无线跳频通信系统实验平台开发

何苏勤,翟绪经,潘明华

(北京化工大学信息科学与技术学院,北京 100029)

仪器研制与应用

无线跳频通信系统实验平台开发

何苏勤,翟绪经,潘明华

(北京化工大学信息科学与技术学院,北京 100029)

介绍一种由CC1121射频芯片和PIC系列MCU组成的无线跳频通信系统实验平台,详细阐述了该平台硬件和软件设计要点、MCU实现CC1121射频芯片功能配置的方法,以及无线跳频同步的程序设计。该平台实践性强,综合性好,有助于学生学习单片机原理和无线通信知识,有利于培养学生的工程设计的思想和开发经验。

跳频通信;PIC单片机;跳频同步

近年来,信息技术的迅猛发展,将跳频技术与现代数字处理技术相结合,使得跳频通信电台不仅稳定性和可靠性高、信道间隔进一步缩小,而且体积小、成本也大幅度下降[1]。

本文设计了以PIC单片机为主控芯片、TI公司的CC1121为射频芯片的无线跳频系统实验平台,能够实现短距离无线数据的跳频收发。PIC单片机以其高可靠性、良好的性价比、低电压低功耗等优势,在工业数字化及通信系统等诸多领域都得到了广泛的应用[2]。采用TI公司可编程的单片高性能收发芯片CC1121,此芯片能够通过MCU的控制完成数字基带信号的上/下变频,实现数字信号和模拟信号的转换。实验平台外围电路设计简单、稳定性和可靠性高,成本也很低。该方案的设计有助于学生掌握PIC单片机的软硬件的使用和跳频通信的原理及工程设计。

1 系统总体概述

无线跳频通信系统的组成框图[3]见图1。在发送端,信源数据与跳变的载波进行信号调制,载波由频率合成器在跳频图案控制下产生,并跟随跳频图案的变化而改变。混频后的信号进行滤波处理后通过功率放大器,再由天线发送出去。在接收端,信号经天线接收,通过低噪声放大器和滤波器处理后,执行解跳操作。接收机在跳频同步的基础上,使用与发射机相同的跳频序列控制频率合成器,生成相应的频点,与信号进行混频并完成解跳[4]。

图1 无线跳频通信系统结构框图

2 硬件系统设计

采用模块化的设计,主要由单片机控制模块、电源转换模块、RS232接口电路,以及CC1121射频模块组成,如图2所示。PC机通过RS232串口实现上位机与PIC单片机的通信;PIC单片机作为主控芯片,通过SPI外设模块实现对CC1121射频模块的配置与数据传输。

单片机控制模块使用PIC16F877A芯片作为主控制器,将端口A、端口B、端口C的部分引脚与CC1121的控制引脚相连,实现对CC1121的配置和数据传输;通过LM2676和AMS1117芯片(见图3)设计得到3.3 V、5 V的电源转换电路。

图2 跳频电台结构框图

2.1 MCU与CC1121硬件接口

MCU与CC1121的硬件接口设计需要使用PIC16F877A的SPI接口模块,同时使用3个IO口实现与CC1121通用输入/输出控制管脚GDO的连接。

单片机PIC16F877A的SPI功能引脚RC3/ SCLK、RC4/SI、RC5/SO、RA5/CSn分别与CC1121 的SPI接口引脚SCLK、SO、SI、CSn连接,实现对CC1121芯片寄存器功能配置和天线收发配置。PIC16F877A的通用IO功能引脚RB0、RA0、RA1与CC1121的通用输入/输出控制管脚GDO连接,实现数据接收。

在SPI数据传输期间,CSn脚(芯片选择,低电平有效)必须保持为低电平。如果在数据传输过程中CSn变为高电平,则停止传输。当CSn变低,在开始传输头字节之前,MCU必须等待,直到CC1121的数据输出引脚(SO)变低,这表明CC1121正在稳定工作中[5]。

2.2 电源转换电路设计

单片机PIC16F877A工作电压为5 V,CC1121射频模块以及RS232串口电路的工作电压为3.3 V,该实验平台的输入电压为220 V、50 Hz交流电,因此需设计12 V转5 V和3.3 V的稳压直流电源,本实验平台的稳压转换电源模块如图3所示。

图3 电源转换模块框图

LM2676是一种开关型集成稳压器,可提供一个3 A驱动电流,具有良好的线性和负载调节特性。外围电路设计中使用1只低导通电阻的DMOS电源开关以获得高输出效率,可以固定输出3.3 V,5 V或 12 V电压[6]。

AMS1117芯片是一个正向低压降稳压器[7],输入前级转换电路得到的5 V电压,固定输出3.3 V驱动CC1121射频模块和RS232串口电路。

3 软件系统设计

软件系统采用模块化设计方法,主要包括MCU初始化模块、SCI功能模块、射频参数配置模块及数据收发控制模块。模块化设计可以提高代码重复利用率、便于调试排错,并易于扩展[8]。

