文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2010)12-0124-04
近些年來,隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,,ISM頻段單芯片的無線數(shù)據(jù)通信IC的性能日益提高,,短距離無線應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地?cái)U(kuò)大,其中包括消費(fèi)電子,、工業(yè)控制,、安防、自動(dòng)抄表等諸多領(lǐng)域,。數(shù)據(jù)的無線收發(fā)在無線產(chǎn)品設(shè)計(jì)中占有很大的比重,。為縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期以及提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性,使產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)過程中只需關(guān)注系統(tǒng)應(yīng)用的設(shè)計(jì),,而將數(shù)據(jù)收發(fā)交付一種成熟穩(wěn)定的收發(fā)系統(tǒng)來完成,。為此,本文設(shè)計(jì)了一種基于SI4432+STM32F103的高性能無線收發(fā)平臺(tái),。
1 STM32F103和SI4432芯片簡(jiǎn)介
STM32系列是采用ARM CortexTM-M3 內(nèi)核的閃存微控制器,,所有功能都具有業(yè)界最優(yōu)的功耗水平。在結(jié)合了高性能(最高72 MHz頻率),、低功耗(睡眠,、停機(jī)和待機(jī)模式)和低電壓(可2.0 V~3.6 V供電)特性[1]的同時(shí)保持了高度的集成性能和簡(jiǎn)易的開發(fā)特性,為用戶提供最大程度的靈活性,。
SI4432是Silicon Labs公司的ISM頻段收發(fā)一體芯片,,最大輸出功率達(dá)到了+20 dBm(100 mW),具有“距離之王”的美譽(yù)(空曠距離可達(dá)2 000 m),。SI4432具有特有的連續(xù)頻率覆蓋范圍(240 MHz~960 MHz),、寬工作電壓(+1.8 V~+3.6 V)、高靈敏度(在BER<0.1%,, 數(shù)據(jù)速率2.0 kb/s時(shí)為-118 dBm)等特點(diǎn),,還集成了一些可節(jié)省應(yīng)用成本的特性,如喚醒定時(shí)器,、溫度傳感器、發(fā)射和接收數(shù)據(jù)FIFO,、高性能ADC[2],,這些特性可大幅簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的工作,并允許使用低端的微控制器,。高集成度使得外圍僅需一個(gè)30 MHz的晶體和幾個(gè)用于匹配/濾波的無源器,因此非常適用于對(duì)尺寸和成本敏感的大批量生產(chǎn)中的應(yīng)用,。
2 硬件設(shè)計(jì)
該平臺(tái)主要由微處理器ARM7 STM32F103(以下簡(jiǎn)稱STM32)和RF收發(fā)芯片SI4432組成,。STM32通過SPI接口對(duì)SI4432進(jìn)行初始化配置、數(shù)據(jù)收發(fā)控制等,,而SI4432通過nIRQ腳將相應(yīng)的中斷發(fā)送至STM32,。該平臺(tái)采用單天線進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā),所以必須采用RF收發(fā)切換開關(guān)用于對(duì)SI4432的收發(fā)狀態(tài)進(jìn)行切換, 其中GPIO1控制RF切換開關(guān)為發(fā)送狀態(tài),,GPIO2控制RF切換開關(guān)為接收狀態(tài)[2],。系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。
為滿足用戶各種不同的設(shè)計(jì)需求,,該平臺(tái)還提供串口,、通用IO口和AD轉(zhuǎn)化接口。其中,AD轉(zhuǎn)化接口可以用于需要處理模擬信號(hào)的系統(tǒng),,如有各種傳感器的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng),。
3 軟件設(shè)計(jì)
軟件編程采用模塊化設(shè)計(jì)思想,系統(tǒng)中各主要功能模塊均編成獨(dú)立的函數(shù)由主程序調(diào)用,。功能模塊包括:初始化程序(初始化SPI,、 SI4432)、無線發(fā)送程序和無線接收程序等,。
3.1狀態(tài)轉(zhuǎn)化
