2008年中国政府为微功率(短间隔)无线电运用添加了868MHz~ 868.6MHz的作业频率。其对无线电设备的射频要求如下：
(1)发射功率限值：5mW(e.r.p);
(2)发射信号的占空比限值：1%;
(3)载波频率容限：100×10-6;
并把该类设备归类于“各类民用设备的无线电操控设备中。
从上面的规则中能够看到，该频段可用带宽为600kHz，但并没有清晰在该频道运用的带宽，数据速率以及调制方法方面要求，这就给予了运用很大的空间。本文首要是依据868MHz频段的要求，规划了比较简略通用的无线收发体系，该体系可适用于该频段的不同的无线传输运用。
SX1231介绍及功用描绘
SX1231芯片是Semtech公司推出的一款高集成度、低功耗、多频段的UHF RF收发器。其作业电压为1.8V~3.6V，24引脚QFN封装，作业频率包含3155MHz、4335MHz、 8685MHz和915MHz无许可证的ISM频段;内部集成SIGMA-DELTA小数分频锁相环、功率扩大器、唤醒定时器、数字调制解调器、66字节的发送和接纳数据FIFO、数据包处理、数据加密功用AES，以及6个可装备的DIO等，一切首要的RF通讯参数是可编程的，大多数可动态设定。选用16节的FIR通路滤波器，因而有好的选择性;发射功率可编程输出，从-18dBm到+17dBm;有多种调制解调方法：FSK、GFSK、MSK、GMSK和OOK等;SX1231在运用时所需的外部元件很少，1个32MHz的晶振、几个电容和电感就可组成一个高可靠性的收发体系，规划简略且成本低。SX1231在1.2kbps时的灵敏度高达-120dBm，首要用在无线抄表(AMR)、无线传感器网络、家庭和建筑物主动化、无线告警和安全体系、工业监督和操控等范畴。
无线射频收发体系规划
体系总体方案
无线射频收发体系的结构框图如图1所示，由STM8L151K2单片机操控SX1231完结无线数据的收发。发送模块中的STM8L151K2将数据传送给SX1231，然后SX1231对数据进行包格局处理，包含添加前导码、同步字、CRC校验码，假如需求也能够对数据进行加密处理。终究数据包经天线发送给接纳模块。接纳模块对接纳到的射频信号扩大、解调、解包之后，再将数据送给主操控器STM8L151K2进行相应的处理，如送显示屏或PC数据处理中心等。该体系包含按键和液晶显示屏等人机交互界面，以及RS232接口，这完结了与PC的通讯功用。
图1 体系方框图
体系硬件规划
主控芯片选用ST公司推出的单片机STM8L151K2。STM8L151K2有1K bytes的RAM和8K bytes的Flash以及256bytes的EEPROM，片上集成了包含串口、SPI、I2C、ADC、触摸屏操控功用等外围模块接口，彻底满意本体系对微操控器的要求;有多种电源管理方法(如等候方法、低功耗运转方法、低功耗等候方法等)。
STM8L151K2能够经过SPI接口对SX1231的内部寄存器进行读写操作，灵敏装备各项参数。经过4线SPI接口完结对SX1231的初始化装备、读写数据、拜访FIFO等操作，使SX1231正常作业在发射、接纳方法，完结数据在空中的传达。
SX1231是15脚~18脚的标准的SPI接口，DIO0~DIO5能够经过内部寄存器来装备成不同的中止信号。映射联系如表1所示，这样能够很方便地获取SX1231的作业状况。假如需求了解FIFO满、FIFO不是彻底空，作业方法Ready，有用的数据包发送或接纳、电池电压低、RSSI、PLL确定等状况，都能够装备寄存器来把这些信号映射到DIO PIN，然后单片机STM8L151K2经过检测这些DIO PIN的电平来取得或许主动告诉MCU某个状况产生。可用19脚(RXTX)操控射频收发开关以进行发射通路和接纳通路的切换，高电平时为发射状况。图2中选用UPG2214TB射频开关，V1和V2分别为开关的操控脚。因为SX1231只要一个操控脚，因而添加一个三极管反相器就完结了开关的操控。21脚(RFIO)是发射和接纳共用的PIN，可是该PIN的最高输出功率为13dBm。假如需求输出更高的功率(17dBm或20dBm)，就必须把发射接至23脚(PABOOST)，这时21脚(RFIO)只当作接纳PIN。
图2 硬件规划原理图
SX1231接纳端的输入阻抗可设置成50Ω和200Ω，一般设成200Ω，此刻同一匹配值在全频段仍可取得很好的灵敏度。
SX123节省功耗方面有一些很重要的特性：
(1)作业电压规模宽：从1.8V~3.6V都能够正常作业，且任何特性都坚持不变。特别是关于发射，作业电压低至1.8V时依然坚持相同的输出功率，即电压从1.8V~3.6V，输出功率都能抵达17dBm或20dBm，不随电压而变。可是其他相似的芯片，输出功率则跟着电压的下降而下降。这样一种特性，使得该体系能够使电池的使用最大化，延伸电池的运用寿命，这对低功耗的运用来说具有十分严重的含义。
