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Palabras clave: comunicación inalámbrica; cc 1020; radiofrecuencia; C8051F310
Con el rápido desarrollo de la tecnología de redes y comunicaciones, la comunicación inalámbrica se caracteriza por su bajo costo, buena escalabilidad y popularidad geográfica. Tiene las características de pocas restricciones, instalación y construcción simples y flexibles, y tiene amplias perspectivas de aplicación en muchos campos.
Introducción a CC1020
CC1020 es un chip transceptor de un solo chip de frecuencia ultraalta ideal. Se utiliza principalmente para SRD (Dispositivo de corto alcance) en la banda de frecuencia ISM (Industrial, Investigación Científica, Médica) y la banda de frecuencia 426/429/433/868/915 MHz. También puede programar equipos multicanal con frecuencias de 402 MHz ~ 470 MHz. y 804MHz ~ 940MHz. Los principales parámetros operativos del CC1020 se pueden programar a través de la interfaz del bus serie, como potencia de salida, frecuencia, AFC, etc.
En modo de recepción, el CC1020 puede considerarse como un receptor superheterodino tradicional. La señal de entrada de RF es amplificada por el amplificador de bajo ruido (LNA y LNA2) y invertida por el integrador (I y Q) para producir la señal IF. En la etapa de procesamiento IF, la señal I/Q se mezcla, filtra y amplifica, y luego el ADC la convierte en una señal digital. Luego realice el control de captura automática, el filtrado de canales, la demodulación y el procesamiento de sincronización binaria, genere datos de demodulación digital en el pin DIO y obtenga datos de reloj digital síncronos en el pin DCLK. RSSI está en formato digital y se puede leer a través de una interfaz psíquica. RSSI también se puede utilizar como indicador de detección de portadora programable.
En el modo de transmisión, la señal de RF sintetizada se alimenta directamente al amplificador de potencia PA. La salida de RF es una señal FSK, producida por la modulación FSK del flujo de bits digitales introducido en el pin Dior. Se pueden utilizar filtros de alta frecuencia para obtener modulación por desplazamiento de frecuencia gaussiana GFSK. El circuito interruptor de recepción/transmisión dentro del chip hace que la antena sea fácil de acceder y combinar.
Diseño de circuito de hardware
Selección del microcontrolador
El microcontrolador utiliza C8051F310 producido por Cygnal Company. El procesador tiene un núcleo CIP-51 que es totalmente compatible con 8051. Es un chip MCU ISP de señal mixta totalmente integrado con ADC diferencial/de un solo extremo de 25 canales integrado de 10 bits, 200 ksps y multiplexor analógico. I2C implementado por hardware, interfaces UART y SPI mejoradas, la memoria Flash con capacidades de reprogramación en el sistema se puede utilizar para el almacenamiento de datos no volátiles y permite actualizaciones de campo del firmware 8051. Este tipo de microcontrolador es de tamaño pequeño, tiene alto rendimiento, puede acceder rápidamente a los datos y el sistema es fácil de desarrollar y expandir, por lo que es muy adecuado para este diseño.
Interfaz de configuración de estructura CC1020
La conexión entre la interfaz de configuración de estructura CC1020 y el microcontrolador se muestra en la Figura 1. El microcontrolador está conectado a las interfaces de configuración estructural PSEL, PCLK, PDI y PDO de CC1020 a través de los pines P2.2 ~ P2.5, y el PDO está conectado al extremo de entrada del microcontrolador. PDI, PCLK y PSEL están conectados a las salidas del microcontrolador. Si PDI y PDO están conectados juntos, el microcontrolador puede usar pines bidireccionales, lo que puede guardar el puerto de E/S del microcontrolador.
Cuando no se utiliza la interfaz de configuración de fabric, los pines del microcontrolador conectados a los pines PSEL, PCLK, PDI y PDO se pueden utilizar para otros fines. Cuando el pin PSEL está inactivo (se mantiene alto) (el pin PSEL está activo bajo), PCLK, PDI y PDO están en un estado de entrada de alta impedancia. PSEL tiene una resistencia pull-up interna que debe apagarse (tres estados controlados por el microcontrolador) o configurarse en modo alto en modo de bajo consumo para evitar que la corriente fluya hacia la resistencia pull-up.
El CC1020 se programa a través de una sencilla interfaz SPI serie cuádruple. Hay un registro de configuración de estructura de 8 bits.
La dirección de cada registro de bits es de 7 bits, 1 bit se utiliza como bit de lectura/escritura para inicializar una operación de lectura o escritura. La configuración completa del CC1020 requiere el envío de 33 tramas de datos, cada trama tiene 16 bits (7 bits para dirección, 1 bit para R/W y 8 bits para datos). El tiempo necesario para la configuración completa depende de la frecuencia PCLK. Si la frecuencia PCLK es de 10 MHz, se necesitan menos de 53 milisegundos para completar una configuración completa. Configurar el CC1020 en modo de bajo consumo solo requiere enviar una trama de datos, por lo que toma menos de 2 ms. Todos los registros son legibles.
Interfaz del transceptor de señal CC1020
La conexión entre la interfaz del transceptor de señal CC1020 y el microcontrolador se muestra en la Figura 1. El microcontrolador utiliza los pines P2.6 y P3.4 para conectarse a la interfaz de datos síncronos bidireccionales DIO y DCLK del CC1020.
