基于CC1101的車間無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 偉，施國(guó)梁

（蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 蘇州 215006）

0 引言

近年來(lái)汽車網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越受到人們的關(guān)注，無(wú)線通信技術(shù)在消費(fèi)電子的汽車化和更環(huán)保、更安全、更方便的駕車環(huán)境的要求下不斷應(yīng)用和發(fā)展，尤其是如何能夠提高駕車安全、減少甚至排除交通事故已經(jīng)成為當(dāng)前一個(gè)重要的研究課題[1]。而高精度、高可靠性、寬廣的監(jiān)測(cè)視角以及高性價(jià)比的防碰撞系統(tǒng)成為迫在眉睫的需要。其中的關(guān)鍵問(wèn)題是快速、準(zhǔn)確計(jì)算出汽車行駛的安全距離。而測(cè)距的方法不同就會(huì)大大影響車輛的防碰撞控制。因此，這里提出了一種通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)實(shí)時(shí)的將車輛行駛數(shù)據(jù)發(fā)送給對(duì)方的系統(tǒng)，從而通過(guò)算法得到準(zhǔn)確的車間距離[2]。

1 總體系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)在于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的應(yīng)用。微功率短距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)作為一種無(wú)線通信實(shí)用技術(shù)，一般使用單片射頻收發(fā)芯片，加上微控制器和少量外圍器件構(gòu)成專用或通用無(wú)線通信模塊[3]，只需根據(jù)指令操作就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸功能。

一個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可由微控制器，單片射頻收發(fā)芯片以及少量輔助設(shè)備和顯示設(shè)備構(gòu)成[4]，無(wú)線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)包括微處理器、無(wú)線收發(fā)模塊、液晶顯示模塊和外圍的輔助模塊。自車通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊向其周圍通信范圍內(nèi)的其他車輛廣播自己的行駛數(shù)據(jù)（包括位置、車速和航向等）和接收并顯示從其他車輛發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，同理，其他車輛也同樣廣播自己的數(shù)據(jù)和接收并顯示來(lái)自他車的數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了車間的雙工通信。

圖1 無(wú)線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 微處理器設(shè)計(jì)

微處理器選用 STC公司最新第六代加密型 CPU——STC12C5A60S2單片機(jī)。該單片機(jī)將大量的外圍模塊整合到單片機(jī)內(nèi)，包括看門狗、兩個(gè)串行通訊口（UART0、1）、一個(gè) SPI口、一個(gè) 10位 A/D轉(zhuǎn)換器、基本定時(shí)器（Basic Timer）等，同時(shí)具有60 kB的ROM和1280 B的RAM，處理速度比普通的8051快8～12倍，足夠滿足系統(tǒng)要求，且該單片機(jī)具有簡(jiǎn)單實(shí)用、成本低，抗干擾能力強(qiáng)，功耗低等特點(diǎn)[5]。STC12C5A60S2單片機(jī)外圍電路如圖2所示。

圖2 CPU外圍電路

2.2 無(wú)線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

短距離無(wú)線收發(fā)模塊包括無(wú)線發(fā)射器和無(wú)線接收器兩部分組成，其通信的基本原理是發(fā)射器的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)射出去，接收器天線接收后，進(jìn)行處理，得到正確的、經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)[6]。該模塊的通信示意圖如圖3所示。

圖3 短距離無(wú)線通信示意

CC1101是 Chipcon公司最新的高性能無(wú)線通信芯片，其電路主要設(shè)定為在315 MHz、433 MHz、868 MHz和915 MHz的 ISM(工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)學(xué))和 SRD(短距離設(shè)備)頻率波段，也可以容易地設(shè)置為 300～348 MHz、400～464 MHz和800～928 MHz的其他頻率。CCl101集成了一個(gè)高度可配置的調(diào)制解調(diào)器，支持不同的調(diào)制格式，其數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá) 500 kb/s。通過(guò)開(kāi)啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項(xiàng)，能使性能得到提升。在發(fā)射狀態(tài)下，其發(fā)射功率可編程調(diào)節(jié)，其最大發(fā)射功率達(dá)到+10 dBm，且接收靈敏度可達(dá)-110 dBm，抗干擾能力強(qiáng)，功耗較低。

該設(shè)計(jì)中 CCll01通過(guò)對(duì) 4線 SPI接口(SI，SO，SCLK和CSn)和GDO2測(cè)試接口的配置進(jìn)行工作。SPI接口是一種同步串行通信接口，CSn是芯片選擇引腳，當(dāng)該引腳為低電平時(shí)，SPI接口可以通信，否則不能通信。SI和S0為數(shù)據(jù)傳輸引腳，SI為數(shù)據(jù)輸入，SO為數(shù)據(jù)輸出。SCLK為同步時(shí)鐘，在時(shí)鐘的上升沿或下降沿?cái)?shù)據(jù)被寫入或讀出；若信道中有數(shù)據(jù)，GDO2腳電平跳變[7]。

在此,MCU通過(guò)軟件去設(shè)置各種射頻參數(shù)和其他輔助功能。在無(wú)需外加功放電路的情況下，可使其通訊距離達(dá)到200 m以上。該系統(tǒng)采用 433 MHz頻段，STC12C5a60S2的P1.4 、P1.5 、P1.6、 P1.7引腳分別與 CC1101的 SPI口的 CSn、SI、SO、SCLK連接，對(duì)其進(jìn)行寄存器配置和無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)控制；該單片機(jī)的P3.2腳與CC1101的GDO2腳連接，當(dāng)信道中有數(shù)據(jù)時(shí)，GDO2腳電平跳變，單片機(jī)產(chǎn)生中斷并進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。無(wú)線收發(fā)電路如圖4所示。

