無線跳頻通信系統實驗平臺開發

何蘇勤,翟緒經,潘明華

(北京化工大學信息科學與技術學院,北京 100029)

儀器研制與應用

無線跳頻通信系統實驗平臺開發

何蘇勤,翟緒經,潘明華

(北京化工大學信息科學與技術學院,北京 100029)

介紹一種由CC1121射頻芯片和PIC系列MCU組成的無線跳頻通信系統實驗平臺,詳細闡述了該平臺硬件和軟件設計要點、MCU實現CC1121射頻芯片功能配置的方法,以及無線跳頻同步的程序設計。該平臺實踐性強,綜合性好,有助于學生學習單片機原理和無線通信知識,有利于培養學生的工程設計的思想和開發經驗。

跳頻通信;PIC單片機;跳頻同步

近年來,信息技術的迅猛發展,將跳頻技術與現代數字處理技術相結合,使得跳頻通信電臺不僅穩定性和可靠性高、信道間隔進一步縮小,而且體積小、成本也大幅度下降[1]。

本文設計了以PIC單片機為主控芯片、TI公司的CC1121為射頻芯片的無線跳頻系統實驗平臺,能夠實現短距離無線數據的跳頻收發。PIC單片機以其高可靠性、良好的性價比、低電壓低功耗等優勢,在工業數字化及通信系統等諸多領域都得到了廣泛的應用[2]。采用TI公司可編程的單片高性能收發芯片CC1121,此芯片能夠通過MCU的控制完成數字基帶信號的上/下變頻,實現數字信號和模擬信號的轉換。實驗平臺外圍電路設計簡單、穩定性和可靠性高,成本也很低。該方案的設計有助于學生掌握PIC單片機的軟硬件的使用和跳頻通信的原理及工程設計。

1 系統總體概述

無線跳頻通信系統的組成框圖[3]見圖1。在發送端,信源數據與跳變的載波進行信號調制,載波由頻率合成器在跳頻圖案控制下產生,并跟隨跳頻圖案的變化而改變。混頻后的信號進行濾波處理后通過功率放大器,再由天線發送出去。在接收端,信號經天線接收,通過低噪聲放大器和濾波器處理后,執行解跳操作。接收機在跳頻同步的基礎上,使用與發射機相同的跳頻序列控制頻率合成器,生成相應的頻點,與信號進行混頻并完成解跳[4]。

圖1 無線跳頻通信系統結構框圖

2 硬件系統設計

采用模塊化的設計,主要由單片機控制模塊、電源轉換模塊、RS232接口電路,以及CC1121射頻模塊組成,如圖2所示。PC機通過RS232串口實現上位機與PIC單片機的通信;PIC單片機作為主控芯片,通過SPI外設模塊實現對CC1121射頻模塊的配置與數據傳輸。

單片機控制模塊使用PIC16F877A芯片作為主控制器,將端口A、端口B、端口C的部分引腳與CC1121的控制引腳相連,實現對CC1121的配置和數據傳輸;通過LM2676和AMS1117芯片(見圖3)設計得到3.3 V、5 V的電源轉換電路。

圖2 跳頻電臺結構框圖

2.1 MCU與CC1121硬件接口

MCU與CC1121的硬件接口設計需要使用PIC16F877A的SPI接口模塊,同時使用3個IO口實現與CC1121通用輸入/輸出控制管腳GDO的連接。

單片機PIC16F877A的SPI功能引腳RC3/ SCLK、RC4/SI、RC5/SO、RA5/CSn分別與CC1121 的SPI接口引腳SCLK、SO、SI、CSn連接,實現對CC1121芯片寄存器功能配置和天線收發配置。PIC16F877A的通用IO功能引腳RB0、RA0、RA1與CC1121的通用輸入/輸出控制管腳GDO連接,實現數據接收。

在SPI數據傳輸期間,CSn腳(芯片選擇,低電平有效)必須保持為低電平。如果在數據傳輸過程中CSn變為高電平,則停止傳輸。當CSn變低,在開始傳輸頭字節之前,MCU必須等待,直到CC1121的數據輸出引腳(SO)變低,這表明CC1121正在穩定工作中[5]。

2.2 電源轉換電路設計

單片機PIC16F877A工作電壓為5 V,CC1121射頻模塊以及RS232串口電路的工作電壓為3.3 V,該實驗平臺的輸入電壓為220 V、50 Hz交流電,因此需設計12 V轉5 V和3.3 V的穩壓直流電源,本實驗平臺的穩壓轉換電源模塊如圖3所示。

圖3 電源轉換模塊框圖

LM2676是一種開關型集成穩壓器,可提供一個3 A驅動電流,具有良好的線性和負載調節特性。外圍電路設計中使用1只低導通電阻的DMOS電源開關以獲得高輸出效率,可以固定輸出3.3 V,5 V或 12 V電壓[6]。

AMS1117芯片是一個正向低壓降穩壓器[7],輸入前級轉換電路得到的5 V電壓,固定輸出3.3 V驅動CC1121射頻模塊和RS232串口電路。

3 軟件系統設計

軟件系統采用模塊化設計方法,主要包括MCU初始化模塊、SCI功能模塊、射頻參數配置模塊及數據收發控制模塊。模塊化設計可以提高代碼重復利用率、便于調試排錯,并易于擴展[8]。

