利明， 楊秀芳， 陳劍虹

(西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，陜西 西安 710048)

基于CC1200的嵌入式無線數據通訊系統(tǒng)的設計

利明， 楊秀芳， 陳劍虹

(西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，陜西 西安 710048)

設計了一種基于TI公司2013年推出的射頻芯片CC1200和嵌入式芯片STM32F407的無線數據通訊系統(tǒng)，介紹了STM32的SPI接口控制CC1200收/發(fā)信號的驅動的設計與實現，分析了STM32的SPI接口與CC1200的硬件連接，探討了系統(tǒng)的初始化和點對點之間通訊程序的編寫，最終實現了100 kbit/s的500 m短距離無線數據通訊，并將發(fā)送-接收-判斷-發(fā)送-接收時間控制在0.5 s內。該系統(tǒng)具有功耗低、速率高、體積小、通訊質量高的特點。

CC1200； 短距離無線通信； STM32F07； SPI

信息通信領域中，近些年發(fā)展最快、應用最廣的就是無線通信技術。而且無線通信技術又有著集成化、低功耗、易于操作的發(fā)展趨勢。無線通信技術已經廣泛應用到人們的生活和工作中，例如收費站中的刷卡技術，智能家居中的無線通訊系統(tǒng)[1]等等。目前，很多公司都在不斷完善本公司的前期產品，這就使得無線通信模塊不斷地推陳出新[2-3]。

本文設計了一種基于最新型無線收發(fā)芯片的無線通訊系統(tǒng)，采用了TI公司于2013年新推出的一款射頻芯片CC1200，相較于1 GHz以下的射頻芯片CC1100， CC1200的最大傳輸速率可達1 250 kbit/s，支持多達6種調制方式。本文設計的是一款傳播速率很高的無線通訊設備，能夠在100 kbit/s的速率下進行工作，在500 m通訊距離時能夠保證通訊質量(即誤碼率在0.1%以下)。

1 射頻芯片CC1200

CC1200是TI公司于2013年7月推出的一款Sub-1 GHz 收發(fā)器。具有業(yè)界領先的覆蓋范圍與共存性，專門針對高級電表基礎設施(AMI)及家域網(HAN)的1 GHz以下無線連接而開發(fā)，可充分滿足智能電網、家庭樓宇自動化以及告警與安全系統(tǒng)應用需求。

CC1200是一款性價比很高的高性能射頻芯片，它具有體積小(32 pins、QFN、5 mm×5 mm)、極低功耗(TX/915 MHz/+14 dBm/46 mA，啟動時間為0.24 ms，空閑時間電流為1.5 mA)和極低的供電電壓(2.0～3.6 V)等優(yōu)點。所有的濾波器都是內部集成，不再需要昂貴的外部SAW和IF濾波器。該芯片在接收和發(fā)送中，最高數據傳輸速率可達1 250 kbit/s、最高輸出功率可達到+14 dBm，可工作在169/433/868 /915/920 MHz的ISM/SRD頻帶，并可能支持137～160、205～240及274～320 MHz等其它頻帶。該芯片具有極好的接收靈敏度：在1.2 kHz時可達到-123 dBm、在50 kHz時可達-110 dBm。該芯片具有128字節(jié)的RXFIFO和TXFIFO。

2 主控芯片STM32F407

STM32F407是采用最新的ARM內核Cortex M4的嵌入式帶有浮點運算能力(FPU)的處理器，常用于控制和信號處理的數字控制。該控制器增加了信號處理功能，提高了運行速度，具有32位多重AHB總線矩陣和多通道DMA控制器等多種功能。它的集成度高，功耗低(睡眠、停止以及待機模式)，內部有最高可達1 MB Flash和192 KB SRAM，工作頻率最高為168 MHz，外部晶振頻率可選4～26 MHz，內部具有32 kHz的RC校準頻率。Debug模式：串口調試SWD和JTAG接口。STM32F407最高可達140個I/O端口并帶有中斷功能，3個I2C接口，4個USART和2個UART接口(10.5 Mbit/s，ISO 7816 接口)、3個SPI接口和2個CAN接口[5-6]。

3 無線射頻收發(fā)系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)總方案

無線射頻收發(fā)系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示，由STM32F407構成控制核心，控制CC1200實現數據的無線收發(fā)。本次設計在接收端接收到數據后對這組數據進行處理，然后將處理的結果返回給發(fā)送端，發(fā)送端通過接收端返回的數據來判斷接收端是否正確地接收到數據，如果沒有正確地接收到數據則對上一組數據重新發(fā)送，直到接收端接收到正確的數據。通訊頻率設定為920 MHz。

