CC1100可編程RF收發器的原理及開發

1 引言
    CC1100是Chipcon公司推出的一款低成本單片的UHF收發器，專為低功耗無線應用而設計，該RF收發器工作在315 MHz、433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM(工業，科學和醫學)和SRD(短距離設備)頻率波段，也可通過軟體編程設置頻率波段300 MHz～348 MHz、400 MHz～464 MHz和800 MHz～928 MHz。CC1100內部還集成了一個高度可配置的數據機，該數據機支持不同的調製格式，其數據傳輸率最高可達500 Kb/s。CC1100能為數據包處理、數據緩衝、突發數據傳輸、清晰通道評估、連接質量指示和電磁波激發提供硬體支持。
    CC1100適用於AMR-自動儀錶讀數、電子消費產品、RKE-兩路遠程無鍵登錄、低功率遙感勘測、住宅和建築自動控制、無線警報和安全系統、工業監測和控制以及無線感測器網路等應用領域。

2 CC1100內部結構
    CC1100內部結構框圖如圖1所示。CC1100先通過低雜訊放大器(LNA)對接收到的射頻信號進行放大，然後再對信號的中間頻率求積分向下轉換。在中頻，I/Q信號通過ADC進行數字化。CC1100的自動增益控制(AGC)，細微頻率濾波和解調位/數據包同步均數字化工作。
 
圖1 CC1100的內部結構
    CC1100發送器部分在RF頻率直接合成的基礎上實現其功能。RF頻率合成器包含一個完整的片上LC壓控振蕩器(VCO)和一個對接收模式下的向下轉換混頻器產生I和Q的LO信號的90°相移裝置。XOSC_Q1和XOSC-Q2之間連接晶體可產生合成器的參考頻率，同時為數字部分和ADC提供時鐘。CC1100的數字基帶可支持頻道配置、數據包處理及數據緩衝。

3 應用電路
    CC1100採用QLP 4mm×4mm封裝，該器件共有20個引腳。圖2是Chipcon公司推薦的CC1100應用電路，表1是應用電路採用的外部元件清單。CC1100應用電路所需外部元件根據工作頻率不同而略有偏差。

    需要注意的是，應用電路中沒有給出退耦電容。實際應用時，能量供給必須在靠近供給引腳處恰當地退耦。退耦電容器的放置及大小必須嚴格遵照Chipcon公司給出的參考設計以達到最優性能。

4 CC1100與MCU的介面
4.1 SPI匯流排介面
    如圖2所示，CC1100通過4線SPI匯流排介面(SI、SO、SCLK和CSn)實現與單片機通信，CC1100工作在SPI的從模式，該模式同時用作寫緩存數據。SPI介面上所有操作都包含一個讀/寫位，一個突發訪問位和一個6位地址的頭位元組。
 
    地址和數據轉換時，CSn引腳(低電平有效)必須保持低電平。如果在轉換過程中CSn變為高電平，則轉換取消。當CSn變低，在開始轉換頭位元組之前，MCU必須一直等待，直到SO引腳變低。SO變低表明電壓調製器已達到穩定。晶體正在工作中。除非器件處在SLEEP或XOFF狀態，SO引腳在CSn變低之後總會立即變低。

4.2 CC1100內部寄存器配置
    單片機通過SPI匯流排讀寫CC1100內部寄存器地址為0X00～0X3F，實現功能設定及測試。其中，0X00～0X2E是配置寄存器地址，0X30～0X3F是狀態寄存器和命令濾波地址。其中狀態寄存器為只讀，命令濾波為只寫。當訪問地址為0X30～0X3F時，讀寫位決定是對寄存器訪問還是寫命令濾波。利用突發訪問實現對續地址單元的訪問，但必須注意不能對狀態寄存器進行突發訪問。CC1100配置寄存器的讀寫操作時序如圖3所示
(1)配置寄存器：對配置寄存器寫入相應的設定值便可設定器件的工作狀態。比如工作頻率、波特率及通信帶寬等。
(2)狀態寄存器：讀0X30～0X3F地址，可獲悉器件工作狀態，如CCA信息，RX是否溢出等。
(3)命令濾波：單片機往SPI介面上寫0X30～0X3F的地址就可命令器件執行某個任務，如：器件重啟、開啟並校準頻率合成器及啟動RX/TX等。
 
圖3 CC1100配置寄存器的讀寫操作時序

5 器件的工作狀態
5.1 工作狀態獲取方式
(1)狀態寄存器位
    獲取器件工作狀態方式是通過讀取狀態寄存器值來獲得的.比如CCA、RSSI和LQI。
(2)附加的兩位元組狀態位元組
    除了通過讀取狀態寄存器值獲得器件工作外還可通過相應設置，在接收端接收數據后通過接收附加的兩個狀態位元組RSSI[7:0]、CRC_OK以及LQI[6:0]獲取器件狀態信息。
5.2 狀態位元組
    向器件引腳寫頭位元組時，可以從SO引腳上讀取器件狀態位元組：CHIP_RDYN+STATE[2:0]+FIFO_BYTE_AVAILABLE[3:0]
    CHIP_RDYN一直保持高電平直到電源和時鐘達到穩定。從STATE[2:0]中可獲悉當前主機的模式，比如：發送、接收、RX FIFO上溢及FX FIFO下溢等。從FIFO_BYTE_AVAILABLE[3:0]中可以得知當時TX FIFO的可用位數和自由位數。
5.3 GDO測試引腳
    通過對IOCFGX_GDOX寄存器寫入相應值可得到不同的測試信號.如：前導質量到達標記、CCA狀態、在偵測到同步辭彙時產生一個中斷觸發信號、產生FIFO狀態信號等。

6 常見問題及解決方案
6.1 電源雜訊干擾
    RF電路對電源雜訊干擾十分敏感.尤其是高次諧波和電壓毛刺.當干擾嚴重時可導致RF器件無法正常工作。因此，含RF電路的PCB板在布板時需要十分小心.電源部分一定要加耦合電路.而且最好不要採用自動布線.以保證器件可靠接地。
6.2 RF通信異常
    實驗時經常會發現CC1100之間通信異常現象，原因是接收方RXFIFO溢出后RF無法再接收新的數據。首先，初始化RF時應關閉中斷，然後在接收失敗時清空RXFIFO就能解決此問題。

7 結束語
    CC1100支持2FSK、GFSK、ASK、MSK 調製方式.適合跳頻(具有高速頻率合成器)，具有高靈敏度(1.2 Kb/s下-110 dBm，1％包誤差)、低電流(RX下15.6 mA，2.4 Kb/s，433 MHz)、可編程輸出功率(對所有頻率支持-30 dBm~+10 dBm)、電磁波激活(WOR)等強大的功能特性，極大滿足了短距離微功率的無線通信需求，將廣泛應用於ISM(工業，科學和醫學)和SRD(短距離設備)中。