無線跳頻通信系統(tǒng)實驗平臺開發(fā)

何蘇勤,翟緒經(jīng),潘明華

(北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100029)

儀器研制與應(yīng)用

無線跳頻通信系統(tǒng)實驗平臺開發(fā)

何蘇勤,翟緒經(jīng),潘明華

(北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(tǒng)實驗平臺,詳細(xì)闡述了該平臺硬件和軟件設(shè)計要點、MCU實現(xiàn)CC1121射頻芯片功能配置的方法,以及無線跳頻同步的程序設(shè)計。該平臺實踐性強(qiáng),綜合性好,有助于學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)原理和無線通信知識,有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計的思想和開發(fā)經(jīng)驗。

跳頻通信;PIC單片機(jī);跳頻同步

近年來,信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,將跳頻技術(shù)與現(xiàn)代數(shù)字處理技術(shù)相結(jié)合,使得跳頻通信電臺不僅穩(wěn)定性和可靠性高、信道間隔進(jìn)一步縮小,而且體積小、成本也大幅度下降[1]。

本文設(shè)計了以PIC單片機(jī)為主控芯片、TI公司的CC1121為射頻芯片的無線跳頻系統(tǒng)實驗平臺,能夠?qū)崿F(xiàn)短距離無線數(shù)據(jù)的跳頻收發(fā)。PIC單片機(jī)以其高可靠性、良好的性價比、低電壓低功耗等優(yōu)勢,在工業(yè)數(shù)字化及通信系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用[2]。采用TI公司可編程的單片高性能收發(fā)芯片CC1121,此芯片能夠通過MCU的控制完成數(shù)字基帶信號的上/下變頻,實現(xiàn)數(shù)字信號和模擬信號的轉(zhuǎn)換。實驗平臺外圍電路設(shè)計簡單、穩(wěn)定性和可靠性高,成本也很低。該方案的設(shè)計有助于學(xué)生掌握PIC單片機(jī)的軟硬件的使用和跳頻通信的原理及工程設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體概述

無線跳頻通信系統(tǒng)的組成框圖[3]見圖1。在發(fā)送端,信源數(shù)據(jù)與跳變的載波進(jìn)行信號調(diào)制,載波由頻率合成器在跳頻圖案控制下產(chǎn)生,并跟隨跳頻圖案的變化而改變?；祛l后的信號進(jìn)行濾波處理后通過功率放大器,再由天線發(fā)送出去。在接收端,信號經(jīng)天線接收,通過低噪聲放大器和濾波器處理后,執(zhí)行解跳操作。接收機(jī)在跳頻同步的基礎(chǔ)上,使用與發(fā)射機(jī)相同的跳頻序列控制頻率合成器,生成相應(yīng)的頻點,與信號進(jìn)行混頻并完成解跳[4]。

圖1 無線跳頻通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

采用模塊化的設(shè)計,主要由單片機(jī)控制模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、RS232接口電路,以及CC1121射頻模塊組成,如圖2所示。PC機(jī)通過RS232串口實現(xiàn)上位機(jī)與PIC單片機(jī)的通信;PIC單片機(jī)作為主控芯片,通過SPI外設(shè)模塊實現(xiàn)對CC1121射頻模塊的配置與數(shù)據(jù)傳輸。

單片機(jī)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(xiàn)對CC1121的配置和數(shù)據(jù)傳輸;通過LM2676和AMS1117芯片(見圖3)設(shè)計得到3.3 V、5 V的電源轉(zhuǎn)換電路。

圖2 跳頻電臺結(jié)構(gòu)框圖

2.1 MCU與CC1121硬件接口

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

單片機(jī)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(xiàn)對CC1121芯片寄存器功能配置和天線收發(fā)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(xiàn)數(shù)據(jù)接收。

在SPI數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸過程中CSn變?yōu)楦唠娖?則停止傳輸。當(dāng)CSn變低,在開始傳輸頭字節(jié)之前,MCU必須等待,直到CC1121的數(shù)據(jù)輸出引腳(SO)變低,這表明CC1121正在穩(wěn)定工作中[5]。

2.2 電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

單片機(jī)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(shè)計12 V轉(zhuǎn)5 V和3.3 V的穩(wěn)壓直流電源,本實驗平臺的穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換電源模塊如圖3所示。

