基于STM32F103RB和CC1101的无线数传模块设计
本文设计了一种可工作在433.00-434.79mhz，中心频率为433.00mhz，输出功率可调的无线数传模块。模块采用stm32f103rb单片机和射频芯片cc1101设计，利用eda软件ads2008仿真优化了射频电路的输出匹配网络。最后对无线模块输出功率，通信距离等参数进行了测试和验证。
0 引言 随着近些年无线通信技术的发展，越来越多的无线技术开始涌现，gsm/gprs、wlan、zigbee等，为了更方便人们生产生活，以及改变现有的无线频道变得越来越拥挤的现状，不同国家相继开通了一些用于免费的ism频段，其中430m～510m的频段在中国最为常用。
本文选用st公司生产的stm32f103rb作为主控芯片，ti公司生产的cc1101作为射频芯片，设计一种工作在433.05mhz频段的mcu+rf无线数传射频模块，并编写相应的测试函数，用来对无线模块输出功率，通信距离等参数进行了测试和验证。
1 总体结构概述 根据实际的应用要求，无线数传模块主要包含以下几个部分：主控部分、射频部分、外围接口部分。主控部分负责数据处理尧控制射频部分的收发工作;射频部分负责交换控制信息和相关数据;外围接口部分为整个模块提供工作电源，同时为整个模块提供串行接口，方面模块进行测试。整个无线数传模块硬件体系结构如图1所示。
图1 无线数传模块硬件框图
2 模块硬件电路部分设计 2.1 射频部分设计
射频通信的具体实现需通过射频电路完成，随着微电子技术和集成电路的发展，现代射频通信电路都已集成在射频芯片内部。目前市场上的无线收发芯片的种类比较多，生产厂家有德州仪器、atmel、飞思卡尔、笙科电子等，而基于430mhz～510mhz的无线计量频段的无线收发芯片较少，其原因是该频段是刚刚发布的仅针对中国市场的频段，在国内也是近两年才开始发展该频段的无线计量系统。
德州仪器在2010年专门针对中国市场设计了一款基于430mhz～510mhz频段的无线收发芯片cc1101，本文也采用该芯片。cc1101 射频芯片数据速率支持1.2到500kbaud可编程速率，支持2-fsk、gfsk、msk以及ook等调试方式，发射功率可达+10dbm，接收灵敏度最高可达-112dbm，该芯片的最大优势在于低功耗特性，睡眠模式电流消耗为700na，且外围器件相对较少，采用qfn封装，可大大降低无线产品开发成本。
cc1101内部集成了射频通信的收发电路。发送时，信号来源于外部的串行外设接口（spi，serial peripheral interface），cc1101收到数据后会将其放在txfifo中，经过数据包处理器尧前向纠错/信道交织编码，进入调制器中，从调制器中出来的已调信号通过混频器（上变频），将频率调节为适合在信道上传输的信号，之后通过功率放大器，将信号放大传输到差分信号引脚上。接收时，数据从差分信号引脚输入，经过低噪音放大器，将信号放大，同时降低了噪音的产生，放大后的信号经过混频器（下变频）进行变频，产生中频信号，中频信号经ad转换，自动增益控制，频率滤波后，由解调器将信号解调出来，再经过纠错/交织编码，最后将数据放在rxfifo中，通过spi口发送到微控制器。
射频模块的设计电路图如图2所示。
图2 射频部分原理图
图2中，cc1101引出spi接口和微控制器进行通信，且cc1101为从机模式，gdo0和gdo2引脚与微控制器的中断引脚相连，用来产生fifo状态信号（中断信号），来判断数据收发状态。xosc_q引脚用来外接26m晶振，为频率合成器提供参考频率，同时为cc1101的adc和数字部分提供时钟信号。rf_p和rf_n是一个差分信号引脚，是射频信号发射和接收端口。
2.2 主控部分电路
