基于CC1020的无线通信模块设计

2007-02-13 14:27:50来源: 电子设计应用

引言

随着网络及通信技术的飞速发展,无线通信以其成本低廉、扩展性好、受地理条件限制较少、安装施工简便灵活等特点,在许多领域都有着广阔的应用前景。

CC1020简介

CC1020是一种理想的超高频单片收发器芯片。主要用于ISM(工业、科研及医疗)频带和在426/429/433/868/915MHz频带的SRD(Short Range Device-近距离设备)中,也可经编程后用于频率为402MHz~470MHz和 804MHz~940MHz的多信道设备。

CC1020主要的工作参数可通过串行总线接口编程,例如输出功率、频率及AFC。

在接收模式下,CC1020可看成是一个传统的超外差接收器。RF输入信号经低噪声放大器(LNA和LNA2)放大后,翻转经过积分器(I和Q)产生中频IF信号。在中频处理阶段,I/Q信号经混合滤波、放大后经ADC转化成数字信号。然后进行自动获取控制、信道滤波、解调和二进制同步化处理,在DIO引脚输出数字解调数据,DCLK引脚获取同步数字时钟数据。RSSI为数字形式,并可通过窜行接口读出。RSSI还可作为可编程的载波检测指示器。

在发送模式下,合成的RF信号直接馈送到功率放大器PA。射频输出是FSK信号,此信号是由馈送到DIO引脚的数字比特流通过FSK调制产生的。可使用一个高频滤波器来得到高斯频移键控GFSK。芯片内部的收/发开关电路使天线容易接入和匹配。

硬件电路设计

微控制器选型

微控制器采用Cygnal公司生产的C8051F310,该处理器具有与8051完全兼容的CIP-51内核,是一款完全集成的混合信号ISP型MCU芯片,带有模拟多路器的10位200ksps的25通道单端/差分ADC,硬件实现的I2C、增强型UART及SPI接口,Flash存储器具有在系统重编程能力,可用于非易失性数据存储,并且允许现场更新8051固件。该型号单片机体积小、性能高,能够快速存取数据,也易于系统开发以及扩展,很适合本设计的需要。

CC1020结构配置接口

CC1020结构配置接口与微控制器的连接如图1所示。微控制器使用引脚P2.2~P2.5与CC1020的结构配置接口PSEL、PCLK、PDI、PDO连接。PDO与微控制器的一个输入端连接。PDI、PCLK和PSEL连接到微控制器的输出端。如果把PDI和PDO连接在一起,微控制器可以使用一个双向引脚端,则可节省微控制器的一个I/O端口。

当结构配置接口不使用时,连接到PSEL、PCLK、PDI和PDO引脚端的微控制器引脚可作他用。当PSEL引脚端无效(保持高电平)时(PSEL引脚端低电平有效),PCLK、PDI和PDO是高阻抗输入状态。PSEL有一个内部上拉电阻,在低功耗模式时必须断开(由微控制器三态控制),或者设为高电平,以阻止电流流入上拉电阻。

CC1020通过简单的四串行SPI接口进行编程。有8位的结构配置寄存器。每一位寄存器的地址是7位,1位作为读/写位,初始化读或写的操作。CC1020一次完整的配置,要求发送33个数据帧,每帧16位(Address 7位,R/W 1位,Data 8位)。一次完整配置所需时间取决于PCLK的频率。如果PCLK频率为10MHz,完成一次完整配置的时间少于53ms。将CC1020设为低功耗模式,只需发送一帧数据,因此所需的时间不到2ms。所有的寄存器都是可读的。

CC1020信号收发接口

CC1020信号收发接口与微控制器的连接如图1所示。微控制器使用引脚P2.6和P3.4与CC1020的双向同步数据接口DIO、DCLK连接。



图1 CC1020与微控制器的连接电路

微控制器的一个双向引脚与CC1020的DIO连接,用于数据的发射与接收(输入与输出)。DCLK提供数据定时,必须连接到微控制器的一个输入端。

数据输出可以选择使用单独的引脚。这时要设置CC1020的INTERFACE寄存器SEP_DI_DO=1。在同步模式下,LOCK引脚用作数据输出,而DCLK引脚作为异步模式的数据输出,DIO引脚端则只用于数据输入。

