基于RF收发器SX1231的无线射频收发系统设计
本文主要是基于868mhz频段的要求，设计了比较简单通用的无线收发系统，该系统可适用于该频段的不同的无线传输应用。
sx1231介绍及性能描述
sx1231芯片是semtech公司推出的一款高集成度、低功耗、多频段的uhf rf收发器。其工作电压为1.8v~3.6v，24引脚qfn封装，工作频率包括3155mhz、4335mhz、 8685mhz和915mhz无许可证的ism频段;内部集成sigma-delta小数分频锁相环、功率放大器、唤醒定时器、数字调制解调器、66字节的发送和接收数据fifo、数据包处理、数据加密功能aes，以及6个可配置的dio等，所有主要的rf通信参数是可编程的，大多数可动态设定。采用16节的fir通路滤波器，因而有好的选择性;发射功率可编程输出，从-18dbm到+17dbm;有多种调制解调方式：fsk、gfsk、msk、gmsk和ook等;sx1231在使用时所需的外部元件很少，1个32mhz的晶振、几个电容和电感就可组成一个高可靠性的收发系统，设计简单且成本低。sx1231在1.2kbps时的灵敏度高达-120dbm，主要用在无线抄表(amr)、无线传感器网络、家庭和建筑物自动化、无线告警和安全系统、工业监视和控制等领域。
无线射频收发系统设计
系统总体方案
无线射频收发系统的结构框图如图1所示，由stm8l151k2单片机控制sx1231实现无线数据的收发。发送模块中的stm8l151k2将数据传送给sx1231，然后sx1231对数据进行包格式处理，包括增加前导码、同步字、crc校验码，如果需要也可以对数据进行加密处理。最后数据包经天线发送给接收模块。接收模块对接收到的射频信号放大、解调、解包之后，再将数据送给主控制器stm8l151k2进行相应的处理，如送显示屏或pc数据处理中心等。该系统包括按键和液晶显示屏等人机交互界面，以及rs232接口，这实现了与pc的通信功能。
图1 系统方框图
系统硬件设计
主控芯片选用st公司推出的单片机stm8l151k2。stm8l151k2有1k bytes的ram和8k bytes的flash以及256bytes的eeprom，片上集成了包括串口、spi、i2c、adc、触摸屏控制功能等外围模块接口，完全满足本系统对微控制器的要求;有多种电源管理模式(如等待模式、低功耗运行模式、低功耗等待模式等)。
stm8l151k2可以通过spi接口对sx1231的内部寄存器进行读写操作，灵活配置各项参数。通过4线spi接口完成对sx1231的初始化配置、读写数据、访问fifo等操作，使sx1231正常工作在发射、接收模式，完成数据在空中的传播。
sx1231是15脚~18脚的标准的spi接口，dio0~dio5可以通过内部寄存器来配置成不同的中断信号。映射关系如表1所示，这样可以很方便地获取sx1231的工作状态。如果需要了解fifo满、fifo不是完全空，工作模式ready，有效的数据包发送或接收、电池电压低、rssi、pll锁定等状态，都可以配置寄存器来把这些信号映射到dio pin，然后单片机stm8l151k2通过检测这些dio pin的电平来获得或者主动通知mcu某个状态发生。可用19脚(rxtx)控制射频收发开关以进行发射通路和接收通路的切换，高电平时为发射状态。图2中采用upg2214tb射频开关，v1和v2分别为开关的控制脚。由于sx1231只有一个控制脚，因此增加一个三极管反相器就完成了开关的控制。21脚(rfio)是发射和接收共用的pin，但是该pin的最高输出功率为13dbm。如果需要输出更高的功率(17dbm或20dbm)，就必须把发射接至23脚(paboost)，这时21脚(rfio)只当作接收pin。
图2 硬件设计原理图
sx1231接收端的输入阻抗可设置成50ω和200ω，通常设成200ω，此时同一匹配值在全频段仍可获得很好的灵敏度。
sx123节省功耗方面有一些很重要的特性：
(1)工作电压范围宽：从1.8v~3.6v都可以正常工作，且任何特性都保持不变。特别是对于发射，工作电压低至1.8v时仍然保持相同的输出功率，即电压从1.8v~3.6v，输出功率都能到达17dbm或20dbm，不随电压而变。但是其他类似的芯片，输出功率则随着电压的下降而降低。这样一种特性，使得该系统能够使电池的利用最大化，延长电池的使用寿命，这对低功耗的应用来说具有非常重大的意义。
(2)可以在sleep/standby模式下读写寄存器：该特性节约了写fifo时的功耗。在sleep模式下的电流为0.1μa，而在接收模式下的电流为16ma，节约了160000倍的功耗。
表1 dio pin 与信号的映射关系表
系统软件设计
系统中各主要功能模块均编成独立的函数由主程序调用。功能模块包括：初始化程序(包括初始化stm8l151k2、sx1231)、无线发送程序、无线接收程序等。无线发送程序负责写入数据载荷到sx1231，并根据通信协议来配置芯片的前导码、同步字及crc校验码，最后sx1231把其组装成数据包将其发送出去;无线接收程序负责接收并处理数据。首先，sx1231接收到一个完整的数据包，之后逐步的把前导码、同步字以及crc码去除，最后mcu从其fifo中取出有效数据。
无线收发模块之间的通信是以数据包的形式发送的，本系统定义的数据包格式如表2所示。
表2 本文系统定义的数据包格式