3.1 射頻參數配置模塊

CC1121芯片進入正常工作前,單片機需要對其寄存器進行配置,包括參數配置和功能配置,本文利用TI公司提供的SmartRF Studio軟件完成這些配置。寄存器配置主要包括空中速率、工作頻率、頻率偏移、調制解調方式、帶寬、增益、功率等,各項參數之間有相互制約和聯系,取值時需要權衡。Smart RF Studio軟件使用界面化的配置環境,手動配置射頻芯片的功能和參數,生成配置文件供編程調用[9],然后將計算得到的寄存器值通過SPI接口寫入CC1121的相應寄存器,即可完成對CC1121的配置。

在寄存器配置操作時,先拉低CSn引腳,當SO變低時,5μs后給SCLK一個高電平脈沖[10],此時配置值在SI線上傳輸,由SCLK進行采樣傳遞進CC1121,此時在SO引腳上可以讀到CC1121反饋的相應狀態。寄存器配置完畢后,先給SCLK一個低電平,保持5 μs時間后拉高CSN信號,終止配置[11]。

3.2 主從機同步模塊

本文的一個難點是如何快速建立主從機的同步,實現數據跳頻收發。本設計使主從機采用相同的跳頻圖案,在上電初始化后快速建立主從機同步;在同步保持的過程中,主機發送串口接收到的數據,從機進入接收處理;數據處理完畢之后,進行主從機頻點的同時切換[12]。主機的同步流程見圖4,從機的同步流程見圖5。

3.3 跳頻頻率配置

主從機采用相同的跳頻圖案同步實現頻率的更換,MCU對CC1121決定輸出頻率的幾個寄存器進行更改配置。CC1121中的射頻載波頻率fvco與控制寄存器配置值的關系如下式:

其中:fxosc是射頻板的固定晶振頻率;FREQ是由3個8位的寄存器FREQ2、FREQ1、FREQ0組成的24位數,FREQOFF則由頻率偏移寄存器FREQOFF1和FREQOFF0決定數值大小,中心頻率f決定之后在一定的頻段內一般不修改頻率偏移參數[13]。

在跳變過程中的頻率配置主要由FREQ值決定,因此在本方案設計中,每次頻率跳變時同時對3個寄存器FREQ2、FREQ1、FREQ0修改配置值,重置新頻點以實現跳頻控制。

圖4 主機同步流程圖

圖5 從機同步流程圖

4 測試結果分析

本系統在相鄰2個室內環境下進行主從機跳頻數據的收發測試,測試距離10 m。上位機設置波特率為38 400 bit/s,CC1121發射功率－20 dBm,以1.2 bit/s空中速率進行13個頻點的跳頻通信。測試結果見如圖6。

圖6 測試結果——主從機數據收發

電臺1:發送數據為10 370,接收數據為10 366。

電臺2:發送數據10 370,接收數據10 360。

室內環境下,由于建筑物的遮擋導致通信效果受影響,數據收發過程中,出現部分數據包的丟失(共14字節),數據丟失率為14/(10370＋10370)＝6.7× 10－4。由串口界面查看收到的數據和另一個電臺實際發送的數據作對比,沒有出現誤碼。測試結果顯示,跳頻系統的整體測試結果良好。

5 結束語

本文對基于PIC單片機無線跳頻實驗平臺進行開發,設計實現了基于PIC16F877A單片機的跳頻通信系統控制模塊、低功耗射頻芯片CC1121的射頻模塊、電源轉換模塊和串口通信模塊;設計實現了CC1121射頻芯片的功能配置、電臺數據跳頻同步收發等軟件編程。經測試,該實驗平臺可以實現穩定的短距離跳頻數據收發。該系統的電路設計方法、PIC單片機編程、射頻芯片的配置及跳頻算法的實現,可以幫助學生掌握跳頻通信的原理知識,學習PIC單片機硬件電路的設計方法,鍛煉學生的工程開發的能力。

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Development of experimental platform for Frequency-Hopping communication system

He Suqin,Zhai Xujing,Pan Minghua
(Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)

A Frequency-Hopping communication experiment platform consisting of CC1121 RF chip and PIC series MCU is introduced.This paper elaborates on the features of hardware and software design and introduces the method of CC1121 functional configuration and FHSS programming design.The designed experimental platform based on MCU and CC1121 is helpful in developing students’practical and comprehensive ability.Through the study of this platform,the students will learn the principles of MCU and the wireless communication knowledge.Futhermore,the students’ideas and experience in the development of engineering design would be greatly improved.

Frequency-Hopping communication;PIC;Frequency-Hopping synchronization

TN914.41;G484

A

1002-4956(2015)4-0079-04

2014-09-09

國家自然科學基金項目(61340056)

何蘇勤(1957—),女,河南固始,教授,碩士生導師,主要研究方向為移動通信技術研究、嵌入式系統研究.

E-mail:hesq＠mail.buct.edu.cn