作为单纯的射频收发器，cc1101需要额外的微控制器通过spi接口实现对该射频芯片的控制。除此之外，微控制器还负责与计量设备进行通信。
相对于射频收发器，微控制器的类型更为繁多，从8位的微控制器到64位的处理器都可以作为射频芯片的控制器。主流的有51系列的8位控制器，16位的msp430系列和avr系列单片机，32位的arm7系列和stm32系列处理器以及64位的arm9系列等处理器。选择合适的控制器对射频芯片来说尤为重要，制约因素包括兼容性尧低功耗性能尧低成本等。本文选用的微控制器为stm32f103rb，该芯片具有超低功耗特性，它的代码执行速度高达1.25mips/mhz，它内置高128k的flash和20k的sram，同时具备丰富的i/o端口和外设，包含16通道12位的adc，4通用16位定时器，电机控制pwm接口，2个i2c，2个spi，3个串口，1个usb控制器，一路总线接口等。
主控部分电路包含了stm32f103rb的最小系统，包括晶振电路尧复位电路以及外接接口，如图3所示。
图3 主控部分原理图
3 无线射频模块pcb设计 采集模块的pcb制板重点是射频部分的设计。pcb布局对射频电路具有很大的影响，在制板时如果不合理布局会导致模块整体性能下降，甚至无法工作。对于射频电路，首先尽量选用封装小的元器件，cc1101模块中电容尧电感和电阻都采用0402封装。其次，元器件排列要紧密，尤其是巴伦电路和相应的滤波电路，这样做能够有效的抑制分布参数的产生，降低分布参数对电路输出阻抗的影响。再次对射频芯片的电源做隔离处理，和其他模块的电源要分开，cc1101模块采用磁珠和微控制器电源进行隔离。最后滤波电容要尽量靠近需要滤波的器件或者网络，减少外部干扰的几率，提高抗干扰能力。射频模块pcb图以及实物图如4所示。
图4 射频模块pcb和实物图
4 实物测试 通过优化得到电路图，投板，生产pcb。焊接好元器件。为了检验输出模块的性能，要进行测试无线模块通信链路的输出功率测试。选用安捷伦频谱分析仪e9060a测试模块的最大输出功率。设置cc1101输出功率寄存器patabale=0xc0，即输出功率预设10dbm。实际测试输出端功率为10.16dbm，如图5所示。
图5 无线模块最大输出功率测试图
在空旷场地实际测量，最大稳定通信距离可达到400m，数据丢包小于1.5%。
5 结束语 根据实际要求，设计和生产了工作在430.99-434mhz的无线数传模块。由测量得到的数据可知，该无线数传模块在400米范围内可正常使用。由于受设备和测量条件的限制，对一些其他参数并未进行测量，这是日后要完善的地方。当有特殊场合需较远的通信距离的应用时，可以在cc1101的输出端加上功率放大器，提高发射功;曰在rf输入端加一级低噪声放大器，以一步提高接收灵敏度。根据应用场合，对电路的改进也是日后工作的重点之一。
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1 总体结构概述 根据实际的应用要求，无线数传模块主要包含以下几个部分：主控部分、射频部分、外围接口部分。主控部分负责数据处理尧控制射频部分的收发工作;射频部分负责交换控制信息和相关数据;外围接口部分为整个模块提供工作电源，同时为整个模块提供串行接口，方面模块进行测试。整个无线数传模块硬件体系结构如图1所示。
图1 无线数传模块硬件框图
2 模块硬件电路部分设计 2.1 射频部分设计
射频通信的具体实现需通过射频电路完成，随着微电子技术和集成电路的发展，现代射频通信电路都已集成在射频芯片内部。目前市场上的无线收发芯片的种类比较多，生产厂家有德州仪器、atmel、飞思卡尔、笙科电子等，而基于430mhz～510mhz的无线计量频段的无线收发芯片较少，其原因是该频段是刚刚发布的仅针对中国市场的频段，在国内也是近两年才开始发展该频段的无线计量系统。
