基于CC1010芯片的微型无线数据收发模块的设计

摘 要：本文介绍了基于SmartRF CC1010芯片的微型无线数据收发模块的设计，给出了采用CC1010芯片设计微型无线数据收发模块的设计方案，并提出了在PCB板制作过程中应注意的问题。
关键词：SmartRF CC1010；8051内核；Flash

引言
无线射频传输主要应用于家庭自动化控制、工业系统控制、自动仪表检测系统、安防报警系统、计算机网络控制以及掌上PDA无线数据通信方面。CC1010是根据SmartRF技术，在0.35mm CMOS工艺下研制出的一种理想的超高频单片收发通信芯片。与以往RF芯片不同的是，CC1010内部集成了高性能的8051微处理器。它具有低电压、低功耗、高灵敏度、尺寸小等特点，与很少的一些外围器件搭配就可以设计成强大的具备无线通信能力的嵌入式系统。

CC1010芯片的功能结构和工作原理
功能结构
CC1010芯片主要有8051处理器、Flash编程DMA、数据加密模块、看门狗时钟、PWM、特殊功能寄存器、RF收发器等部分组成，具体结构如图1所示。
工作原理
CC1010芯片工作频带可选择315、433、868、915MHz，而且可以通过软件编程使它运行在300~1000MHz范围内。内部具备快速锁相环设置功能，可采用跳频协议。在FSK调制模式下，数据速率可达到76.8K波特。
在发送数据时，CC1010有两种工作模式：一种是字节模式，另一种是位模式。在字节模式中，从缓冲寄存器RFBUF中一次取8位到移位寄存器，经过调制发射出去，当移位寄存器空时，再从RFBUF中取8位，而RFBUF中数据的装入，是由中断引发的。在位模式下，每次只是从RFBUF寄存器的最低位取数据，当此位数据发送出去后，再从RFBUF最低位取，发送一位产生一个中断，通知RFBUF装载一位新的数据。发送数据采用的是FSK方式，VCO输出的信号直接送入功率放大器(PA)，然后经天线发射出去。
在接收数据时，CC1010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)放大后翻转进入混频器，通过混频器混频产生中频(IF)信号。在中频处理阶段，该信号送入解调器之前被放大和滤波。解调的数据被送进移位寄存器中，然后再存入到缓冲器RFBUF中，经由处理器把数据取出，这个过程也有字节和位两种工作模式，情况正好与发送过程相逆。频率合成器产生的本振信号，在接收状态下送入功放，它由晶振(XOSC)、鉴相器(PD)、充电脉冲、VCO以及分频器(/R和/N)构成。外接的晶振必须与XOSC引脚相连，只有外围电感需要与VCO相连。
收发模式的切换是由内部寄存器控制的，这样使得天线与外围器件的连接和匹配比较容易，而且增加了硬件电路工作的可靠性。

无线数据收发的硬件电路设计
硬件电路
在本电路设计中，为了减少干扰以及节省空间，采取把I/O口集中引线出来的方式，给用户提供更大的自由开发空间。电路的功能框图如图2所示，DSUB口由SCK、MOSI、MISO和PROG四个引脚组成，用来与PC机的并行端口建立连接，中间要通过双向电平转换芯片74LVC4245A，因为收发模块的工作电压选择了＋3.3V，而PC机的并口需要＋5V电平。其功能是完成对芯片内部的32KB Flash的编程工作，当程序在PC机上调试通过后，通过此接口就可以把程序完整地下载到Flash中去。COM0和COM1口都是符合RS-232接口标准的串行端口，都可以与PC机串接通信。在与PC机串口相连时，要通过电平转换芯片MAX3243完成CMOS电平与RS-232双极性+5V/-5V信号电平之间的转换。PWM端口可用于脉冲宽度调制输出。INTERRUPT端口是两个中断输入口，在寄存器IE中，如果中断使能标志被置位，就可以允许产生中断，中断方式可设置为电平触发或边沿触发。AD端口是三路模拟输入A/D转换，其中AD2口也能被设置成接收信号强度指示输出或者中频输出，这个引脚由FREND寄存器设置，不用的时候这三个脚可以悬空。
电压转换模块
在实际应用中，5V电源比较常见，又由于本电路需要3.3V和5V的工作电压， 故在此电路中设计了一个电压转换模块，如图3所示。二极管D0起到稳压的作用，芯片LP2981把从1脚输入的5V电压转换为3.3V并从5脚输出。
收发电路
电路的接收和发射部分是设计的重点，具体电路如图4所示。 芯片CC1010内部已经集成了接收和发射部分的硬件，重点是外围天线部分的设计。CC1010可以使用各种各样的天线，短距离最常用的天线有单极型、螺线型、环型等。本电路采用的是单极型天线，主要考虑的是它的方便性。天线的长度可由公式：L=7125/f计算得出。本电路的工作频率设计为434MHz，天线的长度是16.4cm。元件L4、C10、C11构成LC滤波器，主要是用来减少谐波干扰，在这里应用于终端阻抗为50W的天线。L2、L3、C12、C13、C14的值随工作频率的不同而变化，电感L1的精度要求比较高，它决定了发射和接收的频率，在电路中为了避免耦合感应，它应被紧靠着引脚放置。
PCB板制作
本电路工作频率较高，为了减少信号间的干扰，增加电路工作的稳定性，在PCB板制作过程中采取了如下措施：
1. 采用了四层板布线，大部分元器件放在了最上面一层，中间两层分别是电源和地层，把VCO电感和I/O引脚的上拉电阻放在了底层。
2. 尽量避免信号线近距离平行走线，并使相邻两层间走线相互垂直，在电路板表面层没有走线的地方布满栅格状的铺铜。
3. 减少引线弯折，缩短引线长度，需要转折的地方，采用45巯呋蛟不∽邸＞×勘苊饣徊阕呦撸檬值睾湍Ｄ獾胤挚樱詈笤诘夭懔ā?
结语
经过硬件和软件的结合测试，设计的微型无线数据收发模块达到了稳定可靠的要求。■

参考文献
1 P. M. Evjen, “How to do a successful design with Chipcon RFICs”, Chipcon Application Note AN004. January 2001.
2 K. H. Torvmark, “RF Modem Reference Design”, Chipcon Application Note AN015. July 2002.
3 Reinhold Ludwig and Pavel Bretchko. 射频电路设计—理论与应用.王子宇等译. 北京：电子工业出版社，2002