基于CC1100的无线射频通信模块的设计Word版.docx

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基于CC1100的无线射频通信模块的设计Word版

摘要

本文介绍了基于CC1100的无线射频通信模块的设计。

论文首先介绍了无线通信技术的发展以及无线传感器网络节点并对MSP430单片机基础知识、CC1100基础知识以及开发平台做了简单介绍。

然后对基于CC1100芯片的射频通信模块的设计与实现分两大部分进行了详细说明：

即电路硬件设计和模块通信软件设计。

其中硬件设计包括四大部分：

MSP430最小系统、电源系统、人机接口与传感器部分、CC1100电路设计；软件设计包括四大部分：

程序整体结构、CC1100底层驱动程序介绍、发送端程序设计、接收端程序设计。

最后对测试结果进行了简单分析。

基于MSP430与CC1100的无线射频通信主要有两大核心元件构成，MSP430单片机和CC1100无线收发芯片，MSP430为TI推出的16位高性能，低功耗单片机，在各个领域得到了广泛的运用，节点主要由主芯片，串口电平转换电路，射频电路，电源系统构成，支持DI（数字量输入），AI（模拟量输入），UART（智能传感器），以及单总线传感器的接入，在实际的工程运用中主要使用这几种接口，可以接入烟雾传感器，湿度温度传感器，红外传感器，门磁等。

【关键词】无线传感器MSP430单片机CC1100

第一章绪论

1.1引言

近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。

而无线通信技术又有着集成化，低功耗，易操作的发展趋势。

目前，一些只由微控制器和集成射频芯片构成的无线通信模块不断推出，这种微功率短距离无线数据传输技术在工业、民用等领域得到应用广泛。

无线数据传输系统结构微功率短距离无线数据传输技术作为一种无线通信实用技术，一般使用单片射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。

本课题主要研究的是由MSP430单片机最小系统和CC1100无线通信模块组合而成的无线通信系统。

1.2课题研究的背景和意义

随着现代通信技术的飞速发展，近距离无线通信技术呈现出良好的发展势头。

受到越来越多人的关注。

因为在现实生活中存在着许多这样的应用情况，当然传统的无线通信技术虽然能够满足要求，但免不了存在成本高，体积大，功耗大的问题，这时成本小，体积小，功耗低的短距离无线通信技术就发挥了它的优势，尤其在传统无线通信系统难于或者不便于覆盖到的区域，短距离无线通信技术可以在近距离范围内实现相互通信或相关操作。

无线数据传输系统已成为当今通信业乃至整个信息业的热点，广泛应用于无线遥控、报警、无线局域网、军事通信等范围，具有一定的实际应用价值。

通常情况下，单片机在获取数据后，还需要将数据传送出去。

有线数据传输依赖于有线的线路，例如采用有线的串、并行总线等。

有线的线路具有成本比较高、维护不方便等缺点。

无线数据传输是在有线数据传输的基础上发展起来的，而无线数据通信则是通过发射模块和接收模块来传送数据的，具有不占空间、成本低、可靠性高、维护方便及传输过程中的干扰小等优点，提高了传输过程中的可靠性。

1.3无线通信概述

通信就是由一个地方向另外一个地方进行信息的有效传递与交换。

或者说通信是信息或其表示方式的时间和空间的转移。

随着通信技术和计算机技术的发展及他们的密切结合，通信已能克服空间和时间的限制，实现大量的、远距离的信息传递、交换和存取。

信息由一个地方向另一个地方传递时，按传输煤质的不同通信可分为有线通信和无线通信两大类：

有线通信，是指传输媒质为导线、电缆、光缆、波导等形式的通信，如明线通信、电缆通信、光缆通信等。

无线通信，是指利用高频电磁波经自由空间传递信息的一种通信方式。

常见的有短波、超短波通信、微波通信、卫星通信、移动通信、遥控、遥测、导航通信等。

微波是一种无线电波，它传送的距离一般只有几十千米。

但微波的频带很宽，通信容量很大。

微波通信每隔几十千米要建一个微波中继站。

卫星通信是利用通信卫星作为中继站在地面上两个或多个地球站之间或移动体之间建立微波通信联系。

第二章系统设计及平台简介

2.1基于MSP430+CC1100无线传感器网络节点原理简介

基于MSP430与CC1100的无线传感器主要有两大核心元件，MSP430单片

和CC1100无线收发芯片构成，MSP430为TI推出的16位高性能，低功耗单片机，在各个领域得到了广泛的运用，节点主要由主芯片，串口电平转换电路，射频电路，电源系统构成，支持DI（数字量输入），AI（模拟量输入），UART（智能传感器），以及单总线传感器的接入，在实际的工程运用中主要使用这几种接口，可以接入烟雾传感器，湿度温度传感器，红外传感器等。