為了最大限度地降低功耗,,軟件設(shè)計(jì)中采用SI4432的自動(dòng)喚醒功能,在沒有數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)芯片處于空閑狀態(tài),,定時(shí)一段時(shí)間后將狀態(tài)切換至發(fā)送或是接收,,檢查是否有數(shù)據(jù)的收發(fā)。SI4432主要有四種狀態(tài):關(guān)閉,、空閑,、發(fā)送和接收,這些狀態(tài)在滿足一定的條件時(shí)可實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)移,,狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2所示,。在關(guān)閉狀態(tài)下功耗最低,空閑次之,??臻e狀態(tài)有五種不同的模式,用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用靈活選擇,。這些狀態(tài)或模式可以在操作模式和功能控制寄存器07H中設(shè)定,,通過在寄存器07H中設(shè)定txon/rxon控制位可以從空閑狀態(tài)中的任一模式自動(dòng)轉(zhuǎn)移到發(fā)送/接收狀態(tài)。不同模式/狀態(tài)下轉(zhuǎn)換需要的時(shí)間和功耗都不相同,,可以根據(jù)系統(tǒng)需要選擇最佳的狀態(tài)和模式,。
3.2 無線發(fā)送程序流程
無線發(fā)送程序負(fù)責(zé)寫入數(shù)據(jù)載荷,并根據(jù)通信協(xié)議為數(shù)據(jù)載荷加上前導(dǎo)碼、同步字,、數(shù)據(jù)載荷長(zhǎng)度等,,形成數(shù)據(jù)包并將其發(fā)送出去,其流程如圖3所示,。在完成 SPI和 SI4432 的初始化后,,通過配置 SI4432 的寄存器3EH來設(shè)置包的長(zhǎng)度,然后清除發(fā)送FIFO,,并通過SPI連續(xù)寫寄存器7FH將待發(fā)送數(shù)據(jù)寫入發(fā)送 FIFO(字節(jié)數(shù)小于64 B),最后打開“發(fā)送完中斷允許”標(biāo)志,,將其他中斷都禁止。完成中斷使能后,,使能發(fā)送功能,,數(shù)據(jù)開始發(fā)送。當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)送完時(shí),,引腳nIRQ會(huì)被拉低產(chǎn)生一個(gè)低電平并通知STM32數(shù)據(jù)包已發(fā)送完畢,,當(dāng)nIRQ引腳變?yōu)榈蜁r(shí)讀取中斷狀態(tài)并拉高 nIRQ,否則繼續(xù)等待,。一次數(shù)據(jù)發(fā)送成功后,,關(guān)閉發(fā)送使能,進(jìn)入下一次數(shù)據(jù)循環(huán)發(fā)送狀態(tài),。
3.3 無線接收程序流程
無線接收程序負(fù)責(zé)獲取有效載荷數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,,并讀取接收FIFO中的有效數(shù)據(jù),其流程如圖4所示,。在程序完成SPI和SI4432的初始化后,,打開“有效包中斷”和“同步字檢測(cè)中斷”,將其他中斷都禁止,,并使能接收功能,。等待nIRQ引腳因中斷產(chǎn)生而被拉低,讀取中斷標(biāo)志位拉高nIRQ引腳,。若引腳 nIRQ 變成低電平,,表示接收到有效數(shù)據(jù)包,通過寄存器4 BH讀取包長(zhǎng)度信息,,并通過SPI訪問寄存器7 FH從接收 FIFO中讀取接收到的數(shù)據(jù),,之后關(guān)閉接收使能,進(jìn)入下一次數(shù)據(jù)接收狀態(tài),。
4 高性能應(yīng)用設(shè)計(jì)
在實(shí)際的產(chǎn)品應(yīng)用中,,通常采用ACK握手信號(hào)、載波監(jiān)聽多路訪問/沖突防止(CSMA/CA)等機(jī)制來保證數(shù)據(jù)收發(fā)的高效,、穩(wěn)定,、可靠,。而SI4432硬件不支持這些機(jī)制。為了增加本系統(tǒng)的高效適應(yīng)性,,設(shè)計(jì)了以下高性能通信機(jī)制。
4.1 基于ACK的雙向通信
在無線數(shù)據(jù)傳輸過程中,,為了確保發(fā)送過程的可靠性,,發(fā)送端需要一應(yīng)答信號(hào)以確保發(fā)送數(shù)據(jù)已被準(zhǔn)確無誤接收。本設(shè)計(jì)中,,接收端也可以通過ACK數(shù)據(jù)包發(fā)送有效數(shù)據(jù)至發(fā)送端,,大大提高了信道的使用率。應(yīng)答信號(hào)數(shù)據(jù)包格式如圖5所示,。
