LPC2103和SI4432的無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：目前大多數(shù)無線通信設(shè)備通信距離近，硬件成本高，設(shè)計(jì)復(fù)雜。本設(shè)計(jì)采用基于微功率通信芯片SI4432、LPC2103微控制器和μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的無線通信系統(tǒng)，不僅通信距離遠(yuǎn)、模塊成本低、集成度高、通信質(zhì)量高，而且軟件設(shè)計(jì)簡單、擴(kuò)展性好，可廣泛用于工業(yè)控制、終端通信、智能控制等領(lǐng)域。

引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，短距離無線通信技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，硬件低成本，協(xié)議簡單的無線通信系統(tǒng)越來越受到歡迎?，F(xiàn)有的一些通信技術(shù)包括WiFi和UWB，WiFi是一種無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可以改善基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品之間的互通性。UWB(Ultra Wideband)是一種無載波通信技術(shù)，它利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。但采用這些方式其硬件成本較高，協(xié)議相對復(fù)雜。本文采用基于通信芯片SI4432設(shè)計(jì)的無線通信系統(tǒng)，不儀通信質(zhì)量好，而且成本低和開發(fā)難度低，可應(yīng)用于無線通信、智能控制等領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本方案采用分布集散數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，由一個(gè)控制工作站(主操作臺)、多個(gè)無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)和多個(gè)無線控制節(jié)點(diǎn)組成。無線控制節(jié)點(diǎn)(即用戶所使用的設(shè)備和無線I/O模塊)通過無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)與控制工作站通信。

2 無線通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)用LPC2103微控制器控制SI4432實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，系統(tǒng)軟件采用μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)。μC/OS-II采用的是可剝奪型實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，該通信系統(tǒng)將分解成若干任務(wù)，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。串口接收任務(wù)將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖區(qū)，發(fā)送任務(wù)從發(fā)送緩沖區(qū)取得數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸給SI4432進(jìn)行編碼處理，并以特定的格式經(jīng)天線發(fā)送給接收模塊。接收任務(wù)負(fù)責(zé)接收來自SI4432的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)寫入接收緩沖區(qū)，串口的接收任務(wù)將數(shù)據(jù)傳到PC機(jī)或其他設(shè)備。無線收發(fā)模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

主控芯片采用飛利浦公司生產(chǎn)的LPC2103芯片，LPC2103是基于ARM7TDMI-S CPU的微控制器，由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口(范圍從多個(gè)UART、SPI和SSP到兩條I2C總線)和8 KB的片內(nèi)SRAM，非常適合通信網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換器應(yīng)用，可以通過內(nèi)置SPI控制器對SI4432的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作，根據(jù)實(shí)際情況配置各項(xiàng)參數(shù)。通過SPI接口完成對SI4432的各種配置和操作，如初始化配置、讀寫數(shù)據(jù)、訪問FIFO等。MOSI和MISO用于實(shí)現(xiàn)LPC2103到SI4432的雙工傳輸;SCK用于串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?nSEL作為片選信號。SPI接口示意圖如圖3所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用μC/OS-II作為操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)將分解成幾個(gè)任務(wù)：系統(tǒng)初始化任務(wù)、SI4432發(fā)射任務(wù)、SI4432接收任務(wù)、讀緩沖區(qū)任務(wù)、寫緩沖任務(wù)。軟件合理設(shè)定任務(wù)的優(yōu)先級，μC/OS-II是基于優(yōu)先級調(diào)度執(zhí)行的。

4.1 系統(tǒng)初始化任務(wù)

系統(tǒng)初始化任務(wù)包括目標(biāo)板初始化、SPI接口初始化、SI4432初始化。

4.1.1 目標(biāo)板初始化

目標(biāo)板初始化主要是定時(shí)器0初始化和注冊定時(shí)器0中斷服務(wù)程序。μC/OS-II要求提供時(shí)鐘中斷以實(shí)現(xiàn)延時(shí)與超時(shí)控制功能，多任務(wù)系統(tǒng)啟動以后，也就是涮用OSStart()之后第一件事就是初始化定時(shí)器，定時(shí)器0初始化：

