基于CC1200的无线测控电台设计与实现

郭英杰，齐建中，宋 鹏

(北方工业大学 电子信息工程学院，北京 100144)

0 引言

信息通信领域中，近几年发展最快、应用最为广泛的是无线通信技术，并且具有集成度高、数字化、体积小和易于操作的发展趋势[1]，已经广泛应用于人们的生活和工作中，例如无线通信技术中的无线遥测技术作为远程数据采集与控制的关键节点，尤其是在无人机应用场景中，对气象勘测、农业种植和灾难救援等领域都产生了十分显著的影响和作用。

文献[2-4]通过一些具有高集成度的多功能器件设计了特定波段的遥测系统。可以看出，近几年来随着超大规模集成电路技术的快速发展，使用短距离无线测控技术可以把很多功能都集成到一块芯片内部，具有开发简单且快速的特点，方便嵌入到各种设备中，实现设备间的无线通信[5]。因此，利用无线射频收发芯片进行无线通信技术的开发具有非常广阔的应用前景。

本文以实际应用为背景，设计并实现了一种基于新型无线收发芯片的无线测控电台。采用了TI公司推出的一款射频收发芯片CC1200，最终实现了能够在500 kbps的速率下进行工作，接收灵敏度优于-90 dBm，在5 km通信距离时可以保证通信质量，即误码率不大于10-5。

1 射频收发芯片CC1200介绍

CC1200器件是一款全集成单芯片射频收发器，它具有体积小(32 pins，QFN，5 mm×5 mm )、极低功耗(TX/915 MHz/+14 dBm/46 mA)和极低的供电电压(2.0～3.6 V)等优点。该器件主要用于工业、科学和医疗(ISM)以及处于 164～190 MHz，410～475 MHz，820～950 MHz的短程设备(SRD)频带[6]。

CC1200的功能框图如图1所示，其内部集成了射频收发器和一个高度可配置的基带调制解调器，最大传输速率可达1 250 kbit/s，支持2-FSK，2-GFSK，4-FSK，4-GFSK，MSK，OOK等调制方式[7]，并且提供广泛硬件支持，以实现数据包处理、数据缓冲、突发传输、空闲信道评估、链路质量指示和无线电唤醒。用户通过串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI)对CC1200的主要运行参数和256 Byte发送/接收先进先出(First Input First Output，FIFO)寄存器进行控制[8]。

图1 CC1200功能框图Fig.1 CC1200 functional block diagram

2 无线收发系统方案设计

无线收发系统方案结构图如图2所示。

图2 无线收发系统方案结构图Fig.2 Wireless transmission system scheme structure

其中，双工器又称天线共用器，是一个双向三端滤波器[9]。作用是既要将微弱的接收信号耦合进来，又要将1 W的发射功率馈送到天线上，且要求二者各自完成其功能并且相互之间不受影响[10]。

在下行遥测接收链路中，遥测接收单元将飞行器上传感器所采集到的环境温度和湿度以及飞行器的飞行高度和速度等数据进行解调处理。解调输出的数字信号由FPGA进行解帧分析，然后在上行遥控发射链路中，操作人员根据采集的数据，将控制指令信息通过遥控发射单元中的FPGA进行组帧处理，并且依次进行调制和功率放大。

2.1 遥控发射单元设计

遥控发射单元方案结构图如图3所示。首先使用PC机将遥控指令通过RS232串口传输给FPGA芯片。FPGA将接收到的信息指令按照一定的通信协议进行组帧处理。接下来配置射频收发器为突发模式(突发模式为按帧格式发送数据包，每一帧数据尾均有校验位，可以直接通过传输一定数量的数据包来计算平均误码率，不需要外部给数据信息)[11]。射频收发器CC1200将接收到的指令信息进行FSK调制，输出900 MHz的调制信号。调制信号经过混频器上变频到S波段输出已调信号，然后依次通过带通滤波器、射频增益电路、功放驱动电路和1 W功率放大电路，输出功率为1 W的已调信号，最终经过双工器馈送到天线发射出去。

图3 遥控发射单元方案结构图Fig.3 Remote control transmitter unit structure diagram

2.2 遥测接收单元设计

遥测接收单元方案结构图如图4所示。天线接收的微弱信号依次经过低噪声放大电路、带通滤波器、射频放大电路和混频器，下变频到900 MHz的调制信号[11]。通过声表滤波器进一步滤波，由射频收发器CC1200进行解调，并且配置射频收发器CC1200为连续模式(连续模式下发端数据为连续的10序列)。由FPGA将接收到的解调数据进行处理发送给PC机。操作人员在PC上对数据进行分析、整理、归纳和存储。

