shí)為低電平，用到SPI CPOL=0、CPHA=0的這種時(shí)序模式，數(shù)據(jù)在SCK的上升沿時(shí)移入到IA4421，并且器件會(huì)在SS生效之后的第一個(gè)上升沿時(shí)等待數(shù)據(jù);如果時(shí)鐘的起始狀態(tài)是高電平，它在開始傳輸數(shù)據(jù)之前將下降以產(chǎn)生第一個(gè)上升沿。故初始化時(shí)我們首先對(duì)SPI控制寄存器SPCTL賦值0xD0，從高位到低位對(duì)每一位的功能描述如下:

SSIG=1:忽略SS腳，MSTR(位4)確定器件為主機(jī)還是從機(jī);

SPEN=1:SPI使能;

DORD=0:數(shù)據(jù)字的MSB(最高位)先發(fā)送;

MSTR=1:STC12C5A60S2的SPI接口設(shè)置為主機(jī)模式;

CPOL=0，CPHA=0:SPICLK空閑時(shí)為低電平;

SPR1=0，SPR0=0:對(duì)應(yīng)工作頻率為 CLK/4，CLK指的是CPU晶振的工作頻率。

同時(shí)需對(duì)SPI狀態(tài)寄存器SPSTAT賦值0xC0以完成其初始化過程，其中第7位SPIF為SPI傳輸完成標(biāo)志位，當(dāng)一次串行傳輸完成時(shí)，SPIF置位，當(dāng)SPI處于主模式且SSIG=0時(shí)，如果當(dāng)SS為輸入并被驅(qū)動(dòng)為低電平，SPIF也將置位，通過軟件向其寫入“1”清零;第6位WCOL為SPI寫沖突標(biāo)志，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，如果對(duì)SPI數(shù)據(jù)寄存器SPDAT執(zhí)行寫操作，WCOL將置位，通過軟件向其寫入“1”清零;其他六位保留。

4.2 IA4421初始化程序設(shè)計(jì)

STC12C5A60S2控制器需要對(duì)IA4421各個(gè)寄存器進(jìn)行設(shè)置，保證其工作在規(guī)定的頻段和模式下。初始化時(shí)通過SPI總線對(duì)IA4421寫入控制命令［5］，主要包括配置設(shè)定命令、電源管理命令、頻率設(shè)定命令、接收控制命令、數(shù)據(jù)濾波命令、FIFO和復(fù)位模式命令、自動(dòng)頻率控制(AFC)命令，發(fā)射配置控制命令、喚醒定時(shí)器命令、低任務(wù)周期命令和電池低壓檢測(cè)以及微控制器時(shí)鐘分頻命令等，且每個(gè)命令字長(zhǎng)度均為16位。

配置設(shè)定命令的高8位固定為0x80(若未說明，下面每個(gè)控制命令的高8位都固定，不再重復(fù))，對(duì)其賦值0x80dd使位7－6分別置“1”使能內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器和FIFO模式，位5－4取值“01”使本系統(tǒng)工作頻段為433MHz，位3－0取值“1101”決定晶振負(fù)載電容大小為15pF。

電源管理命令對(duì)位5和位3置“1”使能整個(gè)接收鏈并打開晶振振蕩，故其賦值為0x820c。

頻率設(shè)定命令高4位固定為0xa，低12位F參數(shù)(位f11－f0)的范圍應(yīng)在96～3903，由公式

可以計(jì)算出合成器的中心頻率F0，其中C1和C2的取值由工作頻率433MHz決定，故頻率設(shè)定命令賦值為0xa080。

接收控制命令的高5位固定，位10置“1”決定第16引腳功能是VDI(有效數(shù)據(jù)指示)輸出，第9－8位取值“00”決定VDI信號(hào)響應(yīng)時(shí)間為快速，位7－5取值“100”選擇接收基帶帶寬(BW)為200kHz，位4－3取值“00”選擇LNA增益相關(guān)最大值為0dB，位2－0決定RSSI(接收的信號(hào)強(qiáng)度指示)檢測(cè)器門限，故接收控制命令賦值為0x9483。

