基于CC1101的無中心數(shù)字對講機(jī)設(shè)計(jì)

摘要：基于射頻收發(fā)器CC1101，單片機(jī)(MCU)MSP430F149和DSP TMS320VC5509A，設(shè)計(jì)了一種無中心數(shù)字對講機(jī)。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及各個(gè)模塊的器件選型和電路設(shè)計(jì)，MCU部分的軟件設(shè)計(jì)以及CC1101的編程要點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：無線通信；數(shù)字對講機(jī)；CC1101；MSP430F149

1 引言
    對講機(jī)在諸多行業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。雖然模擬對講機(jī)現(xiàn)今仍壟斷市場，但數(shù)字通信以其更豐富的業(yè)務(wù)種類，更好的業(yè)務(wù)質(zhì)量、保密性和連接性，尤其可提高頻譜效率，更有效利用寶貴的頻譜資源，因此對講機(jī)數(shù)字化是大勢所趨。這里介紹一種基于CC1101射頻器件的數(shù)字無線對講機(jī)的語音通信技術(shù)。

2 整體設(shè)計(jì)方案
    雖然提供包含圖像、文字、語音的綜合業(yè)務(wù)是未來對講機(jī)的發(fā)展趨勢，但鑒于對講機(jī)的數(shù)字化研究尚處于起步探索階段，而且語音傳輸仍是對講機(jī)最廣泛最重要的作用，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是經(jīng)語音數(shù)字化處理后通信更安全可靠，話音更清晰。此外，由于業(yè)界至今尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，系統(tǒng)應(yīng)留存一定的擴(kuò)展和變換空間，以適應(yīng)新的變化和進(jìn)一步研究的需要。
    得益于微電子技術(shù)的長足進(jìn)步和快速發(fā)展，射頻電路的靈敏度不斷提高，無線接收機(jī)在相應(yīng)的發(fā)送設(shè)備不工作時(shí)也會(huì)有數(shù)據(jù)解調(diào)輸出，因而無線通信系統(tǒng)中有必要使用數(shù)據(jù)幀分組傳輸數(shù)據(jù)。還需要使用幀同步技術(shù)保證通信系統(tǒng)能從混亂的數(shù)據(jù)中識(shí)別合法的數(shù)據(jù)幀。由于在無線通信系統(tǒng)中存在干擾、噪聲、多徑、衰落等現(xiàn)象，使得無線通信信道在傳輸數(shù)字信息時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)誤碼，為此，常采用信道編碼技術(shù)，在幀中增加校驗(yàn)碼元。在無線通信中，最常用的是CRC16，它可以糾正一定程度的隨機(jī)錯(cuò)誤，但卻沒有能力糾正突發(fā)差錯(cuò)的能力，需要用交織編碼的方法使其變成交錯(cuò)碼。
    此外，為保證通信的可靠性，還需要合理設(shè)置幀的長度。幀長與編碼方式有關(guān)，曼切斯特編碼時(shí)不要超過256字節(jié)，若采用其他方式，則不要超過64字節(jié)。采取短幀方式通信有利于降低干擾，但幀太短又會(huì)增加開銷，降低效率。此外，幀的長度還受硬件系統(tǒng)限制，如處理器的處理能力、緩沖、天線帶寬等。綜合各方面因素，這里采用圖1所示數(shù)據(jù)幀格式。由于語音信號(hào)一般比較微弱，根據(jù)Mu／A律編碼規(guī)則，容易出現(xiàn)長連“1”或長“0”情況。若出現(xiàn)這種情況，由于長時(shí)間不出現(xiàn)“0”點(diǎn)，接收端的本地同步信號(hào)的相位會(huì)逐漸漂移，甚至失步。若采用變換歸零或重新編碼的方式，又有可能降低系統(tǒng)抗干擾能力或頻帶利用率。為此，需要采用擾碼技術(shù)，消除長“1”長“0”。