圖5中,,ACK控制字節(jié)的數(shù)據(jù)格式如圖6所示。如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)需要一反饋以判斷數(shù)據(jù)包是否到達(dá)目的地,,則需要將應(yīng)答請(qǐng)求位(ACKRQ位)置1,。發(fā)送完數(shù)據(jù)包以后,自動(dòng)轉(zhuǎn)為接收狀態(tài),,等待ACK狀態(tài)的到來并接收應(yīng)答信號(hào)數(shù)據(jù)包,。如果接收節(jié)點(diǎn)接收到有效數(shù)據(jù)包且檢測(cè)到ACK控制字節(jié)中的ACKRQ位為1,則會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)并且發(fā)送至發(fā)送節(jié)點(diǎn),。應(yīng)答信息數(shù)據(jù)包中,,ACK控制字節(jié)中的應(yīng)答標(biāo)志位(ACK位)被置1,并且有效數(shù)據(jù)為接收節(jié)點(diǎn)發(fā)給發(fā)送方的數(shù)據(jù)(當(dāng)不需要發(fā)送有用數(shù)據(jù)時(shí),,全部用0x00填充),,同時(shí)源地址和目的地址相互交換。具體通信過程如圖7所示,。
程序中,,為了防止發(fā)送節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間地等待,設(shè)定只需等待固定的時(shí)間,,等待的時(shí)間長(zhǎng)短主要由實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)決定:是否使能了包轉(zhuǎn)發(fā),、實(shí)際的數(shù)據(jù)速率等。若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi),,發(fā)送方未能接收到ACK數(shù)據(jù)包,,則進(jìn)入ACK接收錯(cuò)誤狀態(tài);若成功接收將進(jìn)入休眠,、發(fā)送或是空閑狀態(tài),。
使用ACK信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)收發(fā)節(jié)點(diǎn)的雙向通信,能很好地解決手動(dòng)切換無線收發(fā)狀態(tài)導(dǎo)致雙方互相等待的問題,,同時(shí)只在需要ACK信號(hào)的應(yīng)用中才附帶應(yīng)答有效信息,,減少不必要的通信過程,大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性。
4.2 精簡(jiǎn)的CSMA/CA發(fā)送機(jī)制
在無線通信過程中,,在一個(gè)通信域內(nèi)可能存在幾十個(gè)乃至幾百個(gè)無線終端同時(shí)工作,。在這樣復(fù)雜的無線網(wǎng)絡(luò)中,無線數(shù)據(jù)發(fā)送頻繁,,發(fā)生碰撞不可避免,。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送發(fā)生碰撞時(shí),意味著有數(shù)據(jù)幀丟失,。為了盡可能地避免由于發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生碰撞而導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀的丟失,,必須引入一種可以避免發(fā)送碰撞的機(jī)制。
設(shè)計(jì)中參考了802.15.4中CSMA/CA的相關(guān)原理,,采用非信標(biāo)的方式實(shí)現(xiàn)符合系統(tǒng)要求的精簡(jiǎn)的CSMA/CA發(fā)送機(jī)制[3],。非信標(biāo)的方式即:結(jié)點(diǎn)若有數(shù)據(jù)要發(fā)送,需要先通過CSMA/CA機(jī)制進(jìn)行信道監(jiān)測(cè),,也就是在等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間后,,對(duì)當(dāng)前信道進(jìn)行監(jiān)聽,若監(jiān)測(cè)到信道空閑,,就可以開始傳送數(shù)據(jù),;若監(jiān)測(cè)到信道忙,則需要重新等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間,,然后再繼續(xù)監(jiān)聽信道,,具體實(shí)現(xiàn)流程如圖8[4-5]所示。步驟如下:
(1)在開始發(fā)送數(shù)據(jù)之前先監(jiān)聽信道0.5 ms,。如果在這段時(shí)間內(nèi)信道是空閑的(通過讀取寄存器26 H的接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)值,,則與設(shè)定的信道空閑閾值做比較來判斷,發(fā)送節(jié)點(diǎn)將隨機(jī)延時(shí)0或1個(gè)時(shí)隙(1時(shí)隙為1 ms)。如果信道仍然是空閑的就開始發(fā)送數(shù)據(jù),;若信道變得忙碌,,則跳到第(3)步驟。
