基於CC1020的無線通信模塊設計

    隨著網路及通信技術的飛速發展，無線通信以其成本低廉、擴展性好、受地理條件限制較少、安裝施工簡便靈活等特點，在許多領域都有著廣闊的應用前景。

CC1020簡介
    CC1020是一種理想的超高頻單片收發器晶元。主要用於ISM(工業、科研及醫療)頻帶和在426/429/433/868/915MHz頻帶的SRD(Short Range Device－近距離設備)中，也可經編程後用於頻率為402MHz~470MHz和 804MHz~940MHz的多通道設備。CC1020主要的工作參數可通過串列匯流排介面編程，例如輸出功率、頻率及AFC。
    在接收模式下，CC1020可看成是一個傳統的超外差接收器。RF輸入信號經低雜訊放大器(LNA和LNA2)放大后，翻轉經過積分器(I和Q)產生中頻IF信號。在中頻處理階段，I/Q信號經混合濾波、放大后經ADC轉化成數字信號。然後進行自動獲取控制、通道濾波、解調和二進位同步化處理，在DIO引腳輸出數字解調數據，DCLK引腳獲取同步數字時鐘數據。RSSI為數字形式，並可通過竄行介面讀出。RSSI還可作為可編程的載波檢測指示器。
    在發送模式下，合成的RF信號直接饋送到功率放大器PA。射頻輸出是FSK信號，此信號是由饋送到DIO引腳的數字比特流通過FSK調製產生的。可使用一個高頻濾波器來得到高斯頻移鍵控GFSK。晶元內部的收/發開關電路使天線容易接入和匹配。

硬體電路設計
微控制器選型
    微控制器採用Cygnal公司生產的C8051F310，該處理器具有與8051完全兼容的CIP-51內核，是一款完全集成的混合信號ISP型MCU晶元，帶有模擬多路器的10位200ksps的25通道單端/差分ADC，硬體實現的I2C、增強型UART及SPI介面，Flash存儲器具有在系統重編程能力，可用於非易失性數據存儲，並且允許現場更新8051固件。該型號單片機體積小、性能高，能夠快速存取數據，也易於系統開發以及擴展，很適合本設計的需要。

CC1020結構配置介面
    CC1020結構配置介面與微控制器的連接如圖1所示。微控制器使用引腳P2.2~P2.5與CC1020的結構配置介面PSEL、PCLK、PDI、PDO連接。PDO與微控制器的一個輸入端連接。PDI、PCLK和PSEL連接到微控制器的輸出端。如果把PDI和PDO連接在一起，微控制器可以使用一個雙向引腳端，則可節省微控制器的一個I/O埠。
 
    當結構配置介面不使用時，連接到PSEL、PCLK、PDI和PDO引腳端的微控制器引腳可作他用。當PSEL引腳端無效(保持高電平)時(PSEL引腳端低電平有效)，PCLK、PDI和PDO是高阻抗輸入狀態。PSEL有一個內部上拉電阻，在低功耗模式時必須斷開(由微控制器三態控制)，或者設為高電平，以阻止電流流入上拉電阻。
    CC1020通過簡單的四串列SPI介面進行編程。有8位的結構配置寄存器。每一位寄存器的地址是7位，1位作為讀/寫位，初始化讀或寫的操作。CC1020一次完整的配置，要求發送33個數據幀，每幀16位(Address 7位，R/W 1位，Data 8位)。一次完整配置所需時間取決於PCLK的頻率。如果PCLK頻率為10MHz，完成一次完整配置的時間少於53ms。將CC1020設為低功耗模式，只需發送一幀數據，因此所需的時間不到2ms。所有的寄存器都是可讀的。

