基于Si4463的无线信号质量检测仪的设计

2018-04-17陈俊宇

自动化仪表 2018年4期

严　冬，董　腾，王　平，陈俊宇

(重庆邮电大学工业物联网与网络化控制教育部重点实验室，重庆 400065)

0　引言

在传统的网络中，有线传输链路性能比较稳定，一般情况下，不会造成大量丢包。而在无线链路的传输中，传输介质为无线电波。由于无线电波在开放的空间传播时，会产生多路径效应，造成信号误差，所以存在着极大的不确定性[1]。无线网络虽然有使用方便、覆盖范围广等诸多优点，但其信号不稳定、通信质量不佳等也是亟待解决的难题。无线射频信号的衰减程度会随着信号发出端距离的增加而变大。接收端能否在有加性噪声的环境中成功解码无线信号[2]，与接收端信号强度有着非常密切的关系。人们极其关注无线信号的质量、其能否正常使用网络、传输数据是否会有差错等重要问题。传统的无线通信性能检测工具为频谱分析仪。其使用方式笨拙，专用指标需要手工计算。针对该现状，本文开发了适用于410～510 MHz频段的、基于Si4463的无线信号质量检测仪。该装置使用方便且专用指标检测准确度高。

1　总体方案设计

基于Si4463的无线信号质量检测仪包括电源、主控、串口转换及接收机4个模块。电源模块用于向系统整体供电；主控模块用于控制其他3个部分的正常工作；串口转换模块用于将USB转换成串口，从而将检测到的信号传送到上位机；接收机模块用于接收待检测频段的信号。主控模块与接收模块采用串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)进行通信，并通过异步收发传输器(universal asynchvonous receiver/transmitter,UART)进行数据传输。

总体方案框架如图1所示。

图1　总体方案框架图Fig.1　The framework of overall scheme

2　硬件设计

2.1　电源模块

整个无线信号质量检测仪通过USB供电，利用电压转换芯片AMS1117-3.3获得主控电路以及射频电路所需的3.3 V电压，同时利用瞬变电压抑制二极管(transient voltage suppressor,TVS)来保护电路和固定电压[3]。TVS的响应速度快、瞬态功率大、击穿电压偏差小，能够防止微处理器由于瞬间脉冲(如开关电源的噪声等)导致的失效。电源电路如图2所示。

图2　电源电路图Fig.2　Circuit of the power supply

2.2　主控模块

基于Si4463的无线信号质量检测仪采用了32位Coetex-M3内核的STM32F103RBT6处理器，工作电压为2.3～3.6 V，主频达72 MHz，有停机、待机和睡眠3种低功耗模式[4]，全部通用输入/输出(general purpose input output,GPIO)管脚都具备大电流通过的能力。

整个主控模块的核心电路包括晶振电路、复位电路、外围接口和下载调试电路。

①晶振电路。

晶振电路采用2个外部晶振为系统提供稳定的时钟源：一个为32.768 kHz的外部低速时钟源(low-speed external clock，LSE)；另一个为8 MHz的外部高速时钟源(high-speed external clock，HSE)。HSE可为系统提供准确的主时钟(外接22 pF的负载电容，其作用是为了稳定振荡频率);LSE则可在低功耗的模式下提供精准的时钟源(同样外接10 pF负载电容)。

②复位电路。

STM32F103RBT6的启动方式为上电复位。该芯片通过设置BOOT0和BOOT1引脚来选择具体的启动方式。当BOOT1=X、BOOT0=0时，系统以用户闪存存储器作为启动区域；当BOOT1=0、BOOT0=1时，系统以系统存储器作为启动区域；当BOOT1=1、BOOT0=1时，系统从内置SRAM启动，但一般不采用这种启动方式。本设计采用的是第一种启动方式。

③外围接口。

PA9和PA10的引脚外接串口，可实现外部系统与模块之间的串口通信。主控电路模块之间通过SPI来进行通信，主要是由PA4、PA5、PA6、PA7这4个引脚实现STM32F103RBT6与Si4463之间的通信。