节点结构如图2.1所示。

图2.1节点框图

本次设计最终要实现的效果是一个节点作为发端，一个节点作为收端，发端模块负责将采集温度信号，以及DI量，并将其通过MSP430以及射频模块CC1100发射出去，MSP430与CC1100之间采用SPI总线进行通信，接收端接收到数据后进行CRC校验等，如果数据无误则将数据通过串口发送至PC端，通过超级终端来显示接收到的数据。

系统框图如图2.2所示

图2.2收发系统框图

2.2MSP430单片机原理与结构

2.2.1MSP430系列单片机特点

虽然MSP430系列单片机推出时间不是很长，但由于其卓越的性能，在短短几年时间里发展极为迅速，应用也日趋广泛。

MSP430系列单片机针对各种不同应用，包括一系列不同型号的器件。

主要特点有：

①超低功耗，MSP430系列单片机的电源电压采用1.8-3.6V低电压，RAM数据保持方式下耗电仅0.1uA，活动模式耗电250Ua/MIPS（MIPS：

每秒百万条指令数），I/O输入端口的漏电流最大仅50uA。

MSP430系列单片机有独特的时钟系统设计，包括两个不同的时钟系统：

基本时钟系统和锁频环（FLL和FLL+）时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。

由时钟系统产生CPU和各功能模块所需的时钟，并且这些时钟可以在指令的控制下打开或关闭，从而实现对总体功耗的控制。

由于系统运行时使用的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有明显的差异。

在系统中共有一种活动模式（AM）和5种低功耗模式（LPM0-LPM4）。

另外，MSP430系列单片机采用矢量中断，支持十多个中断源，并可以任意嵌套。

用中断请求将CPU唤醒只要6uS，通过合理编程，既以降低系统功耗，又

可以对外部事件请求做出快速响应。

在这里，需要对低功耗问题作一些说明。

首先，对一个处理器而言，活动模式时的功耗必须与其性能一起来考察、衡量，忽略性能来看功耗是片面的。

在计算机体系结构中，是用W/MIPS（瓦特/百万指令每秒）来衡量处理器的功耗与性能关系的，这种标称方法是合理的。

：

MSP430系列单片机在活动模式时耗电250uA/MIPS，这个指标是很高的（传统的MCS51单片机约为10—20mA/MIPS）。

其次，作为一个应用系统，功耗是整个系统的功耗，而不仅仅是处理器的功耗。

比如，在一个有多个输入信号的应用系统中，处理器输入端口的漏电流对系统的耗电影响就较大了。

MSP430单片机输入端口的漏电流最大为50nA，远低于其他系列单片机（一般为1～10uA）。

另外，处理器的功耗还要看它内部功能模块是否可以关闭，以及模块活动情况下的耗电，比如低电压监测电路的耗电等。

还要注意，有些单片机的某些参数指标中，虽然典型值可能很小，但最大值和典型值相差数十倍，而设计时要考虑到最坏情况，就应该关心参数标称的晟大值，而不是典型值。

总体而言，MSP430系列单片机堪称目前世界上功耗最低的单片机，其应用系统可以做到用一枚电池使用10年。

②强大的处理能力，MSP430系列单片机是16位单片机，采用了目前流行的、颇受学术界好评的精简指令集（RISC）结构，一个时钟周期可以执行一条指令（传统的MCS51单片机要12个时钟周期才可以执行一条指令），使MSP430在8MHz晶振工作时，指令速度可达8MIPS（注意：

同样8MIPS的指令速度，在运算性能上16位处理器比8位处理器高远不止两倍）。

TI不久还将推出25～30MIPS的产品。

同时，MSP430系列单片机中的某些型号，采用了一般只有DSP中才有的16位多功能硬件乘法器、硬件乘-加（积之和）功能。

DMA等一系列先进的体系结构，大大增强了它的数据处理和运算能力，可以有效地实现一些数字信号处理的算法（如FFT、DTMF等）。

这种结构在其他系列单片机中尚未使用。

③高性能模拟技术及丰富的片上外围模块，MSP430系列单片机结合TI的高性能模拟技术，各成员都集成了较丰富的片内外设。

视型号不同可能组合有以下功能模块：

看门狗（WDT），模拟比较器A，定时器A（Timer_A），定时器B（Timer_B），串口0，l（USART0、1），硬件乘法器，液晶驱动器，10位，12/14位ADC，12位DAC，I2C总线，直接数据存取（DMA），端口l～6（Pl～P6），基本定时器（BasicTimer）等。

