基于CC1101 射頻模塊的路燈終端控制器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

丁 欣

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧530023）

0 引言

城市路網(wǎng)建設(shè)日新月異，路燈系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求日趨提高，采用的通信方式是解決路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控的關(guān)鍵問題[1]。近三十年來，我國(guó)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)共經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：上世紀(jì)八十年代的220 V強(qiáng)電有線控制方式；九十年代中期的電話線載波方式；九十年代末期的無線數(shù)據(jù)傳輸方式；如今的GPRS/CDMA 等無線傳輸控制方式[2]。

路燈控制器節(jié)點(diǎn)作為具有無線收發(fā)功能的終端，是一個(gè)多跳自治系統(tǒng)。它作為監(jiān)控系統(tǒng)的基本單元，不僅需要作為主機(jī)，終端運(yùn)行各種用戶應(yīng)用程序，還需要作為路由器，運(yùn)行相應(yīng)的路由協(xié)議[3]。故路燈控制節(jié)點(diǎn)的無線收發(fā)裝置至關(guān)重要，本文中采用的是具有低成本低功耗的無線收發(fā)芯片CC1101。下面詳細(xì)介紹路燈終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，包含節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。

1 路燈終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

路燈終端節(jié)點(diǎn)的硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括MCU 控制模塊、CC1101 無線收發(fā)射頻模塊、電壓電流測(cè)量模塊、存儲(chǔ)模塊、電源模塊。其中控制模塊是由ARM 結(jié)構(gòu)的LPC2132 作為數(shù)據(jù)采集終端MCU，支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤，帶有64 KB 的高速Flash 存儲(chǔ)器，能夠使代碼在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。

圖1 路燈節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)

1.1 無線射頻模塊CC1101 設(shè)計(jì)

路燈節(jié)點(diǎn)的無線收發(fā)模塊是基于CC1101 無線收發(fā)芯片而設(shè)計(jì)的。CC1101 芯片是一種傳輸可靠，成本低廉，功耗小的可編程UHF 芯片。其工作頻段可以設(shè)置在315 MHz、868 MHz 兆赫茲等的ISM 和SRD 頻段，比較靈活。并且，該芯片可以提供數(shù)據(jù)緩沖、數(shù)據(jù)包處理，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到500 KBaud，具有無線喚醒功能，傳輸最遠(yuǎn)距離為300 ～500 m，靈敏度好，可靠性高，可在短距離無線通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4]。

另外，CC1101 芯片具有以下主要性能特點(diǎn)：一是為方便客戶不同的要求，可軟件修改波特率，具有更強(qiáng)的抗干擾性，更快的數(shù)據(jù)傳輸率，更遠(yuǎn)的傳輸距離；二是靈敏度高，電流消耗較低，無線喚醒功能；三是具有載波偵聽系統(tǒng)，頻率跳躍系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)間距接口，傳輸距離可達(dá)300 ～500 m[5]。CC1101 的數(shù)字接口部分工作參數(shù)可通過SPI 進(jìn)行編程改變，可作為下載程序的模塊；模擬接口部分負(fù)責(zé)處理信號(hào)的選頻、濾波、放大。該系統(tǒng)采用433 MHz 頻段，無需申請(qǐng)?jiān)S可，采用全向天線，實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)無死區(qū)。其原理圖如圖2 所示。

圖2 CC1101 的芯片原理

1.2 電流電壓測(cè)量模塊

電壓測(cè)量元件為HWGS-3 微型電流互感器，當(dāng)輸入電流比上輸出電流為1000:1 時(shí)，輸入電壓會(huì)達(dá)到-1.4 V，因?yàn)镃C2430 的A/D 轉(zhuǎn)換只能實(shí)現(xiàn)0 ～3 V 的電壓轉(zhuǎn)換，因此需要電氣采集電壓1.5 V。電流測(cè)量元件為HWGS-1 微型電壓互感器，其限流電阻取200 kΩ 時(shí)，輸出的電流為1 mA，輸出的分壓電阻為540 Ω，能取得滿意的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度[6]。另外值得注意的是，以上的分析忽略了電容，并且需要電壓電流互感器和電阻絕對(duì)精確，可實(shí)際操作中是做不到的。因此在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，需要加入電壓電流值的校正功能，還有功率矯正功能。