數(shù)據(jù)濾波命令高8位、第5位和第3位固定，位7置“1”使時(shí)鐘獲取電路自動(dòng)鎖定控制，且由位6決定其為快速模式，位4置“0”選擇數(shù)據(jù)濾波類型為數(shù)字濾波，位2－0決定DQD(數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè))門限參數(shù)，故數(shù)據(jù)濾波命令賦值為0xc2ec。

FIFO和復(fù)位模式命令位7－4決定FIFO的中斷級(jí)別，位3選擇同步格式長(zhǎng)度為0x2DD4，位2設(shè)置FIFO輸入填充的啟動(dòng)條件為同步格式，其開始和停止由位1決定，位0置“1”禁止高靈敏度的復(fù)位模式，故FIFO和復(fù)位模式命令賦值為0xca81。

AFC命令中位7－6選擇自動(dòng)工作模式，以VDI信號(hào)的狀態(tài)獨(dú)立保持foffset的值，位5－0根據(jù)系統(tǒng)工作頻率對(duì)頻率偏移的相關(guān)值進(jìn)行設(shè)置，故AFC命令賦值為0xc4e7。

發(fā)射配置控制命令的高7位固定，位8－4決定FSK解調(diào)參數(shù)輸出的頻率結(jié)果，位2－0取值“000”決定輸出功率為0dB，故發(fā)射配置控制命令賦值為0x9840。

喚醒定時(shí)器命令的高3位固定，通過公式

由位12－8M(m7到m4)和位7－0R(r4到r0)計(jì)算喚醒時(shí)間周期，本系統(tǒng)對(duì)其賦值為0xffff。

低任務(wù)周期命令設(shè)定后可以減少接收模式的平均功率，其任務(wù)周期占空比可通過公式

由位7－1D(d6到d0)和M計(jì)算，位0使能低任務(wù)周期模式，本系統(tǒng)未用到該模式，故低任務(wù)周期命令賦值為0xc80e。

電池低壓檢測(cè)和微控制器時(shí)鐘分頻命令的高8位和第4位固定，位7－5取值為“011”配置時(shí)鐘分頻為2MHz，位3－0(v3－v0)由公式

計(jì)算檢測(cè)器的Vlb定義的門限電壓V的值，故電池低壓檢測(cè)和微控制器時(shí)鐘分頻命令賦值為0xc060。

4.3 發(fā)送子程序設(shè)計(jì)

IA4421成功初始化后，就可以開始數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收了。系統(tǒng)先通過SPI寫入電源管理命令字0x8228打開發(fā)送寄存器并開始數(shù)據(jù)的傳送，發(fā)送完畢后要寫入電源管理命令字0x8288關(guān)閉發(fā)送寄存器，同時(shí)打開接收寄存器。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效發(fā)送和接收，將待發(fā)送數(shù)據(jù)打包為幀的形式。下面主要介紹一下發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的情形，其從幀頭開始依次為:同步格式的長(zhǎng)度0x2DD4，設(shè)置的傳輸開始標(biāo)志位，待傳數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度和實(shí)際發(fā)送的數(shù)據(jù)。這里有一點(diǎn)要注意的是，由于發(fā)送寄存器寫命令的高八位已固定為0xb8，故單片機(jī)寫發(fā)送寄存器命令時(shí)要對(duì)數(shù)據(jù)幀中的每組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。當(dāng)電源管理命令的第5位et和第3位ex被置1，同時(shí)IA4421片選被激活，發(fā)送器開始以設(shè)置的碼率向外發(fā)送數(shù)據(jù)幀，最后應(yīng)讀入2字節(jié)的狀態(tài)字表示發(fā)送完畢。

4.4 接收子程序設(shè)計(jì)

IA4421的接收方式采用FIFO模式，在相應(yīng)的控制字都設(shè)置好后，引入的數(shù)據(jù)通過時(shí)鐘串入16位FIFO緩沖器內(nèi)，當(dāng)VDI和同步格式識(shí)別電路指示潛在的真實(shí)數(shù)據(jù)接入，接收器開始填充FIFO，接收開始。

