基于CC1200的無線測控電臺設計與實現

郭英杰，齊建中，宋 鵬

(北方工業大學 電子信息工程學院，北京 100144)

0 引言

信息通信領域中，近幾年發展最快、應用最為廣泛的是無線通信技術，并且具有集成度高、數字化、體積小和易于操作的發展趨勢[1]，已經廣泛應用于人們的生活和工作中，例如無線通信技術中的無線遙測技術作為遠程數據采集與控制的關鍵節點，尤其是在無人機應用場景中，對氣象勘測、農業種植和災難救援等領域都產生了十分顯著的影響和作用。

文獻[2-4]通過一些具有高集成度的多功能器件設計了特定波段的遙測系統。可以看出，近幾年來隨著超大規模集成電路技術的快速發展，使用短距離無線測控技術可以把很多功能都集成到一塊芯片內部，具有開發簡單且快速的特點，方便嵌入到各種設備中，實現設備間的無線通信[5]。因此，利用無線射頻收發芯片進行無線通信技術的開發具有非常廣闊的應用前景。

本文以實際應用為背景，設計并實現了一種基于新型無線收發芯片的無線測控電臺。采用了TI公司推出的一款射頻收發芯片CC1200，最終實現了能夠在500 kbps的速率下進行工作，接收靈敏度優于-90 dBm，在5 km通信距離時可以保證通信質量，即誤碼率不大于10-5。

1 射頻收發芯片CC1200介紹

CC1200器件是一款全集成單芯片射頻收發器，它具有體積小(32 pins，QFN，5 mm×5 mm )、極低功耗(TX/915 MHz/+14 dBm/46 mA)和極低的供電電壓(2.0～3.6 V)等優點。該器件主要用于工業、科學和醫療(ISM)以及處于 164～190 MHz，410～475 MHz，820～950 MHz的短程設備(SRD)頻帶[6]。

CC1200的功能框圖如圖1所示，其內部集成了射頻收發器和一個高度可配置的基帶調制解調器，最大傳輸速率可達1 250 kbit/s，支持2-FSK，2-GFSK，4-FSK，4-GFSK，MSK，OOK等調制方式[7]，并且提供廣泛硬件支持，以實現數據包處理、數據緩沖、突發傳輸、空閑信道評估、鏈路質量指示和無線電喚醒。用戶通過串行外設接口(Serial Peripheral Interface，SPI)對CC1200的主要運行參數和256 Byte發送/接收先進先出(First Input First Output，FIFO)寄存器進行控制[8]。

圖1 CC1200功能框圖Fig.1 CC1200 functional block diagram

2 無線收發系統方案設計

無線收發系統方案結構圖如圖2所示。

圖2 無線收發系統方案結構圖Fig.2 Wireless transmission system scheme structure

其中，雙工器又稱天線共用器，是一個雙向三端濾波器[9]。作用是既要將微弱的接收信號耦合進來，又要將1 W的發射功率饋送到天線上，且要求二者各自完成其功能并且相互之間不受影響[10]。

在下行遙測接收鏈路中，遙測接收單元將飛行器上傳感器所采集到的環境溫度和濕度以及飛行器的飛行高度和速度等數據進行解調處理。解調輸出的數字信號由FPGA進行解幀分析，然后在上行遙控發射鏈路中，操作人員根據采集的數據，將控制指令信息通過遙控發射單元中的FPGA進行組幀處理，并且依次進行調制和功率放大。

2.1 遙控發射單元設計

遙控發射單元方案結構圖如圖3所示。首先使用PC機將遙控指令通過RS232串口傳輸給FPGA芯片。FPGA將接收到的信息指令按照一定的通信協議進行組幀處理。接下來配置射頻收發器為突發模式(突發模式為按幀格式發送數據包，每一幀數據尾均有校驗位，可以直接通過傳輸一定數量的數據包來計算平均誤碼率，不需要外部給數據信息)[11]。射頻收發器CC1200將接收到的指令信息進行FSK調制，輸出900 MHz的調制信號。調制信號經過混頻器上變頻到S波段輸出已調信號，然后依次通過帶通濾波器、射頻增益電路、功放驅動電路和1 W功率放大電路，輸出功率為1 W的已調信號，最終經過雙工器饋送到天線發射出去。

圖3 遙控發射單元方案結構圖Fig.3 Remote control transmitter unit structure diagram

2.2 遙測接收單元設計

遙測接收單元方案結構圖如圖4所示。天線接收的微弱信號依次經過低噪聲放大電路、帶通濾波器、射頻放大電路和混頻器，下變頻到900 MHz的調制信號[11]。通過聲表濾波器進一步濾波，由射頻收發器CC1200進行解調，并且配置射頻收發器CC1200為連續模式(連續模式下發端數據為連續的10序列)。由FPGA將接收到的解調數據進行處理發送給PC機。操作人員在PC上對數據進行分析、整理、歸納和存儲。

