基于CC1010芯片的微型無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的設(shè)計

摘    要：本文介紹了基于SmartRF CC1010芯片的微型無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的設(shè)計，給出了采用CC1010芯片設(shè)計微型無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的設(shè)計方案，并提出了在PCB板制作過程中應(yīng)注意的問題。
關(guān)鍵詞：SmartRF CC1010；8051內(nèi)核；Flash

引言
無線射頻傳輸主要應(yīng)用于家庭自動化控制、工業(yè)系統(tǒng)控制、自動儀表檢測系統(tǒng)、安防報警系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)控制以及掌上PDA無線數(shù)據(jù)通信方面。CC1010是根據(jù)SmartRF技術(shù)，在0.35mm CMOS工藝下研制出的一種理想的超高頻單片收發(fā)通信芯片。與以往RF芯片不同的是，CC1010內(nèi)部集成了高性能的8051微處理器。它具有低電壓、低功耗、高靈敏度、尺寸小等特點，與很少的一些外圍器件搭配就可以設(shè)計成強大的具備無線通信能力的嵌入式系統(tǒng)。

CC1010芯片的功能結(jié)構(gòu)和工作原理
功能結(jié)構(gòu)
CC1010芯片主要有8051處理器、Flash編程DMA、數(shù)據(jù)加密模塊、看門狗時鐘、PWM、特殊功能寄存器、RF收發(fā)器等部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
工作原理
CC1010芯片工作頻帶可選擇315、433、868、915MHz，而且可以通過軟件編程使它運行在300~1000MHz范圍內(nèi)。內(nèi)部具備快速鎖相環(huán)設(shè)置功能，可采用跳頻協(xié)議。在FSK調(diào)制模式下，數(shù)據(jù)速率可達到76.8K波特。
在發(fā)送數(shù)據(jù)時，CC1010有兩種工作模式：一種是字節(jié)模式，另一種是位模式。在字節(jié)模式中，從緩沖寄存器RFBUF中一次取8位到移位寄存器，經(jīng)過調(diào)制發(fā)射出去，當移位寄存器空時，再從RFBUF中取8位，而RFBUF中數(shù)據(jù)的裝入，是由中斷引發(fā)的。在位模式下，每次只是從RFBUF寄存器的最低位取數(shù)據(jù)，當此位數(shù)據(jù)發(fā)送出去后，再從RFBUF最低位取，發(fā)送一位產(chǎn)生一個中斷，通知RFBUF裝載一位新的數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)采用的是FSK方式，VCO輸出的信號直接送入功率放大器(PA)，然后經(jīng)天線發(fā)射出去。
在接收數(shù)據(jù)時，CC1010可看成是一個傳統(tǒng)的超外差接收器。RF輸入信號經(jīng)低噪聲放大器(LNA)放大后翻轉(zhuǎn)進入混頻器，通過混頻器混頻產(chǎn)生中頻(IF)信號。在中頻處理階段，該信號送入解調(diào)器之前被放大和濾波。解調(diào)的數(shù)據(jù)被送進移位寄存器中，然后再存入到緩沖器RFBUF中，經(jīng)由處理器把數(shù)據(jù)取出，這個過程也有字節(jié)和位兩種工作模式，情況正好與發(fā)送過程相逆。頻率合成器產(chǎn)生的本振信號，在接收狀態(tài)下送入功放，它由晶振(XOSC)、鑒相器(PD)、充電脈沖、VCO以及分頻器(/R和/N)構(gòu)成。外接的晶振必須與XOSC引腳相連，只有外圍電感需要與VCO相連。
收發(fā)模式的切換是由內(nèi)部寄存器控制的，這樣使得天線與外圍器件的連接和匹配比較容易，而且增加了硬件電路工作的可靠性。

無線數(shù)據(jù)收發(fā)的硬件電路設(shè)計
硬件電路
在本電路設(shè)計中，為了減少干擾以及節(jié)省空間，采取把I/O口集中引線出來的方式，給用戶提供更大的自由開發(fā)空間。電路的功能框圖如圖2所示，DSUB口由SCK、MOSI、MISO和PROG四個引腳組成，用來與PC機的并行端口建立連接，中間要通過雙向電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC4245A，因為收發(fā)模塊的工作電壓選擇了＋3.3V，而PC機的并口需要＋5V電平。其功能是完成對芯片內(nèi)部的32KB Flash的編程工作，當程序在PC機上調(diào)試通過后，通過此接口就可以把程序完整地下載到Flash中去。COM0和COM1口都是符合RS-232接口標準的串行端口，都可以與PC機串接通信。在與PC機串口相連時，要通過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3243完成CMOS電平與RS-232雙極性+5V/-5V信號電平之間的轉(zhuǎn)換。PWM端口可用于脈沖寬度調(diào)制輸出。INTERRUPT端口是兩個中斷輸入口，在寄存器IE中，如果中斷使能標志被置位，就可以允許產(chǎn)生中斷，中斷方式可設(shè)置為電平觸發(fā)或邊沿觸發(fā)。AD端口是三路模擬輸入A/D轉(zhuǎn)換，其中AD2口也能被設(shè)置成接收信號強度指示輸出或者中頻輸出，這個引腳由FREND寄存器設(shè)置，不用的時候這三個腳可以懸空。
電壓轉(zhuǎn)換模塊
在實際應(yīng)用中，5V電源比較常見，又由于本電路需要3.3V和5V的工作電壓， 故在此電路中設(shè)計了一個電壓轉(zhuǎn)換模塊，如圖3所示。二極管D0起到穩(wěn)壓的作用，芯片LP2981把從1腳輸入的5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V并從5腳輸出。
收發(fā)電路
電路的接收和發(fā)射部分是設(shè)計的重點，具體電路如圖4所示。 芯片CC1010內(nèi)部已經(jīng)集成了接收和發(fā)射部分的硬件，重點是外圍天線部分的設(shè)計。CC1010可以使用各種各樣的天線，短距離最常用的天線有單極型、螺線型、環(huán)型等。本電路采用的是單極型天線，主要考慮的是它的方便性。天線的長度可由公式：L=7125/f計算得出。本電路的工作頻率設(shè)計為434MHz，天線的長度是16.4cm。元件L4、C10、C11構(gòu)成LC濾波器，主要是用來減少諧波干擾，在這里應(yīng)用于終端阻抗為50W的天線。L2、L3、C12、C13、C14的值隨工作頻率的不同而變化，電感L1的精度要求比較高，它決定了發(fā)射和接收的頻率，在電路中為了避免耦合感應(yīng)，它應(yīng)被緊靠著引腳放置。
PCB板制作
本電路工作頻率較高，為了減少信號間的干擾，增加電路工作的穩(wěn)定性，在PCB板制作過程中采取了如下措施：
1. 采用了四層板布線，大部分元器件放在了最上面一層，中間兩層分別是電源和地層，把VCO電感和I/O引腳的上拉電阻放在了底層。
2. 盡量避免信號線近距離平行走線，并使相鄰兩層間走線相互垂直，在電路板表面層沒有走線的地方布滿柵格狀的鋪銅。
3. 減少引線彎折，縮短引線長度，需要轉(zhuǎn)折的地方，采用45巰呋蛟不∽邸＞