基于CC1101的無線收發系統設計

劉雪亭

（四川信息職業技術學院 四川 廣元 628040）

基于CC1101的無線收發系統設計

劉雪亭

（四川信息職業技術學院 四川 廣元 628040）

無線射頻收發系統是近年來通信領域中發展最快、應用最廣的模塊電路。該系統由發射模塊和接收模塊組成，以單片機C8051F310作為控制核心部件，基于無線收發芯片CC1101構成的通信傳輸模塊系統，實現信息的無線收發。本文對其工作原理和工作方式進行了分析，給出了其軟硬件設計過程。

CC1101；C8051F310；發射模塊；接收模塊

無線射頻收發系統是近年來通信領域中發展最快、應用最廣的技術。它由單片微控制器和集成射頻無線通信模塊組成，其具有短距離、小功耗、效率高等傳輸的優點[1]，在民用、工業等領域得到廣泛的應用。作為一種無線通信傳輸系統的實用技術，只需使用單片微控制器，加上無線集成射頻收發芯片和少量外圍器件便構成專用或通用無線通信收發模塊[2]，只要改變軟件程序進行控制操作，就可實現信息的無線傳輸和收發功能，且具有傳輸效率高，誤碼率低的特點。

1 系統整體設計

基于CC1101的無線收發系統整體設計框圖如圖1所示，該系統的收發模塊由C8051F310微控制器、CC1101無線射頻收發模塊、外圍輔助電路和顯示電路等組成。短距離無線收發模塊包括無線發射器和無線接收器兩部分，其通信的基本原理是發射模塊的數據通過天線發射出去，接收模塊天線接收后，進行一系列數據處理，得到正確的、經過糾錯的準確數據[3]，從而實現信息的雙工通信。

圖1 無線收發系統框圖

2 系統硬件電路設計

1）CC1101模塊

CC1101是一款針對極低功耗、射頻頻段在 433/868/ 915MHz應用的無線傳輸芯片，能夠提供對數據包處理、接收信號強度指示、突發傳輸、數據緩沖、空閑信道評估、鏈路質量指示以及無線喚醒等功能的硬件支持。其具有高效的SPI接口；利用一次“突發”數據傳輸便可對所有寄存器進行編程；支持64字節發送/接收FIFO，用戶可以設計高效編程緩沖，以達到最快傳輸波特率。目前，CC1101已在無線通信系統中獲得了廣泛的應用。

圖2 CC1101原理框圖

CC1101芯片內部的模塊化原理框圖如圖2所示。其工作原理如下：從RF_N與RF_P的端口輸入兩路的射頻差分接收信號，首先被低噪聲放大器放大，隨后經下變頻處理，分解為同相（I）和正交（Q）的中頻信號，經中頻濾波器后，其I、Q兩路信號分別通過A/D變換器和解調器還原為數字基帶信號，經過前向糾錯與交織處理、數據包處理，再經過收、發緩沖器后，從GDO0和GDO2的兩個通用數據輸出端輸出。其中，自動增益控制（AGC）、信道濾波以及同步等功能模塊均通過數字的方式實現。信號的發射過程是通過對基帶數字信號直接進行頻譜搬移來實現的。信號接收和發射過程中所需的本振信號均通過（基于鎖相環路的）直接頻率合成的方式獲得。該頻率合成器包含一個全片上的LC型壓控振蕩器VCO和一個900的移相器，用于產生同相和正交信號在變頻時所需的本振信號。外接石英晶體為頻率合成器提供參考頻率，同時也為芯片的數字電路提供系統時鐘，從SCLK的腳輸入。

2）無線收發電路設計

基于CC1101的無線通信電路如圖3所示。其中，電容C124是耦合電容，用于隔離直流；電容C121、C131與電感L121、L131組成巴倫電路（平衡-不平衡變換器），用于12、13引腳的差分信號與單端射頻信號間的轉換；電容C122、C123與電感L122、L123組成低通型的LC選頻網絡，同時將輸出阻抗匹配到50 Ω（依據芯片手冊可知，433 MHz頻率下，芯片射頻端口的差分輸出阻抗為116+j41Ω）；石英晶振頻率為26 MHz；SI、SO。SCLK以及CSn組成的4線SPI接口用于配置和數據緩沖器的訪問。

圖3 基于CC1101的433MHz無線通信電路原理圖

依據上述電路圖制作的無線傳輸模塊，至少達到最低1.2 kbps、最高500 kbps的信息傳輸速率。使用單片機SPI總線對模塊內部寄存器和I/O口進行訪問和控制，達到數據收發之目的，模塊數據速率和收發頻率可調。可靈活使用51，AVR，PIC等單片機作為控制器，組成一個數據收發站點。

3）微處理器設計

C8051F3l0是完全集成的混合信號片上系統型MCU芯片，其具有簡單實用、抗干擾能力強，控制靈活等優點[4]，通常配以簡單的外圍電路就可以構成一個完整的控制系統。C8051F310單片機采用射頻SoC（片上系統）進行無線通信設計，是開發低成本、低功耗無線通訊應用系統的理想方案。MCU有多達8個復位源：一個看門狗定時器、一個片內VDD監視器、上電復位電路（POR）、、一個由比較器提供的電壓檢測器、一個時鐘丟失檢測器、一個軟件強制復位、外部復位輸入引腳和FLASH讀/寫錯誤保護復位。除了POR、復位輸入引腳及FLASH操作錯誤這3個復位源之外，其他復位源都可以被軟件禁止[5]。C8051F3l0單片機與CC1101接口電路如圖4所示。

