文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2010)12-0124-04
近些年來，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，ISM頻段單芯片的無線數(shù)據(jù)通信IC的性能日益提高，短距離無線應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地擴大，其中包括消費電子、工業(yè)控制、安防、自動抄表等諸多領(lǐng)域。數(shù)據(jù)的無線收發(fā)在無線產(chǎn)品設(shè)計中占有很大的比重。為縮短產(chǎn)品設(shè)計周期以及提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，使產(chǎn)品設(shè)計工程師在設(shè)計過程中只需關(guān)注系統(tǒng)應(yīng)用的設(shè)計，而將數(shù)據(jù)收發(fā)交付一種成熟穩(wěn)定的收發(fā)系統(tǒng)來完成。為此，本文設(shè)計了一種基于SI4432+STM32F103的高性能無線收發(fā)平臺。
1 STM32F103和SI4432芯片簡介
STM32系列是采用ARM CortexTM-M3 內(nèi)核的閃存微控制器，所有功能都具有業(yè)界最優(yōu)的功耗水平。在結(jié)合了高性能(最高72 MHz頻率)、低功耗(睡眠、停機和待機模式)和低電壓(可2.0 V～3.6 V供電)特性[1]的同時保持了高度的集成性能和簡易的開發(fā)特性，為用戶提供最大程度的靈活性。
SI4432是Silicon Labs公司的ISM頻段收發(fā)一體芯片，最大輸出功率達(dá)到了+20 dBm(100 mW)，具有“距離之王”的美譽(空曠距離可達(dá)2 000 m)。SI4432具有特有的連續(xù)頻率覆蓋范圍(240 MHz～960 MHz)、寬工作電壓(+1.8 V~+3.6 V)、高靈敏度(在BER<0．1％， 數(shù)據(jù)速率2.0 kb/s時為-118 dBm)等特點，還集成了一些可節(jié)省應(yīng)用成本的特性，如喚醒定時器、溫度傳感器、發(fā)射和接收數(shù)據(jù)FIFO、高性能ADC[2]，這些特性可大幅簡化系統(tǒng)設(shè)計師的工作，并允許使用低端的微控制器。高集成度使得外圍僅需一個30 MHz的晶體和幾個用于匹配／濾波的無源器,因此非常適用于對尺寸和成本敏感的大批量生產(chǎn)中的應(yīng)用。
2 硬件設(shè)計
該平臺主要由微處理器ARM7 STM32F103(以下簡稱STM32)和RF收發(fā)芯片SI4432組成。STM32通過SPI接口對SI4432進(jìn)行初始化配置、數(shù)據(jù)收發(fā)控制等，而SI4432通過nIRQ腳將相應(yīng)的中斷發(fā)送至STM32。該平臺采用單天線進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，所以必須采用RF收發(fā)切換開關(guān)用于對SI4432的收發(fā)狀態(tài)進(jìn)行切換, 其中GPIO1控制RF切換開關(guān)為發(fā)送狀態(tài)，GPIO2控制RF切換開關(guān)為接收狀態(tài)[2]。系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。
為滿足用戶各種不同的設(shè)計需求，該平臺還提供串口、通用IO口和AD轉(zhuǎn)化接口。其中,AD轉(zhuǎn)化接口可以用于需要處理模擬信號的系統(tǒng)，如有各種傳感器的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。
3 軟件設(shè)計
軟件編程采用模塊化設(shè)計思想，系統(tǒng)中各主要功能模塊均編成獨立的函數(shù)由主程序調(diào)用。功能模塊包括：初始化程序(初始化SPI、 SI4432)、無線發(fā)送程序和無線接收程序等。
3.1狀態(tài)轉(zhuǎn)化
為了最大限度地降低功耗，軟件設(shè)計中采用SI4432的自動喚醒功能，在沒有數(shù)據(jù)收發(fā)時芯片處于空閑狀態(tài)，定時一段時間后將狀態(tài)切換至發(fā)送或是接收，檢查是否有數(shù)據(jù)的收發(fā)。SI4432主要有四種狀態(tài)：關(guān)閉、空閑、發(fā)送和接收，這些狀態(tài)在滿足一定的條件時可實現(xiàn)相互轉(zhuǎn)移，狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2所示。在關(guān)閉狀態(tài)下功耗最低，空閑次之?？臻e狀態(tài)有五種不同的模式，用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用靈活選擇。這些狀態(tài)或模式可以在操作模式和功能控制寄存器07H中設(shè)定，通過在寄存器07H中設(shè)定txon/rxon控制位可以從空閑狀態(tài)中的任一模式自動轉(zhuǎn)移到發(fā)送/接收狀態(tài)。不同模式/狀態(tài)下轉(zhuǎn)換需要的時間和功耗都不相同，可以根據(jù)系統(tǒng)需要選擇最佳的狀態(tài)和模式。