其中，看门狗可以在程序失控时迅速复位：

模拟比较器进行模拟电压的比较，

配合定时器，可设计出高精度（10～1l位）的A/D转换器；16位定时器（Timer_A和Timer_B）具有捕获/比较功能；大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；多功能串口（USART）。

可实现异步、同步和I2c串行通信，可方便地实现多机通信等应用；具有较多的FO端口，最多达6*8条I/O口线，P0输出时，不管是灌电流还是拉电流，每个端口的输出晶体管都能够限制输出电流（最大约6mA），保证系统安全；Pl、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；12位A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200Ksps，能够满足大多数数据采集应用；LCD驱动模块能直接驱动液晶多达160段；F15X和F16X系列有两路12位高速DAC，可以实现直接数字波形合成等功能；硬件I2C串行总线接口可以扩展I2C接口器件；DMA功能可以提高数据传输速度，减轻CPL，的负荷。

MSP430系列单片机的丰富片内外设，在目前所有单片机系列产品中是非常突出的，为系统的单片解决方案提供了极大的方便。

④系统工作稳定，上电复位后，首先由DCO_CLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。

然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。

如果晶体振荡器在用做CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作。

这种结构和运行机制，在目前各系列单片机中是绝无仅有的。

另外，MSP430系列单片机均为工业级器件，运行环境温度为-40～+85℃，运行稳定、可靠性高，所设计的产品适用于各种民用和工业环境。

⑤方便高效的开发环境，目前MSP430系列有OTP型、FLASH型和ROM型3种类型的器件，国内大量使用的是FLASH型。

这些器件的开发手段不同，对于OTP型和ROM型的器件是使用专用仿真器开发成功之后再烧写或掩膜芯片。

对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的FLASH。

存储器，因此采用先通过JTAG接口下载程序到FLASH内，再由JTAG接口控制程序运行、读取片内CPU状态，以及存储器内容等信息供设计者调试，整个开发（编译、调试）都可以在同一个软件集成环境中进行。

这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要专用仿真器和编程器。

开发语言有汇编语言和C语言。

目前较好的软件开发工具是IARWorkbench430。

这种以FLASH技术、JTAG调试、集成开发环境结合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优点，在单片机开发中还较为少见。

其他系列单片机的开发一般均需要专用的仿真器或编程器。

另外，2001年TI公司又公布了BOOTSTRAP技术，利用它可在保密熔丝烧断以后，只要几根硬件连线，通过软件口令字（密码），就可更改并运行内部的程序，这为系统固件的升级提供了又一方便的手段。

BOOTSTRAP具有很高的保密性，口令字可达32个字节长度。

2.2.2MSP430发展和应用

TI公司从1996年推出MSP430系列开始到2000年初，推出了33X、32X、31X等几个系列。

MSP430的33X、32X、3lx等系列具有LCD驱动模块，对提高系统的集成度较有利。

每一系列有ROM型（C）、OTF型（P）和EPROM型（E）等芯片。

EPROM型的价格昂贵，运行环境温度范围窄，主要用于样机开发。

这也表明了这几个系列的开发模式，即用户可以用EPROM型开发样机，用OTP型进行小批量生产，而ROM型适应大批量生产的产品。

MSP430的3XX系列，在国内几乎没有使用。

随着FLASH技术的迅速发展，TI公司也将这一技术引入MSP430系列单片机中。

2000年推出了F11X/11x1系列，这个系列采用20脚封装，内存容量、片上功能和I/O引脚数比较少，但是价格比较低廉。

在2000年7月推出了带ADC或硬件乘法器的F13X/F14X系列。

在2001年7月到2002年又相继推出了带LCD控制器的F41x、F43X、F44X。

TI在2003到2004年期间推出了F15X和F16X系列产品。

在这一新的系列中，有了两个方面的发展。

一是增加了RAM的容量，如F161l的RAM容量增加到了10KB，这样就可以引入实时操作系统（RTOS）或简单文件系统等。

二是从外围模块来说，增加了12C、DMA、DACl2和SVS等模块。

另外，TI在2004年下半年推出了MSP430X2lx系列，该系列是对MSP430X1XX片内外设的进一步精简，价格低廉，适合做一些简单应用。

近两年，TI公司针对某些特殊应用领域，利用．MSP430的超低功耗特性，还推出了一些专用单片机，如专门用于电量计量的MSP430FFA2X，用于水表、气表、热表等具有无线传感模块的MSP430FW42X，以及用于人体医学监护（血糖、血压、脉搏等）的MSP430FG42X单片机。

