基于STM8及UHF RF收發(fā)器SX1231的無線射頻收發(fā)系統(tǒng)

2008年中國政府為微功率（短距離）無線電應(yīng)用增加了868MHz~ 868.6MHz的工作頻率。其對無線電設(shè)備的射頻要求如下：

（1）發(fā)射功率限值：5mW（e.r.p）；

（2）發(fā)射信號的占空比限值：1%；

（3）載波頻率容限：100×10-6；

并把該類設(shè)備歸類于“各類民用設(shè)備的無線電控制裝置中。

從上面的規(guī)定中可以看到，該頻段可用帶寬為600kHz，但并沒有明確在該頻道使用的帶寬，數(shù)據(jù)速率以及調(diào)制方式方面要求，這就給予了應(yīng)用很大的空間。本文主要是基于868MHz頻段的要求，設(shè)計了比較簡單通用的無線收發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可適用于該頻段的不同的無線傳輸應(yīng)用。

SX1231介紹及性能描述

SX1231芯片是Semtech公司推出的一款高集成度、低功耗、多頻段的UHF RF收發(fā)器。其工作電壓為1.8V~3.6V，24引腳QFN封裝，工作頻率包括3155MHz、4335MHz、 8685MHz和915MHz無許可證的ISM頻段；內(nèi)部集成SIGMA-DELTA小數(shù)分頻鎖相環(huán)、功率放大器、喚醒定時器、數(shù)字調(diào)制解調(diào)器、66字節(jié)的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)FIFO、數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)加密功能AES，以及6個可配置的DIO等，所有主要的RF通信參數(shù)是可編程的，大多數(shù)可動態(tài)設(shè)定。采用16節(jié)的FIR通路濾波器，因而有好的選擇性；發(fā)射功率可編程輸出，從-18dBm到+17dBm；有多種調(diào)制解調(diào)方式：FSK、GFSK、MSK、GMSK和OOK等；SX1231在使用時所需的外部元件很少，1個32MHz的晶振、幾個電容和電感就可組成一個高可靠性的收發(fā)系統(tǒng)，設(shè)計簡單且成本低。SX1231在1.2kbps時的靈敏度高達(dá)-120dBm，主要用在無線抄表（AMR）、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭和建筑物自動化、無線告警和安全系統(tǒng)、工業(yè)監(jiān)視和控制等領(lǐng)域。

無線射頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)總體方案

無線射頻收發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由STM8L151K2單片機(jī)控制SX1231實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。發(fā)送模塊中的STM8L151K2將數(shù)據(jù)傳送給SX1231，然后SX1231對數(shù)據(jù)進(jìn)行包格式處理，包括增加前導(dǎo)碼、同步字、CRC校驗(yàn)碼，如果需要也可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理。最后數(shù)據(jù)包經(jīng)天線發(fā)送給接收模塊。接收模塊對接收到的射頻信號放大、解調(diào)、解包之后，再將數(shù)據(jù)送給主控制器STM8L151K2進(jìn)行相應(yīng)的處理，如送顯示屏或PC數(shù)據(jù)處理中心等。該系統(tǒng)包括按鍵和液晶顯示屏等人機(jī)交互界面，以及RS232接口，這實(shí)現(xiàn)了與PC的通信功能。

圖1 系統(tǒng)方框圖

系統(tǒng)硬件設(shè)計

主控芯片選用ST公司推出的單片機(jī)STM8L151K2。STM8L151K2有1K bytes的RAM和8K bytes的Flash以及256bytes的EEPROM，片上集成了包括串口、SPI、I2C、ADC、觸摸屏控制功能等外圍模塊接口，完全滿足本系統(tǒng)對微控制器的要求；有多種電源管理模式(如等待模式、低功耗運(yùn)行模式、低功耗等待模式等)。

STM8L151K2可以通過SPI接口對SX1231的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作，靈活配置各項(xiàng)參數(shù)。通過4線SPI接口完成對SX1231的初始化配置、讀寫數(shù)據(jù)、訪問FIFO等操作，使SX1231正常工作在發(fā)射、接收模式，完成數(shù)據(jù)在空中的傳播。