3.2 無線發(fā)送程序流程
無線發(fā)送程序負(fù)責(zé)寫入數(shù)據(jù)載荷，并根據(jù)通信協(xié)議為數(shù)據(jù)載荷加上前導(dǎo)碼、同步字、數(shù)據(jù)載荷長度等，形成數(shù)據(jù)包并將其發(fā)送出去，其流程如圖3所示。在完成 SPI和 SI4432 的初始化后，通過配置 SI4432 的寄存器3EH來設(shè)置包的長度，然后清除發(fā)送FIFO，并通過SPI連續(xù)寫寄存器7FH將待發(fā)送數(shù)據(jù)寫入發(fā)送 FIFO(字節(jié)數(shù)小于64 B),最后打開“發(fā)送完中斷允許”標(biāo)志，將其他中斷都禁止。完成中斷使能后，使能發(fā)送功能，數(shù)據(jù)開始發(fā)送。當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)送完時，引腳nIRQ會被拉低產(chǎn)生一個低電平并通知STM32數(shù)據(jù)包已發(fā)送完畢，當(dāng)nIRQ引腳變?yōu)榈蜁r讀取中斷狀態(tài)并拉高 nIRQ，否則繼續(xù)等待。一次數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，關(guān)閉發(fā)送使能，進(jìn)入下一次數(shù)據(jù)循環(huán)發(fā)送狀態(tài)。
3.3 無線接收程序流程
無線接收程序負(fù)責(zé)獲取有效載荷數(shù)據(jù)長度，并讀取接收FIFO中的有效數(shù)據(jù)，其流程如圖4所示。在程序完成SPI和SI4432的初始化后，打開“有效包中斷”和“同步字檢測中斷”，將其他中斷都禁止，并使能接收功能。等待nIRQ引腳因中斷產(chǎn)生而被拉低，讀取中斷標(biāo)志位拉高nIRQ引腳。若引腳 nIRQ 變成低電平，表示接收到有效數(shù)據(jù)包，通過寄存器4 BH讀取包長度信息，并通過SPI訪問寄存器7 FH從接收 FIFO中讀取接收到的數(shù)據(jù)，之后關(guān)閉接收使能，進(jìn)入下一次數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。
4 高性能應(yīng)用設(shè)計
在實際的產(chǎn)品應(yīng)用中，通常采用ACK握手信號、載波監(jiān)聽多路訪問/沖突防止(CSMA/CA)等機制來保證數(shù)據(jù)收發(fā)的高效、穩(wěn)定、可靠。而SI4432硬件不支持這些機制。為了增加本系統(tǒng)的高效適應(yīng)性，設(shè)計了以下高性能通信機制。
4.1 基于ACK的雙向通信
在無線數(shù)據(jù)傳輸過程中，為了確保發(fā)送過程的可靠性，發(fā)送端需要一應(yīng)答信號以確保發(fā)送數(shù)據(jù)已被準(zhǔn)確無誤接收。本設(shè)計中，接收端也可以通過ACK數(shù)據(jù)包發(fā)送有效數(shù)據(jù)至發(fā)送端，大大提高了信道的使用率。應(yīng)答信號數(shù)據(jù)包格式如圖5所示。
圖5中，ACK控制字節(jié)的數(shù)據(jù)格式如圖6所示。如果發(fā)送節(jié)點需要一反饋以判斷數(shù)據(jù)包是否到達(dá)目的地，則需要將應(yīng)答請求位(ACKRQ位)置1。發(fā)送完數(shù)據(jù)包以后，自動轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)，等待ACK狀態(tài)的到來并接收應(yīng)答信號數(shù)據(jù)包。如果接收節(jié)點接收到有效數(shù)據(jù)包且檢測到ACK控制字節(jié)中的ACKRQ位為1，則會自動產(chǎn)生應(yīng)答信號并且發(fā)送至發(fā)送節(jié)點。應(yīng)答信息數(shù)據(jù)包中，ACK控制字節(jié)中的應(yīng)答標(biāo)志位(ACK位)被置1，并且有效數(shù)據(jù)為接收節(jié)點發(fā)給發(fā)送方的數(shù)據(jù)(當(dāng)不需要發(fā)送有用數(shù)據(jù)時，全部用0x00填充)，同時源地址和目的地址相互交換。具體通信過程如圖7所示。
程序中，為了防止發(fā)送節(jié)點長時間地等待，設(shè)定只需等待固定的時間，等待的時間長短主要由實際的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)決定：是否使能了包轉(zhuǎn)發(fā)、實際的數(shù)據(jù)速率等。若在規(guī)定的時間內(nèi)，發(fā)送方未能接收到ACK數(shù)據(jù)包，則進(jìn)入ACK接收錯誤狀態(tài)；若成功接收將進(jìn)入休眠、發(fā)送或是空閑狀態(tài)。
使用ACK信號可以實現(xiàn)收發(fā)節(jié)點的雙向通信，能很好地解決手動切換無線收發(fā)狀態(tài)導(dǎo)致雙方互相等待的問題，同時只在需要ACK信號的應(yīng)用中才附帶應(yīng)答有效信息，減少不必要的通信過程，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性。