(2)能够在sleep/standby方法下读写寄存器：该特性节省了写FIFO时的功耗。在sleep方法下的电流为0.1μA，而在接纳方法下的电流为16mA，节省了160000倍的功耗。
表1 DIO PIN 与信号的映射联系表
体系软件规划
体系中各首要功用模块均编成独立的函数由主程序调用。功用模块包含：初始化程序(包含初始化STM8L151K2、SX1231)、无线发送程序、无线接纳程序等。无线发送程序担任写入数据载荷到SX1231，并依据通讯协议来装备芯片的前导码、同步字及CRC校验码，终究SX1231把其拼装成数据包将其发送出去;无线接纳程序担任接纳并处理数据。首要，SX1231接纳到一个完好的数据包，之后逐渐的把前导码、同步字以及CRC码去除，终究MCU从其FIFO中取出有用数据。
无线收发模块之间的通讯是以数据包的方法发送的，本体系界说的数据包格局如表2所示。
表2 本文体系界说的数据包格局
其间，Preamble(前导码)是一连串的10101010(0XAA)或01010101(0X55)，其数量为0~655635字节，详细几个字节能够依据运用的需求来设定。前导码首要用来进行帧同步，接纳机首要依托前导码来进行有用信号辨认，完结频率操控，以及主动增益操控、信号强度判别等动作以确保用最佳的状况接纳正确的数据。SyncWord(同步字)在前导码之后，经过设定好的同步字来作为同步方法的标志码，也能够作为一个网络的ID，相同网络的设备用相同的同步码。而接下来的地址码(Address)能够作为网络内每个设备的ID，假如数据包中的地址于本设备的地址相同，则接纳数据，不然不予处理。有用载荷(Message)是真实需求传输的数据。终究是CRC校验码，由芯片主动完结。
初始化程序
初始化程序包含STM8L151K2的初始化以及SX1231的收发频率、作业方法、调制方法、数据速率以及数据包处理等寄存器的初始化装备。
体系上电后，STM8L151K2处于默许状况，依据体系功用需求从头进行初始化装备。SX1231也处于默许状况，需求进行装备才干作业。SX1231的初始化是一个重要的部分，正确的装备对体系终究的通讯功用有很大的影响。
数据发送程序
无线发送程序流程如图3所示。完结STM8L151K2、SX1231的初始化后，装备寄存器写入相应的初始化RF操控字;然后经过SPI接连写寄存器向TX FIFO内写入需求发送的数据;再切换到发射方法。当数据发送完后，PacketSent寄存器置1，一起映射的DIO PIN会变成高电平告诉MCU数据包发送完结。然后写数据到FIFO，发送，如此循环。直到一切数据发送完结，进入Sleep方法。
图3 数据收发流程图
数据接纳程序
程序完结STM8L151K2、SX1231的初始化后，装备寄存器写入相应的初始化RF操控字，把SX1231装备为接纳状况。检测PayloadReady为高电平时，标明现已收到数据，然后MCU从FIFO中读取数据，并进行处理。如此循环直至完结接纳。
体系测验成果
体系测验条件及设置
该部分为本体系测验时的设置，依据不同的运用需求，部分设置可用作相应的变化。
电源电压：3.3V
频率：868.3MHz
数据速率：4.8kbps
频偏：5.0kHz
接纳机带宽：10kHz
数据类型：PN15
功率设定：4dBm
测验成果
发射功率
从图4中能够看到，发射功率为6.86dBm。低于5mW(7dBm)的标准要求。
图4 发射功率
载波频率容限：100×10-6
从图5中能够看出，设置为868.3MHz输出，实践丈量的频率为868.2960MHz，则频率误差为((868.30-868.296)MHz/868MHz)=4.6×10-6，小于规则的载波频率容限100×10-6。
图5 载波频率容限
发射信号的占空比限值：1%
发射信号的占空比一般指在必定时刻内，发射信号的时刻与未发射信号的时刻比值。这首要取决于运用的要求，可是对相似短间隔无线通讯，发射器的发射的时刻是十分的小，适合于各种操控类运用。如抄表的运用中，每个月抄表一次，并且每次发射的时刻都小于1秒，这个占空比远远小于1%。
图6 信道间隔和占用带宽
图7 邻信道功率
信道间隔和占用带宽
关于25kHz的信道间隔，答应的占用带宽为8.5kHz~16kHz之间。从图6的成果中能够看到，占有99%的能量的占用带宽为14.7247kHz，小于16kHz。
邻信道功率
在载波25kHz频率偏移处的功率须小于载波功率40dB。
接纳灵敏度
接纳灵敏度是-113.4dBm@0.1%。整个体系的接纳链路预算为120.2dB。通讯间隔能够到达600m左右。
从测验成果可看出该体系具有很好的功用，精准的频率操控，高的接纳灵敏度，能够满意于宽带的运用要求，并且成果也标明彻底适合于窄带运用。彻底满意于中国年微功率(短间隔)无线电运用关于868MHz~868.6MHz频段的标准要求。在本体系的基础上，稍作改动就可适用于不同的运用环境。