④下载调试电路。

STM32F103RBT6使用的是Cortex-M3内核。该款内核集成了2个调试端口，分别为联合测试行动小组 (joint test action group，JTAG)JTAG-DP提供基于JTAG协议的5线标准接口，为串行线调试(serial wire debug，SWD)SWD-DP提供基于SWD协议的2线标准接口。为了节约印刷电路板(prinstol ciruit board,PCB)布局空间、使得模块尽量小型化，该信号质量检测仪采用SWD的下载调试方式。该下载调制方式只需4个引脚(时钟、数据、电源、地)，便可对主控芯片进行代码烧录或在线调试。

STM32F103RBT6需要外加1个看门狗X5045。其目的是避免系统微处理器在电压不足或振荡器不稳定的情况下工作。X5045与主控芯片的7引脚相连。特别需要注意的是，X5045的复位引脚7是开漏型的输出引脚，所以在使用时必须加上拉电阻。

2.3　接收机模块

该接收机模块的核心器件是Silicon Labs公司推出的Si4463芯片。Si4463是高性能、低电流的无线收发器，可覆盖119～1 050 MHz频段，支持多种先进调制技术，包括高斯频移键控(gauss frequency shift keying，GFSK)、频移键控(frequency shift keying，FSK)、高斯最小频移键控(gauss minimum shift keying，GMSK)以及二进制启闭键控(on-off keying，OOK)。Si4463以其极低的接收灵敏度(-126 dB)和高达+20 dB的输出功率，保证了较大的传输范围和较高的链路性能。Si4463内部集成了射频收发电路:从内部的低噪声放大器(low noise amplifier，LNA)引出的2个引脚为差分信号连接射频网络的接收路径；从功率放大器(power amplifier,PA)引出的引脚连接射频网络的发射路径。

该检测仪接收机电路主要包括接收(receive X,RX)路径匹配网络(巴伦电路)和时钟电路2大部分。

①RX路径匹配网络(巴伦电路)。

接收机接收端有2个差分引脚RXN和RXP。该差分引脚连接射频芯片内部的低噪声放大器，以实现单端到差分端的转换。巴伦电路将天线接收到的单端信号转化为差分信号，并能提供理论上完美的相位平衡。此时，输入引脚RXN和RXP的幅值相等且相位差为180°，从而优化了低噪声放大器的转换增益和接收灵敏度。

②时钟电路。

Si4463采用30 MHz晶体振荡器作为时钟源。该芯片要求晶体振荡器的误差不超过9.4 kHz，否则射频信号输出时会产生严重的频率偏移，影响无线模块的通信质量。

Si4463与微控制器单元(microcontroller unit,MCU)通过1个标准的4线串行外设接口(SPI)进行通信，分别为：时钟信号(serial clock,SOLK)、串行数据输入(serial data in,SDI)、串行数据输出(serial dasa out,SDO)和使能信号(chip select,CS)。主机主控芯片在SDI引脚写数据，并且可以从器件SDO输出引脚读取数据。同时，MCU中的数字地(ground,GND)与接收机中的模拟地(analog ground,RGND)应尽量使用4个1 nH的电感隔开，避免引起电磁干扰，影响检测结果[5]。

2.4　串口转换模块

基于Si4463的无线信号质量检测仪通过TUSB3410串口转换芯片，将USB转换成串口与上位机进行通信，无需额外的串口硬件。TUSB3410在1个USB端口和1个增强型UART串行端口之间搭建桥梁。在串口转换芯片TUSB3410上采用USB端口瞬态抑制器SN75240对USB进行瞬态保护。因为USB端口具有非常有限的静电保护效果，所以SN75240可以显著增加端口的静电保护水平、降低USB端口电路损坏的风险。

3　软件设计

3.1　系统软件结构

图3　软件流程图Fig.3　Software flowchart

3.2　系统初始化

系统初始化包括MCU初始化以及射频(radio frequency,RF)初始化。

3.2.1MCU初始化

MCU外围设备初始化基本步骤如下。

①关闭所有中断功能，配置系统时钟为72 MHz。

②延时函数初始化。

③设置内嵌向量中断控制器(nested vectored interrupt controller,NVIC)中断，并将中断位分为2组：一组2位抢占优先级，另一组2位响应优先级。

