基于HW2181B的航模無線遙控通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（上海東軟載波微電子有限公司  200030

0 引言

HW2181B 是一款高集成度的2.4 GHz ISM頻段無線SoC芯片，可應(yīng)用于無線航模、智能家居、以及其它無線數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域。片上集成高性能、低功耗的RF收發(fā)器和32位MCU(單片機(jī))。本設(shè)計(jì)采用HW2181B SoC單片機(jī)作為航模無線遙控通信系統(tǒng)的核心芯片，在單片機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)航模無線遙控通信系統(tǒng)的遙控器端與接收器端的數(shù)據(jù)傳輸及2.4G 通信頻道的自動跳頻，有效地改善了通信質(zhì)量和通信距離。

1 HW2181B簡介

HW2181B是一款高集成度的2.4 GHz ISM頻段無線SoC芯片，片上集成高性能、低功耗的RF收發(fā)器和32位MCU。工作電壓范圍：2.2~3.6V，工作主頻最高48 MHz，

片上RF收發(fā)器的外圍電路簡單，只需少數(shù)外圍被動器件即可構(gòu)成完整的2.4 GHz無線收發(fā)系統(tǒng)。RF 收發(fā)器發(fā)射功率最大可以到8 dBm ，接收靈敏度可達(dá)到-93 dBm@250 kbps、-89 dBm@1Mbps。

片上 MCU內(nèi)部集成32位ARM Cortex-M0 CPU內(nèi)核，具備36 kB的Flash程序存儲空間。

HW2181B單片機(jī)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 HW2181B單片機(jī)系統(tǒng)框圖

2 RF收發(fā)器介紹

RF收發(fā)器特性：使用國際通用的2.4 GHz ISM工作頻段(2 402~2 483) MHz，支持GFSK 調(diào)制方式，支持250 kbps / 1 Mbps 兩種數(shù)據(jù)速率，支持?jǐn)?shù)字 RSSI 測量，支持4 PIPE 多邏輯通道傳輸。

2.1 RF收發(fā)器工作模式如圖2所示。

圖2 RF收發(fā)器工作模式

當(dāng)使能RF收發(fā)器DBUS_TXEN并且發(fā)送FIFO處于有效狀態(tài)后，RF收發(fā)器進(jìn)入TX模式。在發(fā)送完成之后，RF收發(fā)器進(jìn)入IDLE模式，關(guān)閉DBUS_TXEN后，RF收發(fā)器進(jìn)入SLEEP模式。

當(dāng)使能RF收發(fā)器DBUS_RXEN并且接收FIFO處于有效狀態(tài)后，RF收發(fā)器進(jìn)入RX模式。若FIFO為占用狀態(tài)不滿足接收條件時(shí)，RF收發(fā)器進(jìn)入IDLE模式，關(guān)閉DBUS_RXEN后，

RF收發(fā)器進(jìn)入SLEEP模式。

2.2 RF收發(fā)器數(shù)據(jù)包

結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 RF收發(fā)器數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

Preamble

支 持 2,4,6…16bytes, 長 度 可 通 過 寄 存 器 PREAMBLE_LEN （ PKTCTRL 寄 存 器 的Bit15-Bit13）配置。

PIPE Address(Syncword)

