基于CC1101的車間無線通信系統(tǒng)設計

陳 偉，施國梁

（蘇州大學 電子信息學院，江蘇 蘇州 215006）

0 引言

近年來汽車網絡越來越受到人們的關注，無線通信技術在消費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成為當前一個重要的研究課題[1]。而高精度、高可靠性、寬廣的監(jiān)測視角以及高性價比的防碰撞系統(tǒng)成為迫在眉睫的需要。其中的關鍵問題是快速、準確計算出汽車行駛的安全距離。而測距的方法不同就會大大影響車輛的防碰撞控制。因此，這里提出了一種通過無線通信技術實時的將車輛行駛數(shù)據發(fā)送給對方的系統(tǒng)，從而通過算法得到準確的車間距離[2]。

1 總體系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)關鍵技術在于無線數(shù)據傳輸技術的應用。微功率短距離無線數(shù)據傳輸技術作為一種無線通信實用技術，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成專用或通用無線通信模塊[3]，只需根據指令操作就可實現(xiàn)數(shù)據無線傳輸功能。

一個無線數(shù)據傳輸系統(tǒng)可由微控制器，單片射頻收發(fā)芯片以及少量輔助設備和顯示設備構成[4]，無線傳輸系統(tǒng)結構如圖1所示。

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

圖1 無線傳輸系統(tǒng)結構

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 微處理器設計

微處理器選用 STC公司最新第六代加密型 CPU——STC12C5A60S2單片機。該單片機將大量的外圍模塊整合到單片機內，包括看門狗、兩個串行通訊口（UART0、1）、一個 SPI口、一個 10位 A/D轉換器、基本定時器（Basic Timer）等，同時具有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，且該單片機具有簡單實用、成本低，抗干擾能力強，功耗低等特點[5]。STC12C5A60S2單片機外圍電路如圖2所示。

圖2 CPU外圍電路

2.2 無線收發(fā)模塊設計

短距離無線收發(fā)模塊包括無線發(fā)射器和無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)據通過無線發(fā)射出去，接收器天線接收后，進行處理，得到正確的、經過檢驗的準確數(shù)據[6]。該模塊的通信示意圖如圖3所示。

圖3 短距離無線通信示意

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

該設計中 CCll01通過對 4線 SPI接口(SI，SO，SCLK和CSn)和GDO2測試接口的配置進行工作。SPI接口是一種同步串行通信接口，CSn是芯片選擇引腳，當該引腳為低電平時，SPI接口可以通信，否則不能通信。SI和S0為數(shù)據傳輸引腳，SI為數(shù)據輸入，SO為數(shù)據輸出。SCLK為同步時鐘，在時鐘的上升沿或下降沿數(shù)據被寫入或讀出；若信道中有數(shù)據，GDO2腳電平跳變[7]。

在此,MCU通過軟件去設置各種射頻參數(shù)和其他輔助功能。在無需外加功放電路的情況下，可使其通訊距離達到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，對其進行寄存器配置和無線數(shù)據收發(fā)控制；該單片機的P3.2腳與CC1101的GDO2腳連接，當信道中有數(shù)據時，GDO2腳電平跳變，單片機產生中斷并進行數(shù)據接收。無線收發(fā)電路如圖4所示。

圖4 無線收發(fā)電路

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 總體流程圖

該系統(tǒng)采用模塊化設計方法，以便提高代碼重復利用率、便于調試排錯，并易于擴展。該部分主要完成車輛數(shù)據交換，并將接收的數(shù)據顯示到液晶屏上?？傮w流程圖如圖5所示。

圖5 總體流程

3.2 無線通信協(xié)議

該系統(tǒng)將每輛車視為一個節(jié)點，每個節(jié)點都是對等的，即每個節(jié)點是交替進入發(fā)送狀態(tài)和接受狀態(tài)的。在某段時間內，A節(jié)點采用廣播方式廣播數(shù)據，此時，B節(jié)點發(fā)生中斷并接收數(shù)據，直到該數(shù)據通信結束；之后，發(fā)送節(jié)點和接受節(jié)點狀態(tài)交換，即是，B節(jié)點開始廣播數(shù)據，A節(jié)點發(fā)生中斷并接受數(shù)據，以此繼續(xù)下去。各發(fā)送節(jié)點采用不同的時間延遲來間隔發(fā)送數(shù)據。通信協(xié)議格式如圖6所示。

