《無線通信開發(fā)技術(shù)及實踐》課件第5章

第5章UHF無線數(shù)傳技術(shù)5.1無線數(shù)傳概述5.2CC1101硬件基礎(chǔ)5.3CC1101寄存器5.4CC1101應(yīng)用編程基礎(chǔ)小結(jié)5.1無線數(shù)傳概述

無線數(shù)傳技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，用戶可以通過無線數(shù)傳部分的或全部的替代有線傳輸，將原本有線的數(shù)據(jù)鏈路無線化，以達(dá)到減少布線、降低成本的目的，多用于環(huán)境惡劣、人煙稀少或者不方便布線的場合。本節(jié)將介紹無線數(shù)傳相關(guān)的概念和頻段等。

1.概述

典型的無線數(shù)傳技術(shù)利用無線信道實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，可兼具通話功能，有效覆蓋半徑因產(chǎn)品而異，可長達(dá)幾十千米。無線數(shù)傳技術(shù)一般用于條件比較惡劣的工業(yè)遠(yuǎn)程控制與測量場合，即通常所說的“三遙”(即遙控、遙測、遙感)系統(tǒng)，因此對技術(shù)指標(biāo)及可靠性的要求是很嚴(yán)格的。無線數(shù)傳技術(shù)一般使用VHF和UHF頻段，其中UHF頻段抗干擾能力強(qiáng)，并支持各種點對點、點對多點的無線數(shù)據(jù)通信方式，具有收/發(fā)一體、安全隔離、安裝隔離、使用簡單、性價比高、穩(wěn)定、可靠等優(yōu)點。

2.?UHF無線數(shù)傳頻段

UHF頻段無線數(shù)傳技術(shù)主要使用各國免費使用的免申請ISM頻段，其中包含國際通用的2.4GHz(2.400GHz～2.4835GHz)頻段。另外，它還包含其他的一些頻段，各個國家均有不同。具體工作頻段劃分如表5-1所示。在表5-1中，2.4GHz為國際通用的免申請ISM頻段，藍(lán)牙、WiFi產(chǎn)品均工作在這一頻段。在我國，315MHz為早期無線遙控產(chǎn)品的主要頻段，無線電磁環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸不是很可靠，主要用于傳輸簡單數(shù)據(jù)的無線遙控。433MHz是無線數(shù)傳產(chǎn)品的主要UHF頻段。

3.無線數(shù)傳芯片及選型

在實際的應(yīng)用開發(fā)中，設(shè)計開發(fā)者可根據(jù)產(chǎn)品開發(fā)周期和開發(fā)能力選擇購買相應(yīng)的數(shù)傳芯片或模塊。無線數(shù)傳芯片/模塊的主要性能指標(biāo)包括發(fā)射功率、接收靈敏度、傳輸速率、傳輸距離和功耗，其選型在設(shè)計中是至關(guān)重要的。無線數(shù)傳芯片的種類比較多，正確的選擇可以減小開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，降低成本，更快地將產(chǎn)品推向市場。選擇無線數(shù)傳芯片時主要考慮下述幾個因素：

功耗：大多數(shù)無線收/發(fā)芯片是應(yīng)用在便攜式產(chǎn)品上的，因此功耗是非常關(guān)鍵的因素之一，應(yīng)該根據(jù)需要選擇綜合功耗較小的產(chǎn)品。

發(fā)射功率：同等條件下，為保證有效和可靠的通信，應(yīng)選用發(fā)射功率較高的產(chǎn)品。接收靈敏度：接收靈敏度反映了芯片接收微弱信號的能力，在同等條件下，應(yīng)選擇接收靈敏度高的芯片。

開發(fā)成本：選用成本較低的無線收/發(fā)芯片，避免使用所需的外圍元件多、外圍元件昂貴的收/發(fā)芯片，采用收/發(fā)合一的天線，以降低系統(tǒng)開發(fā)成本。