④串口初始化为115200。

⑤LED端口初始化。

出门去洗水果，有位阿姨跟了出来，说：“孩子，你真大度。”我说：“也不是大度，我婆婆实际对我挺好的，不过喜欢激将我而已。我以前的做法不像家人，是我不对。既然是一家人，就得说家人该说的话，做家人该做的事嘛。”

⑥系统Tick初始化。

⑦SPI通信口初始化。

⑧RF GPIO初始化。

⑨外部中断初始化。

当配置系统时钟为72 MHz时：首先，重置RCC；其次，使能外部高速晶振，等待高速晶振稳定，高速晶振稳定后设置高速总线AHB时钟为系统时钟；然后，设置APB2时钟为高速总线时钟，APB2时钟最大值为72 MHz；最后，设置APB1时钟为高速时钟的二分频，APB1时钟最大值为36 MHz[7]。设置ADC外设时钟等于低速总线2时钟的六分频，ADC外设时钟最大值为14 MHz；再利用锁相环将外部晶振8 MHz晶振9倍频到72 MHz，启动锁相环(phase locked loop,PLL)，等待PLL输出稳定；最后，将PLL输出设置为系统时钟。此时，产生系统时钟[8]并等待校验成功。

3.2.2RF初始化

MCU外围设备初始化完成后，进行射频初始化。射频初始化过程中，通过Silicon Labs公司提供的WDS3配置工具对射频芯片进行配置。首先，开启WDS3软件。然后，通过界面配置芯片需要操作的频段、发射功率、RF参数、数据包格式、中断、GPIO引脚、快速响应寄存器。若无需调整射频参数，就直接导出WDS配置文件并加载到相应的工程中。若需要调整射频参数设置，则在调整参数后确认射频工作是否正常。如果不正常工作，就返回第一步重新操作；如果正常工作，就结束整个流程。

完成了WDS3的整个操作流程后，即可生成名为radio_config_SI4463.h的头文件。将此头文件加载到工程中，编译成功后烧录到主控芯片。MCU通过SPI对射频芯片相关的寄存器进行写操作，以完成操作频段、额定功率以及数据传输率等相关参数的配置[9]。

3.3　信号检测RSSI

无线信号的强度主要可以由RSSI来反映。通过从物理层读取快速响应寄存器的值获取RSSI值，并对当前的无线信号质量作基本判断[10]。RSSI值在反向通道基带接收滤波之后产生。在104 μs内进行基带I/Q支路功率积分，可以得到RSSI的瞬时值，并在1 s内对瞬时值求平均，可以得到RSSI的平均值。查看RSSI的平均值是判断干扰的重要手段。空载下，RSSI值一般在-110 dB；加载数据之后，RSSI平均值一般不会超过-95 dB。如果发现RSSI值有明显的升高，则肯定存在反向链路干扰[11]。

4　信号强度测试

将基于Si4463的无线信号质量检测仪连接到罗德与施瓦茨公司的SMB100A信号发生器。对信号发生器进行设置，使之产生一个中心频率为470 MHz、功率为-60 dB的信号，并通过Si4463无线信号质量检测仪进行信号检测。将检测结果通过串口显示到上位机。检测结果显示，中心频率470 MHz处的功率为-50 dB。同理，对信号发生器进行设置，使之产生一个中心频率为433 MHz、功率为-60 dB的信号。检测结果显示，在中心频率433 MHz处的功率为-50 dB。其中，10 dB的信号衰减是由信号发生器与该检测仪连接卡扣配合型边接器(bayonet nut connector,BNC)连接线的自身损耗造成的。为了更准确地阐明检测结果的准确性，使用该无线信号检测仪记录信号发生器SMB100A在470 MHz和433 MHz这2个频段、不同信号强度下的测试结果。在不同信号强度下，Si4463信号质量检测仪在470 MHz和433 MHz这2个频段下的测试结果如表1所示。