圖6 通信協(xié)議格式

長度：字頭+長度+數(shù)據+校驗，系統(tǒng)設為21；

數(shù)據：系統(tǒng)中需要傳輸節(jié)點的經緯度、速度以及航向等數(shù)據，預留18個字節(jié)；

校驗：字頭+長度+數(shù)據的累加，系統(tǒng)設為0xAB。

3.3 系統(tǒng)初始化及SPI口初始化

系統(tǒng)上電之后，可根據需要進行設置。這里需對P1口，P3口用到的引腳狀態(tài)進行設置。當初始化SPI口時，可以對SPCTL寄存器和SPSTAT寄存器根據具體要求設置。在這里，選擇主機模式，同步時鐘頻率為晶振頻率的1/8,數(shù)據字的最高位先傳送，在時鐘上升沿對數(shù)據進行采樣。

SPI口初始化程序為：

3.4 CCll01初始化

在上電之初，CCllO1處于默認狀態(tài)，需要對相應的寄存器進行設置才能工作。CCll01有40多個寄存器需要配置，其決定了CCll01的工作模式，具體配置可以參照CCll01的詳細參考資料。在設置寄存器值時，使用SPI接口通信，該程序涉及單片機的SPSTAT、SPDAT等寄存器。首先把欲配置的寄存器的地址或數(shù)據寫入數(shù)據寄存器SPDAT中，當檢測到SPSTAT寄存器的SPIF位為高時，即數(shù)據寄存器已空，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CCll01內部寄存器進行配置。完成一個CC1101寄存器設置的程序為：

配置寄存器結束之后，CC1101處于等待狀態(tài)，可以通過STX和SRX指令使其進入發(fā)射或接收狀態(tài)，進行數(shù)據傳輸。

4 試驗結果

測試場景為：天氣晴，測試地點為電子信息樓前的馬路上，將系統(tǒng)放在車上，即設置三個節(jié)點分別為A、B、C三點。

通過硬件的測試，驗證整個系統(tǒng)靜態(tài)和低速動態(tài)環(huán)境下的實用性。

（1）靜態(tài)性能

條件為：A、B、C三點都靜止，之間相距一定距離。

結果：節(jié)點間數(shù)據傳輸正確率100%，最大延時小于10 ms，傳輸距離最大為240 m，通信穩(wěn)定。因此，靜態(tài)性能符合應用要求。

（2）動態(tài)性能

條件為：A、B、C都以低速行駛，之間相距一定距離。

結果：節(jié)點間數(shù)據傳輸正確率99%，最大延時小于100 ms，傳輸距離最大220 m，通信穩(wěn)定。因此該系統(tǒng)低速動態(tài)性能較好。

5 結語

通過對以STC12C5a60S2為微處理器，以CC1101為無線收發(fā)器的通信系統(tǒng)的軟硬件設計實現(xiàn)，對該系統(tǒng)的工作原理及其接口進行分析，對此車間無線數(shù)據交換系統(tǒng)的各項性能及其動靜態(tài)性能指標進行深入研究,從測試結果中可看出此CC1101無線通信模塊在車載上的應用中具有良好的靜態(tài)和低速動態(tài)性能,但若要使該系統(tǒng)滿足中高速移動要求，則還需對其進行進一步的測試和改進，而其將對后期的大范圍車輛碰撞預警項目開發(fā)起到指導性作用。

[1] 胡瑜．汽車防碰撞系統(tǒng)的應用與研究[J]．機械工程與自動化，2010，8(04):214-216．

[2] 金純，柳興，萬寶紅,等．IEEE802.11P:車載環(huán)境下的無線局域網[J]．通信技術，2009，42(01)：323-325．

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[4] 王曉利．智能汽車防追尾互通信系統(tǒng)的研究[J]．通信技術，2011，44(09)：92-94．

[5] 陳桂友．增強型8051單片機實用開發(fā)技術[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2010：15-250．

[6] 李路,嚴明,何友國.基于PIC單片機的無線報警系統(tǒng)設計[J]．通信技術，2011，44(03)：48-50．

[7] 李麗軍,王代華,祖靜.基于CC1100的無線數(shù)據傳輸系統(tǒng)設計[J].國外電子測量技術，2007，26(12)：42-45．