圖4 遙測接收單元方案結構圖Fig.4 Telemetry receiving unit scheme structure diagram

3 基帶信號處理設計

基帶信號處理中最為關鍵的部分為通過4線SPI接口，即SI，SO，SCLK，CSn來控制射頻收發芯片CC1200的主要操作參數[12]。SPI接口收發的數據以最高有效位 (Most Significant Bit，MSB) 優先發送。數據以一個報頭字節作為開始，該字節包含1個R/W(讀/寫)位，一個突發存取位，以及6位地址(A5～A0)[13]。報頭字節在SI引腳發送時，在SO引腳返回1 bit的狀態字節，方便主機即FPGA同時讀取CC1200芯片的狀態。當SPI總線傳送數據時，CSn引腳必須保持低電平。

CC1200擁有一個內置狀態機，可在不同工作狀態(模式)之間切換[14]。通過指令選通脈沖或內部事件來改變狀態。按照圖5所示的CC1200芯片狀態轉移圖，設計SPI驅動程序主要分為5個狀態：待機狀態、睡眠狀態、發射狀態、接收狀態以及啟動頻率合成器狀態，通過發送不同的指令控制狀態之間的跳轉[15]。芯片上電后首先進入待機模式，CC1200的SO管腳輸出低電平。FPGA讀取SO管腳的電平為低電平時，則發送SFSTXON指令跳轉到啟動頻率合成器狀態，再通過發送STX或是SRX指令進入到發射狀態或是接收狀態。

圖5 CC1200芯片狀態轉移圖Fig.5 CC1200 chip state transition diagram

3.1 CC1200發送配置

CC1200發送配置由SmartRFstdio軟件生成最佳的無線發射的寄存器配置字，通過SPI總線寫入到寄存器。CC1200發送模式下的寄存器配置包括載波頻率、晶振頻率、符號速率、比特率、發射功率和射頻前端是否擴展等信息，如圖6所示。

圖6 CC1200發射模式配置界面Fig.6 CC1200 launch mode configuration interface

3.2 CC1200接收配置

在接收模式下，解調器和數據包處理器將會搜索一個有效的前導碼和同步字，找到后，解調器就獲得了，和字節同步機制，并將接收第一個有效負載字節[16]。若前向糾錯碼(FEC)交錯開啟，則FEC解碼器將對第一個有效負載字節進行解碼。交錯器將在任何其他數據處理過程之前對這些位進行解密。如果白化功能開啟了，在這個階段數據將被去白。當可變數據包長度模式開啟時，第一個字節為長度字節。數據包處理器把這個值作為數據包長度存儲，并接收該長度字節顯示數據的字節。如果使用了固定數據包長度模式，數據包處理器將會接收編程數目的字節[17]。接下來，數據包處理器隨意校驗地址，并在地址匹配時才繼續進行接收。若自動循環冗余校驗(CRC)開啟，數據包處理器會計算CRC并將其與附加CRC校驗和相匹配[18]。

在有效負載末端，數據包處理器將隨意寫入2個包含CRC狀態、鏈路質量指示和接收信號強度指示(RSSI)值的額外數據包狀態字節。因此，接收模式下，數據包處理支持功能將通過執行如下操作解析數據包:前導碼檢測、同步字檢測、CRC計算與CRC校驗、一字節地址檢查、數據包長度檢查(對可編程最大長度進行長度字節檢查)、去白、去交錯與解碼。

4 系統測試與分析

根據參數設計指標，最終完成的無線測控電臺硬件實物圖如圖7和圖8所示。其中，圖7為射頻電路實物圖，圖8為基帶信號處理電路實物圖。整機的長寬高尺寸分別為90，40，50 mm。

圖7 射頻電路實物圖Fig.7 RF circuit physical picture

圖8 基帶信號處理電路實物圖Fig.8 Baseband signal processing circuit physical picture

常溫下測量無線測控電臺發射頻譜的帶內功率如圖9所示。帶內功率為29.76 dBm，測量所用的射頻線纜線損為0.42 dB，所以實際發射機的發射功率為30.18 dBm，滿足設計的參數要求。

圖9 發射頻譜帶內功率測量圖Fig.9 In-band power measurement diagram of the transmitted spectrum

在拉距實驗中，天線接收的微弱信號在SmartRFstdio軟件接收界面中，RSSI為-94 dBm，如圖10所示，滿足設計的參數要求。

圖10 接收信號強度指示圖Fig.10 Received signal strength indicator

5 結束語

本文以實際應用為背景，設計并實現了一種基于FPGA+CC1200的新型無線測控電臺。本設計經過大量指標測試實驗以及環境可靠性實驗，最終實現了能夠在500 kbps的速率下進行工作，接收靈敏度優于-90 dBm，在5 km通信距離時可以保證通訊質量，即誤碼率不大于10-5。整機電臺具有全雙工、小型化、抗干擾能力強和通信質量高等特點，具有一定的工程實踐價值。