    為了實(shí)現(xiàn)一對一雙丁通話和一對多的廣播，該系統(tǒng)采用時(shí)分雙工(TDD)方式，分成接收和發(fā)送兩個(gè)時(shí)隙，保留1．5 ms時(shí)間作為射頻部分的收發(fā)轉(zhuǎn)換保護(hù)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    使用微處理器，通過軟硬件的配合實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能；采用基于CC1l01的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)需求定義其內(nèi)部邏輯和引腳；運(yùn)用“白頂向下”和“模塊化”的理念，是現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。因而，該系統(tǒng)采用DSP處理語音數(shù)據(jù)，使用MCU以彌補(bǔ)DSP控制上的缺憾，采用優(yōu)秀設(shè)計(jì)的射頻器以降低軟件復(fù)雜度和MCU的負(fù)荷。系統(tǒng)邏輯框架如圖2所示。系統(tǒng)由射頻模塊、語音處理模塊、MCU模塊、人機(jī)接口模塊和電源模塊組成。系統(tǒng)主處理器負(fù)責(zé)所有設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、功能協(xié)調(diào)、通信協(xié)議控制。該系統(tǒng)采用TI公司的MSP430F149，該器件擁有60 KB的Flash ROM和2 KB的SRAM。人機(jī)交換模塊是連接使用者與系統(tǒng)的橋梁，指示系統(tǒng)工作狀況，接收使用者的指令。語音處理模塊的語音信號(hào)經(jīng)麥克風(fēng)進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)采樣量編程數(shù)字信號(hào)，傳輸至DSP，實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波和壓縮。語音處理器選用TI公司的TMS320VC5509A，與經(jīng)典的C54x相比，其綜合性能提高5倍，而功耗卻僅為C54x的1／6。其工作頻率高達(dá)200 MHz，具有3個(gè)McBSP，64 KB的DARAM和192 KB的SARAM。DSP與MCU間采用SPI通信方式，DSP的McBSP1接MCU的USART1，MCU主模式，DSP從模式。SDRAM采用HY57V641620，具有4 M×16 bit容量，工作頻率為72 MHz，內(nèi)核速率為DSP一半，與DSP的EMIF可直接無縫連接。

    CODEC實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的采樣、模／數(shù)轉(zhuǎn)換、編碼后傳輸給DSP進(jìn)行信號(hào)調(diào)理包括濾波壓縮等。在接收節(jié)點(diǎn)，則接收DSP傳來送的信號(hào)，數(shù)模轉(zhuǎn)換后還原成模擬語音信號(hào)，由于此時(shí)的信號(hào)比較微弱，加入音頻功率放大器MAX4368放大，再輸出至揚(yáng)聲器。CODEC選用TI公司的TLV320AIC23B(以下簡稱AIC23B)，與DSP的McBSP模塊實(shí)現(xiàn)無縫連接，串行傳輸數(shù)據(jù)；而DSP通過I2C總線初始化AIC23B。該系統(tǒng)采用主從模式，AIC23B 工作在主模式下，向DSP傳送收發(fā)數(shù)據(jù)所需的時(shí)鐘和幀同步信號(hào)。
    該系統(tǒng)采用1 M×16 bit的Flash以解決上電復(fù)位后DSP程序加載問題，需要20根地址線，但DSP的PGE封裝僅引14根地址線，因而使用CPLD映射到DSP的一個(gè)CE空間以擴(kuò)展地址。具體連線方式請參看文獻(xiàn)[5]。
    從DSP出來的語音信號(hào)經(jīng)由MCU控制到達(dá)射頻模塊，加入前導(dǎo)冗余同步碼等構(gòu)成幀后經(jīng)交織發(fā)射。CC1101是TI公司一款高性價(jià)比的單片UHF收發(fā)器，為低功耗無線電應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它是CC1100器件的加強(qiáng)升級(jí)版，靈敏度更高，功耗更小，帶寬更大。MSP430F149與CC1101采用SPI方式通信，MSP430F149工作在主模式，使用USART1模塊，3線模式，CC1101從模式，工作在403～425 MHz頻段內(nèi)。射頻模塊電路如圖3所示。

