目前市場上各類無線產品種類及應用越來越廣泛，如何讓廣大學生、電子研發人員及一些小公司能快速在自己的產品中使用無線技術、降低無線技術的門檻，是本設計的初衷。對一些沒有接觸無線技術的人，從學到最后的設計應用需要比較長的時間。本文設計了一種基于無線收發芯片Si4432和單片機C8051F340的無線射頻收發系統。基于串口透明傳輸，用戶只需要了解一些串口指令即可方便實現無線收發。多種標準接口方便用戶把模塊嵌入到自己的產品中去。模塊經過大量的試驗、改進，能實現較遠距離的穩定傳輸。

1、系統總體方案

無線射頻收發系統結構框圖如圖1所示，由單片機C8051F340控制Si4432實現無線數據的收發。

發送模塊中的C8051F340將數據傳送給Si4432進行編碼處理，并以特定的格式經天線發送給接收模塊。接收模塊對接收到的射頻信號放大、解調之后，再將數據送給主控制器C8051F340進行相應的處理，如送液晶顯示等。為測試方便，系統提供了按鍵和液晶（OCM12864-9）等人機交互接口（模塊本身不帶顯示部分，開發板留有12864接口），還留有RS 232，TTL，RS 485等接口。可以實現模塊之間各種標準通信及與PC機通信。

2、 硬件設計

Si4432芯片是Silicon Labs公司推出的一款高集成度、低功耗、多頻段的EZ Radio PRO系列無線收發芯片。Si4432在使用時所需的外部元件很少，1個30 MHz的晶振、幾個電容和電感就可組成一個高可靠性的收發系統，設計簡單且成本低。Si4432的接收靈敏度達到-117 dB，可提供極佳的鏈路質量，在擴大傳輸范圍的同時將功耗降至最低；最小濾波帶寬達8 kHz，具有極佳的頻道選擇性；在240～960 MHz頻段內，不加功率放大器時的最大輸出功率就可達20 dBm，設計良好時收發距離最遠可達2 km。C8051F340也是Silicon Labs公司推出的單片機。具有4 KB的RAM和64 KB的FLASH，片上集成了豐富的外圍模塊（包括串口，SPI，10位A／D轉換器等），很好地滿足了本系統對微控制器的要求；支持快速喚醒和最低0．9 V的供電；有多種電源管理模式（如正常模式、空閑模式、休眠模式等），內部集成的2個內建欠壓檢測器分別適用于休眠模式和正常模式，典型休眠模式下電流僅為50 nA。C8051F340包含1個高效率直流升壓轉換器，最多提供65 mW給內部微控制器和其他元器件，為了減少正常模式下的電池耗電，C8051F340的省電架構能將操作模式下的電流減小到170μA／MHz。無線收發硬件設計原理圖如圖2所示。

C8051F340可以通過內置增強型SPI對Si4432的內部寄存器進行讀寫操作，靈活配置各項參數。通過SPI接口完成對Si4432的初始化配置、讀寫數據、訪問FIFO等操作。使用4線SPI，即MOSI、MISO、SCK和SEL。MOSI用于從C8051F340到Si4432的串行數據傳輸；MISO用于從Si4432到C8051F340的串行數據傳輸；SCK用于同步C8051F340和Si4432之間在MOSI和MISO線上的串行數據傳輸；SEL作為片選信號，只有片選信號為低電平時，對Si4432的操作才有效。Si4432的13～16腳是標準的SPI接口，17腳（IRQ）是中斷狀態輸出引腳。

為了達到較好的通信效果，Si4432的接收低噪聲放大器匹配電路和發射功率放大器匹配電路的阻容參數，應嚴格按照數據手冊提供的參數選型。前端的分集式電路采用SKY13267，其V1腳和V2腳分別連接Si4432的GPIO1和GPIO2。通過這款交叉開關實現分集式天線發送和接收通道的自動切換。

3、系統軟件設計

軟件的開發環境為KeilμVision 3，使用的語言為KeilC51。軟件的功能為完成MCU和Si4432的缺省配置；軟件設計的目的是完成微控制器和Si4432的初始化配置、數據的接收與發送。

