基于CC1101的无线收发系统设计

刘雪亭

（四川信息职业技术学院 四川 广元 628040）

基于CC1101的无线收发系统设计

刘雪亭

（四川信息职业技术学院 四川 广元 628040）

无线射频收发系统是近年来通信领域中发展最快、应用最广的模块电路。该系统由发射模块和接收模块组成，以单片机C8051F310作为控制核心部件，基于无线收发芯片CC1101构成的通信传输模块系统，实现信息的无线收发。本文对其工作原理和工作方式进行了分析，给出了其软硬件设计过程。

CC1101；C8051F310；发射模块；接收模块

无线射频收发系统是近年来通信领域中发展最快、应用最广的技术。它由单片微控制器和集成射频无线通信模块组成，其具有短距离、小功耗、效率高等传输的优点[1]，在民用、工业等领域得到广泛的应用。作为一种无线通信传输系统的实用技术，只需使用单片微控制器，加上无线集成射频收发芯片和少量外围器件便构成专用或通用无线通信收发模块[2]，只要改变软件程序进行控制操作，就可实现信息的无线传输和收发功能，且具有传输效率高，误码率低的特点。

1 系统整体设计

基于CC1101的无线收发系统整体设计框图如图1所示，该系统的收发模块由C8051F310微控制器、CC1101无线射频收发模块、外围辅助电路和显示电路等组成。短距离无线收发模块包括无线发射器和无线接收器两部分，其通信的基本原理是发射模块的数据通过天线发射出去，接收模块天线接收后，进行一系列数据处理，得到正确的、经过纠错的准确数据[3]，从而实现信息的双工通信。

图1 无线收发系统框图

2 系统硬件电路设计

1）CC1101模块

CC1101是一款针对极低功耗、射频频段在 433/868/ 915MHz应用的无线传输芯片，能够提供对数据包处理、接收信号强度指示、突发传输、数据缓冲、空闲信道评估、链路质量指示以及无线唤醒等功能的硬件支持。其具有高效的SPI接口；利用一次“突发”数据传输便可对所有寄存器进行编程；支持64字节发送/接收FIFO，用户可以设计高效编程缓冲，以达到最快传输波特率。目前，CC1101已在无线通信系统中获得了广泛的应用。

图2 CC1101原理框图

CC1101芯片内部的模块化原理框图如图2所示。其工作原理如下：从RF_N与RF_P的端口输入两路的射频差分接收信号，首先被低噪声放大器放大，随后经下变频处理，分解为同相（I）和正交（Q）的中频信号，经中频滤波器后，其I、Q两路信号分别通过A/D变换器和解调器还原为数字基带信号，经过前向纠错与交织处理、数据包处理，再经过收、发缓冲器后，从GDO0和GDO2的两个通用数据输出端输出。其中，自动增益控制（AGC）、信道滤波以及同步等功能模块均通过数字的方式实现。信号的发射过程是通过对基带数字信号直接进行频谱搬移来实现的。信号接收和发射过程中所需的本振信号均通过（基于锁相环路的）直接频率合成的方式获得。该频率合成器包含一个全片上的LC型压控振荡器VCO和一个900的移相器，用于产生同相和正交信号在变频时所需的本振信号。外接石英晶体为频率合成器提供参考频率，同时也为芯片的数字电路提供系统时钟，从SCLK的脚输入。

2）无线收发电路设计

基于CC1101的无线通信电路如图3所示。其中，电容C124是耦合电容，用于隔离直流；电容C121、C131与电感L121、L131组成巴伦电路（平衡-不平衡变换器），用于12、13引脚的差分信号与单端射频信号间的转换；电容C122、C123与电感L122、L123组成低通型的LC选频网络，同时将输出阻抗匹配到50 Ω（依据芯片手册可知，433 MHz频率下，芯片射频端口的差分输出阻抗为116+j41Ω）；石英晶振频率为26 MHz；SI、SO。SCLK以及CSn组成的4线SPI接口用于配置和数据缓冲器的访问。

图3 基于CC1101的433MHz无线通信电路原理图

依据上述电路图制作的无线传输模块，至少达到最低1.2 kbps、最高500 kbps的信息传输速率。使用单片机SPI总线对模块内部寄存器和I/O口进行访问和控制，达到数据收发之目的，模块数据速率和收发频率可调。可灵活使用51，AVR，PIC等单片机作为控制器，组成一个数据收发站点。

3）微处理器设计

C8051F3l0是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，其具有简单实用、抗干扰能力强，控制灵活等优点[4]，通常配以简单的外围电路就可以构成一个完整的控制系统。C8051F310单片机采用射频SoC（片上系统）进行无线通信设计，是开发低成本、低功耗无线通讯应用系统的理想方案。MCU有多达8个复位源：一个看门狗定时器、一个片内VDD监视器、上电复位电路（POR）、、一个由比较器提供的电压检测器、一个时钟丢失检测器、一个软件强制复位、外部复位输入引脚和FLASH读/写错误保护复位。除了POR、复位输入引脚及FLASH操作错误这3个复位源之外，其他复位源都可以被软件禁止[5]。C8051F3l0单片机与CC1101接口电路如图4所示。