CC1020信號收發介面
    CC1020信號收發介面與微控制器的連接如圖1所示。微控制器使用引腳P2.6和P3.4與CC1020的雙向同步數據介面DIO、DCLK連接。
    微控制器的一個雙向引腳與CC1020的DIO連接，用於數據的發射與接收(輸入與輸出)。DCLK提供數據定時，必須連接到微控制器的一個輸入端。
    數據輸出可以選擇使用單獨的引腳。這時要設置CC1020的INTERFACE寄存器SEP_DI_DO=1。在同步模式下，LOCK引腳用作數據輸出，而DCLK引腳作為非同步模式的數據輸出，DIO引腳端則只用於數據輸入。
    微控制器的一個引腳可用來監視鎖相環的鎖定信號，即LOCK引腳信號。當鎖相環鎖定時，LOCK引腳為邏輯低電平。它還可以用作載波檢測及監視其它內部測試信號。
    CC1020能被設置成三種不同的數據傳輸形式：同步NRZ模式、同步曼徹斯特碼模式和非同步傳輸UART模式。這三種模式各有特點，同步曼徹斯特碼抗干擾能力最好，但是波特率要低一倍，非同步傳輸UART實現起來最簡單，但是抗干擾能力最差，而同步NRZ抗干擾能力比UART要好，但稍差於同步曼徹斯特碼，實現難度也介於兩者之間。考慮到微處理器基本都支持UART串列通訊，所以選擇了這種模式，經測試效果完全能達到要求。

CC1020天線選擇
    CC1020可以使用多種型號的天線。近程通信中常使用的天線是單極天線、螺旋型天線和環形天線。本設計使用範圍最佳且簡單的1/4波長單極天線。

電源管理
    CC1020提供了非常靈活的電源管理，以適應電池驅動應用中對功耗的嚴格要求。低功耗模式通過MAIN寄存器和POWERDOWN寄存器控制。MAIN寄存器中有獨立的位，用於控制接收部分、發射部分、頻率合成器和晶振。這種獨立控制方式使得各個應用的功耗可以優化為最小。由於本設計是單獨的無線通信模塊，所以對功耗要求不太嚴格。系統採用5V供電，經過NCP500穩定輸出3V電壓。

抗干擾措施
    無線射頻收發系統對電源雜訊很敏感，因此設計時採用了無線射頻部分和其它電路分開供電的方法。高頻器件對於雜訊敏感，因此給各部分電源加裝了濾波器或穩壓器，以減少電源雜訊對晶元的干擾。另外，對晶元使用電源監控及看門狗電路，以便大幅度提高整個電路的抗干擾性能。
    Chipcon公司提供了射頻部分的電路參考設計，射頻部分的布局參照了參考設計的布局，同時根據實際情況做了一些改動，以獲得最佳效果。CC1020的外圍元件很少，其中VCO電感屬於關鍵器件，選用了高精度電感，布局上也儘可能靠近晶元，並且儘可能使兩個輸入引腳對稱，以保證性能。另外，設計時讓晶振與晶元引腳盡量靠近，並用地線把時鐘區隔離起來，晶振外殼接地並固定，還使用了金屬罩對射頻部分進行了電磁屏蔽。使用以上措施，保證了系統的可靠運行。

軟體設計
    通信協議採用UART格式(一個開始位，負載數據，一個結束位)，另外，數據包前有同步碼，同步碼的作用是使接收端晶元正確識別UART格式的數據。之後要有識別碼，識別碼用來標誌數據開始，如果正確收到識別碼，說明可以正確接收數據。如果數據長度不是一定的，則在數據包開始部分加一個長度碼，或在數據包結尾部分加特定結束標誌。為了應付無線傳輸中可能出現的數據錯誤，在數據包最後加一個校驗碼，這樣就可以根據應用需要選擇丟掉該包或是要求重發。實際應用中發現，在數據包之後，最好要有1~2個位元組的冗餘碼，否則，最後1個位元組的數據很容易受到雜訊干擾，造成錯誤識別。主要流程框圖如圖2所示。
 　　　　
結語
    該通信模塊具有成本低、通用性強、可擴展性強、可靠性高等特點。可單獨使用，也可作為系統拓展模塊方便地集成到各種無線測控系統中。