芯片體積：較少的管腳以及較小的封裝，有利于減少PCB面積，降低成本，適合便攜式產(chǎn)品的設(shè)計，也有利于開發(fā)和生產(chǎn)。在433MHz數(shù)傳芯片中，CC1101是目前市場上比較主流的一款芯片。CC1101具有較高的傳輸速率，較低的電流消耗和較高的靈敏度，而且成本低、復(fù)雜度小，特別適合初學(xué)者學(xué)習(xí)使用。因此，本書的后續(xù)內(nèi)容講解都是以CC1101模塊為核心而展開的。

5.2CC1101硬件基礎(chǔ)

在實際的應(yīng)用與開發(fā)中，設(shè)計者可根據(jù)產(chǎn)品開發(fā)周期和開發(fā)能力選擇使用CC1101芯片或者模塊，采用單片機(jī)控制，實現(xiàn)其應(yīng)用與開發(fā)。本節(jié)主要介紹搭建CC1101無線數(shù)傳硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括認(rèn)識CC1101芯片和模塊的特點、結(jié)構(gòu)等。5.2.1CC1101芯片

CC1101是一款單芯片、低成本的UHF頻段無線收/發(fā)器，基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，專為低功耗無線應(yīng)用而

設(shè)計。

1.芯片概述

CC1101主要設(shè)定在315MHz、433MHz、868MHz和915MHz的ISM頻段，可以很容易地編程，使之工作在其他頻率，如300MHz～348MHz、387MHz～464MHz和

779MHz～928MHz頻段。

CC1101芯片具有數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、接收信號強(qiáng)度指示(RSSI)、空閑信道評估(CCA)、鏈路質(zhì)量指示以及無線喚醒(WOR)等功能，內(nèi)部的參數(shù)寄存器和數(shù)據(jù)傳輸FIFO可通過SPI接口控制，所需的周邊器件很少，使用簡單。

2.芯片引腳

CC1101芯片的引腳圖如圖5-1所示。圖5-1CC1101芯片引腳

CC1101芯片的各個引腳說明如表5-2所示。5.2.2CC1101模塊

廠家提供的CC1101模塊一般由PCB主板、SMA接頭以及外接天線組成。其中，SMA連接器用于與50?負(fù)載匹配，可使連接評估板和原型產(chǎn)品至不同測試設(shè)備(如頻譜分析器)變得簡單。天線可以根據(jù)需要選擇標(biāo)準(zhǔn)配置的短柱狀天線、彎頭天線(方向360度可調(diào))或鍍銀金屬天線(成本低，適合大批量應(yīng)用)。本書配套的實驗開發(fā)套件中的天線為短柱狀天線。

1.模塊概述

CC1101模塊的主要性能及特點如下：

工作于433MHz免費ISM頻段，免許可證使用。

工作電壓：1.8V～3.6V(推薦3.3V)。

可編程控制的輸出功率，對所有的支持頻率可達(dá)+10dBm。

工作速率最低為1.2kb/s，最高為500kb/s，支持2-FSK、GFSK和MSK調(diào)制方式。

高靈敏度(在速率1.2kb/s下為-110dBm，1%數(shù)據(jù)包誤碼率)。

功耗低(在RX中，15.6mA，2.4kb/s，433MHz)。

開闊地實際傳輸距離一般為250m～300m(視具體環(huán)境和通信波特率等而定)。

CC1101適用于多種無線通訊應(yīng)用，如超低功耗無線收/發(fā)器、家庭和樓宇自動化、高級抄表架構(gòu)、無線計量、無線報警和安全系統(tǒng)等。其中，幾個典型的應(yīng)用領(lǐng)域如下：

車輛監(jiān)控、遙控、遙測、水文氣象監(jiān)控。

無線標(biāo)簽、身份識別、非接觸RF智能卡。

小型無線網(wǎng)絡(luò)、無線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼。

工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線232數(shù)據(jù)通信、無線485/422數(shù)據(jù)采集。