其中，preamble(前导码)是一连串的10101010(0xaa)或01010101(0x55)，其数量为0~655635字节，具体几个字节可以根据应用的需要来设定。前导码主要用来进行帧同步，接收机主要依靠前导码来进行有用信号识别，完成频率控制，以及自动增益控制、信号强度判断等动作以确保用最佳的状态接收正确的数据。syncword(同步字)在前导码之后，通过设定好的同步字来作为同步模式的标志码，也可以作为一个网络的id，相同网络的设备用相同的同步码。而接下来的地址码(address)可以作为网络内每个设备的id，如果数据包中的地址于本设备的地址相同，则接收数据，否则不予处理。有效载荷(message)是真正需要传输的数据。最后是crc校验码，由芯片自动完成。
初始化程序
初始化程序包括stm8l151k2的初始化以及sx1231的收发频率、工作模式、调制方式、数据速率以及数据包处理等寄存器的初始化配置。
系统上电后，stm8l151k2处于默认状态，根据系统功能需求重新进行初始化配置。sx1231也处于默认状态，需要进行配置才能工作。sx1231的初始化是一个重要的部分，正确的配置对系统最终的通信性能有很大的影响。
数据发送程序
无线发送程序流程如图3所示。完成stm8l151k2、sx1231的初始化后，配置寄存器写入相应的初始化rf控制字;然后通过spi连续写寄存器向tx fifo内写入需要发送的数据;再切换到发射模式。当数据发送完后，packetsent寄存器置1，同时映射的dio pin会变成高电平通知mcu数据包发送完成。然后写数据到fifo，发送，如此循环。直到所有数据发送完成，进入sleep模式。
图3 数据收发流程图
数据接收程序
程序完成stm8l151k2、sx1231的初始化后，配置寄存器写入相应的初始化rf控制字，把sx1231配置为接收状态。检测payloadready为高电平时，表明已经收到数据，然后mcu从fifo中读取数据，并进行处理。如此循环直至完成接收。
系统测试结果
系统测试条件及设置
该部分为本系统测试时的设置，根据不同的应用需求，部分设置可用作相应的变动。
•电源电压：3.3v
•频率：868.3mhz
•数据速率：4.8kbps
•频偏：5.0khz
•接收机带宽：10khz
•数据类型：pn15
•功率设定：4dbm
测试结果
发射功率
从图4中可以看到，发射功率为6.86dbm。低于5mw(7dbm)的规范要求。
图4 发射功率
载波频率容限：100x10-6
从图5中可以看出，设置为868.3mhz输出，实际测量的频率为868.2960mhz，则频率偏差为((868.30-868.296)mhz/868mhz)=4.6×10-6，小于规定的载波频率容限100×10-6。
图5 载波频率容限
发射信号的占空比限值：1%
发射信号的占空比通常指在一定时间内，发射信号的时间与未发射信号的时间比值。这主要取决于应用的要求，但是对类似短距离无线通信，发射器的发射的时间是非常的小，适合于各种控制类应用。如抄表的应用中，每个月抄表一次，而且每次发射的时间都小于1秒，这个占空比远远小于1%。
图6 信道间隔和占用带宽
图7 邻信道功率
信道间隔和占用带宽
对于25khz的信道间隔，允许的占用带宽为8.5khz~16khz之间。从图6的结果中可以看到，占有99%的能量的占用带宽为14.7247khz，小于16khz。
邻信道功率
在载波25khz频率偏移处的功率须小于载波功率40db。
接收灵敏度
接收灵敏度是-113.4dbm@0.1%。整个系统的接收链路预算为120.2db。通信距离可以达到600m左右。
从测试结果可看出该系统具有很好的性能，精准的频率控制，高的接收灵敏度，可以满足于宽带的应用要求，而且结果也表明完全适合于窄带应用。完全满足于中国年微功率(短距离)无线电应用对于868mhz~868.6mhz频段的规范要求。
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图3 数据收发流程图
数据接收程序
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•数据速率：4.8kbps
•频偏：5.0khz
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•数据类型：pn15
•功率设定：4dbm
测试结果
发射功率
从图4中可以看到，发射功率为6.86dbm。低于5mw(7dbm)的规范要求。
图4 发射功率
载波频率容限：100x10-6
从图5中可以看出，设置为868.3mhz输出，实际测量的频率为868.2960mhz，则频率偏差为((868.30-868.296)mhz/868mhz)=4.6×10-6，小于规定的载波频率容限100×10-6。
图5 载波频率容限
发射信号的占空比限值：1%
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图6 信道间隔和占用带宽
图7 邻信道功率
信道间隔和占用带宽
对于25khz的信道间隔，允许的占用带宽为8.5khz~16khz之间。从图6的结果中可以看到，占有99%的能量的占用带宽为14.7247khz，小于16khz。
邻信道功率
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接收灵敏度
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从测试结果可看出该系统具有很好的性能，精准的频率控制，高的接收灵敏度，可以满足于宽带的应用要求，而且结果也表明完全适合于窄带应用。完全满足于中国年微功率(短距离)无线电应用对于868mhz~868.6mhz频段的规范要求。
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