接收一幀數(shù)據(jù)時(shí)，因采用FIFO模式，狀態(tài)寄存器的前二個(gè)字節(jié)分別是中斷位輸出和狀態(tài)位輸出，接下來才是需要的數(shù)據(jù)，故在接收一幀數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)先將前二字節(jié)讀取后拋棄，且每次讀取時(shí)都要重復(fù)此過程;接下來需判斷接收到的第三字節(jié)是否為開始標(biāo)志位，若是則繼續(xù)拋棄前二字節(jié)后再開始數(shù)據(jù)的接收，接收完畢后讀入二字節(jié)的狀態(tài)字表示接收完畢。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了仿真實(shí)際的應(yīng)用情形，將本無線通信系統(tǒng)在一個(gè)布滿桌椅和電子設(shè)備，如電腦、打印機(jī)、示波器等的室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行數(shù)據(jù)通信實(shí)驗(yàn)，以確認(rèn)所述方案的實(shí)際應(yīng)用效能。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將2個(gè)無線通信模塊分別在相距30m、10m、1m、0.1m 條件下進(jìn)行通信，并利用串口監(jiān)視收發(fā)的數(shù)據(jù)，以十六進(jìn)制顯示出來。實(shí)驗(yàn)方式包括單字節(jié)的發(fā)送和接收及多字節(jié)的發(fā)送和接收，分別做了5組實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)介紹其中一組實(shí)驗(yàn)如下:

實(shí)驗(yàn)距離為30m，方式為多字節(jié)的發(fā)送和接收。根據(jù)程序設(shè)定的發(fā)送格式:發(fā)送的字節(jié)數(shù)+待發(fā)送的數(shù)據(jù)，假定串口一發(fā)送數(shù)據(jù)為:0x18 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x10 0x11 0x12 0x13 0x14 0x15 0x16 0x17 0x18 0x19 0x20 0x21 0x22 0x23 0x24，串口二發(fā)送的數(shù)據(jù)為:0x17 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x10 0x11 0x12 0x13 0x14 0x15 0x16 0x17 0x18 0x19 0x20 0x21 0x22 0x23，2個(gè)串口分別發(fā)送10幀數(shù)據(jù)，其中0x17、0x18為發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，超出范圍的數(shù)據(jù)將被作為無效處理。串口打印時(shí)將同步格式的長(zhǎng)度等標(biāo)志位省略，其實(shí)際打印效果如圖3、4所示。

每組實(shí)驗(yàn)對(duì)串口的發(fā)送端和接收端測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，內(nèi)容、格式均一致，即系統(tǒng)能夠正確、穩(wěn)定的進(jìn)行收發(fā)通信，符合設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一個(gè)單片機(jī)控制的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了超低功耗的STC12C5A60S2單片機(jī)和同樣是低功耗的無線收發(fā)芯片IA4421，它們之間的控制與數(shù)據(jù)連接則是借助SPI接口來實(shí)現(xiàn)。SPI接口具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，且器件操作遵循統(tǒng)一的規(guī)范，使系統(tǒng)軟硬件具有良好的通用性。以無線方式傳輸數(shù)據(jù)在實(shí)際應(yīng)用中由于其方便靈活，可望在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。本實(shí)現(xiàn)方案無需復(fù)雜的協(xié)議與價(jià)格較為昂貴的協(xié)議支持芯片，可作為嵌入式系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N低成本、低功耗選擇方案。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)能在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中可靠運(yùn)行，且在設(shè)計(jì)時(shí)不局限于特定的嵌入式系統(tǒng)，具有較高的通用性，能方便地移植到其他的系統(tǒng)中去，滿足無接觸數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

［1］李斌.基于藍(lán)牙的車間環(huán)境下無線通信技術(shù)研究與應(yīng)用［D］.西安:西安理工大學(xué)，2008:3－4.

［2］宏晶科技.STC12C5A60S2系列單片機(jī)器件手冊(cè)［DB/OL］.(2009 －11).www.STCMCU.com.

［3］Silicon labs.IA4421 DATASHEET［DB/OL］.(2007 －08).www.integration.com.

［4］石瓊，江秀臣，曾奕.無線通信在輸電線路絕緣子檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008(24):9－11.

［5］鄒其洪，柳蘭，趙俊.基于LPC2131和IA4421的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.信息與電子工程，2009(2):90－93.