基于μC／OS—III和CC1120的短距離窄帶無線數(shù)傳系統(tǒng)方案淺析

引言

隨著頻率資源的日趨緊張，短距離無線通信按窄帶化趨勢發(fā)展。無線數(shù)傳模塊一般由微處理器和收發(fā)芯片組成，本文所設計的窄帶數(shù)傳模塊的微處理器采用了STM32F103ZE芯片，收發(fā)芯片選用了TI公司新推出的CC1120，CC1120通過SPI串行總線協(xié)議與MCU相連接。同時，采用了可移植、可植入ROM、可裁剪、搶占式的實時多任務操作系統(tǒng)μC／OS—III作為軟件平臺。

1 系統(tǒng)硬件電路

1．1 CC1120的內部結構

CC1120是TI公司專為經濟高效的無線系統(tǒng)在低功耗和低電壓操作下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸而設計的一款完全集成的單芯片無線收發(fā)器。該芯片主要應用于ISM（工業(yè)、科學和醫(yī)療）以及SRD（短程設備）頻帶。CC1120的主要特性有：體積小，超低功耗，可配置數(shù)據(jù)速率（1．2～200kbps），可編程控制輸出功率（步長為0．5 dB，最高功率16 dBm），接收機靈敏度高（1．2 kbps數(shù)據(jù)速率下為123 dBm），還支持2FSK、2GFSK、4FSK、4GFSK、MSK、ASK、OOK及模擬FM多種調制方式等。

CC1120的內部結構框圖如圖1所示。CC1120具有一個低功耗IF接收機，低噪聲放大器（LNA）將接收到的RF、信號放大，并在求積分（I和Q）過程中被降壓轉換至中頻（IF）。在IF下，I／Q信號被ADC數(shù)字化。自動增益控制（AGC）、精確信道濾波和調制解調位／數(shù)據(jù)包同步均以數(shù)字方式完成。CC1120的發(fā)射器部分基于RF頻率直接合成，頻率合成器包括一個完全片上LC VCO和一個90°相位轉換器，用來在接收模式下向降壓轉換混頻器生成I和Q本振信號。一個4線SPI串行接口用于配置數(shù)據(jù)和緩沖區(qū)存取。數(shù)字基帶包括了對信道配置、數(shù)據(jù)包處理以及數(shù)據(jù)緩沖的支持。

1．2 CC1120的配置特性

配置寄存器的讀、寫操作時序如圖2所示。通過一個4線串行SPI兼容接口（SI、SO、SCLK和CSn）可對CC1120進行配置，該接口還可用于讀取和寫入緩沖數(shù)據(jù)。SPI接口上的所有數(shù)據(jù)傳輸均以最高位開始。

SPI接口上的所有事務均以一個報頭字節(jié)作為開始，該字節(jié)包含一個R／W位、一個突發(fā)存取位（B）以及一個6位地址（A5～A0），報頭字節(jié)幀格式如圖3所示。在SPI總線上傳輸數(shù)據(jù)期間，CSn引腳必須保持低電平，否則傳輸就會被取消。拉低CSn電平時，在開始傳輸該報頭字節(jié)以前，MCU必須等待，直到SO引腳變?yōu)榈碗娖綖橹?。這表明，芯片正在運行。除非芯片處在SLEEP或XOFF狀態(tài)，否則SO引腳總會在CSn變?yōu)榈碗娖揭院罅⒓醋優(yōu)榈碗娖健?/p>

CC1120的寄存器空間主要作為CC1120的頻率、數(shù)據(jù)速率、中頻等大部分參數(shù)的配置。而擴展寄存器大部分為芯片配置輔助測試寄存器（只讀），少部分為配置寄存器（可讀寫）。指令選通用于芯片狀態(tài)切換和沖刷RX／TXFIFO。128字節(jié)TX FIFO和128字節(jié)RX FIFO均通過0x3F地址進行存取。當R／W位為0時，則TX FIFO被存取；當R／W位為1時，則RX FIFO被存取。其中，TXFIFO為只寫，而RX FIFO為只讀。寄存器地址映射如圖4所示。

1．3 硬件連接關系

窄帶無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的STM32F103ZE與無線收發(fā)芯片的硬件連接關系如圖5所示。左側為STM32F103ZE，它是一個32位、基于ARM Cort ex—M3內核的無線收發(fā)芯片。除了正常工作模式外，還支持睡眠、待機、停機工作模式，當所有外設都處于工作模式時消耗36 mA，待機時下降到2μA。CC1120內部集成的SPI接口的傳輸速率最高可達到18 Mbps。

右側為無線收發(fā)芯片CC1120。CC1120的外部控制引腳主要有復位接口、SPI串行接口以及4個通用輸出引腳GPIO0～GPIO3。其中，4個通用輸出引腳在實際應用中，可以通過配置寄存器使它們?yōu)樯蠈訉崟r提供同步字或數(shù)據(jù)包收發(fā)狀態(tài)等應用。在硬件平臺上，CC1120的SPI串行接口（CSn、SCLK、SI、SO）分別連接到STM32F103ZE相應的4個SPI串行通信弓I腳（即SPI2_NSS、SPI2_SCLK、SPI2_MOSI、SPI2_ISO上）。通過這4根線，TM32F103ZE可以對CC1120進行參數(shù)配置、芯片狀態(tài)切換以及RX／TX FIFO的讀寫。由于CC1120只有SPI從模式，因此TM32F103ZE采用SPI主模式。另外，本方案還采用了1個通用數(shù)字輸出引腳GPIO0，用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)包分組發(fā)送指示。同時，TM32F103ZE可以通過控制RESET引腳，復位無線收發(fā)芯片。

通信方式為SPI串行通信時，時鐘源由STM32F103ZE提供，通過配置處理器寄存器，SPI的SCLK時鐘頻率為4．5 MHz。通過TM32F103ZE內部的8位移位寄存器，實現(xiàn)CC1120與STM32F103ZE的串行數(shù)據(jù)交換。CSn引腳主要用來控制數(shù)據(jù)通信的同步性，通信期間要始終保證CSn引腳的電平為低。但是，需要注意的是CC1120的CSn引腳的時序并未完全遵照SPI時序規(guī)范，因此，STM32F103ZE的SPI2_NSS引腳需要設置成普通GPIO接口模式，并采用軟件控制方式。

2 軟件平臺

μC／OS—III實現(xiàn)了一個基于優(yōu)先級調度的搶占式內核，并在這個內核之上提供了最基本的系統(tǒng)服務，例如信號量、郵箱、消息隊列、內存管理、中斷管理等，但它并不提供設備管理和文件系統(tǒng)管理。

信號量用于控制共享資源的訪問，可用于中斷服務子程序與任務間、任務與任務間的同步。本設計中采用信號量機制來管理兩個共享資源，發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)。讀任務、中斷服務子程序和接收環(huán)形緩沖區(qū)之間的關系如圖6所示。圖中的共享資源為接收環(huán)形緩沖區(qū)，IN和OUT分別為入隊和出隊指針。當IN等于OUT時，則接收環(huán)形緩沖區(qū)為空，調用OSSemPend（）阻塞讀任務；當IN不等于OUT時，如果讀任務被阻塞，則在中斷服務子程序中調用OSSemPost（）喚醒讀任務。

3 CC1120驅動實現(xiàn)

本文參考了國內研究者提出的μC／OS下通用驅動框架模型，將CC1120驅動架構模型劃分成上層訪問抽象接口層、硬件設備驅動模塊層和硬件設備接口操作層。其中，上層訪問抽象接口層通過對硬件平臺的抽象，可以在系統(tǒng)開發(fā)中向上層應用屏蔽硬件特征，從而實現(xiàn)軟／硬件的分離；硬件設備驅動模塊層是整個驅動框架的中間封裝層，通過該層的封裝，對上一層屏蔽了SPI硬件接口；而硬件設備接口操作層是實現(xiàn)對底層硬件SPI串行接口的功能操作，通過調用該層接口，可以實現(xiàn)CC1120提供的全部功能。

3．1 驅動體系結構

CC1120的驅動體系結構如圖7所示。上層訪問抽象接口層是驅動體系中的最高層，該模塊主要實現(xiàn)了數(shù)據(jù)包發(fā)送與接收功能，并對無線收發(fā)芯片的狀態(tài)進行控制和獲取RSSI值。其中，perCC1120Init（）接口主要完成CC1120的初始化、啟動并配置芯片等功能；perCC1120Read（）實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的接收，以及對讀緩沖區(qū)的管理；perCC1120Wrire（）實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的發(fā)送，以及對寫緩沖區(qū)的管理；perCC1120Ioctl（）實現(xiàn)了CC11 20的各個工作狀態(tài)的切換（包括休眠和喚醒）和獲取RSSI值。

硬件設備驅動模塊層實現(xiàn)對上層訪問抽象接口層操作，屏蔽了硬件SPI接口，提供了對CC1120的寄存器和FIFO的讀寫操作。其中，CC1120 SpiWriteReg（）和CC1120SpiReadReg（）分別提供了寄存器的寫和讀操作功能，屏蔽了8位和16位寄存器的區(qū)別；CC1120SpiWriteTxFifo（）和CC1 120SpiReadRxFifo（）提供了FIFO的連續(xù)寫和讀操作功能。

硬件設備接口操作層是對CC1120的硬件SPI接口的直接操作和軟件表達，該層為整個驅動模塊提供了SPI同步串行通信機制。其中，trx8 BitRegAccess（）實現(xiàn)了8位寄存器的存取功能；trx16BitRegAccess（）實現(xiàn)了16位寄存器的存取功能；trxSpiCmdStrobe（）實現(xiàn)了芯片的指令選通功能，用于芯片工作狀態(tài)切換。

本文結合CC1120驅動體系結構，簡要介紹其主要功能，即數(shù)據(jù)包的收發(fā)。

應用層發(fā)送數(shù)據(jù)包之前，先調用perCC1120Ioctl（）獲取信道的RSSI值，當RSSI值低于信道忙碌的門限值時，則調用perCC1120Write（）將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。perCC1120Write（）的工作流程圖如圖8所示。本文使用了CC1120的通用GPIO0引腳，通過適當配置，該引腳電平會在發(fā)送或者接收完一個數(shù)據(jù)包時產生一個下降沿跳變。當上一包數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢之后，GPIO0觸發(fā)中斷，STM32F103ZE進入中斷處理程序，將會發(fā)送寫緩沖區(qū)中的下一包數(shù)據(jù)包，直至發(fā)送緩沖區(qū)為空，再把CC1120置于空閑或休眠狀態(tài)。

當上層不處于發(fā)送狀態(tài)時，CC1120都將置于接收狀態(tài)或增強型無線電喚醒狀態(tài)，當接收到一個數(shù)據(jù)包時，GPIO0引腳產生一個下降沿中斷，STM32F103ZE進入中斷處理程序，調用CC1120SpiReadRxFifo（），從接收緩沖RXFIFO中讀取數(shù)據(jù)包，并將其放入接收環(huán)形緩沖區(qū)中。如果接收環(huán)形緩沖區(qū)滿時，將放棄當前接收到的數(shù)據(jù)包。上層通過調用perCC1120Read（）接口讀取接收到的數(shù)據(jù)包，當接收緩沖區(qū)為空時，將阻塞上層的讀取進程。perCC1120Read（）的工作流程圖如圖9所示。

3．2 CC1120的配置要點

（1）寄存器配置軟件

針對CC1120的寄存器配置，TI公司提供了SmartRFStudio 7軟件。通過這個軟件可以對CC1120進行配置，以獲得最佳寄存器設置以及性能和功能評估。配置軟件根據(jù)用戶輸入的發(fā)射頻率、晶振頻率、符號速率等參數(shù)，生成相應的寄存器配置信息。

（2）數(shù)據(jù)包處理的硬件支持

CC1120內部支持的數(shù)據(jù)包處理方式有前導碼、同步字、地址過濾、CRC、數(shù)據(jù)白化、狀態(tài)字節(jié)、字節(jié)倒置等，同時，數(shù)據(jù)包長度類型支持固定長、可變長、無限長3種模式，可以通過手動配置PKT_CFG0～PKT_CFG2來實現(xiàn)。

（3）增強型無線電喚醒

在程序的實現(xiàn)過程中，當CC1120長時間沒有接收到數(shù)據(jù)時，則開啟增強型無線電喚醒功能（寄存器WOR_CFG0．RC_PD=0），并發(fā)送SWOR指令選通命令，將芯片工作狀態(tài)切換到睡眠狀態(tài)。CC1120將在MCU不干涉的前提下，周期性地從睡眠狀態(tài)中喚醒并監(jiān)聽數(shù)據(jù)包的到來，從而降低系統(tǒng)的整體功耗。

（4）接收的信號強度指示

CC1120在接收狀態(tài)下，能連續(xù)地從RSSI狀態(tài)寄存器（RSSI0、RSSI1）中讀取到RSSI值，直到檢測到一個有效的同步字，其后RSSI讀取值將被凍結。通過設置寄存器AGC_CFG1．AGC_SYNC_BEHAVIOR，可以解除RSSI值被凍結的狀態(tài)。

（5）通用數(shù)字輸出引腳（GPIO0～GPIO3）

在實際應用中，可以通過寄存器（IOCFG0～IOCFG3）配置，為上層實時提供信道或數(shù)據(jù)包狀態(tài)等信息。本設計將寄存器IOCFG0的值設置為0x06，即利用了GPIO0引腳的電平跳變特點。當CC1120發(fā)送完或接收到一包數(shù)據(jù)包，觸發(fā)MCU端口產生中斷，并在中斷服務程序中進行寫入或讀取緩沖區(qū)TX／RX FIFO等操作，使STM32F103ZE有更多時間處理其他事務或處于休眠狀態(tài)，達到降低整個系統(tǒng)功耗的目的。

結語

基于μC／OS—III和CC1120的短距離窄帶無線數(shù)傳系統(tǒng)方案，可以實現(xiàn)低功耗、近距離、可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸，具有成本低、可擴展性強、操作靈活簡單的特點。通過對CC1120和STM32F103ZE進行適當?shù)呐渲茫布茉跓o數(shù)據(jù)收發(fā)的狀態(tài)下，自動進入低功耗的睡眠或待機狀態(tài)，可以大大降低硬件系統(tǒng)的整體功耗。大量測試結果表明，該窄帶無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)正常，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定，具備RSSI檢測、休眠喚醒等相關功能。