基于CC1100的无线传输系统

基于CC1100的无线传输系统的研究摘要：随着无线通信技术不断进步,低功耗、体积小的无线数据传输系统成为无线通信技术的一个重要发展方向,随之而来的是无线射频芯片的不断推陈出新。本文介绍了一种以MSP430F149单片机为控制核心,基于无线收发芯片CC1100的通信模块系统。对其工作原理和工作方式进行了阐述,给出了设计思路、硬件电路及实验数据。实验表明，该系统稳定可靠，速率快，且具有可扩展性。关键词：无线通信；数据传输；微控制器；射频芯片中图分类号：O319.56文献标志码；A：DesignofwirelesstransmissionsystembasedonCC1100Abstract：Thewirelesscommunicationtechnologyunceasinglymakeprogresses,thelowpowerandsmallsizewirelessdatatransmissionsystembecomeanimportantaspectofwirelesscommunication,andfollowingisnewRFtransceiverchipsunceasinglyappear.Inthispaper,itgivesoutawirelessdatatransmissionsystembasedonMSP430F149andCC1100.Wegiveoutthedesignofhardwaresoftware,afteranalyzedtheworkprincipleofthissystem.Theexperimentshowedthatthesystemhadhighreliabilityandhighspeed,andalsoscalability.Keywords：wirelesscommunication;datatransmission;MCU;RFchip1引言无线技术是通过无线电波在自由空间传播信息的技术。随着无线技术的快速发展，短距离无线数据传输技术展现出强大的发展潜力[1]，该领域将形成一个巨大的新兴产业。本文围绕对高速信号的采样展开，以弹丸为载体，采用单片机作为控制核心,通过无线模块进行信号的收发，以便系统能实时、准确的采集弹丸侵彻目标过程中的瞬态温度信号，进行后续处理。由于存在侵彻过程环境恶劣，弹丸体积小，过载大等因素，故要求系统低功耗、低成本、小体积，针对上述问题，设计了以MSP430F149作为控制核心,基于无线收发芯片CC1100的无线传输系统。2短距离无线传输技术分析短距离无线数据传输最流行的标准有蓝牙(Bluetooth)，802.11b(Wi-Fi)和IrDA，这些协议和标准各有优劣，各有自己擅长的应用领域[2]。蓝牙技术(Bluetooth)使用全球统一开放的2.4GHz的ISM段，有穿透能力，能够全方位传送，主要面对网络中各种数据和语音设备。但价格昂贵，成本高；IEEE802.11b(Wi-Fi)技术的最大优点是兼容性好，支持的范围在室外为300m，在办公环境中最长为100m。但其协议复杂，不易于开发；红外技术(IrDA)采用点到点的连接方式，发射、接收具有方向性，数据传输干扰少、保密性强、成本低廉的特点。但其传输距离短，速度慢。综上所述，RF非标准无线通信芯片由于接口简单，容易掌握得到了广泛的应用。MSP430和TI其下CHIPCOM射频芯片的结合是理想的选择，具有成本低、距离远、接口灵活等优点。3硬件设计系统组成框图如图1所示，主要有温度传感器，微控制器，射频收发单元以及上位机单元组成。温度传感器将侵彻过程中的温度信号实时采集传送至微控制器；微控制器控制各可编程芯片，处理输入输出信号，将采集到的温度信号通过无线模块实时传出；射频收发单元负责信号的调制与解调并进行数据的收发；最后经过处理传至上位机进行数据的后续处理。本文主要对采集温度信号的收发进行研究。图1.无线数据传输系统结构图3.1MCU及CC1100简介MSP430F149单片机是TI公司推出的MSP430系列超低功耗16位混合信号处理器，它使用精简指令(RISC)、超低功耗、高性能模拟技术及丰富的片内外设，具有实用、低价、指令集小、简单易学、低功耗、高速度、体积小、功能强的优点,逐渐成为16位单片机的新潮流。CC1100是一款低成本单片UHF收发器,为低功耗无线应用而设计,具有功耗低、体积小、使用简单、操作灵活等特点。电路主要设定为在315MHz、433MHz、868MHz和915MHz的ISM(工业,科学和医学)和SRD(短距离设备)频率波段,也可以容易地设置为300～348MHz、400～464MHz和800～928MHz的其他频率。在开阔地区的传输距离为300至500米。其集成了一个高度可配置的调制解调器,支持不同的调制格式,其数据传输率最高可达500kbps。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项,能使性能得到提升。在发射状态下,其发射功率可编程调节,其最大发射功率达到10dbm。3.2接口电路设计CC1100通过4线SPI兼容接口(SI,SO,SCLK和CSn)配置,这个接口同时用作写和读缓存数据。SPI接口是一种同步串行通信接口,CSn是芯片选择管脚,当该管脚为低电平时,SPI接口可以通信,反之不能通信[3]。SI和SO为数字传输管脚,SI用于数据输入,SO用于数据输出。SCLK为同步时钟,在时钟的上升沿或下降沿数字数据被写入或读出。读或是写寄存器时,首先要在SI管脚写入寄存器地址(Address)字节。地址字节有8位,最高位为读写位,后7位为地址位。当执行写寄存器操作时,读写位为0,当执行读寄存器操作时,读写位为1。无论是读操作还是写操作,在地址字节被写入时,CC1100SO脚上输出一个芯片状态字节,状字节包含关键状态信号,对MCU是有用的。