SX1231是15腳~18腳的標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，DIO0~DIO5可以通過內(nèi)部寄存器來配置成不同的中斷信號。映射關(guān)系如表1所示，這樣可以很方便地獲取SX1231的工作狀態(tài)。如果需要了解FIFO滿、FIFO不是完全空，工作模式Ready，有效的數(shù)據(jù)包發(fā)送或接收、電池電壓低、RSSI、PLL鎖定等狀態(tài)，都可以配置寄存器來把這些信號映射到DIO PIN，然后單片機(jī)STM8L151K2通過檢測這些DIO PIN的電平來獲得或者主動通知MCU某個狀態(tài)發(fā)生。可用19腳（RXTX）控制射頻收發(fā)開關(guān)以進(jìn)行發(fā)射通路和接收通路的切換，高電平時為發(fā)射狀態(tài)。圖2中采用UPG2214TB射頻開關(guān)，V1和V2分別為開關(guān)的控制腳。由于SX1231只有一個控制腳，因此增加一個三極管反相器就完成了開關(guān)的控制。21腳（RFIO）是發(fā)射和接收共用的PIN，但是該P(yáng)IN的最高輸出功率為13dBm。如果需要輸出更高的功率（17dBm或20dBm），就必須把發(fā)射接至23腳（PABOOST），這時21腳（RFIO）只當(dāng)作接收PIN。

圖2 硬件設(shè)計原理圖

SX1231接收端的輸入阻抗可設(shè)置成50Ω和200Ω，通常設(shè)成200Ω，此時同一匹配值在全頻段仍可獲得很好的靈敏度。

SX123節(jié)省功耗方面有一些很重要的特性：

（1）工作電壓范圍寬：從1.8V~3.6V都可以正常工作，且任何特性都保持不變。特別是對于發(fā)射，工作電壓低至1.8V時仍然保持相同的輸出功率，即電壓從1.8V~3.6V，輸出功率都能到達(dá)17dBm或20dBm，不隨電壓而變。但是其他類似的芯片，輸出功率則隨著電壓的下降而降低。這樣一種特性，使得該系統(tǒng)能夠使電池的利用最大化，延長電池的使用壽命，這對低功耗的應(yīng)用來說具有非常重大的意義。

（2）可以在sleep/standby模式下讀寫寄存器：該特性節(jié)約了寫FIFO時的功耗。在sleep模式下的電流為0.1μA，而在接收模式下的電流為16mA，節(jié)約了160000倍的功耗。

表1 DIO PIN 與信號的映射關(guān)系表

系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)中各主要功能模塊均編成獨(dú)立的函數(shù)由主程序調(diào)用。功能模塊包括：初始化程序（包括初始化STM8L151K2、SX1231）、無線發(fā)送程序、無線接收程序等。無線發(fā)送程序負(fù)責(zé)寫入數(shù)據(jù)載荷到SX1231，并根據(jù)通信協(xié)議來配置芯片的前導(dǎo)碼、同步字及CRC校驗(yàn)碼，最后SX1231把其組裝成數(shù)據(jù)包將其發(fā)送出去；無線接收程序負(fù)責(zé)接收并處理數(shù)據(jù)。首先，SX1231接收到一個完整的數(shù)據(jù)包，之后逐步的把前導(dǎo)碼、同步字以及CRC碼去除，最后MCU從其FIFO中取出有效數(shù)據(jù)。

無線收發(fā)模塊之間的通信是以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送的，本系統(tǒng)定義的數(shù)據(jù)包格式如表2所示。

表2 本文系統(tǒng)定義的數(shù)據(jù)包格式

其中，Preamble(前導(dǎo)碼)是一連串的10101010（0XAA）或01010101（0X55），其數(shù)量為0~655635字節(jié)，具體幾個字節(jié)可以根據(jù)應(yīng)用的需要來設(shè)定。前導(dǎo)碼主要用來進(jìn)行幀同步，接收機(jī)主要依靠前導(dǎo)碼來進(jìn)行有用信號識別，完成頻率控制，以及自動增益控制、信號強(qiáng)度判斷等動作以確保用最佳的狀態(tài)接收正確的數(shù)據(jù)。SyncWord(同步字)在前導(dǎo)碼之后，通過設(shè)定好的同步字來作為同步模式的標(biāo)志碼，也可以作為一個網(wǎng)絡(luò)的ID，相同網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備用相同的同步碼。而接下來的地址碼（Address）可以作為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每個設(shè)備的ID，如果數(shù)據(jù)包中的地址于本設(shè)備的地址相同，則接收數(shù)據(jù)，否則不予處理。有效載荷（Message）是真正需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。最后是CRC校驗(yàn)碼，由芯片自動完成。

