基于LPC2103和SI4432的無線通信系統(tǒng)設計

摘要：目前大多數(shù)無線通信設備通信距離近，硬件成本高，設計復雜。本設計采用基于微功率通信芯片SI4432、LPC2103微控制器和μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)設計的無線通信系統(tǒng)，不僅通信距離遠、模塊成本低、集成度高、通信質(zhì)量高，而且軟件設計簡單、擴展性好，可廣泛用于工業(yè)控制、終端通信、智能控制等領(lǐng)域。

引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，短距離無線通信技術(shù)的應用已經(jīng)越來越廣泛，硬件低成本，協(xié)議簡單的無線通信系統(tǒng)越來越受到歡迎?，F(xiàn)有的一些通信技術(shù)包括WiFi和UWB，WiFi是一種無線網(wǎng)絡通信技術(shù)，可以改善基于IEEE802.11標準的無線網(wǎng)絡產(chǎn)品之間的互通性。UWB(Ultra Wideband)是一種無載波通信技術(shù)，它利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。但采用這些方式其硬件成本較高，協(xié)議相對復雜。本文采用基于通信芯片SI4432設計的無線通信系統(tǒng)，不儀通信質(zhì)量好，而且成本低和開發(fā)難度低，可應用于無線通信、智能控制等領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

本方案采用分布集散數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，由一個控制工作站(主操作臺)、多個無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)和多個無線控制節(jié)點組成。無線控制節(jié)點(即用戶所使用的設備和無線I/O模塊)通過無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)與控制工作站通信。

2 無線通信系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)用LPC2103微控制器控制SI4432實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，系統(tǒng)軟件采用μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)。μC/OS-II采用的是可剝奪型實時多任務內(nèi)核，該通信系統(tǒng)將分解成若干任務，實現(xiàn)模塊化設計。串口接收任務將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖區(qū)，發(fā)送任務從發(fā)送緩沖區(qū)取得數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸給SI4432進行編碼處理，并以特定的格式經(jīng)天線發(fā)送給接收模塊。接收任務負責接收來自SI4432的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)寫入接收緩沖區(qū)，串口的接收任務將數(shù)據(jù)傳到PC機或其他設備。無線收發(fā)模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 系統(tǒng)硬件設計

主控芯片采用飛利浦公司生產(chǎn)的LPC2103芯片，LPC2103是基于ARM7TDMI-S CPU的微控制器，由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口(范圍從多個UART、SPI和SSP到兩條I2C總線)和8 KB的片內(nèi)SRAM，非常適合通信網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換器應用，可以通過內(nèi)置SPI控制器對SI4432的內(nèi)部寄存器進行讀寫操作，根據(jù)實際情況配置各項參數(shù)。通過SPI接口完成對SI4432的各種配置和操作，如初始化配置、讀寫數(shù)據(jù)、訪問FIFO等。MOSI和MISO用于實現(xiàn)LPC2103到SI4432的雙工傳輸;SCK用于串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?nSEL作為片選信號。SPI接口示意圖如圖3所示。

4 系統(tǒng)軟件設計

采用μC/OS-II作為操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)將分解成幾個任務：系統(tǒng)初始化任務、SI4432發(fā)射任務、SI4432接收任務、讀緩沖區(qū)任務、寫緩沖任務。軟件合理設定任務的優(yōu)先級，μC/OS-II是基于優(yōu)先級調(diào)度執(zhí)行的。

4.1 系統(tǒng)初始化任務

系統(tǒng)初始化任務包括目標板初始化、SPI接口初始化、SI4432初始化。

4.1.1 目標板初始化

目標板初始化主要是定時器0初始化和注冊定時器0中斷服務程序。μC/OS-II要求提供時鐘中斷以實現(xiàn)延時與超時控制功能，多任務系統(tǒng)啟動以后，也就是涮用OSStart()之后第一件事就是初始化定時器，定時器0初始化：

μC/OS-II中的時鐘節(jié)拍服務是通過在中斷服務子程序中調(diào)用OSTimeTick()實現(xiàn)的，OSTimeTick()跟蹤所有任務的定時器以及超時時限。

4.1.2 SPI接口初始化

為了使LPC2103與SI4432能更高速地進行雙向數(shù)據(jù)傳輸，將前者配置為SPI主機模式后者為從機模式。由于SI4432的所有配置都是通過SPI接口進行的，配置的恰當與否對系統(tǒng)最終的通信效果有很大的影響。SPI初始化為主機，部分程序如下：

4.1.3 SI4432初始化

SI4432主要是自組織協(xié)議設計和一些寄存器配置。自組織協(xié)議格式如圖4所示。

其中，Pre表示前導碼，這些字符雜波不容易產(chǎn)生，通過測試和試驗發(fā)現(xiàn)，噪聲中不容易產(chǎn)生0x55和0xAA等非常有規(guī)律的信號，因此前導碼采用0x55AA;Sync(同步字)在前導碼之后，本系統(tǒng)設定的同步字為2B，同步字內(nèi)容為0x2DD4，接收端在檢測到同步字后才開始接收數(shù)據(jù);本系統(tǒng)不需要TX header(幀頭);Data表示有效數(shù)據(jù);CRC表示檢驗位，說明采用何種校驗方式，可避免接收錯誤的數(shù)據(jù)包;SI4432內(nèi)部集成有調(diào)制/解調(diào)、編碼/解碼等功能，Pre、Sync和CRC都是由SI4432自動填充，用戶只需設定數(shù)據(jù)包的組成結(jié)構(gòu)和有效數(shù)據(jù)即可。