基于CC1020的无线通信模块设计

摘 要：本文介绍了一种以C8051F310单片机为控制核心，基于无线收发芯片CC1020的通信模块。对其工作原理和工作方式进行了分析，给出了设计思路和硬件电路。并重点阐述了通信模块的实现过程。
关键词：无线通信；CC1020；射频；C8051F310

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