Un pin bidireccional del microcontrolador se conecta al DIO del CC1020 para la transmisión y recepción de datos (entrada y salida). DCLK proporciona sincronización de datos y debe conectarse a la entrada del microcontrolador.
Puedes optar por utilizar pines separados para la salida de datos. En este momento, configure el registro de interfaz SEP_DI_DO=1 de CC1020. En modo síncrono, el pin LOCK se usa para la salida de datos, mientras que el pin DCLK se usa para la salida de datos en modo asíncrono y el pin DIO se usa solo para la entrada de datos.
Se puede utilizar un pin del microcontrolador para monitorear la señal de bloqueo del PLL, es decir, la señal del pin LOCK. Cuando el PLL está bloqueado, el pin LOCK tiene lógica baja. También se puede utilizar para la detección de portadoras y el monitoreo de otras señales de prueba internas.
CC1020 puede configurar tres modos de transmisión de datos diferentes: modo NRZ síncrono, modo de código Manchester síncrono y modo UART asíncrono. Cada uno de estos tres modos tiene sus propias características. El código Manchester síncrono tiene la mejor capacidad antiinterferencia, pero la velocidad en baudios es el doble. La transmisión asincrónica UART es la más sencilla de implementar, pero tiene la peor capacidad antiinterferente. El NRZ síncrono tiene una capacidad antiinterferente más fuerte que el UART, pero es ligeramente peor que el código Manchester síncrono, y la dificultad de implementación está entre los dos. Teniendo en cuenta que el microprocesador básicamente admite comunicación serie UART, se eligió este modo y los resultados de la prueba cumplieron plenamente con los requisitos.
Selección de antena CC1020
CC1020 puede utilizar varios tipos de antenas. Las antenas comúnmente utilizadas para comunicaciones de corta distancia incluyen antenas monopolo, antenas helicoidales y antenas de bucle. Este diseño utiliza la mejor y más sencilla antena monopolo de 1/4 de longitud de onda.
Administración de energía
CC1020 proporciona una administración de energía muy flexible para cumplir con los estrictos requisitos de consumo de energía de las aplicaciones alimentadas por batería. Los modos de bajo consumo están controlados por el registro principal y el registro de apagado. Hay bits separados en el registro principal para controlar la sección de recepción, la sección de transmisión, el sintetizador de frecuencia y el oscilador de cristal. Este modo de control independiente optimiza al mínimo el consumo de energía para cada aplicación. Dado que este diseño es un módulo de comunicación inalámbrica independiente, los requisitos de consumo de energía no son demasiado estrictos. El sistema utiliza una fuente de alimentación de 5 V y genera de manera estable un voltaje de 3 V a través del NCP500.
Medidas de protección contra interferencias
El sistema transceptor de RF es muy sensible al ruido de la fuente de alimentación, por lo que el diseño utiliza un método de fuente de alimentación independiente para la parte de RF y otros circuitos. Los dispositivos de alta frecuencia son relativamente sensibles al ruido, por lo que se agrega un filtro o regulador de voltaje a cada fuente de alimentación para reducir la interferencia del ruido de la fuente de alimentación en el chip. Además, el chip utiliza circuitos de vigilancia y monitoreo de energía, lo que mejora en gran medida el rendimiento antiinterferencias de todo el circuito.
Chipcon proporciona un diseño de referencia de circuito para la parte de RF, y el diseño de la parte de RF se refiere al diseño del diseño de referencia. Al mismo tiempo, se realizaron algunos cambios según la situación real para obtener los mejores resultados. CC1020 tiene muy pocos componentes periféricos, entre los cuales el inductor VCO es el componente clave. Utilice inductores de alta precisión, colóquelos lo más cerca posible del chip y haga que los dos pines de entrada sean lo más simétricos posible para garantizar el rendimiento. Además, el oscilador de cristal está diseñado para estar lo más cerca posible de los pines del chip y el área del reloj está aislada con cables de tierra. La carcasa del oscilador de cristal está fijada al suelo y la cubierta metálica se utiliza para proteger electromagnéticamente la parte de radiofrecuencia. Las medidas anteriores se adoptan para garantizar el funcionamiento confiable del sistema.
Diseño de software
El protocolo de comunicación adopta el formato UART (bit de inicio, datos de carga y bit de finalización).
Además, hay un código de sincronización delante del paquete de datos. La función del código de sincronización es permitir que el chip receptor identifique correctamente los datos en formato UART. Luego debería haber un código de identificación que marque el comienzo de los datos. Si el código de identificación se recibe correctamente, significa que los datos se pueden recibir correctamente. Si la longitud de los datos es incierta, agregue un código de longitud al comienzo del paquete o agregue un marcador de final específico al final del paquete. Para hacer frente a posibles errores de datos durante la transmisión inalámbrica, se agrega un código de verificación al final del paquete de datos para que el paquete pueda descartarse o retransmitirse según lo requiera la aplicación. En aplicaciones prácticas, se ha descubierto que es mejor tener un código redundante de 1 a 2 bytes después del paquete de datos; de lo contrario, el último byte de datos se verá fácilmente interferido por el ruido, lo que provocará una identificación errónea. El diagrama de flujo principal se muestra en la Figura 2.
Etiqueta
El módulo de comunicación tiene las características de bajo costo, gran versatilidad, gran escalabilidad y alta confiabilidad. Se puede utilizar de forma independiente o como módulo de expansión del sistema para integrarse fácilmente en varios sistemas inalámbricos de medición y control.