3.1 射频参数配置模块

CC1121芯片进入正常工作前,单片机需要对其寄存器进行配置,包括参数配置和功能配置,本文利用TI公司提供的SmartRF Studio软件完成这些配置。寄存器配置主要包括空中速率、工作频率、频率偏移、调制解调方式、带宽、增益、功率等,各项参数之间有相互制约和联系,取值时需要权衡。Smart RF Studio软件使用界面化的配置环境,手动配置射频芯片的功能和参数,生成配置文件供编程调用[9],然后将计算得到的寄存器值通过SPI接口写入CC1121的相应寄存器,即可完成对CC1121的配置。

在寄存器配置操作时,先拉低CSn引脚,当SO变低时,5μs后给SCLK一个高电平脉冲[10],此时配置值在SI线上传输,由SCLK进行采样传递进CC1121,此时在SO引脚上可以读到CC1121反馈的相应状态。寄存器配置完毕后,先给SCLK一个低电平,保持5 μs时间后拉高CSN信号,终止配置[11]。

3.2 主从机同步模块

本文的一个难点是如何快速建立主从机的同步,实现数据跳频收发。本设计使主从机采用相同的跳频图案,在上电初始化后快速建立主从机同步;在同步保持的过程中,主机发送串口接收到的数据,从机进入接收处理;数据处理完毕之后,进行主从机频点的同时切换[12]。主机的同步流程见图4,从机的同步流程见图5。

3.3 跳频频率配置

主从机采用相同的跳频图案同步实现频率的更换,MCU对CC1121决定输出频率的几个寄存器进行更改配置。CC1121中的射频载波频率fvco与控制寄存器配置值的关系如下式:

其中:fxosc是射频板的固定晶振频率;FREQ是由3个8位的寄存器FREQ2、FREQ1、FREQ0组成的24位数,FREQOFF则由频率偏移寄存器FREQOFF1和FREQOFF0决定数值大小,中心频率f决定之后在一定的频段内一般不修改频率偏移参数[13]。

在跳变过程中的频率配置主要由FREQ值决定,因此在本方案设计中,每次频率跳变时同时对3个寄存器FREQ2、FREQ1、FREQ0修改配置值,重置新频点以实现跳频控制。

图4 主机同步流程图

图5 从机同步流程图

4 测试结果分析

本系统在相邻2个室内环境下进行主从机跳频数据的收发测试,测试距离10 m。上位机设置波特率为38 400 bit/s,CC1121发射功率－20 dBm,以1.2 bit/s空中速率进行13个频点的跳频通信。测试结果见如图6。

图6 测试结果——主从机数据收发

电台1:发送数据为10 370,接收数据为10 366。

电台2:发送数据10 370,接收数据10 360。

室内环境下,由于建筑物的遮挡导致通信效果受影响,数据收发过程中,出现部分数据包的丢失(共14字节),数据丢失率为14/(10370＋10370)＝6.7× 10－4。由串口界面查看收到的数据和另一个电台实际发送的数据作对比,没有出现误码。测试结果显示,跳频系统的整体测试结果良好。

5 结束语

本文对基于PIC单片机无线跳频实验平台进行开发,设计实现了基于PIC16F877A单片机的跳频通信系统控制模块、低功耗射频芯片CC1121的射频模块、电源转换模块和串口通信模块;设计实现了CC1121射频芯片的功能配置、电台数据跳频同步收发等软件编程。经测试,该实验平台可以实现稳定的短距离跳频数据收发。该系统的电路设计方法、PIC单片机编程、射频芯片的配置及跳频算法的实现,可以帮助学生掌握跳频通信的原理知识,学习PIC单片机硬件电路的设计方法,锻炼学生的工程开发的能力。

References)

[1]于日平.跳频电台人防警报同步技术研究[D].青岛:青岛理工大学,2009.

[2]张应辰,张辉.用AVR单片机实现快速跳频[J].单片机与嵌入式系统应用,2004(11):72-74.

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[5]CC1121 Single-Chip Low Cost Low Power RF-Transceiver Datasheet[Z].Texas Instruments,2011.

[6]侯清江,张黎强,许栋刚.开关电源的基本原理及发展趋势探析[J].制造业自动化,2010(9):160-161.

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[10]CC1101 Single-Chip Low Cost Low Power RF-Transceiver Datasheet[Z].Texas Instruments,2008.

[11]文俊峰,乔晓军,张文爱,等.基于CC1020的无线通信模块设计[J].电子设计应用,2007(1):117-119.

[12]甘明.跳频通信系统同步技术研究与实现[D].成都:电子科技大学,2004.

[13]杨晓军,卢盛杰.短波跳频通信快速扫描式自同步方法[J].哈尔滨工程大学学报,2008,21(4):63-68.

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

国家自然科学基金项目(61340056)

何苏勤(1957—),女,河南固始,教授,硕士生导师,主要研究方向为移动通信技术研究、嵌入式系统研究.

E-mail:hesq＠mail.buct.edu.cn