基于SX1278的无线多路遥控收发机设计与实现

陈严君 张帅 王永利

摘要 针对无线产品成本高、安全性差、功耗大、距离短等问题，设计了一款基于SX1278和MSP430的无线多路遥控收发机，实现了一对多双向通信机制和低功耗处理机制。本文对其硬件和软件设计中的关键技术进行了说明。试验表明，该收发机具有优良的性能，能广泛地应用于矿山工程、建筑工程、安防系统等领域。

[关键词]SX1278 MSP430 无线收发模块 低功耗

随着电子技术、信息技术等飞速发展，无线通信IC的性能日益提升，无线应用领域亦不断扩大，为适应新趋势下发展的需要，研究设计了一种基于SX1278的无线多路遥控收发机。该无线遥控收发机抗干扰能力强、频率稳定、可靠性高、耐低温、抗振动能力强，可用于矿山工程、建筑工程、安防系统、电力设备控制等领域。比如矿山爆破，使用这种遥控收发机进行远程控制，不仅方便，也防止了给操作人员带来安全隐患。

1 硬件设计

无线遥控收发机主要由发射机和接收机两大部分组成，发射机为主控设备，接收机为被控设备，1台发射机可同时控制多台接收机。

1.1 硬件模块组成

硬件模块组成如图1所示。

CPU通过键盘接收操作人员的输入信息，并通过显示电路将系统状态和接收机回复信息显示在OLED显示屏上。

CPU通过接口电路实现配置编程，可对装置进行现场配对（即编址编组）。

发射/接收电路主要是实现无线数据的收发处理。

功率放大电路将发射电路输出信号放大到更高的功率电平后，发送到RF收发开关。

RF收发开关在发射时将功率放大模块输出与天线连接;接收时将天线直接与发射/接收电路相连。

机电控制电路用于执行接收到的机电控制指令，实现对远程设备的可靠控制。

1.2 主要电路的设计

发射机和接收机电路均由数字部分和射频部分两部分组成，通过电磁屏蔽罩的设计减小射频部分对数字部分的电磁干扰。

1.2.1 CPU控制电路实现

CPU采用MSP430F5438，该芯片是一款16位超低功耗的混合信号处理器，采用精简指令集计算机架构。它具有256kB的程序存储器、16kB的随机存储器、512B的信息存储器，13个定时器，8个串口，内置模/数（A/D）转换器等。

如图2，由于CPU控制板外围电路较大，此处以框图进行叙述，CPU （MSP430）通过SPI与无线收发芯片SX1278进行通信。同时主控芯片通过通用输入输出接口（ GeneralPurpose I/O，GPIO）对射频开关、指示灯、OLED显示屏、机电设备等进行控制。主控芯片也通过GPIO接收键盘输入与电量检测等的反馈信息。

1.2.2 RF收发电路实现

发射/接收单元采用SX1278扩频无线数字收发芯片，灵敏度为-148dBm，工作頻率137MHz～525MHz，输出功率20dBm;采用GFSK等编码方式;数据速率lOObps-lMbps;工作电压1.8V～3.7V，低功耗模式接收电流9.9mA。

功率放大芯片采用RA07H4047M，最大输出功率7W，工作频段：400-470MHz，工作电压12.5V，效率≥40%。

RF无线收发芯片（SX1278）在本设计中工作频率为430MHz，发射功率7W，在发射通路与接收通路分别连接RA07M4047M功率放大器与BGA2001低噪声放大器。主控芯片MSP430通过串行外设接口（Serial PeripheralInterface，SPI）与SX1278进行通信。同时MSP430通过RF收发开关控制接收与发射的切换。具体电路实现如图3所示。

1.2.3 射频开关电路实现

主控芯片MSP430通过一路IO Ctrl输出高低电平，以控制射频开关在发射与接收时对射频收发电路实现通断切换。电路实现如图4所示。当IO Ctrl为高时，01导通，D2处于正向偏置状态，发射信号由TX经D2传递至天线;当IO Ctrl为低时，D2处于反向偏置状态，Q3导通，D3处于正向偏置状态，接收信号经由D3传递至RX接收端。为了防止接收机收到电涌冲击，在接收机前端接入肖特基二极管限流器。

2 软件设计

软件的开发环境为IAR EmbeddedWorkbench，使用语言为C语言。软件主要功能是CPU（MSP430）和RF收发芯片（SX1278）的初始化、设备自检、SX1278的管理、无线数据的收发、数据滚动加解密、处理按键输入和OLED显示等。软件编译后的执行代码固化在CPU内部的电可擦除只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read-OnlyMemory， EEPROM）中。发射机和接收机的软件流程如图5和图6所示。

正常使用前先要进行配对操作，即对接收机和发射机进行配对。发射机通过串口通信电缆将配置信息、地址信息传送给接收机，由接收机保存到内部信息存储器（Info Flash）中。存储信息掉电不丢失，使用前先进行安全校验。

正常工作时，发射机向己配对的多台接收机同时发射遥控指令，接收机按时隙分时回复。每个遥控指令由两部分组成，即“遥控指令下发”和“执行结果（ACK）接收、显示”，如果发射机在规定时间内未收到ACK回应，会启动重发机制。如果超过规定的时间仍未收到ACK则在显示屏上显示故障信息。发射机和接收机之间的通信采用滚动编码加密，信令发送前会与信息存储区的动态密钥进行运算变换后再发出，以提高信息的安全性，纠错性。

3 低功耗处理机制

3.1 CPU的低功耗设计

MSP430支持6种类型的工作模式：活动模式（AM）、低功耗模式（LPM 0-4）。在本设计中MCU的常态设为低功耗模式LPM3，在该模式下，CPU处于关闭状态，程序停止执行，直到被中断唤醒或CPU复位，才切换到AM活动模式，在中断处理结束后再切换回LPM3低功耗模式。

3.2 接收机的低功耗设计

对于接收机而言，无线收发芯片的功耗将直接影响到接收机的待机能力，为此设计了接收机的间歇接收工作机制以满足接收机的待机需求。

具体实现是，当接收机在一定时间段内没有收到发射机的遥控指令，接收机将进入以3s为周期的省电模式，每周期内无线收发芯片休眠2.8s，接收0.2s。无线收发芯片休眠时功耗极小，从而节省了电池电量。

为了在短暂的接收时间段能收到发射机的唤醒指令以退出省电工作模式，发射机需要在3s的时间内连续发射唤醒指令确保覆盖接收机的唤醒时间窗口。

3.3 电路的节能设计

电路设计中强化节约电能的机制配置。器件选型时优选低功耗的器件，凡电流大的器件均加装电子开关，严格控制其用电。合理控制休眠、待机、接收、发射等状态的切换，尽量降低电池消耗。

4 试验结果

在城市边缘的平坦地带与山地条件下对无线遥控收发机进行了多轮实地测试。试验结果如表1。

由上述实测结果可得，此无线遥控收发机在平坦空旷地带最远遥控距离可达5km，可靠性高，待机时间长，具有良好的应用价值。

5 结论

本文基于SX1278提出的无线多路遥控收发机，工作可靠、待機时间长，具有很强的通用性，针对长距离无线通信或机电设备操作既提供了便利又避免现场操作人员的人身安全隐患。该设计方案应有很广范的应用领域和良好的应用前景。

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