用这些单片机来设计相应的专用产品，不仅具有MSP430的超低功耗特性，还能大大简化系统设计。

根据TI在MSP430系列单片机上的发展计划，在今后将陆续推出性能更高、功能更强的F5XX系列，这一系列单片机运行速度可达25～30MIPS，并具有更大的FLASH（128KB）及更丰富的外设接口（CAN、USB等）。

MSP430系列单片机不仅可以应用于许多传统的单片机应用领域，如仪器仪表、自动控制以及消费品领域，更适合用于一些电池供电的低功耗产品，如能量表（水表、电表、气表等）、手持式设备、智能传感器等，以及需要较高运算性能的智能仪器设备。

2.2.3MSP430单片机结构

单片机在结构上突破了典型微机按逻辑功能决定芯片结构和侧重于数据处理的传统思想，将构成计算机的中央处理器、存储器、I/O模块、相关接口电路以及连接它们的总线集成在一块芯片上。

在众多的单片机中，德州仪器的MSP430系列单片机的结构颇具特色，并具有良好的性能。

MSP430系列超低功耗单片机由针对各种不同应用目标、具有不同外围模块的系列芯片组成。

本节将介绍MSP430各系列产品，以及MSP430系列单片机中CPU、存储器和外围模块的结构与组织方式。

MSP430系列单片机结构如图2.3所示。

图2.3MSP430单片机内部结构

MSP430系列单片机包含以下主要功能部件：

①CPU：

MSP430系列单片机的CPU和通用微处理器基本相同，只是在设计上采用了面向控制的结构和指令系统。

MSP430的内核CPU结构是按照精简指令集和高透明的宗旨而设计的，使用的指令有硬件执行的内核指令和基于现有硬件结构的仿真指令。

这样可以提高指令执行速度和效率，增强MSP430的实时处理能力。

②存储器：

存储程序、数据以及外围模块的运行控制信息。

有程序存储器和数据存储器。

对程序存储器访问总是以字的形式取得代码，而对数据可以用字或字节方式访问。

其中MSP430各系列单片机的程序存储器有ROM、OTP、EPROM和FLASH型。

③外围模块：

经过MAB、MDB、中断服务及请求线与CPU相连。

MSP430不同系列产品所包含外围模块的种类及数目可能不同。

它们分别是以下一些外围模块的组合：

时钟模块，看门狗，定时器A，定时器B，比较器A，串口0、1，硬件乘法器，液晶驱动器，模数转换，数模转换，端口，基本定时器，DMA控制器等。

2.3CC1100原理及结构

CC1100是一种低成本真正单片的UHF（UltraHighFrequency，特高频）收发器，为低功耗无线应用而设计。

电路主要设定为在315、433、868和915MHz的ISM（工业，科学和医学）和SRD（短距离设备）频率波段，也可以容易地设置为300-348MHz、400-464MHz和800-928MHz的其他频率。

RF收发器集成了一个高度可配置的调制解调器。

这个调制解调器支持不同的调制格式，其数据传输率可达500kbps。

通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。

CC1100为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。

CC1100内部结构如图2.4所示。

图2.4CC1100内部接口

主要特性：

①体积小，极少的外部元件，芯片内频率合成器，不需要外部滤波器或RF转换，快速频率变动合成器带来的合适的频率跳跃系统，自动频率补偿可用来调整频率合成器到接收中间频率。