無線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、生物信號采集。

2.模塊接口

為便于嵌入式應(yīng)用，CC1101模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的DIP間距接口，其外接引腳如圖5-2所示。圖5-2CC1101模塊引腳圖相關(guān)引腳說明如表5-3所示。單片機(jī)與CC1101及其他輔助外設(shè)的接口電路如圖5-3所示。從圖中可以看出，CC1101通過SPI接口與單片機(jī)相連，相關(guān)外設(shè)有按鍵、LED燈、蜂鳴器和LCD12864液晶顯示器。圖5-3單片機(jī)與CC1101及相關(guān)外設(shè)的接口電路5.3CC1101寄存器

單片機(jī)與CC1101的通信都是通過對寄存器的訪問來完成的。了解CC1101的寄存器是能夠正確配置和使用它的前提條件，本節(jié)將講解CC1101寄存器的相關(guān)內(nèi)容和訪問方法。5.3.1寄存器空間

CC1101的SPI地址空間是0x00～0x3F，只需BIT0～BIT5即可表示寄存器地址。SPI的地址空間由配置寄存器(0x00～0x2E)、指令選通脈沖(又稱命令濾波)寄存器(0x30～0x3D)、狀態(tài)寄存器(0x30～0x3D)和多字節(jié)寄存器(0x3E和0x3F)組成。CC1101的SPI地址空間如表5-4所示。配置寄存器在表5-4中，幾個重要寄存器名稱及功能如下所述：

配置寄存器：可讀/寫(由R/W位控制)，可單字節(jié)訪問和突發(fā)訪問(由突發(fā)訪問控制位B控制)。地址范圍為0x00～0x2E。

指令選通脈沖(命令濾波)寄存器：指令選通脈沖是CC1101的單字節(jié)指令，可讀/寫，對這些寄存器的訪問操作將會使內(nèi)部狀態(tài)或模式發(fā)生改變。只要寫一下對應(yīng)寄存器的地址，不用寫數(shù)據(jù)，內(nèi)部就會自動執(zhí)行相應(yīng)的指令，比如重啟芯片，設(shè)置為發(fā)送模式等。地址范圍為0x30～0x3D。狀態(tài)寄存器：只讀，地址范圍為0x30～0x3D。

多字節(jié)寄存器：包含PATABLE寄存器和FIFO寄存器，可讀/寫，可單字節(jié)訪問或者突發(fā)訪問。其中，PATABLE內(nèi)部是一個8字節(jié)表，用于定義PA控制設(shè)置。對PATABLE的訪問，可用于設(shè)置發(fā)射功率。FIFO包含TXFIFO和RXFIFO兩個單獨的64字節(jié)寄存器。當(dāng)配置字的BIT7位為1(讀寄存器)時，訪問的是RXFIFO；當(dāng)配置字的BIT7位為0(寫寄存器)時，訪問的是TXFIFO。5.3.2寄存器訪問函數(shù)

本節(jié)講解配置寄存器、指令脈沖選通寄存器、狀態(tài)寄存器的相關(guān)訪問函數(shù)。

1.配置寄存器

配置寄存器為可讀/寫寄存器，可單字節(jié)訪問和連續(xù)訪問。下述示例用于實現(xiàn)單字節(jié)讀寄存器。

2.指令脈沖選通寄存器

指令選通脈沖寄存器又稱命令濾波寄存器，可讀/寫，只能單字節(jié)訪問。下述示例用于實現(xiàn)對指令脈沖選通寄存器的訪問。

3.狀態(tài)寄存器

狀態(tài)寄存器為只讀存儲器。要讀取某狀態(tài)寄存器里面的值，應(yīng)首先將0x30～0x3D的地址加上0xC0(BIT7和BIT6位均為1，表示連續(xù)讀)；然后寫入數(shù)據(jù)，就可以讀到相應(yīng)狀態(tài)寄存器里的值了。下述示例用于實現(xiàn)讀狀態(tài)寄存器。

5.4CC1101應(yīng)用編程基礎(chǔ)