在文中的收發系統設計中，CC1101與一個微控制器C8051F3l0和少數幾個外接元件便可組成一個完整的無線信息收發系統。使用MCU的P2.0口對CC1101進行控制和信息的收發傳輸，其P2.0口、P2.1口、P2.2口、P2.5口組成串行外設接口（SPI[6]；MCU的P2.1口提供串行時鐘控制；P2.3與P2.4口是通用數據輸出端，可用于出理微處理器（MCU）的相關中斷。CC1101在1.8～3.6 V的低電壓下工作，在CC1101的電源供電端DVDD加一個PNP開關三極管來控制CC1101與電源的通斷：當P3.5輸出為低電平時，三極管導通，CC1101與電源連接；當P3.5輸出高電平時，三極管截止，CC1101與電源斷開。在不需要CC1101進行無線通信時將其關閉，需要時再打開，這樣做的目的是為了降低功耗，延長電池的使用壽命。

圖4 MCU與CC1101接口電路示意圖

3 系統軟件設計

1）CC1101無線收發流程設計

對CC1101的收發過程進行正確的程序設計，就能夠實現信息的無線收發傳輸。無線通信收發模塊CC1101接收到微處理器的控制命令后，根據這些命令進行信息的模/數轉換、解調、打包和數據包傳輸等操作，其無線收發程序流程如圖5所示。

圖5 無線通信收發程序流程圖

2）CC1101無線收發程序設計

①無線通信模塊的發射部分程序如下：

②無線通信模塊的發射部分程序如下：

4 系統測試

在發射信息時，將CC1101設置為待機和編程狀態，然后再初始化射頻寄存器參數。C8051F3l0單片機通過掃描鍵盤讀出按鍵值后，把該按鍵值打包，等待發送。C8051F3l0發送數據時，按照SPIO接口時序把要發送的數據寫入CC1101收發模塊中，再初始化發射端的地址，在初始化過程中一定要保證發送端與接收端的地址相互匹配，且發射端發射的數據有效寬度必須與接收端接收的數據一致。然后把C8051F3l0設置為發送模式，并且完成數據的打包處理，給數據進行編碼、調制以及發送。在發送完成后，相應的引腳被設置為低電平0，CC1101回到待機模式。

圖6 無線通信模塊誤碼率測試圖

在接收信息時，初始化的設置過程同發射時基本一致。先將CC1101設置為接收模式，不斷地檢測載波，等待接收數據。當檢測到同頻段的載波并且收發兩端地址也匹配時，CC1101進行數據包的接收，并完成A/D轉換、解碼、解調、糾錯等相關工作。然后將數據通過SPIO接口傳輸到C8051F3l0單片機中，接收完成后CC1101繼續進入待機狀態。

在無線通信模塊和無線反饋控制器調試成功后，對無線通信模塊進行了誤碼率測試，如圖6所示。測試條件為使用串行口COM1，波特率為19.2 kbps，數據位為8位，停止位為1位，測試距離為20 m，發送了17千個字節，錯誤字節為19個，誤碼率為0.11‰。

5結 論

通過對以C8051F3l0單片機為微控制器，以CC1101射頻收發模塊為無線通信系統，對其軟、硬件電路的設計，實現了信號的雙向傳輸，其接口簡單、節省I/O口線，保證系統通信的可靠性，減少通信沖突和降低誤碼率等問題的特點，因此有很強的應用性。

[1]徐興.基于CC1100的無線傳輸系統設計[J].科學技術與工程，2012（8）:41-42.

[2]陳桂友.增強型8051單片機實用開發技術[M].北京:北京航空航天大學出版社，2010.

[3]嚴明，何友國.基于PIC單片機的無線報警系統設計[J].通信技術，2011，44（03）:48-50.

[4]陳偉，施國梁.基于CC1101的車間無線通信系統設計[J].通信技術，2011（12）:43-44.

[5]李文仲.C8051F系列單片機與短距離無線數據通信[M].北京:北京航空航天大學出版社，2007.

[6]馮瑋.基于CC1100的無線傳感器模塊設計[J].軟件開發與設計，2010（11）:35-36.

Design of wireless transceiver system based on CC1101

LIU Xue-ting
（Sichuan Information Technology College，Guangyuan 628040，China）

Wireless RF transceiver system is the fastest and most widely used in the communication field in recent years.The system is composed of a transmitting module and a receiving module.The system is composed of a single chip microcomputer C8051F310 as the core component，and a communication transmission module system based on the wireless transceiver CC1101 is realized.In this paper，the working principle and working mode are analyzed，and the software and hardware design process is given.

CC1101；C8051F310；transmitting module；receiving module

TN929-5

A

1674－6236（2016）18-0123-03

2015-10-09 稿件編號：201510033

劉雪亭（1974—），女，陜西西安人，碩士，副教授。研究方向：電子與通信。