在文中的收发系统设计中，CC1101与一个微控制器C8051F3l0和少数几个外接元件便可组成一个完整的无线信息收发系统。使用MCU的P2.0口对CC1101进行控制和信息的收发传输，其P2.0口、P2.1口、P2.2口、P2.5口组成串行外设接口（SPI[6]；MCU的P2.1口提供串行时钟控制；P2.3与P2.4口是通用数据输出端，可用于出理微处理器（MCU）的相关中断。CC1101在1.8～3.6 V的低电压下工作，在CC1101的电源供电端DVDD加一个PNP开关三极管来控制CC1101与电源的通断：当P3.5输出为低电平时，三极管导通，CC1101与电源连接；当P3.5输出高电平时，三极管截止，CC1101与电源断开。在不需要CC1101进行无线通信时将其关闭，需要时再打开，这样做的目的是为了降低功耗，延长电池的使用寿命。

图4 MCU与CC1101接口电路示意图

3 系统软件设计

1）CC1101无线收发流程设计

对CC1101的收发过程进行正确的程序设计，就能够实现信息的无线收发传输。无线通信收发模块CC1101接收到微处理器的控制命令后，根据这些命令进行信息的模/数转换、解调、打包和数据包传输等操作，其无线收发程序流程如图5所示。

图5 无线通信收发程序流程图

2）CC1101无线收发程序设计

①无线通信模块的发射部分程序如下：

②无线通信模块的发射部分程序如下：

4 系统测试

在发射信息时，将CC1101设置为待机和编程状态，然后再初始化射频寄存器参数。C8051F3l0单片机通过扫描键盘读出按键值后，把该按键值打包，等待发送。C8051F3l0发送数据时，按照SPIO接口时序把要发送的数据写入CC1101收发模块中，再初始化发射端的地址，在初始化过程中一定要保证发送端与接收端的地址相互匹配，且发射端发射的数据有效宽度必须与接收端接收的数据一致。然后把C8051F3l0设置为发送模式，并且完成数据的打包处理，给数据进行编码、调制以及发送。在发送完成后，相应的引脚被设置为低电平0，CC1101回到待机模式。

图6 无线通信模块误码率测试图

在接收信息时，初始化的设置过程同发射时基本一致。先将CC1101设置为接收模式，不断地检测载波，等待接收数据。当检测到同频段的载波并且收发两端地址也匹配时，CC1101进行数据包的接收，并完成A/D转换、解码、解调、纠错等相关工作。然后将数据通过SPIO接口传输到C8051F3l0单片机中，接收完成后CC1101继续进入待机状态。

在无线通信模块和无线反馈控制器调试成功后，对无线通信模块进行了误码率测试，如图6所示。测试条件为使用串行口COM1，波特率为19.2 kbps，数据位为8位，停止位为1位，测试距离为20 m，发送了17千个字节，错误字节为19个，误码率为0.11‰。

5结 论

通过对以C8051F3l0单片机为微控制器，以CC1101射频收发模块为无线通信系统，对其软、硬件电路的设计，实现了信号的双向传输，其接口简单、节省I/O口线，保证系统通信的可靠性，减少通信冲突和降低误码率等问题的特点，因此有很强的应用性。

[1]徐兴.基于CC1100的无线传输系统设计[J].科学技术与工程，2012（8）:41-42.

[2]陈桂友.增强型8051单片机实用开发技术[M].北京:北京航空航天大学出版社，2010.

[3]严明，何友国.基于PIC单片机的无线报警系统设计[J].通信技术，2011，44（03）:48-50.

[4]陈伟，施国梁.基于CC1101的车间无线通信系统设计[J].通信技术，2011（12）:43-44.

[5]李文仲.C8051F系列单片机与短距离无线数据通信[M].北京:北京航空航天大学出版社，2007.

[6]冯玮.基于CC1100的无线传感器模块设计[J].软件开发与设计，2010（11）:35-36.

Design of wireless transceiver system based on CC1101

LIU Xue-ting
（Sichuan Information Technology College，Guangyuan 628040，China）

Wireless RF transceiver system is the fastest and most widely used in the communication field in recent years.The system is composed of a transmitting module and a receiving module.The system is composed of a single chip microcomputer C8051F310 as the core component，and a communication transmission module system based on the wireless transceiver CC1101 is realized.In this paper，the working principle and working mode are analyzed，and the software and hardware design process is given.

CC1101；C8051F310；transmitting module；receiving module

TN929-5

A

1674－6236（2016）18-0123-03

2015-10-09 稿件编号：201510033

刘雪亭（1974—），女，陕西西安人，硕士，副教授。研究方向：电子与通信。