在STM32F407和CC1200之間的通訊方式采用SPI通訊協(xié)議[5]，用于完成STM32F407對CC1200的初始化配置、數據的讀寫以及FIFO的訪問等操作。STM32F407選用SPI3作為與CC1200的通訊接口?？紤]到高頻信號的干擾，對射頻部分的硬件部分進行獨立設計。

通過SPI對CC1200進行寄存器的讀/寫時序如圖2所示。

3.2 軟件設計

軟件開發(fā)用Keil Uvision4，編程語言采用C語言。系統(tǒng)之間的通訊采用主從結構，主站對從站進行詢問，當從站接收到來自主站的詢問信號時，從站做出回答并接收來自主站的信息。設計中給每個從站和主站編寫相對應的地址編號，只有當主站點名通訊的從站時，相對應地址的從站才會與主站進行通訊[7]。

本設計采用可變包長度的模式，即在建立數據包時按照圖3來建立。在CC1200的內部，存在著一個用于管理各個狀態(tài)之間進行切換的狀態(tài)機。在CC1200工作過程中，可以通過讀MARCSTATE寄存器來獲得當前射頻芯片當前的工作狀態(tài)。

圖3 標準的數據包格式
Fig.3 Standard packet format

圖3中,前導碼表示的是一組前導字，同步字表示數據包中設置的同步字，長度則表示發(fā)送數據的長度(包括地址位和數據信息位)。其中，地址表示接受方的地址編號；數據信息就是用戶要傳輸的數據內容，CRC16是最后的數據校驗，它是由CC1200在發(fā)送完前邊的數據后自動添加到數據包的最后。在這里要提到的是，通過配置相應的寄存器CC1200會自動在數據信息的添加2個字節(jié)的數據，這2個字節(jié)的數據表示CRC、LQI和RSSI。

3.2.1 初始化程序

初始化程序包括對STM32F407、CC1200的各項配置以及STM32F407對CC1200驅動的初始化，對CC1200的初始化包括各個寄存器的配置。為了獲得最佳的通訊性能，有些配置必須經過復雜的計算才能獲得，在這里筆者使用Chipcon公司提供的SmartRF Studio軟件對相關的寄存器進行配置。對于一些軟件中沒有提到或者沒有滿足用戶要求的配置，用戶可以根據數據手冊的相關內容自己再進行配置。

這里STM32F407對CC1200驅動，主要就是通過SPI3接口來驅動CC1200。

3.2.2 無線通訊流程

由于采用詢問-回答的方式進行無線數據通訊。所以在本次設計的編程中，發(fā)送程序只執(zhí)行一次，然后會轉換到接收狀態(tài)，這在編程時就要特別注意時序的問題以保證信息能夠完整地被接收到，也就是當發(fā)送端發(fā)送完數據，接收端應該處于接收狀態(tài)，接收端在返回信息時發(fā)送端應該處于接收狀態(tài)。

當數據包發(fā)送完成后，GPIO2會產生一個先上升后下降的信號，STM32F407以此來判斷CC1200是否完成了數據的發(fā)送。無線數據發(fā)送流程如圖4所示。

在接收過程中，只有接收到的地址位的數據與接收方本身配置的地址匹配，它才會繼續(xù)接收后邊的數據并將其存入到RXFIFO中，當接收完成后，GPIO2會給STM32F407發(fā)送一個先上升后下降的中斷，告訴STM32F407接收方的CC1200已經完整地接收到一組數據。無線數據接收流程圖如圖5所示。

3.2.3 模擬串口的使用

模擬串口采用SSCOM3.3軟件，這款軟件是一個綠色軟件，只需在上位機中安裝其對應的驅動程序，然后直接打開該軟件進行對應參數的設置即可使用。在本實驗中對其參數設置為：波特率為115 200，數據位為8，停止位為1。

4 系統(tǒng)測試與分析

為了驗證本設計的可靠性，進行了以下兩個實驗(頻率為920 MHz，傳輸速率為100 kbit/s)。

1) 在一處空曠的地方，通訊距離為100 m進行無線數據的點對點之間的通訊。其實驗結果如圖6所示。

從圖6可以看出,本次設計的無線數據通訊系統(tǒng)在進行短距離的點對點通訊時是可以進行可靠工作的，可以按照用戶的意愿來進行工作。

2) 通訊距離的測試，還是兩個系統(tǒng)之間進行通信，通訊距離依次設定為50 m、100 m、200 m、300 m和500 m，分別進行3次實驗，每次實驗發(fā)送17 000字節(jié)的數據。實驗結果如表1所示。

