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低功耗無線數(shù)字傳輸模塊的設(shè)計與應(yīng)用
摘要：介紹了一種以PIC16F73單片機(jī)芯片和CC1000調(diào)制解調(diào)芯片為核心的超低功耗無線數(shù)字傳輸模塊的設(shè)計方案及實現(xiàn)方法，并給出了該模塊在無線智能IC卡水表中的應(yīng)用。該模塊通信速率最高可達(dá)38.4kbps，查詢工作方式下平均工作電流為10μA，與同類設(shè)計相比，該模塊具有功耗低、使用方便、通信可靠等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：無線通信低功耗移頻鍵控PIC16F73單片機(jī)芯片CC1000調(diào)制解調(diào)芯片
在工業(yè)、科學(xué)研究以及醫(yī)療設(shè)備中，目前出現(xiàn)了大量需要進(jìn)行通信的設(shè)備，這些設(shè)備通信距離較近、數(shù)據(jù)量較小、不適合布線。比如自動抄表系統(tǒng)、酒店點菜系統(tǒng)以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，其中有很多設(shè)備是可移動的，而且要求何種小便于攜帶。因此，要求其通過設(shè)備具有體積小、功耗低、成本低、使用方便等特點�；谶@些需求，本文給出了一款超低功耗的無線數(shù)字傳輸模塊的設(shè)備及實現(xiàn)方法。
該模塊采用Chipcon公司的超低功耗FSK調(diào)制解調(diào)芯片CC1000和Microchip公司的低功耗單片機(jī)PIC16F73，從而保證了系統(tǒng)的超低功耗。同時，為了適應(yīng)電池供電系統(tǒng)的應(yīng)用，該模塊支持查詢方式的無線通信，可以使系統(tǒng)的平均工作電流低至10μA。該模塊具有8組信道，可以實現(xiàn)點對點、點對多點的半雙工通信，并且提供標(biāo)準(zhǔn)串行數(shù)據(jù)接口，支持TTL、RS232和RS485通信接口，可以方便地與其它控制器或計算機(jī)連接。
圖1
1模塊硬件設(shè)計
模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
作為工作在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的底層通信設(shè)備，該系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)、假數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)組合、解碼數(shù)據(jù)幀、數(shù)據(jù)校驗等功能。在接收過程中完成數(shù)據(jù)由電信號向位流、由位流數(shù)據(jù)向字節(jié)，由字節(jié)向數(shù)據(jù)幀的變換，而在發(fā)送過程中則完成接收到的逆向過程。數(shù)據(jù)發(fā)送過程中數(shù)據(jù)流的變化如圖2所示。
調(diào)制解調(diào)由CC1000完成。系統(tǒng)采用頻移鍵控調(diào)制（FSK），載波頻率為434MHz，帶寬為64kHz，數(shù)據(jù)采用差分曼徹斯特編碼發(fā)送，空中發(fā)送數(shù)據(jù)速率可以根據(jù)需要設(shè)置，最高FSK數(shù)據(jù)速率為76.8kpbs。CC1000采用三線命令接口和兩線數(shù)據(jù)接口，可編程配置載波頻率和數(shù)據(jù)速率等內(nèi)容。有關(guān)CC1000的詳細(xì)內(nèi)容見參考文獻(xiàn)。
模塊控制器在發(fā)送時從用戶接口接數(shù)據(jù)和命令，并將用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)幀傳送給CC1000，控制CC1000進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。在接收時，控制器接收從CC1000傳送過來的數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，過濾噪聲，將數(shù)據(jù)由位流轉(zhuǎn)換為字節(jié)，進(jìn)行校驗并將用戶數(shù)據(jù)通過串行口傳送給用戶，使用戶可以實現(xiàn)所發(fā)即所收。
模塊是為低功耗系統(tǒng)而設(shè)計的，除了具有SLP引腳可以直接休眠模塊外，還有一些專門設(shè)計的命令來支持使用查詢方式的通信。PCMD、RX、TX三線組成模塊的三線接口，配置命令時PCMD必須為高電平。配置命令工作時序如圖3所示。
