基于通信芯片SI4432和μC/OS-II操作系统实现无线通信系统的设计
引言
随着信息技术的飞速发展，短距离无线通信技术的应用已经越来越广泛，硬件低成本，协议简单的无线通信系统越来越受到欢迎。现有的一些通信技术包括wifi和uwb，wifi是一种无线网络通信技术，可以改善基于ieee802.11标准的无线网络产品之间的互通性。uwb（ultra wideband）是一种无载波通信技术，它利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。但采用这些方式其硬件成本较高，协议相对复杂。本文采用基于通信芯片si4432设计的无线通信系统，不仪通信质量好，而且成本低和开发难度低，可应用于无线通信、智能控制等领域。
1 、系统网络结构
本方案采用分布集散数据采集控制系统结构，如图1所示，由一个控制工作站（主操作台）、多个无线监控网关和多个无线控制节点组成。无线控制节点（即用户所使用的设备和无线i/o模块）通过无线监控网关与控制工作站通信。
2、 无线通信系统总体设计
该系统用lpc2103微控制器控制si4432实现数据收发，系统软件采用μc/os-ii嵌入式操作系统。μc/os-ii采用的是可剥夺型实时多任务内核，该通信系统将分解成若干任务，实现模块化设计。串口接收任务将数据写入发送缓冲区，发送任务从发送缓冲区取得数据并将数据传输给si4432进行编码处理，并以特定的格式经天线发送给接收模块。接收任务负责接收来自si4432的数据，并将数据写入接收缓冲区，串口的接收任务将数据传到pc机或其他设备。无线收发模块的硬件结构如图2所示。
3 、系统硬件设计
主控芯片采用飞利浦公司生产的lpc2103芯片，lpc2103是基于arm7tdmi-s cpu的微控制器，由于内置了宽范围的串行通信接口（范围从多个uart、spi和ssp到两条i2c总线）和8 kb的片内sram，非常适合通信网关和协议转换器应用，可以通过内置spi控制器对si4432的内部寄存器进行读写操作，根据实际情况配置各项参数。通过spi接口完成对si4432的各种配置和操作，如初始化配置、读写数据、访问fifo等。mosi和miso用于实现lpc2103到si4432的双工传输;sck用于串行数据传输的同步;nsel作为片选信号。spi接口示意图如图3所示。
4、 系统软件设计
采用μc/os-ii作为操作系统，该系统将分解成几个任务：系统初始化任务、si4432发射任务、si4432接收任务、读缓冲区任务、写缓冲任务。软件合理设定任务的优先级，μc/os-ii是基于优先级调度执行的。
4.1 系统初始化任务
系统初始化任务包括目标板初始化、spi接口初始化、si4432初始化。
4.1.1 目标板初始化
目标板初始化主要是定时器0初始化和注册定时器0中断服务程序。μc/os-ii要求提供时钟中断以实现延时与超时控制功能，多任务系统启动以后，也就是涮用osstart（）之后第一件事就是初始化定时器，定时器0初始化：
4.1.2 spi接口初始化
为了使lpc2103与si4432能更高速地进行双向数据传输，将前者配置为spi主机模式后者为从机模式。由于si4432的所有配置都是通过spi接口进行的，配置的恰当与否对系统最终的通信效果有很大的影响。spi初始化为主机，部分程序如下：
4.1.3 si4432初始化
si4432主要是自组织协议设计和一些寄存器配置。自组织协议格式如图4所示。
其中，pre表示前导码，这些字符杂波不容易产生，通过测试和试验发现，噪声中不容易产生0x55和0xaa等非常有规律的信号，因此前导码采用0x55aa;sync（同步字）在前导码之后，本系统设定的同步字为2b，同步字内容为0x2dd4，接收端在检测到同步字后才开始接收数据;本系统不需要tx header（帧头）;data表示有效数据;crc表示检验位，说明采用何种校验方式，可避免接收错误的数据包;si4432内部集成有调制/解调、编码/解码等功能，pre、sync和crc都是由si4432自动填充，用户只需设定数据包的组成结构和有效数据即可。
4.2 si4432发射任务
发射任务在lpc2103、spi和si4432的初始化后。配置寄存器使其进入发射状态，然后读取发射缓冲区（缓冲区就是一个静态队列数据结构）数据到txfifo里，当数据包发送完时，si4432产生中断，引脚nirq拉低从而通知lpc2103数据包发送完毕，lpc2103读取该中断信号从而释放si4432的nirq引脚，以便接收下一次中断的产生。
无线监控网关会根据所要传递到特定网关而切换到特定的信道，下面的子网关则使用特定的信道。无线发射流程图如图5所示。
4.3 si4432接收任务