微控制器的一个引脚可用来监视锁相环的锁定信号,即LOCK引脚信号。当锁相环锁定时,LOCK引脚为逻辑低电平。它还可以用作载波检测及监视其它内部测试信号。

CC1020能被设置成三种不同的数据传输形式:同步NRZ模式、同步曼彻斯特码模式和异步传输UART模式。这三种模式各有特点,同步曼彻斯特码抗干扰能力最好,但是波特率要低一倍,异步传输UART实现起来最简单,但是抗干扰能力最差,而同步NRZ抗干扰能力比UART要好,但稍差于同步曼彻斯特码,实现难度也介于两者之间。考虑到微处理器基本都支持UART串行通讯,所以选择了这种模式,经测试效果完全能达到要求。

CC1020天线选择

CC1020可以使用多种型号的天线。近程通信中常使用的天线是单极天线、螺旋型天线和环形天线。本设计使用范围最佳且简单的1/4波长单极天线。

电源管理

CC1020提供了非常灵活的电源管理,以适应电池驱动应用中对功耗的严格要求。低功耗模式通过MAIN寄存器和POWERDOWN寄存器控制。MAIN寄存器中有独立的位,用于控制接收部分、发射部分、频率合成器和晶振。这种独立控制方式使得各个应用的功耗可以优化为最小。由于本设计是单独的无线通信模块,所以对功耗要求不太严格。系统采用5V供电,经过NCP500稳定输出3V电压。

抗干扰措施

无线射频收发系统对电源噪声很敏感,因此设计时采用了无线射频部分和其它电路分开供电的方法。高频器件对于噪声敏感,因此给各部分电源加装了滤波器或稳压器,以减少电源噪声对芯片的干扰。另外,对芯片使用电源监控及看门狗电路,以便大幅度提高整个电路的抗干扰性能。

Chipcon公司提供了射频部分的电路参考设计,射频部分的布局参照了参考设计的布局,同时根据实际情况做了一些改动,以获得最佳效果。CC1020的外围元件很少,其中VCO电感属于关键器件,选用了高精度电感,布局上也尽可能靠近芯片,并且尽可能使两个输入引脚对称,以保证性能。另外,设计时让晶振与芯片引脚尽量靠近,并用地线把时钟区隔离起来,晶振外壳接地并固定,还使用了金属罩对射频部分进行了电磁屏蔽。使用以上措施,保证了系统的可靠运行。 



图2 主程序流程框图
 
软件设计

通信协议采用UART格式(一个开始位,负载数据,一个结束位),另外,数据包前有同步码,同步码的作用是使接收端芯片正确识别UART格式的数据。之后要有识别码,识别码用来标志数据开始,如果正确收到识别码,说明可以正确接收数据。如果数据长度不是一定的,则在数据包开始部分加一个长度码,或在数据包结尾部分加特定结束标志。为了应付无线传输中可能出现的数据错误,在数据包最后加一个校验码,这样就可以根据应用需要选择丢掉该包或是要求重发。实际应用中发现,在数据包之后,最好要有1~2个字节的冗余码,否则,最后1个字节的数据很容易受到噪声干扰,造成错误识别。主要流程框图如图2所示。
    
结语

该通信模块具有成本低、通用性强、可扩展性强、可靠性高等特点。可单独使用,也可作为系统拓展模块方便地集成到各种无线测控系统中。
  
参考文献:

1. 吕焱, 李军, 鲍鸿. 基于NRF401的无线通信系统设计. 机械与电子. 2004.09
2. 吴秋明. 微型低功耗射频发射器的研制. 测控技术. 2004.1 VOL23
3. Chipcon. The Data Sheet of CC1020.http://www.chipcon.com

关键字:收发器  频率  噪声

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/RFID/200702/2142.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
收发器
频率
噪声

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved