基于SX1231的868MHz频段射频收发系统设计

中国868MHz频段微功率无线电应用射频设备的要求
   2008年中国政府为微功率（短距离）无线电应用增加了868MHz~ 868.6MHz的工作频率。其对无线电设备的射频要求如下：
   （1）发射功率限值：5mW（e.r.p）；
   （2）发射信号的占空比限值：1%；
   （3）载波频率容限：100×10-6；
   并把该类设备归类于“各类民用设备的无线电控制装置中。
   从上面的规定中可以看到，该频段可用带宽为600kHz，但并没有明确在该频道使用的带宽，数据速率以及调制方式方面要求，这就给予了应用很大的空间。本文主要是基于868MHz频段的要求，设计了比较简单通用的无线收发系统，该系统可适用于该频段的不同的无线传输应用。
   SX1231介绍及性能描述
   SX1231芯片是Semtech公司推出的一款高集成度、低功耗、多频段的UHF RF收发器。其工作电压为1.8V~3.6V，24引脚QFN封装，工作频率包括3155MHz、4335MHz、 8685MHz和915MHz无许可证的ISM频段；内部集成SIGMA-DELTA小数分频锁相环、功率放大器、唤醒定时器、数字调制解调器、66字节的发送和接收数据FIFO、数据包处理、数据加密功能AES，以及6个可配置的DIO等，所有主要的RF通信参数是可编程的，大多数可动态设定。采用16节的FIR通路滤波器，因而有好的选择性；发射功率可编程输出，从-18dBm到+17dBm；有多种调制解调方式：FSK、GFSK、MSK、GMSK和OOK等；SX1231在使用时所需的外部元件很少，1个32MHz的晶振、几个电容和电感就可组成一个高可靠性的收发系统，设计简单且成本低。SX1231在1.2kbps时的灵敏度高达-120dBm，主要用在无线抄表（AMR）、无线传感器网络、家庭和建筑物自动化、无线告警和安全系统、工业监视和控制等领域。
   无线射频收发系统设计
   系统总体方案
   无线射频收发系统的结构框图如图1所示，由STM8L151K2单片机控制SX1231实现无线数据的收发。发送模块中的STM8L151K2将数据传送给SX1231，然后SX1231对数据进行包格式处理，包括增加前导码、同步字、CRC校验码，如果需要也可以对数据进行加密处理。最后数据包经天线发送给接收模块。接收模块对接收到的射频信号放大、解调、解包之后，再将数据送给主控制器STM8L151K2进行相应的处理，如送显示屏或PC数据处理中心等。该系统包括按键和液晶显示屏等人机交互界面，以及RS232接口，这实现了与PC的通信功能。
   
   图1 系统方框图
   系统硬件设计
   主控芯片选用ST公司推出的单片机STM8L151K2。STM8L151K2有1K bytes的RAM和8K bytes的Flash以及256bytes的EEPROM，片上集成了包括串口、SPI、I2C、ADC、触摸屏控制功能等外围模块接口，完全满足本系统对微控制器的要求；有多种电源管理模式(如等待模式、低功耗运行模式、低功耗等待模式等)。
   STM8L151K2可以通过SPI接口对SX1231的内部寄存器进行读写操作，灵活配置各项参数。通过4线SPI接口完成对SX1231的初始化配置、读写数据、访问FIFO等操作，使SX1231正常工作在发射、接收模式，完成数据在空中的传播。
   SX1231是15脚~18脚的标准的SPI接口，DIO0~DIO5可以通过内部寄存器来配置成不同的中断信号。映射关系如表1所示，这样可以很方便地获取SX1231的工作状态。如果需要了解FIFO满、FIFO不是完全空，工作模式Ready，有效的数据包发送或接收、电池电压低、RSSI、PLL锁定等状态，都可以配置寄存器来把这些信号映射到DIO PIN，然后单片机STM8L151K2通过检测这些DIO PIN的电平来获得或者主动通知MCU某个状态发生。可用19脚（RXTX）控制射频收发开关以进行发射通路和接收通路的切换，高电平时为发射状态。图2中采用UPG2214TB射频开关，V1和V2分别为开关的控制脚。由于SX1231只有一个控制脚，因此增加一个三极管反相器就完成了开关的控制。21脚（RFIO）是发射和接收共用的PIN，但是该PIN的最高输出功率为13dBm。如果需要输出更高的功率（17dBm或20dBm），就必须把发射接至23脚（PABOOST），这时21脚（RFIO）只当作接收PIN。
   
   图2 硬件设计原理图
   SX1231接收端的输入阻抗可设置成50Ω和200Ω，通常设成200Ω，此时同一匹配值在全频段仍可获得很好的灵敏度。
   SX123节省功耗方面有一些很重要的特性：
   （1）工作电压范围宽：从1.8V~3.6V都可以正常工作，且任何特性都保持不变。特别是对于发射，工作电压低至1.8V时仍然保持相同的输出功率，即电压从1.8V~3.6V，输出功率都能到达17dBm或20dBm，不随电压而变。但是其他类似的芯片，输出功率则随着电压的下降而降低。这样一种特性，使得该系统能够使电池的利用最大化，延长电池的使用寿命，这对低功耗的应用来说具有非常重大的意义。
   （2）可以在sleep/standby模式下读写寄存器：该特性节约了写FIFO时的功耗。在sleep模式下的电流为0.1μA，而在接收模式下的电流为16mA，节约了160000倍的功耗。
   
   表1 DIO PIN 与信号的映射关系表

系统软件设计
   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（包括初始化STM8L151K2、SX1231）、无线发送程序、无线接收程序等。无线发送程序负责写入数据载荷到SX1231，并根据通信协议来配置芯片的前导码、同步字及CRC校验码，最后SX1231把其组装成数据包将其发送出去；无线接收程序负责接收并处理数据。首先，SX1231接收到一个完整的数据包，之后逐步的把前导码、同步字以及CRC码去除，最后MCU从其FIFO中取出有效数据。
   无线收发模块之间的通信是以数据包的形式发送的，本系统定义的数据包格式如表2所示。
   
   表2 本文系统定义的数据包格式
   其中，Preamble(前导码)是一连串的10101010（0XAA）或01010101（0X55），其数量为0~655635字节，具体几个字节可以根据应用的需要来设定。前导码主要用来进行帧同步，接收机主要依靠前导码来进行有用信号识别，完成频率控制，以及自动增益控制、信号强度判断等动作以确保用最佳的状态接收正确的数据。SyncWord(同步字)在前导码之后，通过设定好的同步字来作为同步模式的标志码，也可以作为一个网络的ID，相同网络的设备用相同的同步码。而接下来的地址码（Address）可以作为网络内每个设备的ID，如果数据包中的地址于本设备的地址相同，则接收数据，否则不予处理。有效载荷（Message）是真正需要传输的数据。最后是CRC校验码，由芯片自动完成。
   初始化程序
   初始化程序包括STM8L151K2的初始化以及SX1231的收发频率、工作模式、调制方式、数据速率以及数据包处理等寄存器的初始化配置。
   系统上电后，STM8L151K2处于默认状态，根据系统功能需求重新进行初始化配置。SX1231也处于默认状态，需要进行配置才能工作。SX1231的初始化是一个重要的部分，正确的配置对系统最终的通信性能有很大的影响。
   数据发送程序
   无线发送程序流程如图3所示。完成STM8L151K2、SX1231的初始化后，配置寄存器写入相应的初始化RF控制字；然后通过SPI连续写寄存器向TX FIFO内写入需要发送的数据；再切换到发射模式。当数据发送完后，PacketSent寄存器置1，同时映射的DIO PIN会变成高电平通知MCU数据包发送完成。然后写数据到FIFO，发送，如此循环。直到所有数据发送完成，进入Sleep模式。
   
   图3 数据收发流程图

数据接收程序
   程序完成STM8L151K2、SX1231的初始化后，配置寄存器写入相应的初始化RF控制字，把SX1231配置为接收状态。检测PayloadReady为高电平时，表明已经收到数据，然后MCU从FIFO中读取数据，并进行处理。如此循环直至完成接收。
   系统测试结果
   系统测试条件及设置
   该部分为本系统测试时的设置，根据不同的应用需求，部分设置可用作相应的变动。
   ·电源电压：3.3V
   ·频率：868.3MHz
   ·数据速率：4.8kbps
   ·频偏：5.0kHz
   ·接收机带宽：10kHz
   ·数据类型：PN15
   ·功率设定：4dBm
   测试结果
   发射功率
   从图4中可以看到，发射功率为6.86dBm。低于5mW（7dBm）的规范要求。
   
   图4 发射功率
   载波频率容限：100x10-6
   从图5中可以看出，设置为868.3MHz输出，实际测量的频率为868.2960MHz，则频率偏差为(（868.30-868.296）MHz/868MHz)=4.6×10-6，小于规定的载波频率容限100×10-6。
   
   图5 载波频率容限

发射信号的占空比限值：1%
   发射信号的占空比通常指在一定时间内，发射信号的时间与未发射信号的时间比值。这主要取决于应用的要求，但是对类似短距离无线通信，发射器的发射的时间是非常的小，适合于各种控制类应用。如抄表的应用中，每个月抄表一次，而且每次发射的时间都小于1秒，这个占空比远远小于1%。
   
   图6 信道间隔和占用带宽
   
   
图7 邻信道功率
   信道间隔和占用带宽
   对于25kHz的信道间隔，允许的占用带宽为8.5kHz~16kHz之间。从图6的结果中可以看到，占有99%的能量的占用带宽为14.7247kHz，小于16kHz。
   邻信道功率
   在载波25kHz频率偏移处的功率须小于载波功率40dB。
   接收灵敏度
   接收灵敏度是-113.4dBm@0.1%。整个系统的接收链路预算为120.2dB。通信距离可以达到600m左右。
   从测试结果可看出该系统具有很好的性能，精准的频率控制，高的接收灵敏度，可以满足于宽带的应用要求，而且结果也表明完全适合于窄带应用。完全满足于中国年微功率（短距离）无线电应用对于868MHz~868.6MHz频段的规范要求。在本系统的基础上，稍作改变就可适用于不同的应用环境。