5.4.1一般編程方法

任何單片機(jī)都可以實現(xiàn)對無線模塊的數(shù)據(jù)收/發(fā)控制，應(yīng)選擇自己擅長的單片機(jī)型號進(jìn)行控制，本書采用ATmega16單片機(jī)作為主機(jī)控制。CC1101應(yīng)用編程的一般方法和步驟如下：

(1)?ATmega16單片機(jī)SPI初始化。

(2)?CC1101復(fù)位。

(3)?CC1101初始化。

(4)?CC1101發(fā)射功率設(shè)置。

(5)狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換，寫/讀FIFO數(shù)據(jù)。實際用戶可能會選擇自己的其他單片機(jī)作為主控芯片，需將相關(guān)程序進(jìn)行移植，但應(yīng)注意：

確保I/O是輸入/輸出方式，且必須設(shè)置成數(shù)字I/O；

注意與使用的I/O相關(guān)的寄存器配置，尤其是帶外部中斷和AD功能的I/O，相關(guān)寄存器一定要設(shè)置好；

調(diào)試時先寫配置字，然后控制數(shù)據(jù)收/發(fā)；

注意工作模式切換時間。5.4.2SPI初始化

1.?CC1101的SPI時序

SPI接口上的所有事務(wù)均以一個報頭字節(jié)(即配置字)作為開始，該字節(jié)包含一個讀/寫控制位R/W，一個突發(fā)存取(即突發(fā)訪問控制)位B，以及一個6位地址A5～A0。其中，CC1101讀/寫控制是BIT7，BIT7=1為讀對應(yīng)的寄存器；BIT7=0為寫相應(yīng)的寄存器。BIT6是突發(fā)存/取位，BIT6=1為突發(fā)訪問(即連續(xù)訪問)，BIT6=0為單字節(jié)訪問。所有數(shù)據(jù)的傳輸均以最高位開始。

SPI配置寄存器的讀/寫操作時序圖及SPI接口時序要求如圖5-4所示。圖5-4SPI配置寄存器的讀/寫操作時序圖從圖5-4中可以看出，CC1101在時鐘的上升沿鎖存數(shù)據(jù)，在時鐘的下降沿移出數(shù)據(jù)。在SPI傳輸空閑時，時鐘SCLK保持在低電平狀態(tài)。由此可知，SPI工作在模式0。在SPI總線上傳輸報頭字節(jié)或讀/寫寄存器期間，CSn引腳必須保持低電平，如果CSn電平升高，那么傳輸就會被取消。當(dāng)拉低CSn電平時，在開始傳輸該報頭字節(jié)以前，MCU必須等待，直到CC1101的SO引腳變?yōu)榈碗娖綖橹埂O引腳變?yōu)榈碗娖奖砻鲀?nèi)部已穩(wěn)定。

2.?SPI初始化

下述示例用于實現(xiàn)ATmega16的SPI初始化，設(shè)置相關(guān)I/O引腳，SPI工作在模式0，時鐘為主頻的16分頻，使能SPI。

【示例5-8】SPI初始化函數(shù)SpiInit()。5.4.3CC1101復(fù)位

1.?CC1101狀態(tài)

當(dāng)通過SPI接口發(fā)送報頭字節(jié)、數(shù)據(jù)字節(jié)或指令選通脈沖時，芯片狀態(tài)字節(jié)由CC1101通過SO引腳發(fā)送。每當(dāng)一個字節(jié)通過SI引腳寫入到寄存器時，狀態(tài)字節(jié)將被送到SO引腳。該狀態(tài)字節(jié)包含一些關(guān)鍵的狀態(tài)信號，對于MCU而言是非常有用的。第7位為CHIP_RDYn信號，該信號在SCLK首個正邊緣以前必須變?yōu)榈碗娖健HIP_RDYn信號表明晶體正在運行。