②真正的单片UHFRF收发器，自动低功率RX拉电路的电磁波激活功能，许多强大的数字特征，使得使用廉价的微控制器就能得到高性能的RF系统

③频率波段：

300-348MHz、400-464MHz和800-928MHz，可编程信道滤波带宽，2-FSK，GFSK和MSK支持。

④高灵敏度，支持传输前自动清理信道访问（CCA），即载波侦听系统。

⑤可编程控制的数据传输率，可达500kbps，可编程控制的输出功率，对所有的支持频率可达+10dBm，可编程控制的基带调制解调器。

⑥对数据包导向系统的灵活支持，对同步词汇侦测的芯片支持，地址检查，对数据的可选自动白化处理。

⑦对现存通信协议的向后兼容的异步透明接收/传输模式的支持

⑧优秀的接收器选择性和模块化性能

⑨可控的数据包处理硬，单独的64字节RX和TX数据FIFO

CC1100的主要操作参数和64位传输/接收FIFO（先进先出堆栈）可通过SPI接口控制。

这是本文研究的重点，具体的控制方案在后面的硬件设计与软件设计中会详细讲解。

2.4开发平台简介

2.4.1IAR430

使用IAR430进行单片机软件开发，IAR是全球领先的嵌入式系统开发工具和服务的供应商。

公司成立于1983年，迄今已有27年，提供的产品和服务涉及到嵌入式系统的设计、开发和测试的每一个阶段，包括：

带有C/C++编译器和调试器的集成开发环境（IDE）、实时操作系统和中间件、开发套件、硬件仿真器以及状态机建模工具。

IAREmbeddedWorkbench可以为MSP430微控制器生成极为高效和可靠的代码。

除了有这些可靠的技术之外，IARSystems还为您提供专业化的全球技术支持。

IAR430特点：

①用于构建和调试嵌入式应用程序的无缝集成开发环境，强大的工程管理器，允许同一工作区管理多个工程。

②工程的层次化表示方法，可停靠窗口和浮动窗口管理，三智能型源文件浏览器。

④带有代码模板和支持多字节等丰富特色的编辑器，可以在全局层次、源文件组层次、或者单个的源文件层次上进行配置。

⑤灵活的工程编译，如批量编译，前/后编译或在编译过程中访问外部工具的客户定制编译。

⑥高度优化的C/C++编译器，支持C，EC++和扩展EC++，并且包含有模板，名字空间和标准模板库（STL）等。

⑦支持所有MSP430和MSP430X架构的芯片。

⑧针对特定目标的嵌入式应用程序的语言扩展用于数据/函数定义和存储器及类型属性声明的扩展关键字使用Pragma指令控制编译器行为，比如用来分配内存在C源码中可直接访问的本征函数，从而执行低级处理器操作，例如MSP430省电模式。

⑨高级的全局优化和特定优化相结合，可以生成最为紧凑和稳定的代码。

2.4.2AltiumDesigner6

硬件部分原理图的绘制采用经典的EDA工具AltiumDesigner6，随着电子技术的迅速发展，大规模、超大规模集成电路的应用使印制电路板（PCB）的布线更加精密和复杂，因此很多厂商都推出了自己的电子线路CAD（ComputerAidedDesign—计算机辅助设计）软件，其中Protel以其界面友好、功能完善、操作简单、易学易用等优点，在EDA（ElectronicDesignAutomation—电子设计自动化）领域得到广泛使用，深受广大电子爱好者欢迎并作为首选的软件。

AltiumDesigner6是原Protel软件开发商Altium（澳大利亚）公司于2006年推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在WindowsXP、Win7操作系统上。

AltiumDesigner发展历程：

11988年，ProtelTechnology公司设计的DOS版电路设计软件以其“易学、实用”的特点受到广大电路设计人员的欢迎。

2进入20世纪90年代，ProtelTechnology公司及时推出了基于Windows的Protel。

软件——ProtelforWindows1.0版。

31994年和1997年分别推出了ProtelforWindows2.0版和ProtelforWindows3.0版。

41998年Protel公司推出了Protel98，特别是出色的自动布线功能得到了用户的支持。

51999年和2000年分别推出了Protel99和Protel99SE。

62002年8月推出了令人期待的最新产品ProtelDXP（2000年的8月ProtelTechnology成功地整合了多家EDA软件公司，并更名为Altium公司）。

72004年和2005年Alitum公司分别推出了ProtelDXP2004和ProtelDXP2004SP2（可以选择中文操作界面）。

82005年年底，Altium公司推出了Protel系列电子设计软件的最新高端产品——AltiumDesigner6.0。

92008年3月12日晚Altium公司推出了AltiumDesigner6.9。

AltiumDesigner6极大地增强了FPGA-PCB协同设计的能力，工程师可以充分利用FPGA作为系统平台，而且简化大型FPGA与物理PCB平台的集成。

虽然人们早就认识到了FPGA给逻辑开发带来的好处，但把这些器件集成到PCB设计流程所带来的挑战，会使得PCB线路板设计变得十分复杂并导致整体设计时间超长。

通常无需考虑PCB版图即进行FPGA管脚分配，而在大规模可编程器件中使用的密集封装技术将使得PCB板布线成为极大的挑战。

AltiumDesigner打破了FPGA的使用障碍，把硬连接的PCB平台和软件及软连接的逻辑开发集成在一起，后者构成的嵌入式智能通过在PCB线路板上编程以创建完整的应用。

AltiumDesigner6.0改进了FPGA级设计和PCB级设计间的集成，开发了很多新功能，与现在的大型可编程器件相结合，它们精简了产品开发。

大型FPGA器件的可用性正改变着工程师的系统设计方法――产品中可以添加更多智能并同时缩短设计时间，减少制造成本。

”Altium的创始人和CEONickMartin说，“AltiumDe