表1 100 kbit/s速率不同距離誤碼率

Tab.1 Error rate of different distance based on 100 kbit/s

說明：300 m的誤碼率按照常出現的錯誤字節(jié)12個計算；500 m的誤碼率按照常出現的17個錯誤字節(jié)計算。

由此可知：在傳輸速率為100 kbit/s時，距離較近時，誤碼率為0，在較遠距離時誤碼率最高為0.1%。因此，該無線射頻收發(fā)系統(tǒng)能夠實現短距離、高速率、低誤碼率的通信要求。

以后將在800 m距離、空曠環(huán)境下，對本系統(tǒng)再進行實驗。以到達更遠距離的數據通訊。

3)在發(fā)送端對時間進行測試，采用STM32F407的TIM2作為計時器，其頻率設定為8 MHz，每次發(fā)送32個字節(jié)的數據包。

得出發(fā)送機從發(fā)送到接受到返回的正確數據時間為2f3bd(十六進制)，則將其轉換為十進制為193470，即所用時間：

t=193470/8000000=0.024 183 75 s

5 結 語

本次設計的無線數據通訊系統(tǒng)能在高速率的情況下完成500 m距離的數據通訊，保證了很好的通訊質量，在此前提下，完成發(fā)送-接收-判斷-發(fā)送-接收,時間保證在了0.5 s之內，本系統(tǒng)具有體積小、功耗低以及性能高等優(yōu)點。

[1]閔麗娟,盧捍華,陳玲，等.智能家居的系統(tǒng)結構及相關無線通信技術研究[J].計算機技術與發(fā)展,2011，21(8):169-172.

Min Lijuan,Lu Hanhua,Chen Ling，et al. Research of architecture of smart home and related wireless communication technology[J]. Computer Technology and Development， 2011,21(8):169-172.

[2]馮莉，董桂梅，林玉池. 短距離無線通信技術及其在儀器通信中的應用[J].儀器技術與傳感器,2007，(2):31-32.

Feng Li , Dong Guimei, Lin Yuchi. Application of short-distance wireless communication to instruments communication[J]. Instrument Technique and Sensor, 2007,(2):31-32.

[3]江和，張培銘，翁桂華. 基于無線通信的高壓設備溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設計[J].儀器儀表學報,2009,30(9):1969-1975.

Jiang He,Zhang Peiming, Weng Guihua. Design of temperature monitoring system for high-voltage equipment based on wireless communication[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2009,30(9):1969-1975.

[4]鄧專，陳維，王春麟. 射頻收發(fā)芯片CC1100及其應用[J].機械工程與自動化,2007,(12):168-169,172.

Deng Zhuan, Chen Wei, Wang Chun-lin. RF transceiver chip CC1100 and its application [J]. Mechanical Engineering & Automation,2007,(12):168-169,172.

[5]李波，袁霞. STM32和CC2520的TinyOS移植與驅動分析[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用, 2012，12(11):35-38.

Li bo, Yuan Xia. TinyOS transplant and driver analysis based on STM32 and CC2520[J]. Microcontroller and embedded systems applications,2012，12(11):35-38.

[6]袁安富，徐金琦，王偉，等.基于雙STM32多旋翼無人機控制系統(tǒng)設計[J].電子技術應用,2013，39(11)：136-138.

Yuan Anfu, Xu Jinqi， Wang Wei，et al. Control system design for multi-rotor unmanned aerial vehicle based on dual STM32[J].Applications of Electronic Technique, 2013,39(11)：136-138.

[7]王俊荷，高飛，吳節(jié)林. 基于CC1100點對點無線數據采集[J].計算機科學,2011,38(10):212-214.

Wang Junhe, Gao Fei, Wu Jielin. Point to point wireless data acquisition based on CC1100[J]. Computer Science ,2011,38(10):212-214.

(責任編輯 王衛(wèi)勛)

The design of embedded wireless data communication system based on CC1200

LI Ming , YANG Xiufang, CHEN Jianhong

(Faculty of Mechanical and Precision Instrument Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

In the paper, a wireless data communication system is designed based on TI's 2013 launch of the RF chip CC1200 and embedded chips STM32F407 and the design and implementation of driver and the hardware about STM32 SPI interface control CC1200 transmit/receive signals are introduced. This wireless data communication system achieves low power consumption, high data rate,small size, high quality. The programing of Initializing System and point-to-point communication has been discussed. Ultimately, the 500 m short-range wireless data communication has been achieved at 100 kbit/s. The send-receive-judge-send-receive time has been controlled within 0.5 s.

CC1200； short-range wireless communication； STM32F07； SPI

1006-4710(2015)02-0248-05

2014-12-20

陜西省教育廳科研計劃資助項目(2013JK1049)。

利明，男，碩士生，研究方向為光電檢測。E-mail:highli@qq.com。

楊秀芳，女，副教授，研究方向為光電測試及數字信號處理技術。E-mail:yxf5078@163.com。

TN919.72

A