第6、5和4位由STATE值組成，反映了芯片的8種狀態(tài)。只有芯片處于IDLE狀態(tài)時，頻率和信道配置才能被更新。當(dāng)該芯片處于接收模式時，RX將處于工作狀態(tài)。同樣，當(dāng)該芯片處在發(fā)送模式時，TX將處于工作狀態(tài)。狀態(tài)字節(jié)中最后四位(3:0)為FIFO_BYTES_AVAILABLE，表示數(shù)據(jù)緩沖區(qū)FIFO的可用字節(jié)，最大值是15，表示15或者更多字節(jié)是可使用(自由)的。FIFO分為TXFIFO和RXFIFO兩個單獨的數(shù)據(jù)區(qū)，進(jìn)行讀取操作(報頭字節(jié)中的R/W位為1)時，表示可從RXFIFO讀取的字節(jié)數(shù)；進(jìn)行寫入操作(R/W位為0)時，表示可寫至TXFIFO的字節(jié)數(shù)。

2.?CC1101復(fù)位

CC1101的系統(tǒng)復(fù)位有自動上電復(fù)位(POR)或手動復(fù)位兩種方式。這里重點講述手動復(fù)位，即采用SRES指令完成復(fù)位的過程。

使用SRES指令選通脈沖進(jìn)行復(fù)位是使CC1101全局復(fù)位的一種方法。通過發(fā)出指令選通脈沖，所有內(nèi)部寄存器和狀態(tài)均被設(shè)置為默認(rèn)值，即IDLE狀態(tài)。手動上電時序如圖5-5所示。圖5-5使用SRES完成手動上電復(fù)位從圖5-5中可以看出，系統(tǒng)手動復(fù)位的步驟如下：

(1)設(shè)置選通脈沖CSn為高電平。

(2)拉低CSn，保持CSn為低電平。

(3)設(shè)置CSn為高電平，并保證高電平至少持續(xù)40μs。

(4)拉低CSn，等待SO變低(CHIP_RDYn信號為低，表示內(nèi)部已穩(wěn)定)。

(5)通過SI線發(fā)送SRES選通脈沖。

(6)當(dāng)SO再次變低時，復(fù)位完成，芯片處于IDLE狀態(tài)，同時晶體振蕩器開始工作。5.4.4CC1101初始化

CC1101的初始化過程主要是完成對CC1101配置寄存器的初始化。相關(guān)寄存器的初始值采用廠商給出的推薦設(shè)置，對部分配置寄存器作了相關(guān)設(shè)置，全部的配置寄存器地址及相關(guān)說明參見附錄5。

下述示例展示了廠商給出的配置寄存器設(shè)置函數(shù)。在示例5-11中，每一個配置寄存器的設(shè)置均通過SPI寫寄存器函數(shù)halSpiWriteReg()實現(xiàn)，詳細(xì)程序代碼參見示例

5-4。

此處的地址實參均封裝為宏定義的形式，其定義如下：5.4.5發(fā)射功率設(shè)置

對發(fā)射功率的設(shè)置是通過訪問PATABLE寄存器來實現(xiàn)的。對PATABLE的訪問可以是單字節(jié)或突發(fā)訪問，具體情況取決于突發(fā)訪問控制位B。R/W位控制存/取是寫入訪問還是讀取訪問。

PATABLE的地址是0x3E，在接收此地址之后，SPI需要等待8個數(shù)據(jù)字節(jié)。對PATABLE的讀/寫操作是由低到高完成的，一次讀/寫一個字節(jié)，通過內(nèi)部的指數(shù)計數(shù)器控制。每讀取或?qū)懭朐摫碇械囊粋€字節(jié)，計數(shù)器就加1，當(dāng)計數(shù)到7時會自動從0開始重新計數(shù)。當(dāng)設(shè)置CSn為高電平時，內(nèi)部的計數(shù)器會變?yōu)樽钚≈?。