發(fā)送數(shù)據(jù)時PCMD應(yīng)置為低電平，通過串行口發(fā)送數(shù)據(jù)即可。模塊使用時間間隔區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)幀，如果有傳輸半個字節(jié)的時間沒有接收到數(shù)據(jù)，則認(rèn)為此前接收到的為一幀數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將編碼該幀數(shù)據(jù)并通過CC1000進(jìn)行調(diào)制和發(fā)送。因此，如果用戶數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)幀的格式發(fā)送的，用戶應(yīng)當(dāng)連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，以避免模塊將一幀數(shù)據(jù)分割為兩幀數(shù)據(jù)發(fā)送，從而降低發(fā)送效率。模塊只能進(jìn)行半雙工通信，沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時模塊處于接收狀態(tài)；有休眠信號時模塊進(jìn)入體眠狀態(tài)，此時模塊無法接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，只有將模塊喚醒后，才能發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。READY信號是模塊工作狀態(tài)指示信號。當(dāng)READY長時間處于低電平狀態(tài)時，可以使用RST將模塊復(fù)位，重新設(shè)置模塊的工作狀態(tài)，以避免模塊處于錯誤工作狀態(tài)。
2軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件采用專門為PIC單片機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化，能夠為PIC系列單片機(jī)產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)高效的代碼，具體內(nèi)容參考文獻(xiàn)。系統(tǒng)控制器軟件設(shè)計是本系統(tǒng)的核心內(nèi)容，由于控制器要完成與用戶和CC1000雙方的通信及數(shù)據(jù)封裝，因此系統(tǒng)軟件借用Windows系統(tǒng)的消息循環(huán)機(jī)制設(shè)計，采用消息循環(huán)的體系結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得程序結(jié)構(gòu)清晰、可擴(kuò)展性強(qiáng)、可移植性強(qiáng)。經(jīng)過長時間的初中，證明這種結(jié)構(gòu)非常適合單片機(jī)系統(tǒng)軟件的開發(fā)。
圖4為程序初始化和主函數(shù)部分的結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)程序總線結(jié)構(gòu)采用消息驅(qū)動機(jī)制。在系統(tǒng)內(nèi)部寄存器和變量初始化完成后便可以進(jìn)入消息循環(huán)程序查詢系統(tǒng)消息。系統(tǒng)消息一般是CPU外部或內(nèi)部的事件通過CPU中斷系統(tǒng)激勵CPU運(yùn)行的。為了能夠使系統(tǒng)產(chǎn)生和響應(yīng)消息，必須啟動CPU的中斷系統(tǒng)，因而在進(jìn)入消息循環(huán)前啟動CPU定時中斷、串行通信中斷、外部觸發(fā)中斷。程序初始化部分在CPU上電或復(fù)位后只執(zhí)行一次，CPU在正常工作時即將終都在消息循環(huán)中反復(fù)檢測消息是否存在，并根據(jù)消息的種類做不同的操作，最后清除相應(yīng)的消息標(biāo)
志，再進(jìn)行循環(huán)檢測消息。本系統(tǒng)中消息共有三種，分別是程序節(jié)拍控制信號、與CC1000通信的信號以及與用戶通信的信號。程序節(jié)拍控制信號控制程序的運(yùn)行過程，包括時間信號、外部中斷信號（休眠、喚醒）以及其它定時動作信號；與CC1000通信的信號包括CC1000狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號、接收完成信號、發(fā)送開始信號以及發(fā)送完畢信號等，負(fù)責(zé)管理與CC1000的通信和控制工作；與用戶通信的信號包括接收用戶數(shù)據(jù)完畢信號、用戶數(shù)據(jù)發(fā)送完畢信號以及向用戶發(fā)送數(shù)據(jù)開始信號等，負(fù)責(zé)與用戶的通信管理。程序的消息循環(huán)結(jié)構(gòu)如圖5所示。
3模塊性能
3．1模塊功能
作為一款專門為低功耗系統(tǒng)而設(shè)計的無線數(shù)字傳輸模塊，該模塊具有低電平供電、低功耗的特點。供電電壓范圍為3V～12V。當(dāng)供電電壓為3V時，在接收狀態(tài)下，模塊電流為9.6mA；在發(fā)送狀態(tài)下，模塊電流為25.6mA；在休眠狀態(tài)下，模塊電流為2μA。通信系統(tǒng)使用查詢方式工作時，處于接收的工作電流計算公式如下，即若休眠時間為dsl，檢測信號時間為tdt，那么平均工作電流為（單位為μA