支持16/32/48 bit, 長度可通過寄存器 SYNCWORD_LEN（PKTCTRL 寄存器的 Bit12-Bit11）

配置。支持4路數(shù)據(jù)通道，PIPE Address 可通過寄存器0x40~0x47配置。

Trailer

支持 4~18 bit, 長度可通過 TRAILER_LEN（PKTCTRL 寄存器的 Bit10-Bit8）配置。

PID

PID 長度為2 bit，發(fā)送時(shí)由硬件自動產(chǎn)生。 PTX 每發(fā)送1次新的數(shù)據(jù)包 PID 將自動加‘1’。

PRX 針對當(dāng)前接收的 PIPE 地址，依據(jù) PID 與 CRC 值確定當(dāng)前包為新接收包或重傳包（重

傳包會被丟棄）。PTX 若重發(fā)超時(shí)，在下一次重新發(fā)送時(shí) PID 不累加。

NOACK

此指示位用于當(dāng) ACK 功能使能時(shí)，PTX 告知 PRX 當(dāng)前包無需 ACK 的特例情況?？梢酝ㄟ^

PTX_FIFOn_NOACK（FIFOnCTRL 寄存器的 Bit4）進(jìn)行設(shè)置。

PAYLOAD

硬件鏈路控制方式下，每級 FIFO 最大支持 63bytes 的 PAYLOAD，非定長模式 FIFO 的第1個(gè) byte 代表 PAYLOAD 的長度，定長模式 PAYLOAD 長度由寄存器 FIX_PLD_LEN 配置。

軟件鏈路控制方式下，PAYLOAD 的長度由主控 MCU 芯片決定。

CRC

硬件鏈路控制方式下，支持 CRC16 與 CRC8 兩種模式，可通過 CRC_SEL（MISC1 寄存器

的 Bit14）配置。

CRC16 生成多項(xiàng)式為：x 16 +x 12 +x 5 +1

CRC8 生成多項(xiàng)式為 ：x 8 +x 2 +x+1

軟件鏈路控制方式下不支持硬件 CRC 功能。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 原理圖設(shè)計(jì)

HW2181B 是一款高集成度的 2.4 GHz 無線SoC 芯片，片上集成高性能、低功耗的射頻收發(fā)器和32位MCU。片上射頻收發(fā)器的外圍電路簡單，只需少數(shù)外圍被動器件即可構(gòu)成完整的2.4 GHz無線收發(fā)系統(tǒng)。HW2181B無線收發(fā)系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 HW2181B無線遙控通信系統(tǒng)原理圖

HW2181B 應(yīng)用電路主要由晶體振蕩電路、射頻匹配網(wǎng)絡(luò)、電源去耦網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字 I/O 四部分構(gòu)成。

晶體振蕩電路支持 12 MHz、16 MHz 無源晶振。根據(jù)應(yīng)用需求的不同，晶振選取原則如下：晶振的頻率公差（Frequency Tolerance）越小，收發(fā)兩端之間的頻率差越小，則遠(yuǎn)距離通信成功率將顯著提高。因此遠(yuǎn)距離應(yīng)用請盡量選用公差小的無源晶振，推薦使用公差±10 ppm(10-6) 的無源晶振。晶振兩邊的負(fù)載電容 C7 和 C8 一般不需要焊接，只有在一些對頻率要求比較苛刻的應(yīng)用，才需要增加電容進(jìn)行微調(diào)。電容越大則晶振頻率越低，但需要注意的是，電容太大會導(dǎo)致晶振不振，由于不同廠家的晶振參數(shù)不同，所以具體取值要通過實(shí)際調(diào)試來確定。

射頻前端匹配網(wǎng)絡(luò)主要完成射頻信號諧波抑制、天線端阻抗匹配等功能，該部分元器件選型對通信將產(chǎn)生較大影響。因此，C1、C2請盡量選用高頻性能好，精度高、穩(wěn)定性高的電容，推薦用材質(zhì)為 NP0（C0G）的電容，至少也要用 X7R 電容。      

外圍電源去耦電容 C4、C6 和 C9，可以濾除電源上的干擾信號。其中，特別需要注意的是 C6，建議最小取值 10uF，對于一些干擾很大的應(yīng)用，建議增加到 22 μF 以上。C4和 C9一般取0.1 μF即可。需要注意的是 C5，是芯片內(nèi)部數(shù)字模塊的濾波電容，推薦焊接，可以增強(qiáng)數(shù)字電路的穩(wěn)定性。C3 是內(nèi)部射頻模塊的濾波電容，一般不用焊接。

3.2   PCB設(shè)計(jì)

HW2181B 2.4 GHz無線通信系統(tǒng)對PCB(印制板)設(shè)計(jì)有比較高的要求，設(shè)計(jì)不好會影響通信距離。本設(shè)計(jì)PCB 如圖5所示。