当接收任务检测到lpc2103的p0.16引脚被拉低时，首先关闭si4432接收，然后读取其状态寄存器释放nirq，判断数据包接收中断和检测该包是否有效。如果crc也正确，lpc2103读取rxfifo中的数据，将其写入接收缓冲区（静态队列数据结构）。数据接收完毕后，清除rxfifo打开接收使系统进入下一次数据通信，无线监控网关会监听所有的信道，而下面的子网关则使用特定的信道。无线接收程序流程如图6所示。
4.4 读缓冲区任务和写缓冲任务
读缓冲任务主要是读取si4432写到缓冲区的数据，传送到串口，以便传输到pc或其他设备;写缓冲区任务主要是把pc或其他设备准备发射的数据由串口写入到发射缓冲区，由发射任务发射出去。
结语
本文设计了一种基于si4432的无线通信平台，此通信平台采用μc/os-ii和lpc2103作为操作系统和微控制器，通信的直线距离可达600～800 m，在建筑物内通信质量亦能得到保证，该通信平台能够应用于多种场合。
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1 、系统网络结构
本方案采用分布集散数据采集控制系统结构，如图1所示，由一个控制工作站（主操作台）、多个无线监控网关和多个无线控制节点组成。无线控制节点（即用户所使用的设备和无线i/o模块）通过无线监控网关与控制工作站通信。
2、 无线通信系统总体设计
该系统用lpc2103微控制器控制si4432实现数据收发，系统软件采用μc/os-ii嵌入式操作系统。μc/os-ii采用的是可剥夺型实时多任务内核，该通信系统将分解成若干任务，实现模块化设计。串口接收任务将数据写入发送缓冲区，发送任务从发送缓冲区取得数据并将数据传输给si4432进行编码处理，并以特定的格式经天线发送给接收模块。接收任务负责接收来自si4432的数据，并将数据写入接收缓冲区，串口的接收任务将数据传到pc机或其他设备。无线收发模块的硬件结构如图2所示。
3 、系统硬件设计
主控芯片采用飞利浦公司生产的lpc2103芯片，lpc2103是基于arm7tdmi-s cpu的微控制器，由于内置了宽范围的串行通信接口（范围从多个uart、spi和ssp到两条i2c总线）和8 kb的片内sram，非常适合通信网关和协议转换器应用，可以通过内置spi控制器对si4432的内部寄存器进行读写操作，根据实际情况配置各项参数。通过spi接口完成对si4432的各种配置和操作，如初始化配置、读写数据、访问fifo等。mosi和miso用于实现lpc2103到si4432的双工传输;sck用于串行数据传输的同步;nsel作为片选信号。spi接口示意图如图3所示。
4、 系统软件设计
采用μc/os-ii作为操作系统，该系统将分解成几个任务：系统初始化任务、si4432发射任务、si4432接收任务、读缓冲区任务、写缓冲任务。软件合理设定任务的优先级，μc/os-ii是基于优先级调度执行的。
4.1 系统初始化任务
系统初始化任务包括目标板初始化、spi接口初始化、si4432初始化。
4.1.1 目标板初始化
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4.1.2 spi接口初始化
为了使lpc2103与si4432能更高速地进行双向数据传输，将前者配置为spi主机模式后者为从机模式。由于si4432的所有配置都是通过spi接口进行的，配置的恰当与否对系统最终的通信效果有很大的影响。spi初始化为主机，部分程序如下：
4.1.3 si4432初始化
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4.2 si4432发射任务
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4.3 si4432接收任务
当接收任务检测到lpc2103的p0.16引脚被拉低时，首先关闭si4432接收，然后读取其状态寄存器释放nirq，判断数据包接收中断和检测该包是否有效。如果crc也正确，lpc2103读取rxfifo中的数据，将其写入接收缓冲区（静态队列数据结构）。数据接收完毕后，清除rxfifo打开接收使系统进入下一次数据通信，无线监控网关会监听所有的信道，而下面的子网关则使用特定的信道。无线接收程序流程如图6所示。
4.4 读缓冲区任务和写缓冲任务
读缓冲任务主要是读取si4432写到缓冲区的数据，传送到串口，以便传输到pc或其他设备;写缓冲区任务主要是把pc或其他设备准备发射的数据由串口写入到发射缓冲区，由发射任务发射出去。
结语
本文设计了一种基于si4432的无线通信平台，此通信平台采用μc/os-ii和lpc2103作为操作系统和微控制器，通信的直线距离可达600～800 m，在建筑物内通信质量亦能得到保证，该通信平台能够应用于多种场合。
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