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Ip=(tsl×2+tdt×9600)/(tsl+tdt)
因此，如果一個系統(tǒng)的休眠時間為8s,檢測時間為13μA。這樣，5400mAh的鋰電流可以使用47年！當(dāng)然，實際使用中應(yīng)該計算模塊處于接收狀態(tài)時的電流，此時模塊的功耗就取決于模塊工作的情況和傳輸數(shù)據(jù)量的大小，但是其極低的待機(jī)功耗對于移動設(shè)備來說是十分重要的。
3．2通信可靠性
通信誤碼率可以使用如下近似公式計算：
Pe≈Ne/N
式中，N為傳輸?shù)亩M(jìn)制碼元總線；Ne為被傳輸錯的碼元數(shù)，理論上應(yīng)有N→∞。
在實際使用中，N足夠大時，才能夠把Pe近似為誤碼率。經(jīng)過對模塊的測試，在數(shù)據(jù)速率為2400bps、通信距離為100m(平原條件)時，通信誤碼率為10-3～10-5。在數(shù)據(jù)速率提高時，通信誤碼率會增加，但是通信模塊可采用多項技術(shù)來提高通信可靠性。在物理層，模塊采用差分曼徹斯特編碼技術(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，從而保證通信中的同步問題；而在數(shù)據(jù)鏈路層，使用CRC（循環(huán)冗余編碼）進(jìn)行數(shù)據(jù)幀校驗，用以保證數(shù)據(jù)到達(dá)用戶應(yīng)用層以后的可靠性。當(dāng)然，用戶在應(yīng)用層還可以采取多種通信協(xié)議來進(jìn)一步提高通信的可靠性。
3.3通信距離
在無線通信中，通信距離與發(fā)射機(jī)發(fā)送信號的強(qiáng)度和接收機(jī)接收靈敏度有著直接關(guān)系。本模塊的發(fā)送功率為10dBm，而在數(shù)據(jù)速率為2400bps、帶寬為64kHz、通信二進(jìn)制誤碼率為10-3條件下，模塊的接收靈敏度為-110dBm。在天線高于地面3m的可視條件下，可告通信距離（誤碼率小于10-3）大于300m。在市區(qū)環(huán)境中，可靠通信距離在10m左右。
圖5
4模塊應(yīng)用
無線智能IC卡水表由負(fù)責(zé)顯示和讀寫IC卡的上位機(jī)和負(fù)責(zé)閥門控制的下位機(jī)組成，上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信使用無線數(shù)字傳輸模塊完成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。上位機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)接口，包括顯示下位機(jī)狀態(tài)、顯示剩余水量、讀取IC卡以及與下位機(jī)通信等功能，下位機(jī)完成水脈沖計數(shù)并接收上位機(jī)的指令控制閥門開關(guān)狀態(tài)。由于本系統(tǒng)采用電池供電，所以要求系統(tǒng)的功耗必須非常低。水表的上位機(jī)和下位機(jī)均采用Microchip公司的低功耗單片機(jī)PIC16F73，下位機(jī)工作在查詢狀態(tài)。
無線智能IC卡水表的通信方式如下：通信由上位機(jī)發(fā)起，當(dāng)需要通信時（按鍵被按下或插入IC卡時），上位機(jī)首先發(fā)送10s的同步頭，然后發(fā)送地址，其后等待下位機(jī)應(yīng)答。而下位機(jī)使用查詢的方式與上位機(jī)進(jìn)行通信，即下位機(jī)每9s喚醒一次無線通信櫝以檢測是否有同步頭信息，檢測時間為10ms。如果沒有同不頭信息，并進(jìn)行解密和地址判斷。如果接收到的地十為本機(jī)地址，則分析指令并進(jìn)行響應(yīng)，否則轉(zhuǎn)入休眠。因為上位機(jī)發(fā)送同步頭的時間大于下位機(jī)休眠的時間，所以保證了通信的可靠性。這種通信方式雖然速度較慢，但是卻使得下位機(jī)的功耗大大降低，延長了下位機(jī)電池的壽命。在該系統(tǒng)中，由于數(shù)據(jù)量較小，所以通信速度不是關(guān)鍵問題，而低功耗才是系統(tǒng)最重要的問題。
基于CC1000的低功耗無線數(shù)字通信模塊完成了設(shè)計目標(biāo)，達(dá)到了低功耗、高可靠性的通信要求，并且通信速度可以達(dá)到38.4kbps，所以可以滿足大部分短距離無線數(shù)字通信的要求。當(dāng)然，由于系統(tǒng)的功耗比較低，使得發(fā)射功率較小，通信距離比較近。因此，在對通信距離要求更高時，可以適當(dāng)加大發(fā)射功率，以增加傳播距離。目前該模塊已經(jīng)在無線智能IC卡水表中使用，工作穩(wěn)定。
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