另外,CC1100的指令也是通过SPI接口传输。CC1100有14个内部指令。这些指令用来关闭晶体振荡器,开启传输模式,状态转换等。通过SI写入特定的字节使CC1100执行不同的命令。MSP430F149共有6个外部端口,其中P3端口兼容标准SPI接口协议,P3.1对应SI,P3.3对应SCLK,P3.2对应SO,P2.0和P2.1两个管脚用来查询CC1100的GDO0和GDO2管脚的状态,引导程序正确运行。要使用单片机的SPI接口,必须先对单片机内部相应寄存器进行设置,启动P3端口的SPI接口。SPI总线接口技术是一种高速、高效率的串行接口技术，主要用于扩展外设和进行数据交换。单片机与CC1100的接口连接示意图如图2所示。GDO0CSNSCLKGDO0GDO2CSNSISOSCLKCC1100P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5MSP430F149图2CC1100与单片机的接口连接示意图3.3应用电路设计MSP430F149所需外围元器件比较少,只需要晶振,复位电阻及电源去耦电容等少数元件就可以工作。CC1100外围电路也比较简单,需要晶振电路,滤波电路及阻抗匹配电路等外围电路。图3为应用在CC1100工作在433MHz时的整体电路。图3CC1100和MSP430F149的原理图4软件设计4.1总体流程图软件采用模块化程序设计方法，无线发射模块流程如图4，图5所示。图4无线发射模块流程图5无线接收模块流程在图4中，单片机及无线模块初始化后，当单片机接收到温度信号时，系统激活，启动SPI接口并是CC1100进入发射状态，通过SPI接口经由CC1100向外发送数据。在图5中，将CC1100配置为接收状态，进行数据校验，正确则开始接收数据，并通过串口传至上位机，进行数据的处理。4.2单片机初始化MSP430用标准SPI接口和CC1100进行通信，标准接口包括两根数据线:MOSI(主发从收)和MISO(从发主收),还有时钟线CLK，主机用CLK与从机时钟同步。SPI可以理解成双工方式，因为在发送数据的，同时也可以接收数据。SPI分成主模式和从模式,从模式完全被动，数据的发送完全由主机掌握。实际上参与工作的都有4个寄存器[4],主机将数据写人发送缓存UTXBUF，数据并行存入发送移位寄存器，数据一旦写入UTXBUF，立即从MOSI线移位到从机的接受移位缓存,而从机移位缓存中的数据又将其发送移位寄存器中的数据通过MISO移位到主机的接收移位寄存器,再并行读入接收缓存中。所以利用SPI既可以读数据，也可以写数据。部分代码如下://实现读写功能，写人的同时也会CC1100指定地址中的值。Char_spi_read_write(chardata){//禁止SPI中断IE1&=～UTXIEQ;IE1&=～URXIEQ;TRXBUF0=data;While(((IFG1&UTXIFG0)==0)||//((IFG1&URXIFG0)==0));//等数据发送完或接收完ReturnRXBUF0;//返回读入的值，不需要的可舍去}4.3无线模块初始化同样,在上电之初,CC1100也处于默认状态,需要设置按预期效果才能工作。CC1100有40多个寄存器需要配置[5],它们决定了CC1100的工作模式,具体配置可以参照CC1100的详细参考资料。在设置寄存器值时,使用SPI接口通信,该程序涉及单片机的IFG、UTXBUF等寄存器。首先把准备配置的寄存器地址或数值写入缓冲寄存器UTXBUF,当检测到IFG寄存器的TXIFG位为高时,即缓冲寄存器已满,数值发送。参照上面提到的寄存器读写方式,可以依次对CC1100内部配置寄存器进行配置。部分代码如下://实现通过SPI中断传输数据#pragmavector=uartorx_vector_interruptvoidrsart0_rx(void){while((IFG1&UTXIFG0)==0);TXBUF0=RXBUF0;}5实测数据将无线发送模块和无线接收模块置于相同的频道433MHZ,通过配置PATABLE寄存器来设定输出功率和电流。本文将PATABLE设置为0x06,输出功率为0dbm。以32个数据作为一个数据包，通过单片机控制CC1100将数据包循环发送，将系统的接收端通过串口与计算机相连。接收端接收到数据以后，通过上位机软件显示，以验证数据的准确性。同时，对CC1100进行相应寄存器配置，将其配置为不同的波特率，实验采用了200kbps、250kbps、300kbps、350kbps进行无线数据的收发，实测距离为50米且有障碍物。300kbps以内通信状态良好，上位机能正确显示数据，超过320kbps后，数据时有出错。在空旷地区，经过寄存器的配置，可达到500kbps，通信效果好。经计算，弹丸侵彻介质过程中的采集速率为80kbps，故系统满足需求。同时，300bps左右的速率也满足多数场合下的无线数据采集要求。上位机接收到的数据如图6所示。图6.串口调试软件显示传输数据6结语本文介绍的基于无线传输模块CC1100的短距离无线传输系统可以实现低功耗短距离的无线数据传输，成本低、速度快、信号强、可扩展性强，经过适当改动就可以应用于其他场合，如工业监控等，因此，有较大的推广价值和市场前景。参考文献[1]蔡型，张思全.短距离无线通信技术综述[J].现代电子技术，2004,10(3)：65～76.[2]刘岩.当前六种焦点近距无线技术综述[J].无线应用，2004,33(12)：32～36.[3]李丽军,王代华,祖静.基于cc1100的无线数据传输系统设计[J].研究与开发,2007(12):42～44[4]胡大可MSP43O系列Flash型超低功耗16位单片机[M].北京京航空航天大学出版社，2001.[5]时志云,盖建平,王代华等.新型高速无线射频器件nRF24L01及其应用[J].国外电子元器件,2007(8):42～44.