基于STM32F103的433MHz频段无线数传模块的设计

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【摘 要】本文设计了一种可工作在433.00-434.79MHz，中心频率为433.00MHz，输出功率可调的无线数传模块。模块采用STM32F103RB单片机和射频芯片CC1101设计，利用 EDA软件ADS2008仿真优化了射频电路的输出匹配网络。最后对无线模块输出功率，通信距离等参数进行了测试和验证。

【关键词】物联网；RF；ADS；CC1101

The Design of the 433MHz Wireless Module Base on STM32F103

YAN Dong ZHANG Sen HE Jing

（Chongqing University of Posts and Telecommunications Key Laboratory of Industrial Wireless Network & Network Control，

Ministry of Education， Chongqing 400065， China）

【Abstract】This paper designed a wireless data transmission module working on 433.00MHz-434.79MHz（the center frequency of 433.00MHz）， whose output power is adjustable. STM32F103RB microcontroller and RF module CC1101 chip are applied in this design. And the simulation is done by using EDA software ADS2008 to optimize the ouput matching network of the RF circuit. Finally， the wireless module output power， communication range and other parameters were tested and verified.

【Key words】IOT；RF；ADS；CC1101

0 引言

随着近些年无线通信技术的发展，越来越多的无线技术开始涌现，GSM/GPRS、Wlan、Zigbee等，为了更方便人们生产生活，以及改变现有的无线频道变得越来越拥挤的现状，不同国家相继开通了一些用于免费的ISM频段，其中430M～510M的频段在中国最为常用。

本文选用ST公司生产的STM32F103RB作为主控芯片，TI公司生产的CC1101作为射频芯片，设计一种工作在433.05MHZ频段的MCU+RF无线数传射频模块，并编写相应的测试函数，用来对无线模块输出功率，通信距离等参数进行了测试和验证。

1 总体结构概述

图1 无线数传模块硬件框图

根据实际的应用要求，无线数传模块主要包含以下几个部分：主控部分、射频部分、接口部分。主控部分负责数据处理、控制射频部分的收发工作；射频部分负责交换控制信息和相关数据；接口部分为整个模块提供工作电源，同时为整个模块提供串行接口，方面模块进行测试。整个无线数传模块硬件体系结构如图1所示。

2 模块硬件电路部分设计

2.1 射频部分设计

射频通信的具体实现需通过射频电路完成，随着微电子技术和集成电路的发展，现代射频通信电路都已集成在射频芯片内部。目前市场上的无线收发芯片的种类比较多，生产厂家有德州仪器、ATMEL、飞思卡尔、笙科电子等，而基于430MHz～510MHz的无线计量频段的无线收发芯片较少，其原因是该频段是刚刚的仅针对中国市场的频段，在国内也是近两年才开始发展该频段的无线计量系统。

德州仪器在2010年专门针对中国市场设计了一款基于430MHz～510MHz频段的无线收发芯片CC1101，本文也采用该芯片。CC1101射频芯片数据速率支持1.2到500kBaud可编程速率，支持2-FSK、GFSK、MSK以及OOK等调试方式，发射功率可达+10dBm，接收灵敏度最高可达-112dBm，该芯片的最大优势在于低功耗特性，睡眠模式电流消耗为700nA，且器件相对较少，采用QFN封装，可大大降低无线产品开发成本。

CC1101内部集成了射频通信的收发电路。发送时，信号来源于外部的串行外设接口（SPI， Serial Peripheral Interface），CC1101收到数据后会将其放在TXFIFO中，经过数据包处理器、前向纠错/信道交织编码，进入调制器中，从调制器中出来的已调信号通过混频器（上变频），将频率调节为适合在信道上传输的信号，之后通过功率放大器，将信号放大传输到差分信号引脚上。接收时，数据从差分信号引脚输入，经过低噪音放大器，将信号放大，同时降低了噪音的产生，放大后的信号经过混频器（下变频）进行变频，产生中频信号，中频信号经AD转换，自动增益控制，频率滤波后，由解调器将信号解调出来，再经过纠错/交织编码，最后将数据放在RXFIFO中，通过SPI口发送到微控制器。