3．1 初始化

初始化程序主要包括C8051F340的初始化，串口的配置、SPI的配置，無線數據接收與發送的頻率、傳輸速率、工作模式等內部寄存器的初始化配置。

C8051F340的數字交叉開關可以將內部的系統資源映射到端口I／O引腳，通過設置交叉開關控制寄存器，將片內資源配置到相應的I／O引腳上，提高了配置的靈活性。在配置SPI時，可以通過對4個特殊功能寄存器：配置寄存器SPI0CFG、控制寄存器SPI0CN、數據寄存器SPI0DAT和時鐘頻率寄存器SPI0CKR的控制實現，采用4線主SPI模式，通過設置SPI0CKR寄存器，將同步時鐘頻率設為晶振的1／4，在時鐘的每一個上升沿進行操作。

上電之初，Si4432也處于默認狀態，需要進行配置才能工作。Si4432有70多個寄存器需要配置，它們決定了Si4432的工作模式，具體配置可以參考Si4432的數據手冊。Si4432的初始化是一個重要的部分，配置的恰當與否對系統最終的通信效果有很大的影響。主控制器C8051 F340通過SPI配置Si4432的1ch和1dh等寄存器，寫入相應的初始化RF控制字（主要是頻率、傳輸速度和傳輸方式等）；通過配置33h和34h等寄存器來設置包的結構、前導碼長度以及同步字內容等。本系統采用同步傳輸模式，以0x2DD4作為同步模式的標志碼，傳輸完同步字后才開始傳輸數據載荷。每次發送數據必須以同步字0x2DD4作為發送數據的同步標志，接收端在檢測到同步字后才開始接收數據。

3．2 無線發送程序

無線發送程序流程如圖3所示。完成C8051F340、串口發送、SPI和Si4432的初始化后，配置寄存器寫入相應的初始化RF控制字。接下來，通過配置Si4432的寄存器3eh來設置包的長度，通過SPI連續寫寄存器7fh，往TXFIFO里寫入需要發送的數據。然后打開“發送完中斷允許標志”，將其他中斷都禁止。當有數據包發送完時，引腳IRQ會被拉低以產生一個低電平從而通知C8051F340數據包已發送完畢。完成中斷使能后，使能發送功能，數據開始發送。等待IRQ引腳因中斷產生而使電平拉低，當IRQ引腳變為低時讀取中斷狀態并拉高IRQ，否則繼續等待。如果數據發送成功，指示燈會變亮。一次數據發送成功后，進入下一次數據循環發送狀態。

3．3 無線接收程序

無線接收程序流程如圖4所示。程序完成C8051F340、串口接收、SPI接口和Si4432的初始化后，配置寄存器寫入相應的初始化RF控制字。通過訪問寄存器7fh從RX FIFO中讀取接收到的數據。相應的控制字設置好之后，若引腳IRQ變成低電平，則表示Si4432準備好接收數據。完成這些初始化配置后，通過寄存器4bh讀取包長度信息。然后，打開有效包中斷和同步字檢測中斷，將其他中斷都禁止。引腳IRQ用來檢測是否有有效包被檢測到，若引腳IRQ變為低電平，則表示有有效的數據包被檢測到。本系統用0x2DD4作為同步模式的標志碼，接收模塊通過檢測這個同步字來同步接收數據。最后，使能接收功能，數據開始接收。等待IRQ引腳因中斷產生而使電平拉低，讀取中斷標志位復位IRQ引腳，使IRQ恢復至初始的高電平狀態以準備下一次中斷觸發的檢測。通過SPI讀取RX FIFO中的數據，將數據送至液晶OCM12864顯示，之后進入下一次數據接收狀態。

4、系統測試與分析

為驗證本無線射頻收發系統設計的可靠性，進行了7組“發射模塊一接收模塊”通信實驗。在空曠地通信距離約為1 500 m時，7組“發射模塊-接收模塊”分別工作在430．50 MHz，431．50 MHz，432．50 MHz等7個中心頻率上，帶寬均取112．8 kHz，頻率偏移取±25 kHz，發送4000個數據包。實驗證明，在傳輸速率較低時，誤碼率為0；在傳輸速率為100Kb／s（或以上）時，有一定的誤碼，但誤碼率低于0．075％。因此，該無線射頻收發系統具有傳輸距離遠、穿墻能力強以及通信誤碼率低的特點。設計良好時，收發距離最遠可達2 km。

5、結語

本系統完全可以擴充為一個網絡系統，形成一個無線網絡，以應用到現場控制或測控系統中。本文所設計的無線射頻收發系統工作可靠、穩定，具有很好的通用性，稍作改動就可以應用到小區傳呼、工業數據采集、生物信號采集、無線遙控等其他一些短距離無線通信領域，對于一些小公司、電子愛好者可以不管模塊里面的無線通信協議及硬件，快速、簡單地嵌入到自己產品中去。

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