圖5 HW2181B無線遙控通信系統(tǒng)PCB

射頻 PCB 對于布局和布線都有一定的要求，注意事項(xiàng)如下。

1)   需要特別注意的是ANT 腳有直流電壓輸出，所以推薦使用電容方案，此方案可以外接 PCB天線和導(dǎo)線天線。

2)   芯片底部中間的大焊盤（EP）腳必須接地，建議在此焊盤上添加 9 個(gè)均勻排列的接地過孔。推薦過孔尺寸為 0.3 mm，減小漏錫的風(fēng)險(xiǎn)。3 腳和 5 腳不需要和底部大焊盤連接，主要用于射頻信號隔離。

3)   射頻器件必須優(yōu)先布局布線。C1 和 C2 是射頻匹配元件，必須盡可能靠近芯片的 ANT腳（PIN4），推薦的布局方式是 C1 垂直放置，C2 水平放置。射頻電路（包括射頻走線、器件和天線接口）周圍都要包地，并均勻放置一些接地過孔。

4)   C4 和 C6 是芯片電源的濾波電容，是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的保證，不能省略。

特別是和芯片 PIN1和 PIN2 連接的 C6，應(yīng)該選取大容量電容，建議最小取值為 10 μF，推薦 22 μF 以上。C5 推薦焊接，可以增強(qiáng)芯片的可靠性。C3 電容一般不需要焊接，可以在PCB板上預(yù)留位置。

5)   芯片內(nèi)部RF收發(fā)器的電源管腳是PIN1、PIN2、PIN9，MCU的電源管腳是PIN36，它們在內(nèi)部無連接，所以需要在外部連接到電源上。RF 收發(fā)器的電源線可以在芯片管腳和中間大焊盤（EP）之間的區(qū)域之間走線（見圖中的高亮線），由于是在芯片底部，為了避免短路，需要在電源走線上增加一層絲印保護(hù)。電源線盡量不要在底層走線，以免破壞底層地平面的完整性。

6)   晶振兩邊的C7和C8電容一般不需要焊接，只有在需要調(diào)整晶振頻率時(shí)才使用，可以在PCB板上預(yù)留位置。

4   遙控器和接收器通信算法概述

1)  系統(tǒng)根據(jù)遙控器端產(chǎn)生的5個(gè)隨機(jī)地址碼及1-16組成的數(shù)進(jìn)行哈希運(yùn)算，在80個(gè)頻點(diǎn)中生成1個(gè)含16個(gè)頻點(diǎn)的跳頻表，跳動時(shí)間間隔為15 ms，精度為±500 μs，采用hash 算法算出此跳頻表，預(yù)先存儲1個(gè)16個(gè)頻點(diǎn)的hash table在遙控器端，對碼時(shí)傳給接收器端，接收器端進(jìn)行表的存儲。

2)  遙控器端和接收器端對碼時(shí)均使用同一個(gè)16個(gè)頻點(diǎn)的table，同時(shí)存儲在遙控器端和接收器端。

3)  接收器端通過依次停留在跳頻表的每個(gè)頻點(diǎn)搜索遙控器端數(shù)據(jù)，每頻點(diǎn)最多停16×15 ms+2 ms=242 ms，收不到再依次切換到下一個(gè)頻點(diǎn)，收到后即按跳頻表跳動，同時(shí)進(jìn)行時(shí)間同步清零操作。接收器端在計(jì)算出的監(jiān)聽點(diǎn)+2 ms區(qū)間內(nèi)監(jiān)聽，收到后即進(jìn)行同步清零，沒收到計(jì)算下一頻點(diǎn)時(shí)間并等候。

5   結(jié)語

本文介紹的基于HW2181B SOC MCU航模無線遙控通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具有很好的實(shí)用價(jià)值和成本優(yōu)勢。特別是本設(shè)計(jì)采用的通信跳頻算法，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，有效地改善了通信質(zhì)量?；贖W2181B方案的航模無線遙控通信系統(tǒng)在眾多航模產(chǎn)品研發(fā)企業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，獲得開發(fā)工程師的一致好評。

參考文獻(xiàn)：

[1] 上海東軟載波微電子有限公司.HW2181B數(shù)據(jù)手冊[Z].

[2] 上海東軟載波微電子有限公司.東軟載波單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2017.

（注：本文刊登于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年11期）