德州仪器在2010年专门针对中国市场设计了一款基于430mhz～510mhz频段的无线收发芯片cc1101，本文也采用该芯片。cc1101 射频芯片数据速率支持1.2到500kbaud可编程速率，支持2-fsk、gfsk、msk以及ook等调试方式，发射功率可达+10dbm，接收灵敏度最高可达-112dbm，该芯片的最大优势在于低功耗特性，睡眠模式电流消耗为700na，且外围器件相对较少，采用qfn封装，可大大降低无线产品开发成本。
cc1101内部集成了射频通信的收发电路。发送时，信号来源于外部的串行外设接口（spi，serial peripheral interface），cc1101收到数据后会将其放在txfifo中，经过数据包处理器尧前向纠错/信道交织编码，进入调制器中，从调制器中出来的已调信号通过混频器（上变频），将频率调节为适合在信道上传输的信号，之后通过功率放大器，将信号放大传输到差分信号引脚上。接收时，数据从差分信号引脚输入，经过低噪音放大器，将信号放大，同时降低了噪音的产生，放大后的信号经过混频器（下变频）进行变频，产生中频信号，中频信号经ad转换，自动增益控制，频率滤波后，由解调器将信号解调出来，再经过纠错/交织编码，最后将数据放在rxfifo中，通过spi口发送到微控制器。
射频模块的设计电路图如图2所示。
图2 射频部分原理图
图2中，cc1101引出spi接口和微控制器进行通信，且cc1101为从机模式，gdo0和gdo2引脚与微控制器的中断引脚相连，用来产生fifo状态信号（中断信号），来判断数据收发状态。xosc_q引脚用来外接26m晶振，为频率合成器提供参考频率，同时为cc1101的adc和数字部分提供时钟信号。rf_p和rf_n是一个差分信号引脚，是射频信号发射和接收端口。
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图3 主控部分原理图
3 无线射频模块pcb设计 采集模块的pcb制板重点是射频部分的设计。pcb布局对射频电路具有很大的影响，在制板时如果不合理布局会导致模块整体性能下降，甚至无法工作。对于射频电路，首先尽量选用封装小的元器件，cc1101模块中电容尧电感和电阻都采用0402封装。其次，元器件排列要紧密，尤其是巴伦电路和相应的滤波电路，这样做能够有效的抑制分布参数的产生，降低分布参数对电路输出阻抗的影响。再次对射频芯片的电源做隔离处理，和其他模块的电源要分开，cc1101模块采用磁珠和微控制器电源进行隔离。最后滤波电容要尽量靠近需要滤波的器件或者网络，减少外部干扰的几率，提高抗干扰能力。射频模块pcb图以及实物图如4所示。
图4 射频模块pcb和实物图
4 实物测试 通过优化得到电路图，投板，生产pcb。焊接好元器件。为了检验输出模块的性能，要进行测试无线模块通信链路的输出功率测试。选用安捷伦频谱分析仪e9060a测试模块的最大输出功率。设置cc1101输出功率寄存器patabale=0xc0，即输出功率预设10dbm。实际测试输出端功率为10.16dbm，如图5所示。
图5 无线模块最大输出功率测试图
在空旷场地实际测量，最大稳定通信距离可达到400m，数据丢包小于1.5%。
5 结束语 根据实际要求，设计和生产了工作在430.99-434mhz的无线数传模块。由测量得到的数据可知，该无线数传模块在400米范围内可正常使用。由于受设备和测量条件的限制，对一些其他参数并未进行测量，这是日后要完善的地方。当有特殊场合需较远的通信距离的应用时，可以在cc1101的输出端加上功率放大器，提高发射功;曰在rf输入端加一级低噪声放大器，以一步提高接收灵敏度。根据应用场合，对电路的改进也是日后工作的重点之一。
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