初始化程序

初始化程序包括STM8L151K2的初始化以及SX1231的收發(fā)頻率、工作模式、調(diào)制方式、數(shù)據(jù)速率以及數(shù)據(jù)包處理等寄存器的初始化配置。

系統(tǒng)上電后，STM8L151K2處于默認(rèn)狀態(tài)，根據(jù)系統(tǒng)功能需求重新進(jìn)行初始化配置。SX1231也處于默認(rèn)狀態(tài)，需要進(jìn)行配置才能工作。SX1231的初始化是一個重要的部分，正確的配置對系統(tǒng)最終的通信性能有很大的影響。

數(shù)據(jù)發(fā)送程序

無線發(fā)送程序流程如圖3所示。完成STM8L151K2、SX1231的初始化后，配置寄存器寫入相應(yīng)的初始化RF控制字；然后通過SPI連續(xù)寫寄存器向TX FIFO內(nèi)寫入需要發(fā)送的數(shù)據(jù)；再切換到發(fā)射模式。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完后，PacketSent寄存器置1，同時映射的DIO PIN會變成高電平通知MCU數(shù)據(jù)包發(fā)送完成。然后寫數(shù)據(jù)到FIFO，發(fā)送，如此循環(huán)。直到所有數(shù)據(jù)發(fā)送完成，進(jìn)入Sleep模式。

圖3 數(shù)據(jù)收發(fā)流程圖

數(shù)據(jù)接收程序

程序完成STM8L151K2、SX1231的初始化后，配置寄存器寫入相應(yīng)的初始化RF控制字，把SX1231配置為接收狀態(tài)。檢測PayloadReady為高電平時，表明已經(jīng)收到數(shù)據(jù)，然后MCU從FIFO中讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理。如此循環(huán)直至完成接收。

系統(tǒng)測試結(jié)果

系統(tǒng)測試條件及設(shè)置

該部分為本系統(tǒng)測試時的設(shè)置，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，部分設(shè)置可用作相應(yīng)的變動。

電源電壓：3.3V

頻率：868.3MHz

數(shù)據(jù)速率：4.8kbps

頻偏：5.0kHz

接收機(jī)帶寬：10kHz

數(shù)據(jù)類型：PN15

功率設(shè)定：4dBm

測試結(jié)果

發(fā)射功率

從圖4中可以看到，發(fā)射功率為6.86dBm。低于5mW（7dBm）的規(guī)范要求。

圖4 發(fā)射功率

載波頻率容限：100x10-6

從圖5中可以看出，設(shè)置為868.3MHz輸出，實(shí)際測量的頻率為868.2960MHz，則頻率偏差為(（868.30-868.296）MHz/868MHz)=4.6×10-6，小于規(guī)定的載波頻率容限100×10-6。

圖5 載波頻率容限

發(fā)射信號的占空比限值：1%

發(fā)射信號的占空比通常指在一定時間內(nèi)，發(fā)射信號的時間與未發(fā)射信號的時間比值。這主要取決于應(yīng)用的要求，但是對類似短距離無線通信，發(fā)射器的發(fā)射的時間是非常的小，適合于各種控制類應(yīng)用。如抄表的應(yīng)用中，每個月抄表一次，而且每次發(fā)射的時間都小于1秒，這個占空比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1%。

圖6 信道間隔和占用帶寬

圖7 鄰信道功率

信道間隔和占用帶寬

對于25kHz的信道間隔，允許的占用帶寬為8.5kHz~16kHz之間。從圖6的結(jié)果中可以看到，占有99%的能量的占用帶寬為14.7247kHz，小于16kHz。

鄰信道功率

在載波25kHz頻率偏移處的功率須小于載波功率40dB。

接收靈敏度

接收靈敏度是-113.4dBm@0.1%。整個系統(tǒng)的接收鏈路預(yù)算為120.2dB。通信距離可以達(dá)到600m左右。

從測試結(jié)果可看出該系統(tǒng)具有很好的性能，精準(zhǔn)的頻率控制，高的接收靈敏度，可以滿足于寬帶的應(yīng)用要求，而且結(jié)果也表明完全適合于窄帶應(yīng)用。完全滿足于中國年微功率（短距離）無線電應(yīng)用對于868MHz~868.6MHz頻段的規(guī)范要求。在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，稍作改變就可適用于不同的應(yīng)用環(huán)境。