(2)如果在0.5 ms內(nèi)信道為忙,,則發(fā)送節(jié)點(diǎn)每隔0.5 ms采樣一次RSSI值,,直到RSSI值小于設(shè)定的門閾值或是采樣次數(shù)達(dá)到10次。如果采樣次數(shù)達(dá)到10次,,則跳轉(zhuǎn)到步驟(5),。
(3)若信道仍然為忙,則發(fā)送方將再等待一隨機(jī)時(shí)間,,等待時(shí)間的大小是由下式確定:
RandomTime = n×time[1:0]
其中,n是0~15中的一個(gè)隨機(jī)數(shù),,time[1:0]可以設(shè)定為固定的時(shí)間(0.25 ms、0.5 ms,、1 ms,、2 ms),,可以根據(jù)應(yīng)用的需要選擇不同的值。
(4)如果在這段時(shí)間內(nèi)信道是空閑的,,則發(fā)送數(shù)據(jù),;若忙碌則跳轉(zhuǎn)到步驟(5)。
(5)若嘗試的次數(shù)超出限定值(MAX_TRY_NUMBER),,則跳轉(zhuǎn)到步驟(6),。
(6)如果由于信道忙無法發(fā)出數(shù)據(jù),則發(fā)送節(jié)點(diǎn)將返回信道忙錯(cuò)誤,。
為了驗(yàn)證精簡(jiǎn)CSMA/CA發(fā)送機(jī)制的性能,在空曠場(chǎng)地進(jìn)行了多節(jié)點(diǎn)(1個(gè)接收4個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn))數(shù)據(jù)收發(fā)測(cè)試,,發(fā)送5 000次,,MAX_TRY_NUMBER=4,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示,。
由表1可以看出,,當(dāng)距離近、傳輸速率低時(shí),兩種情況丟包率為0,;當(dāng)距離遠(yuǎn)且傳輸速率高時(shí),,未使用CSMA/CA的丟包率隨著距離和速率的增加而大幅增加,而使用CSMA/CA的丟包率則很小,,其性能最大可提高28倍,。因此,使用精簡(jiǎn)的CSMA/CA發(fā)送機(jī)制可以大大減少由于數(shù)據(jù)沖突而產(chǎn)生的丟包概率,,從而提高了通信吞吐率,。
5 低功耗處理
STM32和SI4432是模塊的耗電“大戶”,但它們都提供了低功耗運(yùn)行功能,。STM32支持三種省電模式:睡眠,、停機(jī)和待機(jī),并帶有自動(dòng)喚醒功能,。在本系統(tǒng)中STM32的常態(tài)為待機(jī),,在接收到任何中斷時(shí),將從待機(jī)狀態(tài)切換到正常狀態(tài),,在執(zhí)行完任務(wù)后,,立即從正常狀態(tài)切換回待機(jī)狀態(tài)。而SI4432中集成了一個(gè)基于內(nèi)部32.768 kHz RC振蕩器的定時(shí)喚醒器,,可以從睡眠模式定期喚醒芯片,而且SI4432內(nèi)部集成的功放(PA)的輸出功率是可編程的,,工作電流與發(fā)射功率成正比,可根據(jù)RSSI的值來動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出功率的值,,當(dāng)RSSI的值大時(shí)可減小輸出功率,;反之,,則可增大輸出功率[2]。
本文設(shè)計(jì)的無線收發(fā)模塊可用于一對(duì)一,、一對(duì)多以及網(wǎng)狀網(wǎng)近距離無線通信環(huán)境中,系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,,具有很好的通用性。因STM32自帶ADC,,SI4432自帶溫度傳感器,,稍作改動(dòng)就可以應(yīng)用到安防、自動(dòng)抄表,、傳感器網(wǎng)絡(luò),、無線遙控等一些短距離無線通信場(chǎng)合。該平臺(tái)具有較高的應(yīng)用價(jià)值,,為無線數(shù)據(jù)傳輸提供了一個(gè)很好的解決方案,。
參考文獻(xiàn)
[1] STMicroelectronics Inc. STM32F10xxx_reference_manual[R]. 2008.
[2] Silicon Laboratories Inc. Si4432 user′s manual[R].2009.
[3] IEEE Std 802. part 15.4: wireless medium access control (MAC) and physical layer(PHY) specifications for lowrate wirelesspersonal area networks(WPANs)[S]. IEEE, 2006.
[4] Silicon Laboratories Inc. EZMACPRO user′s guide[R]. 2009.
[5] 鄭朝霞,鄒雪城,,姜天杰,等. WSN中CSMA/CA協(xié)處理器的軟硬協(xié)同設(shè)計(jì)[J]. 固體電子學(xué)研究與進(jìn)展,
2009,29(1):132-137.