4.2 精簡的CSMA/CA發(fā)送機制
在無線通信過程中，在一個通信域內(nèi)可能存在幾十個乃至幾百個無線終端同時工作。在這樣復(fù)雜的無線網(wǎng)絡(luò)中，無線數(shù)據(jù)發(fā)送頻繁，發(fā)生碰撞不可避免。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送發(fā)生碰撞時，意味著有數(shù)據(jù)幀丟失。為了盡可能地避免由于發(fā)送數(shù)據(jù)時發(fā)生碰撞而導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀的丟失，必須引入一種可以避免發(fā)送碰撞的機制。
設(shè)計中參考了802.15.4中CSMA/CA的相關(guān)原理，采用非信標(biāo)的方式實現(xiàn)符合系統(tǒng)要求的精簡的CSMA/CA發(fā)送機制[3]。非信標(biāo)的方式即：結(jié)點若有數(shù)據(jù)要發(fā)送，需要先通過CSMA/CA機制進(jìn)行信道監(jiān)測，也就是在等待一個隨機時間后，對當(dāng)前信道進(jìn)行監(jiān)聽，若監(jiān)測到信道空閑，就可以開始傳送數(shù)據(jù)；若監(jiān)測到信道忙，則需要重新等待一個隨機時間，然后再繼續(xù)監(jiān)聽信道，具體實現(xiàn)流程如圖8[4-5]所示。步驟如下：
(1)在開始發(fā)送數(shù)據(jù)之前先監(jiān)聽信道0.5 ms。如果在這段時間內(nèi)信道是空閑的(通過讀取寄存器26 H的接收信號強度(RSSI)值，則與設(shè)定的信道空閑閾值做比較來判斷,發(fā)送節(jié)點將隨機延時0或1個時隙(1時隙為1 ms)。如果信道仍然是空閑的就開始發(fā)送數(shù)據(jù)；若信道變得忙碌，則跳到第(3)步驟。
(2)如果在0.5 ms內(nèi)信道為忙，則發(fā)送節(jié)點每隔0.5 ms采樣一次RSSI值，直到RSSI值小于設(shè)定的門閾值或是采樣次數(shù)達(dá)到10次。如果采樣次數(shù)達(dá)到10次，則跳轉(zhuǎn)到步驟(5)。
(3)若信道仍然為忙，則發(fā)送方將再等待一隨機時間，等待時間的大小是由下式確定：
RandomTime = n×time[1:0]
其中,n是0~15中的一個隨機數(shù)，time[1:0]可以設(shè)定為固定的時間(0.25 ms、0.5 ms、1 ms、2 ms)，可以根據(jù)應(yīng)用的需要選擇不同的值。
(4)如果在這段時間內(nèi)信道是空閑的，則發(fā)送數(shù)據(jù)；若忙碌則跳轉(zhuǎn)到步驟(5)。
(5)若嘗試的次數(shù)超出限定值(MAX_TRY_NUMBER)，則跳轉(zhuǎn)到步驟(6)。
(6)如果由于信道忙無法發(fā)出數(shù)據(jù)，則發(fā)送節(jié)點將返回信道忙錯誤。
為了驗證精簡CSMA/CA發(fā)送機制的性能，在空曠場地進(jìn)行了多節(jié)點(1個接收4個發(fā)送節(jié)點)數(shù)據(jù)收發(fā)測試，發(fā)送5 000次，MAX_TRY_NUMBER=4，實驗結(jié)果如表1所示。
由表1可以看出，當(dāng)距離近、傳輸速率低時,兩種情況丟包率為0；當(dāng)距離遠(yuǎn)且傳輸速率高時，未使用CSMA/CA的丟包率隨著距離和速率的增加而大幅增加，而使用CSMA/CA的丟包率則很小，其性能最大可提高28倍。因此，使用精簡的CSMA/CA發(fā)送機制可以大大減少由于數(shù)據(jù)沖突而產(chǎn)生的丟包概率，從而提高了通信吞吐率。
5 低功耗處理
STM32和SI4432是模塊的耗電“大戶”，但它們都提供了低功耗運行功能。STM32支持三種省電模式：睡眠、停機和待機，并帶有自動喚醒功能。在本系統(tǒng)中STM32的常態(tài)為待機，在接收到任何中斷時，將從待機狀態(tài)切換到正常狀態(tài)，在執(zhí)行完任務(wù)后，立即從正常狀態(tài)切換回待機狀態(tài)。而SI4432中集成了一個基于內(nèi)部32.768 kHz RC振蕩器的定時喚醒器，可以從睡眠模式定期喚醒芯片,而且SI4432內(nèi)部集成的功放(PA)的輸出功率是可編程的，工作電流與發(fā)射功率成正比，可根據(jù)RSSI的值來動態(tài)調(diào)整輸出功率的值，當(dāng)RSSI的值大時可減小輸出功率；反之，則可增大輸出功率[2]。
本文設(shè)計的無線收發(fā)模塊可用于一對一、一對多以及網(wǎng)狀網(wǎng)近距離無線通信環(huán)境中,系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有很好的通用性。因STM32自帶ADC，SI4432自帶溫度傳感器，稍作改動就可以應(yīng)用到安防、自動抄表、傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線遙控等一些短距離無線通信場合。該平臺具有較高的應(yīng)用價值，為無線數(shù)據(jù)傳輸提供了一個很好的解決方案。
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