μC/OS-II中的時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)是通過在中斷服務(wù)子程序中調(diào)用OSTimeTick()實(shí)現(xiàn)的，OSTimeTick()跟蹤所有任務(wù)的定時(shí)器以及超時(shí)時(shí)限。

4.1.2 SPI接口初始化

為了使LPC2103與SI4432能更高速地進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，將前者配置為SPI主機(jī)模式后者為從機(jī)模式。由于SI4432的所有配置都是通過SPI接口進(jìn)行的，配置的恰當(dāng)與否對系統(tǒng)最終的通信效果有很大的影響。SPI初始化為主機(jī)，部分程序如下：

4.1.3 SI4432初始化

SI4432主要是自組織協(xié)議設(shè)計(jì)和一些寄存器配置。自組織協(xié)議格式如圖4所示。

其中，Pre表示前導(dǎo)碼，這些字符雜波不容易產(chǎn)生，通過測試和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，噪聲中不容易產(chǎn)生0x55和0xAA等非常有規(guī)律的信號，因此前導(dǎo)碼采用0x55AA;Sync(同步字)在前導(dǎo)碼之后，本系統(tǒng)設(shè)定的同步字為2B，同步字內(nèi)容為0x2DD4，接收端在檢測到同步字后才開始接收數(shù)據(jù);本系統(tǒng)不需要TX header(幀頭);Data表示有效數(shù)據(jù);CRC表示檢驗(yàn)位，說明采用何種校驗(yàn)方式，可避免接收錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包;SI4432內(nèi)部集成有調(diào)制/解調(diào)、編碼/解碼等功能，Pre、Sync和CRC都是由SI4432自動填充，用戶只需設(shè)定數(shù)據(jù)包的組成結(jié)構(gòu)和有效數(shù)據(jù)即可。

4.2 SI4432發(fā)射任務(wù)

發(fā)射任務(wù)在LPC2103、SPI和SI4432的初始化后。配置寄存器使其進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)，然后讀取發(fā)射緩沖區(qū)(緩沖區(qū)就是一個(gè)靜態(tài)隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))數(shù)據(jù)到TXFIFO里，當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)送完時(shí)，SI4432產(chǎn)生中斷，引腳nIRQ拉低從而通知LPC2103數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢，LPC2103讀取該中斷信號從而釋放SI4432的nIRQ引腳，以便接收下一次中斷的產(chǎn)生。

無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)會根據(jù)所要傳遞到特定網(wǎng)關(guān)而切換到特定的信道，下面的子網(wǎng)關(guān)則使用特定的信道。無線發(fā)射流程圖如圖5所示。

4.3 SI4432接收任務(wù)

當(dāng)接收任務(wù)檢測到LPC2103的P0.16引腳被拉低時(shí)，首先關(guān)閉SI4432接收，然后讀取其狀態(tài)寄存器釋放nIRQ，判斷數(shù)據(jù)包接收中斷和檢測該包是否有效。如果CRC也正確，LPC2103讀取RXFIFO中的數(shù)據(jù)，將其寫入接收緩沖區(qū)(靜態(tài)隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))。數(shù)據(jù)接收完畢后，清除RXFIFO打開接收使系統(tǒng)進(jìn)入下一次數(shù)據(jù)通信，無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)會監(jiān)聽所有的信道，而下面的子網(wǎng)關(guān)則使用特定的信道。無線接收程序流程如圖6所示。

4.4 讀緩沖區(qū)任務(wù)和寫緩沖任務(wù)

讀緩沖任務(wù)主要是讀取SI4432寫到緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，傳送到串口，以便傳輸?shù)絇C或其他設(shè)備;寫緩沖區(qū)任務(wù)主要是把PC或其他設(shè)備準(zhǔn)備發(fā)射的數(shù)據(jù)由串口寫入到發(fā)射緩沖區(qū)，由發(fā)射任務(wù)發(fā)射出去。

結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于SI4432的無線通信平臺，此通信平臺采用μC/OS-II和LPC2103作為操作系統(tǒng)和微控制器，通信的直線距離可達(dá)600～800 m，在建筑物內(nèi)通信質(zhì)量亦能得到保證，該通信平臺能夠應(yīng)用于多種場合。