工作于433MHz的CC1101的輸出功率編程設(shè)置如表5-7所示。

【示例5-14】輸出功率編程。

unsignedcharPaTabel[8]=

{0xC0,0xC0,0xC0,0xC0,0xC0,0xC0,0xC0,0xC0};//10dBm功率最大輸出

halSpiWriteBurstReg(CCxxx0_PATABLE,PaTabel,8); //發(fā)射功率設(shè)置

其中，CCxxx0_PATABLE為PATABLE寄存器的地址0x3E，其定義如下：

#defineCCxxx0_PATABLE0x3E//采用宏定義的形式將CCxxx0_PATABLE定義為0x3E5.4.6寫/讀FIFO數(shù)據(jù)

FIFO在CC1101的SPI地址空間的地址是0x3F，可分為TXFIFO和RXFIFO兩個單獨的64字節(jié)寄存器，均可通過單字節(jié)訪問或者突發(fā)(連續(xù))訪問。BIT7位用于控制訪問不同的寄存器；BIT6是突發(fā)訪問控制位，BIT6為1是突發(fā)訪問，BIT6為0是單字節(jié)訪問。下列報頭字節(jié)可對FIFO進(jìn)行存、?。?/p>

0x3F：單字節(jié)訪問TXFIFO。

0xBF：單字節(jié)訪問RXFIFO。

0x7F：突發(fā)訪問TXFIFO。

0xFF：突發(fā)訪問RXFIFO。

當(dāng)CC1101芯片進(jìn)入休眠狀態(tài)時，兩個FIFO都被刷新

為空。

CC1101的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖5-6所示。圖5-6數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)圖從圖5-6中可以看出，CC1101的數(shù)據(jù)包由前導(dǎo)碼、同步字節(jié)、可選的數(shù)據(jù)包長度、可選的目標(biāo)地址、真正數(shù)據(jù)區(qū)和2字節(jié)的CRC校驗碼構(gòu)成。更加詳細(xì)的內(nèi)容請參考相關(guān)手冊。

當(dāng)開啟TX模式時，調(diào)制器將開始發(fā)送前導(dǎo)(前導(dǎo)字節(jié)數(shù)由MDMCFG1寄存器設(shè)置，具體可參考相關(guān)手冊)。當(dāng)前導(dǎo)被發(fā)送完畢時，調(diào)制器就開始發(fā)送同步字，然后發(fā)送來自TXFIFO的數(shù)據(jù)(如果是有效數(shù)據(jù)的話)。

CC1101支持固定數(shù)據(jù)包長度、可變數(shù)據(jù)包長度和無長度限制的數(shù)據(jù)包3種模式，通過PKTCTRL0的LENGTH_CONFIG位進(jìn)行設(shè)置。對于可變數(shù)據(jù)包長度模式，PKTLEN寄存器用于設(shè)置RX模式中允許的最大數(shù)據(jù)包長度，任何長度字節(jié)值大于PKTLEN的接收數(shù)據(jù)包將被丟棄。相關(guān)的寄存器詳情參見附錄5。

1.接收數(shù)據(jù)包

CC1101支持三種不同類型的數(shù)據(jù)包濾波：地址濾波、最大長度濾波和CRC濾接收模式下的數(shù)據(jù)包濾波。下面就最大長度濾波作一簡單說明。

在可變數(shù)據(jù)包長度模式下(PKTCTRL0.LENGTH_CONFIG=1)，PKTLEN.PACKET_LENGTH的值用來設(shè)置最大允許數(shù)據(jù)包長度。當(dāng)接收字節(jié)值比這個值大時，則數(shù)據(jù)包被丟棄并且重新啟動接收模式。

2.發(fā)送數(shù)據(jù)包

在數(shù)據(jù)包發(fā)送時，必須將要發(fā)送的有效負(fù)載寫入TXFIFO中。開啟可變數(shù)據(jù)包長度以后，長度字節(jié)必須最先被寫入。長度字節(jié)具有一個與數(shù)據(jù)包有效負(fù)載相當(dāng)?shù)闹?包括可選地址字節(jié))。如果接收機(jī)端開啟了地址識別，則寫入TXFIFO的第二個字節(jié)必須為地址字節(jié)。調(diào)制器會首先發(fā)送