LPC2103和SI4432的無線通信系統(tǒng)設(shè)計

李鵬飛

（江西理工大學信息工程學院，贛州341000）

引 言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，短距離無線通信技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，硬件低成本，協(xié)議簡單的無線通信系統(tǒng)越來越受到歡迎。現(xiàn)有的一些通信技術(shù)包括WiFi和UWB，WiFi是一種無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可以改善基于IEEE802.11標準的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品之間的互通性。UWB（UltraWideband）是一種無載波通信技術(shù)，它利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。但采用這些方式其硬件成本較高，協(xié)議相對復雜。本文采用基于通信芯片SI4432設(shè)計的無線通信系統(tǒng)，不僅通信質(zhì)量好，而且成本低和開發(fā)難度低，可應(yīng)用于無線通信、智能控制等領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本方案采用分布集散數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，由一個控制工作站（主操作臺）、多個無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)和多個無線控制節(jié)點組成。無線控制節(jié)點（即用戶所使用的設(shè)備和無線I／O模塊）通過無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)與控制工作站通信。

圖1 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 無線通信系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)用LPC2103微控制器控制SI4432實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，系統(tǒng)軟件采用μC／OS－II嵌入式操作系統(tǒng)。μC／OS－II采用的是可剝奪型實時多任務(wù)內(nèi)核，該通信系統(tǒng)將分解成若干任務(wù)，實現(xiàn)模塊化設(shè)計。串口接收任務(wù)將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖區(qū)，發(fā)送任務(wù)從發(fā)送緩沖區(qū)取得數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸給SI4432進行編碼處理，并以特定的格式經(jīng)天線發(fā)送給接收模塊。接收任務(wù)負責接收來自SI4432的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)寫入接收緩沖區(qū)，串口的接收任務(wù)將數(shù)據(jù)傳到PC機或其他設(shè)備。無線收發(fā)模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無線收發(fā)模塊結(jié)構(gòu)原理框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

主控芯片采用飛利浦公司生產(chǎn)的LPC2103芯片，LPC2103是基于ARM7TDMI－S CPU的微控制器，由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口（范圍從多個UART、SPI和SSP到兩條I2C總線）和8KB的片內(nèi)SRAM，非常適合通信網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換器應(yīng)用，可以通過內(nèi)置SPI控制器對SI4432的內(nèi)部寄存器進行讀寫操作，根據(jù)實際情況配置各項參數(shù)。通過SPI接口完成對SI4432的各種配置和操作，如初始化配置、讀寫數(shù)據(jù)、訪問FIFO等。MOSI和MISO用于實現(xiàn)LPC2103到SI4432的雙工傳輸；SCK用于串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?；nSEL作為片選信號。SPI接口示意圖如圖3所示。

圖3 SPI接口示意圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

采用μC／OS－II作為操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)將分解成幾個任務(wù)：系統(tǒng)初始化任務(wù)、SI4432發(fā)射任務(wù)、SI4432接收任務(wù)、讀緩沖區(qū)任務(wù)、寫緩沖任務(wù)。軟件合理設(shè)定任務(wù)的優(yōu)先級，μC／OS－II是基于優(yōu)先級調(diào)度執(zhí)行的。

4.1 系統(tǒng)初始化任務(wù)

系統(tǒng)初始化任務(wù)包括目標板初始化、SPI接口初始化、SI4432初始化。

4.1.1 目標板初始化

目標板初始化主要是定時器0初始化和注冊定時器0中斷服務(wù)程序。μC／OS－II要求提供時鐘中斷以實現(xiàn)延時與超時控制功能，多任務(wù)系統(tǒng)啟動以后，也就是調(diào)用OSStart（）之后第一件事就是初始化定時器，

定時器0初始化：

注冊定時器中斷服務(wù)程序：

μC／OS－II中的時鐘節(jié)拍服務(wù)是通過在中斷服務(wù)子程序中調(diào)用OSTimeTick（）實現(xiàn)的，OSTimeTick（）跟蹤所有任務(wù)的定時器以及超時時限。