圖4 無(wú)線收發(fā)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體流程圖

該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，以便提高代碼重復(fù)利用率、便于調(diào)試排錯(cuò)，并易于擴(kuò)展。該部分主要完成車輛數(shù)據(jù)交換，并將接收的數(shù)據(jù)顯示到液晶屏上。總體流程圖如圖5所示。

圖5 總體流程

3.2 無(wú)線通信協(xié)議

該系統(tǒng)將每輛車視為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是對(duì)等的，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)是交替進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)和接受狀態(tài)的。在某段時(shí)間內(nèi)，A節(jié)點(diǎn)采用廣播方式廣播數(shù)據(jù)，此時(shí)，B節(jié)點(diǎn)發(fā)生中斷并接收數(shù)據(jù)，直到該數(shù)據(jù)通信結(jié)束；之后，發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接受節(jié)點(diǎn)狀態(tài)交換，即是，B節(jié)點(diǎn)開(kāi)始廣播數(shù)據(jù)，A節(jié)點(diǎn)發(fā)生中斷并接受數(shù)據(jù)，以此繼續(xù)下去。各發(fā)送節(jié)點(diǎn)采用不同的時(shí)間延遲來(lái)間隔發(fā)送數(shù)據(jù)。通信協(xié)議格式如圖6所示。

圖6 通信協(xié)議格式

長(zhǎng)度：字頭+長(zhǎng)度+數(shù)據(jù)+校驗(yàn)，系統(tǒng)設(shè)為21；

數(shù)據(jù)：系統(tǒng)中需要傳輸節(jié)點(diǎn)的經(jīng)緯度、速度以及航向等數(shù)據(jù)，預(yù)留18個(gè)字節(jié)；

校驗(yàn)：字頭+長(zhǎng)度+數(shù)據(jù)的累加，系統(tǒng)設(shè)為0xAB。

3.3 系統(tǒng)初始化及SPI口初始化

系統(tǒng)上電之后，可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。這里需對(duì)P1口，P3口用到的引腳狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)初始化SPI口時(shí)，可以對(duì)SPCTL寄存器和SPSTAT寄存器根據(jù)具體要求設(shè)置。在這里，選擇主機(jī)模式，同步時(shí)鐘頻率為晶振頻率的1/8,數(shù)據(jù)字的最高位先傳送，在時(shí)鐘上升沿對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。

SPI口初始化程序?yàn)椋?/p>

3.4 CCll01初始化

在上電之初，CCllO1處于默認(rèn)狀態(tài)，需要對(duì)相應(yīng)的寄存器進(jìn)行設(shè)置才能工作。CCll01有40多個(gè)寄存器需要配置，其決定了CCll01的工作模式，具體配置可以參照CCll01的詳細(xì)參考資料。在設(shè)置寄存器值時(shí)，使用SPI接口通信，該程序涉及單片機(jī)的SPSTAT、SPDAT等寄存器。首先把欲配置的寄存器的地址或數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)寄存器SPDAT中，當(dāng)檢測(cè)到SPSTAT寄存器的SPIF位為高時(shí)，即數(shù)據(jù)寄存器已空，數(shù)值發(fā)送完。參照上面提到的寄存器讀寫方式，可以依次對(duì)CCll01內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置。完成一個(gè)CC1101寄存器設(shè)置的程序?yàn)椋?/p>

配置寄存器結(jié)束之后，CC1101處于等待狀態(tài)，可以通過(guò)STX和SRX指令使其進(jìn)入發(fā)射或接收狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4 試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試場(chǎng)景為：天氣晴，測(cè)試地點(diǎn)為電子信息樓前的馬路上，將系統(tǒng)放在車上，即設(shè)置三個(gè)節(jié)點(diǎn)分別為A、B、C三點(diǎn)。

通過(guò)硬件的測(cè)試，驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)靜態(tài)和低速動(dòng)態(tài)環(huán)境下的實(shí)用性。

（1）靜態(tài)性能

條件為：A、B、C三點(diǎn)都靜止，之間相距一定距離。

結(jié)果：節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸正確率100%，最大延時(shí)小于10 ms，傳輸距離最大為240 m，通信穩(wěn)定。因此，靜態(tài)性能符合應(yīng)用要求。

（2）動(dòng)態(tài)性能

條件為：A、B、C都以低速行駛，之間相距一定距離。

結(jié)果：節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸正確率99%，最大延時(shí)小于100 ms，傳輸距離最大220 m，通信穩(wěn)定。因此該系統(tǒng)低速動(dòng)態(tài)性能較好。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)以STC12C5a60S2為微處理器，以CC1101為無(wú)線收發(fā)器的通信系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，對(duì)該系統(tǒng)的工作原理及其接口進(jìn)行分析，對(duì)此車間無(wú)線數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)的各項(xiàng)性能及其動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)進(jìn)行深入研究,從測(cè)試結(jié)果中可看出此CC1101無(wú)線通信模塊在車載上的應(yīng)用中具有良好的靜態(tài)和低速動(dòng)態(tài)性能,但若要使該系統(tǒng)滿足中高速移動(dòng)要求，則還需對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試和改進(jìn)，而其將對(duì)后期的大范圍車輛碰撞預(yù)警項(xiàng)目開(kāi)發(fā)起到指導(dǎo)性作用。

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