圖3 電流電壓測(cè)量模塊

1.3 其他輔助模塊及存儲(chǔ)電路

其他電路還有電源模塊、掉電檢測(cè)模塊和存儲(chǔ)模塊。路燈終端控制器節(jié)點(diǎn)常用電壓為3.3 V、9 V，電源模塊的作用是把路燈前端的220 V，經(jīng)變壓器降壓、濾波整流、TNY276 芯片得到9 V，經(jīng)AMS1117 芯片得到3.3 V 電壓。掉電檢測(cè)電路為每個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)都由配置，其作用是檢測(cè)路燈電壓斷電失電等情況，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)防盜功能[7]。

路燈終端節(jié)點(diǎn)使用的存儲(chǔ)芯片是采用鐵電體存儲(chǔ)技術(shù)的多功能FM31XX 系列，主要包括鐵電存儲(chǔ)器FRAM 和處理器。該系列存儲(chǔ)器的讀寫操作與普通的沒有差別，同一總線上最多有4 個(gè)該芯片。

圖4 存儲(chǔ)電路

2 路燈終端節(jié)點(diǎn)軟件開發(fā)平臺(tái)

路燈終端軟件開發(fā)環(huán)境選擇的是ARM 公司的ADS，其功能搶答，前身是SDT。ADS 由四個(gè)模塊組成，分別是C 編譯器、SIMULATOR、實(shí)時(shí)調(diào)試器和應(yīng)用函數(shù)庫。其中C 編譯器效率高，支持C++，方便工程師軟件開發(fā)。其編譯器調(diào)試器都有了很大的進(jìn)步，編譯界面如圖5 所示。

圖5 ADS 編譯界面

ARM eXtended Debugger 即AXD 是最常用的調(diào)試工具，可進(jìn)行全速運(yùn)行代碼，也可以但不代碼調(diào)試。另外，CC1101 芯片可以通過SmartRF Studio 軟件進(jìn)行配置，從http：//www.chipcon.com 上可以下載到。使用該軟件可以得到最優(yōu)寄存器設(shè)定和評(píng)測(cè)性能及功能。串行配置和數(shù)據(jù)接口可同時(shí)用作寫和讀緩存數(shù)據(jù)，是CC1101 可以通過4 線兼容接口進(jìn)行配置。SPI 接口上所有的地址和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換被最先放在重要的位上處理[8]。如圖6 所示。

在路燈監(jiān)控終端系統(tǒng)中，CC1101 的微控制器必須能控制其不同的工作模式，寫入緩沖數(shù)據(jù)，通過SPI 總線配置接口讀回狀態(tài)信息。

圖6 配置寄存器寫和讀的操作

3 路燈控制器節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在路燈終端控制器節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，做出了路燈節(jié)點(diǎn)硬件，如圖7 所示。然后利用協(xié)議分析儀對(duì)路燈控制器進(jìn)行組網(wǎng)、通信測(cè)試。

圖7 路燈節(jié)點(diǎn)硬件圖

通過測(cè)試，發(fā)現(xiàn)基于CC1101 射頻模塊的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)通信可靠，解決了無線通信網(wǎng)絡(luò)通信不穩(wěn)定的問題，規(guī)避了故障節(jié)點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和錯(cuò)誤冗余度，通信的時(shí)延短。

4 結(jié)論

本文在無線自組網(wǎng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于MCULPC2132 控制器和無線收發(fā)射頻模塊CC1101的控制器節(jié)點(diǎn)，并利用ADS 軟件集成開發(fā)平臺(tái)和AXD 調(diào)試平臺(tái)進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)，最后通過程序下載測(cè)試控制器節(jié)點(diǎn)能夠正常運(yùn)行。路燈監(jiān)控系統(tǒng)之于城市的照明基礎(chǔ)建設(shè)，是重要一環(huán)，對(duì)實(shí)現(xiàn)路燈的自動(dòng)化、智能化、無線化控制起著關(guān)鍵的作用。路燈終端節(jié)點(diǎn)作為路燈監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控終端節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控對(duì)象，其控制器的設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。