4.1.2 SPI接口初始化

為了使LPC2103與SI4432能更高速地進行雙向數(shù)據(jù)傳輸，將前者配置為SPI主機模式后者為從機模式。由于SI4432的所有配置都是通過SPI接口進行的，配置的恰當與否對系統(tǒng)最終的通信效果有很大的影響。SPI初始化為主機，部分程序如下：

4.1.3 SI4432初始化

SI4432主要是自組織協(xié)議設(shè)計和一些寄存器配置。自組織協(xié)議格式如圖4所示。

圖4 協(xié)議格式

其中，Pre表示前導碼，這些字符雜波不容易產(chǎn)生，通過測試和試驗發(fā)現(xiàn)，噪聲中不容

易產(chǎn)生0x55和0xAA等非常有規(guī)律的信號，因此前導碼采用0x55AA；Sync（同步字）在前導碼之后，本系統(tǒng)設(shè)定的同步字為2B，同步字內(nèi)容為0x2DD4，接收端在檢測到同步字后才開始接收數(shù)據(jù)；本系統(tǒng)不需要TX header（幀頭）；Data表示有效數(shù)據(jù)；CRC表示檢驗位，說明采用何種校驗方式，可避免接收錯誤的數(shù)據(jù)包；SI4432內(nèi)部集成有調(diào)制／解調(diào)、編碼／解碼等功能，Pre、Sync和CRC都是由SI4432自動填充，用戶只需設(shè)定數(shù)據(jù)包的組成結(jié)構(gòu)和有效數(shù)據(jù)即可。

4.2 SI4432發(fā)射任務(wù)

發(fā)射任務(wù)在LPC2103、SPI和SI4432的初始化后。配置寄存器使其進入發(fā)射狀態(tài)，然后讀取發(fā)射緩沖區(qū)（緩沖區(qū)就是一個靜態(tài)隊列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）數(shù)據(jù)到TXFIFO里，當數(shù)據(jù)包發(fā)送完時，SI4432產(chǎn)生中斷，引腳nIRQ拉低從而通知LPC2103數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢，LPC2103讀取該中斷信號從而釋放SI4432的nIRQ引腳，以便接收下一次中斷的產(chǎn)生。

無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)會根據(jù)所要傳遞到特定網(wǎng)關(guān)而切換到特定的信道，下面的子網(wǎng)關(guān)則使用特定的信道。無線發(fā)射流程圖如圖5所示。

圖5 無線發(fā)射流程圖

4.3 SI4432接收任務(wù)

當接收任務(wù)檢測到LPC2103的P0.16引腳被拉低時，首先關(guān)閉SI4432接收，然后讀取其狀態(tài)寄存器釋放nIRQ，判斷數(shù)據(jù)包接收中斷和檢測該包是否有效。如果CRC也正確，LPC2103讀取RXFIFO中的數(shù)據(jù)，將其寫入接收緩沖區(qū)（靜態(tài)隊列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）。數(shù)據(jù)接收完畢后，清除RXFIFO，打開接收使系統(tǒng)進入下一次數(shù)據(jù)通信，無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)會監(jiān)聽所有的信道，而下面的子網(wǎng)關(guān)則使用特定的信道。無線接收程序流程如圖6所示。

圖6 無線接收流程圖

4.4 讀緩沖區(qū)任務(wù)和寫緩沖任務(wù)

讀緩沖任務(wù)主要是讀取SI4432寫到緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，傳送到串口，以便傳輸?shù)絇C或其他設(shè)備；寫緩沖區(qū)任務(wù)主要是把PC或其他設(shè)備準備發(fā)射的數(shù)據(jù)由串口寫入到發(fā)射緩沖區(qū)，由發(fā)射任務(wù)發(fā)射出去。

結(jié) 語

本文設(shè)計了一種基于SI4432的無線通信平臺，此通信平臺采用μC／OS－II和LPC2103作為操作系統(tǒng)和微控制器，通信的直線距離可達600～800m，在建筑物內(nèi)通信質(zhì)量亦能得到保證，該通信平臺能夠應(yīng)用于多種場合。

［1] 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程［M] .北京：北京航空航天大學出版社，2008.

［2] Jean J Labrosse.MicroC／OS－II The Real－Time Kernel，Second Edition［M] .USA：CMP Books，2002.