基于Si4432的无线配置器硬件设计文献综述

文 献 综 述

0应用背景

随着无线射频(Radio Frequency，RF)通信技术和集成电路技术的发展，ISM频段单芯片的无线数据通信IC的性能日益提高，短距离无线应用领域也在不断地扩大，其中包括消费电子、工业控制、安防、自动抄表等诸多领域。数据的无线收发在无线产品设计中占有很大的比重。

为缩短产品设计周期以及提高产品的稳定性，使产品设计工程师在设计过程中只需关注系统应用的设计，而将数据收发交付一种成熟稳定的收发系统来完成。这里我们就要设计好基于Si4432的无线配置器，使其发挥好各自的功能来满足社会的发展。
1 SI4432芯片简介
SI4432是Silicon Labs公司的ISM频段收发一体芯片，最大输出功率达到了 20 dBm(100 mW)，具有距离之王的美誉(空旷距离可达2 000 m)。SI4432具有特有的连续频率覆盖范围(240 MHz～960 MHz)、宽工作电压( 1.8 V~ 3.6 V)、高灵敏度(在BER0．1％， 数据速率2.0 kb/s时为-118 dBm)等特点，还集成了一些可节省应用成本的特性，如唤醒定时器、温度传感器、发射和接收数据FIFO、高性能ADC[2]，这些特性可大幅简化系统设计师的工作，并允许使用低端的微控制器。高集成度使得外围仅需一个30 MHz的晶体和几个用于匹配／滤波的无源器,因此非常适用于对尺寸和成本敏感的大批量生产中的应用。
2 硬件设计
该平台主要由微处理器ARM7 STM32F103(以下简称STM32)和RF收发芯片SI4432组成。STM32通过SPI接口对SI4432进行初始化配置、数据收发控制等，而SI4432通过nIRQ脚将相应的中断发送至STM32。该平台采用单天线进行数据的收发，所以必须采用RF收发切换开关用于对SI4432的收发状态进行切换。为满足用户各种不同的设计需求，该平台还提供串口、通用IO口和AD转化接口。其中,AD转化接口可以用于需要处理模拟信号的系统，如有各种传感器的环境监控系统。

该模块对外提供3种类型的接口：BS232(与Pc或具有RS232接口的设备相连)、UART和SPI(与具有UART／SPI接口的嵌入式设备直接相连)。这三种接口实现的功能是一样的，它们是为满足绝大多数应用的不同需求而设计，不能也无必要同时使用，用户可根据自己的情况选择相应的接口。
3 功能设计
软件编程采用模块化设计思想，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(初始化SPI、 SI4432)、无线发送程序和无线接收程序等。
3.1状态转化功能
为了最大限度地降低功耗，设计中采用SI4432的自动唤醒功能，因此在模版上设有唤醒定时器，在没有数据收发时芯片处于空闲状态，定时一段时间后将状态切换至发送或是接收，检查是否有数据的收发。SI4432主要有四种状态：关闭、空闲、发送和接收，这些状态在满足一定的条件时可实现相互转移，在关闭状态下功耗最低，空闲次之。

3.2 无线发送功能
无线发送程序负责写入数据载荷，并根据通信协议为数据载荷加上前导码、同步字、数据载荷长度等，形成数据包并将其发送出去。在完成 SPI和 SI4432 的初始化后，通过配置 SI4432 的寄存器3EH来设置包的长度，然后清除发送FIFO，并通过SPI连续写寄存器7FH将待发送数据写入发送 FIFO(字节数小于64 B),最后打开发送完中断允许标志，将其他中断都禁止。空闲状态有五种不同的模式，用户可以根据不同的应用灵活选择。这些状态或模式可以在操作模式和功能控制寄存器07H中设定，通过在寄存器07H中设定txon/rxon控制位可以从空闲状态中的任一模式自动转移到发送/接收状态。不同模式/状态下转换需要的时间和功耗都不相同，可以根据系统需要选择最佳的状态和模式。

3.3 无线接收功能
无线接收程序负责获取有效载荷数据长度，并读取接收FIFO中的有效数据。在程序完成SPI和SI4432的初始化后，打开有效包中断和同步字检测中断，将其他中断都禁止，并使能接收功能。等待nIRQ引脚因中断产生而被拉低，读取中断标志位拉高nIRQ引脚。若引脚 nIRQ 变成低电平，表示接收到有效数据包，通过寄存器4 BH读取包长度信息，并通过SPI访问寄存器7 FH从接收 FIFO中读取接收到的数据，之后关闭接收使能，进入下一次数据接收状态。

4 高性能应用设计
在实际的产品应用中，通常采用ACK握手信号、载波监听多路访问/冲突防止(CSMA/CA)等机制来保证数据收发的高效、稳定、可靠。而SI4432硬件不支持这些机制。为了增加本系统的高效适应性，设计了以下高性能通信机制。
4.1 基于ACK的双向通信
在无线数据传输过程中，为了确保发送过程的可靠性，发送端需要一应答信号以确保发送数据已被准确无误接收。本设计中，接收端也可以通过ACK数据包发送有效数据至发送端，大大提高了信道的使用率。

如果发送节点需要一反馈以判断数据包是否到达目的地，则需要将应答请求位(ACKRQ位)置1。发送完数据包以后，自动转为接收状态，等待ACK状态的到来并接收应答信号数据包。如果接收节点接收到有效数据包且检测到ACK控制字节中的ACKRQ位为1，则会自动产生应答信号并且发送至发送节点。应答信息数据包中，ACK控制字节中的应答标志位(ACK位)被置1，并且有效数据为接收节点发给发送方的数据(当不需要发送有用数据时，全部用0x00填充)，同时源地址和目的地址相互交换。

程序中，为了防止发送节点长时间地等待，设定只需等待固定的时间，等待的时间长短主要由实际的网络参数决定：是否使能了包转发、实际的数据速率等。若在规定的时间内，发送方未能接收到ACK数据包，则进入ACK接收错误状态；若成功接收将进入休眠、发送或是空闲状态。
　使用ACK信号可以实现收发节点的双向通信，能很好地解决手动切换无线收发状态导致双方互相等待的问题，同时只在需要ACK信号的应用中才附带应答有效信息，减少不必要的通信过程，大大提高了系统的稳定性和高效性。
4.2 精简的CSMA/CA发送机制
　在无线通信过程中，在一个通信域内可能存在几十个乃至几百个无线终端同时工作。在这样复杂的无线网络中，无线数据发送频繁，发生碰撞不可避免。当数据发送发生碰撞时，意味着有数据帧丢失。为了尽可能地避免由于发送数据时发生碰撞而导致数据帧的丢失，必须引入一种可以避免发送碰撞的机制。