圖3 電源轉(zhuǎn)換模塊框圖

LM2676是一種開關(guān)型集成穩(wěn)壓器,可提供一個3 A驅(qū)動電流,具有良好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。外圍電路設(shè)計中使用1只低導(dǎo)通電阻的DMOS電源開關(guān)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(wěn)壓器[7],輸入前級轉(zhuǎn)換電路得到的5 V電壓,固定輸出3.3 V驅(qū)動CC1121射頻模塊和RS232串口電路。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方法,主要包括MCU初始化模塊、SCI功能模塊、射頻參數(shù)配置模塊及數(shù)據(jù)收發(fā)控制模塊。模塊化設(shè)計可以提高代碼重復(fù)利用率、便于調(diào)試排錯,并易于擴(kuò)展[8]。

3.1 射頻參數(shù)配置模塊

CC1121芯片進(jìn)入正常工作前,單片機(jī)需要對其寄存器進(jìn)行配置,包括參數(shù)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(diào)制解調(diào)方式、帶寬、增益、功率等,各項參數(shù)之間有相互制約和聯(lián)系,取值時需要權(quán)衡。Smart RF Studio軟件使用界面化的配置環(huán)境,手動配置射頻芯片的功能和參數(shù),生成配置文件供編程調(diào)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(yīng)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(dāng)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(jìn)行采樣傳遞進(jìn)CC1121,此時在SO引腳上可以讀到CC1121反饋的相應(yīng)狀態(tài)。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(jī)同步模塊

本文的一個難點是如何快速建立主從機(jī)的同步,實現(xiàn)數(shù)據(jù)跳頻收發(fā)。本設(shè)計使主從機(jī)采用相同的跳頻圖案,在上電初始化后快速建立主從機(jī)同步;在同步保持的過程中,主機(jī)發(fā)送串口接收到的數(shù)據(jù),從機(jī)進(jìn)入接收處理;數(shù)據(jù)處理完畢之后,進(jìn)行主從機(jī)頻點的同時切換[12]。主機(jī)的同步流程見圖4,從機(jī)的同步流程見圖5。

3.3 跳頻頻率配置

主從機(jī)采用相同的跳頻圖案同步實現(xiàn)頻率的更換,MCU對CC1121決定輸出頻率的幾個寄存器進(jìn)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(guān)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(shù),FREQOFF則由頻率偏移寄存器FREQOFF1和FREQOFF0決定數(shù)值大小,中心頻率f決定之后在一定的頻段內(nèi)一般不修改頻率偏移參數(shù)[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(shè)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(xiàn)跳頻控制。

圖4 主機(jī)同步流程圖

圖5 從機(jī)同步流程圖

4 測試結(jié)果分析

本系統(tǒng)在相鄰2個室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行主從機(jī)跳頻數(shù)據(jù)的收發(fā)測試,測試距離10 m。上位機(jī)設(shè)置波特率為38 400 bit/s,CC1121發(fā)射功率－20 dBm,以1.2 bit/s空中速率進(jìn)行13個頻點的跳頻通信。測試結(jié)果見如圖6。

圖6 測試結(jié)果——主從機(jī)數(shù)據(jù)收發(fā)

電臺1:發(fā)送數(shù)據(jù)為10 370,接收數(shù)據(jù)為10 366。

電臺2:發(fā)送數(shù)據(jù)10 370,接收數(shù)據(jù)10 360。

室內(nèi)環(huán)境下,由于建筑物的遮擋導(dǎo)致通信效果受影響,數(shù)據(jù)收發(fā)過程中,出現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)包的丟失(共14字節(jié)),數(shù)據(jù)丟失率為14/(10370＋10370)＝6.7× 10－4。由串口界面查看收到的數(shù)據(jù)和另一個電臺實際發(fā)送的數(shù)據(jù)作對比,沒有出現(xiàn)誤碼。測試結(jié)果顯示,跳頻系統(tǒng)的整體測試結(jié)果良好。

5 結(jié)束語

本文對基于PIC單片機(jī)無線跳頻實驗平臺進(jìn)行開發(fā),設(shè)計實現(xiàn)了基于PIC16F877A單片機(jī)的跳頻通信系統(tǒng)控制模塊、低功耗射頻芯片CC1121的射頻模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊和串口通信模塊;設(shè)計實現(xiàn)了CC1121射頻芯片的功能配置、電臺數(shù)據(jù)跳頻同步收發(fā)等軟件編程。經(jīng)測試,該實驗平臺可以實現(xiàn)穩(wěn)定的短距離跳頻數(shù)據(jù)收發(fā)。該系統(tǒng)的電路設(shè)計方法、PIC單片機(jī)編程、射頻芯片的配置及跳頻算法的實現(xiàn),可以幫助學(xué)生掌握跳頻通信的原理知識,學(xué)習(xí)PIC單片機(jī)硬件電路的設(shè)計方法,鍛煉學(xué)生的工程開發(fā)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(xué)基金項目(61340056)

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

E-mail:hesq＠m(xù)ail.buct.edu.cn