2021年01月13日 | 关于LPC2103和SI4432的无线通信系统设计

摘要：目前大多数无线通信设备通信距离近，硬件成本高，设计复杂。本设计采用基于微功率通信芯片SI4432、LPC2103微控制器和μC/OS-II嵌入式操作系统设计的无线通信系统，不仅通信距离远、模块成本低、集成度高、通信质量高，而且软件设计简单、扩展性好，可广泛用于工业控制、终端通信、智能控制等领域。

引言

随着信息技术的飞速发展，短距离无线通信技术的应用已经越来越广泛，硬件低成本，协议简单的无线通信系统越来越受到欢迎。现有的一些通信技术包括WiFi和UWB，WiFi是一种无线网络通信技术，可以改善基于IEEE802.11标准的无线网络产品之间的互通性。UWB(Ultra Wideband)是一种无载波通信技术，它利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。但采用这些方式其硬件成本较高，协议相对复杂。本文采用基于通信芯片SI4432设计的无线通信系统，不仪通信质量好，而且成本低和开发难度低，可应用于无线通信、智能控制等领域。

1 系统网络结构

本方案采用分布集散数据采集控制系统结构，如图1所示，由一个控制工作站(主操作台)、多个无线监控网关和多个无线控制节点组成。无线控制节点(即用户所使用的设备和无线I/O模块)通过无线监控网关与控制工作站通信。

2 无线通信系统总体设计

该系统用LPC2103微控制器控制SI4432实现数据收发，系统软件采用μC/OS-II嵌入式操作系统。μC/OS-II采用的是可剥夺型实时多任务内核，该通信系统将分解成若干任务，实现模块化设计。串口接收任务将数据写入发送缓冲区，发送任务从发送缓冲区取得数据并将数据传输给SI4432进行编码处理，并以特定的格式经天线发送给接收模块。接收任务负责接收来自SI4432的数据，并将数据写入接收缓冲区，串口的接收任务将数据传到PC机或其他设备。无线收发模块的硬件结构如图2所示。

3 系统硬件设计

主控芯片采用飞利浦公司生产的LPC2103芯片，LPC2103是基于ARM7TDMI-S CPU的微控制器，由于内置了宽范围的串行通信接口(范围从多个UART、SPI和SSP到两条I2C总线)和8 KB的片内SRAM，非常适合通信网关和协议转换器应用，可以通过内置SPI控制器对SI4432的内部寄存器进行读写操作，根据实际情况配置各项参数。通过SPI接口完成对SI4432的各种配置和操作，如初始化配置、读写数据、访问FIFO等。MOSI和MISO用于实现LPC2103到SI4432的双工传输;SCK用于串行数据传输的同步;nSEL作为片选信号。SPI接口示意图如图3所示。

4 系统软件设计

采用μC/OS-II作为操作系统，该系统将分解成几个任务：系统初始化任务、SI4432发射任务、SI4432接收任务、读缓冲区任务、写缓冲任务。软件合理设定任务的优先级，μC/OS-II是基于优先级调度执行的。

4.1 系统初始化任务

系统初始化任务包括目标板初始化、SPI接口初始化、SI4432初始化。

4.1.1 目标板初始化

目标板初始化主要是定时器0初始化和注册定时器0中断服务程序。μC/OS-II要求提供时钟中断以实现延时与超时控制功能，多任务系统启动以后，也就是涮用OSStart()之后第一件事就是初始化定时器，定时器0初始化：

μC/OS-II中的时钟节拍服务是通过在中断服务子程序中调用OSTimeTick()实现的，OSTimeTick()跟踪所有任务的定时器以及超时时限。

4.1.2 SPI接口初始化

为了使LPC2103与SI4432能更高速地进行双向数据传输，将前者配置为SPI主机模式后者为从机模式。由于SI4432的所有配置都是通过SPI接口进行的，配置的恰当与否对系统最终的通信效果有很大的影响。SPI初始化为主机，部分程序如下：

4.1.3 SI4432初始化

SI4432主要是自组织协议设计和一些寄存器配置。自组织协议格式如图4所示。

其中，Pre表示前导码，这些字符杂波不容易产生，通过测试和试验发现，噪声中不容易产生0x55和0xAA等非常有规律的信号，因此前导码采用0x55AA;Sync(同步字)在前导码之后，本系统设定的同步字为2B，同步字内容为0x2DD4，接收端在检测到同步字后才开始接收数据;本系统不需要TX header(帧头);Data表示有效数据;CRC表示检验位，说明采用何种校验方式，可避免接收错误的数据包;SI4432内部集成有调制/解调、编码/解码等功能，Pre、Sync和CRC都是由SI4432自动填充，用户只需设定数据包的组成结构和有效数据即可。

4.2 SI4432发射任务

发射任务在LPC2103、SPI和SI4432的初始化后。配置寄存器使其进入发射状态，然后读取发射缓冲区(缓冲区就是一个静态队列数据结构)数据到TXFIFO里，当数据包发送完时，SI4432产生中断，引脚nIRQ拉低从而通知LPC2103数据包发送完毕，LPC2103读取该中断信号从而释放SI4432的nIRQ引脚，以便接收下一次中断的产生。

无线监控网关会根据所要传递到特定网关而切换到特定的信道，下面的子网关则使用特定的信道。无线发射流程图如图5所示。

4.3 SI4432接收任务

当接收任务检测到LPC2103的P0.16引脚被拉低时，首先关闭SI4432接收，然后读取其状态寄存器释放nIRQ，判断数据包接收中断和检测该包是否有效。如果CRC也正确，LPC2103读取RXFIFO中的数据，将其写入接收缓冲区(静态队列数据结构)。数据接收完毕后，清除RXFIFO打开接收使系统进入下一次数据通信，无线监控网关会监听所有的信道，而下面的子网关则使用特定的信道。无线接收程序流程如图6所示。

4.4 读缓冲区任务和写缓冲任务

读缓冲任务主要是读取SI4432写到缓冲区的数据，传送到串口，以便传输到PC或其他设备;写缓冲区任务主要是把PC或其他设备准备发射的数据由串口写入到发射缓冲区，由发射任务发射出去。

结语

本文设计了一种基于SI4432的无线通信平台，此通信平台采用μC/OS-II和LPC2103作为操作系统和微控制器，通信的直线距离可达600～800 m，在建筑物内通信质量亦能得到保证，该通信平台能够应用于多种场合。