图4 遥测接收单元方案结构图Fig.4 Telemetry receiving unit scheme structure diagram

3 基带信号处理设计

基带信号处理中最为关键的部分为通过4线SPI接口，即SI，SO，SCLK，CSn来控制射频收发芯片CC1200的主要操作参数[12]。SPI接口收发的数据以最高有效位 (Most Significant Bit，MSB) 优先发送。数据以一个报头字节作为开始，该字节包含1个R/W(读/写)位，一个突发存取位，以及6位地址(A5～A0)[13]。报头字节在SI引脚发送时，在SO引脚返回1 bit的状态字节，方便主机即FPGA同时读取CC1200芯片的状态。当SPI总线传送数据时，CSn引脚必须保持低电平。

CC1200拥有一个内置状态机，可在不同工作状态(模式)之间切换[14]。通过指令选通脉冲或内部事件来改变状态。按照图5所示的CC1200芯片状态转移图，设计SPI驱动程序主要分为5个状态：待机状态、睡眠状态、发射状态、接收状态以及启动频率合成器状态，通过发送不同的指令控制状态之间的跳转[15]。芯片上电后首先进入待机模式，CC1200的SO管脚输出低电平。FPGA读取SO管脚的电平为低电平时，则发送SFSTXON指令跳转到启动频率合成器状态，再通过发送STX或是SRX指令进入到发射状态或是接收状态。

图5 CC1200芯片状态转移图Fig.5 CC1200 chip state transition diagram

3.1 CC1200发送配置

CC1200发送配置由SmartRFstdio软件生成最佳的无线发射的寄存器配置字，通过SPI总线写入到寄存器。CC1200发送模式下的寄存器配置包括载波频率、晶振频率、符号速率、比特率、发射功率和射频前端是否扩展等信息，如图6所示。

图6 CC1200发射模式配置界面Fig.6 CC1200 launch mode configuration interface

3.2 CC1200接收配置

在接收模式下，解调器和数据包处理器将会搜索一个有效的前导码和同步字，找到后，解调器就获得了，和字节同步机制，并将接收第一个有效负载字节[16]。若前向纠错码(FEC)交错开启，则FEC解码器将对第一个有效负载字节进行解码。交错器将在任何其他数据处理过程之前对这些位进行解密。如果白化功能开启了，在这个阶段数据将被去白。当可变数据包长度模式开启时，第一个字节为长度字节。数据包处理器把这个值作为数据包长度存储，并接收该长度字节显示数据的字节。如果使用了固定数据包长度模式，数据包处理器将会接收编程数目的字节[17]。接下来，数据包处理器随意校验地址，并在地址匹配时才继续进行接收。若自动循环冗余校验(CRC)开启，数据包处理器会计算CRC并将其与附加CRC校验和相匹配[18]。

在有效负载末端，数据包处理器将随意写入2个包含CRC状态、链路质量指示和接收信号强度指示(RSSI)值的额外数据包状态字节。因此，接收模式下，数据包处理支持功能将通过执行如下操作解析数据包:前导码检测、同步字检测、CRC计算与CRC校验、一字节地址检查、数据包长度检查(对可编程最大长度进行长度字节检查)、去白、去交错与解码。

4 系统测试与分析

根据参数设计指标，最终完成的无线测控电台硬件实物图如图7和图8所示。其中，图7为射频电路实物图，图8为基带信号处理电路实物图。整机的长宽高尺寸分别为90，40，50 mm。

图7 射频电路实物图Fig.7 RF circuit physical picture

图8 基带信号处理电路实物图Fig.8 Baseband signal processing circuit physical picture

常温下测量无线测控电台发射频谱的带内功率如图9所示。带内功率为29.76 dBm，测量所用的射频线缆线损为0.42 dB，所以实际发射机的发射功率为30.18 dBm，满足设计的参数要求。

图9 发射频谱带内功率测量图Fig.9 In-band power measurement diagram of the transmitted spectrum

在拉距实验中，天线接收的微弱信号在SmartRFstdio软件接收界面中，RSSI为-94 dBm，如图10所示，满足设计的参数要求。

图10 接收信号强度指示图Fig.10 Received signal strength indicator

5 结束语

本文以实际应用为背景，设计并实现了一种基于FPGA+CC1200的新型无线测控电台。本设计经过大量指标测试实验以及环境可靠性实验，最终实现了能够在500 kbps的速率下进行工作，接收灵敏度优于-90 dBm，在5 km通信距离时可以保证通讯质量，即误码率不大于10-5。整机电台具有全双工、小型化、抗干扰能力强和通信质量高等特点，具有一定的工程实践价值。