    射頻模塊布線是整個(gè)系統(tǒng)PCB板設(shè)計(jì)的中核心。外圍器件最好選用體積小的貼片元件，濾波電容盡可能接近器件引腳布置，這樣濾波效果會(huì)更好。盡可能將數(shù)字電路遠(yuǎn)離射頻電路，因?yàn)閿?shù)字電路存在陡峭的上升下降沿，所以DSP和MCU都是射頻電路的巨大噪聲源。也可以考慮使用金屬屏蔽罩，雖然該辦法存在很多缺點(diǎn)，但仍然非常有效，而且在很多時(shí)候是隔離關(guān)鍵電路的唯一辦法。雖然CC1101的使用手冊給出了外圍器件的詳細(xì)參數(shù)，但實(shí)際應(yīng)用中，很多時(shí)候阻抗匹配仍然需要重新測量計(jì)算，也要調(diào)整相應(yīng)器件的參數(shù)。比如接地電容，由于PCB板存在分布電容，實(shí)際使用的電容要比推薦的略小一些。整個(gè)PCB板最好采用統(tǒng)一接地方式。雖然數(shù)字地會(huì)干擾射頻地和模擬地，但是若分開成3部分，最終總是有些高速信號(hào)線要穿過這些分開的接地點(diǎn)。
    為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定高質(zhì)量的能源和準(zhǔn)確的脈沖信號(hào)。CC1101單獨(dú)使用了27 MHz的無源晶體振蕩器，MCU則采用8 MHz，DSP與AIC23B共同使用一個(gè)12 MHz晶體振蕩器，DSP再用軟件設(shè)置為144 MHz。此時(shí)，DSP需要的內(nèi)核電壓為1.35 V，外圍電壓為2．7～3．6 V，AIC23B需要1．5 V，其他器件工作在3.3 V。所以系統(tǒng)電源將采用5 V供電，然后用LDO穩(wěn)壓器，分別降成各個(gè)器件所需的電壓。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括MCU和DSP兩部分。MCU部分包括各硬件驅(qū)動(dòng)程序和各硬件間的協(xié)調(diào)調(diào)度，以及通信協(xié)議程序；DSP的主體是語音處理算法的設(shè)計(jì)。這里主要討論MCU程序設(shè)計(jì)。
    CC1101擁有卓越的數(shù)據(jù)包處理能力。發(fā)送時(shí)，只需簡單設(shè)置寄存器，當(dāng)用戶往CC1101內(nèi)的TXFIFO寫入數(shù)據(jù)后，器件自動(dòng)在數(shù)據(jù)包內(nèi)增加前導(dǎo)字節(jié)(長度可控)，同步信息，CRC16校驗(yàn)，并根據(jù)寄存器設(shè)置將FIFO內(nèi)寫入的頭兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)標(biāo)志為長度信息(此功能可選)和地址信息(可選)。接收狀態(tài)下，器件自動(dòng)偵測前導(dǎo)碼，同步碼，地址信息和計(jì)算并比較CRC16。此外，CC1101還支持變長數(shù)據(jù)包格式和交織功能。這些原本需要復(fù)雜算法和巨大運(yùn)算量和存儲(chǔ)空間的功能由硬件支持，MCU的編程難度大大降低，其負(fù)荷也大為減輕。
    程序采用中斷程序+循環(huán)主程序的方式。將最緊急需要立即處理的事件，設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)中斷，以便在多個(gè)中斷同時(shí)申請中斷時(shí)能夠優(yōu)先得到響應(yīng)。中斷2～6分別是MCU與DSP和CC1101的數(shù)據(jù)收發(fā)及鍵盤信號(hào)監(jiān)測。由于MSP430的速度很快，其他事件的處理都放在主程序中，循環(huán)執(zhí)行。為了節(jié)省能量，若無外部信號(hào)要處理，主程序循環(huán)一段時(shí)間后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入低功耗模式中。MCU程序的開發(fā)環(huán)境為IAR Systems，采用匯編語言編寫。圖4為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程。

5 CC1101編程要點(diǎn)
    CC1101的寄存器眾多，包括狀態(tài)寄存器將近80個(gè)，若手動(dòng)配置容易出錯(cuò)，因此Chipcon公司提供了SmartRF Studio射頻仿真軟件。該軟件可根據(jù)程序員的需求(包括頻率，速率，調(diào)制方式，等)自動(dòng)給出一組最佳的寄存器配置參數(shù)，若與TI公司的相關(guān)評估板聯(lián)用，還可以對射頻器件的PLL回路的晶體振蕩器選擇，頻道間隔，分頻，調(diào)制，數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)比率，RF射頻功率輸出進(jìn)行仿真。用以評價(jià)RF PCB的層設(shè)計(jì)是否符合射頻設(shè)計(jì)規(guī)范。使無線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在沒計(jì)早期階段就能準(zhǔn)確輕松評估RFIC，加快電子系統(tǒng)開發(fā)。但需要注意的是：CC1101器件處于idle狀態(tài)時(shí)才能對寄存器進(jìn)行配置。CC1101的數(shù)據(jù)接口與控制接口復(fù)用。傳輸數(shù)據(jù)或命令主要依靠訪問不同寄存器進(jìn)行區(qū)別，地址與命令／數(shù)據(jù)則是依靠時(shí)序區(qū)別。
    CC1101有2個(gè)64字節(jié)FIFO，一個(gè)接收數(shù)據(jù)(RX FI-FO)，另一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)(TX FIFO)。FIFO控制器能偵測RXFIFO是否上溢和TX FIFO是否下溢。但是寫FIFO時(shí)，MCU必須控制TX FIFO是否產(chǎn)生溢出；讀RX FIFO時(shí)，MCU也必須避免讀空值，這些錯(cuò)誤CC1101都無法偵測到。

6 結(jié)束語
    針對傳統(tǒng)模擬對講機(jī)僅單工通信和頻譜利用率不高的缺限，提出一種基于CC1101的無中心數(shù)字對講機(jī)設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)方案可應(yīng)用于搶險(xiǎn)、救災(zāi)、野外作業(yè)等缺乏基礎(chǔ)通信設(shè)施的環(huán)境。射頻模塊電路設(shè)計(jì)是方案中的重點(diǎn)，無論是儀器測得的參數(shù)還是反復(fù)實(shí)地測試都表明射頻部分的電源、接地和阻抗匹配不僅極大影響通信距離也密切關(guān)系通信質(zhì)量。由于未使用功率放大器和所用天線增益較低(2 dB)，該系統(tǒng)的實(shí)際通信距離與當(dāng)今主流模擬對講機(jī)相比尚有差距，但該設(shè)計(jì)方案仍對對講機(jī)的數(shù)字化研究工作有一定參考價(jià)值。