射频模块的设计电路图如图2所示。

图2中，CC1101引出SPI接口和微控制器进行通信，且CC1101为从机模式，GDO0和GDO2引脚与微控制器的中断引脚相连，用来产生FIFO状态信号（中断信号），来判断数据收发状态。XOSC_Q引脚用来外接26M晶振，为频率合成器提供参考频率，同时为CC1101的ADC和数字部分提供时钟信号。RF_P和RF_N是一个差分信号引脚，是射频信号发射和接收端口。

2.2 主控部分电路

作为单纯的射频收发器，CC1101需要额外的微控制器通过SPI接口实现对该射频芯片的控制。除此之外，微控制器还负责与计量设备进行通信。

相对于射频收发器，微控制器的类型更为繁多，从8位的微控制器到64位的处理器都可以作为射频芯片的控制器。主流的有51系列的8位控制器，16位的MSP430系列和AVR系列单片机，32位的ARM7系列和STM32系列处理器以及64位的ARM9系列等处理器。选择合适的控制器对射频芯片来说尤为重要，制约因素包括兼容性、低功耗性能、低成本等。本文选用的微控制器为stm32f103RB，该芯片具有超低功耗特性，它的代码执行速度高达1.25MIPS/MHZ，它内置高128K的FLASH和20K的SRAM，同时具备丰富的I/O端口和外设，包含16通道12位的ADC，4通用16位定时器，电机控制PWM接口，2个I2C，2个SPI，3个串口，1个USB控制器，一路总线接口等。

主控部分电路包含了STM32F103RB的最小系统，包括晶振电路、复位电路以及外接接口，如图3所示。

3 无线射频模块PCB设计

采集模块的PCB制板重点是射频部分的设计。PCB布局对射频电路具有很大的影响，在制板时如果不合理布局会导致模块整体性能下降，甚至无法工作。对于射频电路，首先尽量选用封装小的元器件，CC1101模块中电容、电感和电阻都采用0402封装。其次，元器件排列要紧密，尤其是巴伦电路和相应的滤波电路，这样做能够有效的抑制分布参数的产生，降低分布参数对电路输出阻抗的影响。再次对射频芯片的电源做隔离处理，和其他模块的电源要分开，CC1101模块采用磁珠和微控制器电源进行隔离。最后滤波电容要尽量靠近需要滤波的器件或者网络，减少外部干扰的几率，提高抗干扰能力。射频模块PCB图以及实物图如4所示。

图4 射频模块PCB和实物图

4 实物测试

通过优化得到电路图，投板，生产PCB。焊接好元器件。为了检验输出模块的性能，要进行测试无线模块通信链路的输出功率测试。选用安捷伦频谱分析仪E9060A测试模块的最大输出功率。设置CC1101输出功率寄存器PATABALE=0xC0，即输出功率预设10dbm。实际测试输出端功率为10.16dbm，如图5所示。

图5 无线模块最大输出功率测试图

在空旷场地实际测量，最大稳定通信距离可达到400m，数据丢包小于1.5%。

5 结束语

根据实际要求，设计和生产了工作在430.99-434MHz的无线数传模块。由测量得到的数据可知，该无线数传模块在400米范围内可正常使用。由于受设备和测量条件的限制，对一些其他参数并未进行测量，这是日后要完善的地方。当有特殊场合需较远的通信距离的应用时，可以在CC1101的输出端加上功率放大器，提高发射功率；在RF输入端加一级低噪声放大器，以一步提高接收灵敏度。根据应用场合，对电路的改进也是日后工作的重点之一。

【参考文献】

[1]意法半导体公司.STM32F103RB中文数据手册[S].

[2]Texas Instruments公司.CC1101中文数据手册[S].

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