基于CC1101的无线收发系统解析 一、背景 无线传感器网络(WSN)是由部署在监测区域内的大量传感器节点以自组 织和多跳的方式构成的无线网铬，目的是实时地感知、采集、处理和传输监测对 象的信息，并将信息通过汇聚节点经卫星，Intemnet等网铬传送给监控中心。WSN 在军事、航空、医疗、工业以及家居等诸多领域都有极大的应用潜力。 二、解决方案 由于分布式传感器节点的能量有限，而无线通信模块恰好是节点能量清耗的 主体，因此低功耗、高传输效率的无线通信模块的设计就成为组建WSN的关键 之一。 CC1101是美国Π公司推出的一款针对极低功耗射顿应用的无线传输芯片， 能够提供对数据包处理、数据缓冲、突发传输、接收信号强度指示、空闲信道评 估、糙路质量指示以及无线唤醒等功能的硬件支持，目前，CC1101已在WSN 网路中获得了广泛的应用 (一)CC1101特性 CC1101是Π（德州仪器）推出的一款低功耗433/868/915M频段的无线传输 芯片，其具有多种优势特性，使得此芯片得到广泛应用。CC1101具有以下特征： ●支持2-FSK、4-FSK、GFSK、MSK以及O0K,灵活的AS球波形整形： ●工作顿段1300348MHz、387~464MHz和779一928MHz1 ●高灵敏度(12 kBaud、433MHz、1%误包率条件下为-112dBm): ●低电流消耗(1.2k8aud、433MH下RX中为15mA): ●所有支持顿率下高达+10dBm的可编程输出功率： ◆0.6一500 kBaud的可编程数据速率： ●高效的S接口：利用一次“突发”数据传输便可对所有寄存器进行编 程： ●64字节发送/接收F0。用户可以设计高效编程缓冲，以达到最快传输 波特率： ●快速的锁定频率合成器以及90μs的建立时间使其适合于许多跳频系 统
1 基于 CC1101 的无线收发系统解析 一、背景 无线传感器网络（WSN）是由部署在监测区域内的大量传感器节点以自组 织和多跳的方式构成的无线网络，目的是实时地感知、采集、处理和传输监测对 象的信息，并将信息通过汇聚节点经卫星、Internet 等网络传送给监控中心。WSN 在军事、航空、医疗、工业以及家居等诸多领域都有极大的应用潜力。 二、解决方案 由于分布式传感器节点的能量有限，而无线通信模块恰好是节点能量消耗的 主体，因此低功耗、高传输效率的无线通信模块的设计就成为组建 WSN 的关键 之一。 CC1101 是美国 TI 公司推出的一款针对极低功耗射频应用的无线传输芯片， 能够提供对数据包处理、数据缓冲、突发传输、接收信号强度指示、空闲信道评 估、链路质量指示以及无线唤醒等功能的硬件支持。目前，CC1101 已在 WSN 网络中获得了广泛的应用。 （一）CC1101 特性 CC1101 是 TI（德州仪器）推出的一款低功耗 433/868/915M 频段的无线传输 芯片，其具有多种优势特性，使得此芯片得到广泛应用。CC1101 具有以下特征： ⚫ 支持 2-FSK、4-FSK、GFSK、MSK 以及 OOK，灵活的 ASK 波形整形； ⚫ 工作频段：300～348 MHz、387～464 MHz 和 779～928 MHz； ⚫ 高灵敏度（1.2 kBaud、433 MHz、1% 误包率条件下为 –112 dBm）； ⚫ 低电流消耗（1.2 kBaud、433 MHz 下 RX 中为 15 mA）； ⚫ 所有支持频率下高达 +10dBm 的可编程输出功率； ⚫ 0.6～500kBaud 的可编程数据速率； ⚫ 高效的 SPI 接口；利用一次“突发”数据传输便可对所有寄存器进行编 程； ⚫ 64 字节发送/接收 FIFO，用户可以设计高效编程缓冲，以达到最快传输 波特率； ⚫ 快速的锁定频率合成器以及 90 μs 的建立时间使其适合于许多跳频系 统；
●提供对数据包导向系统的灵活支持：同步字检测、地址校验、灵活的数 据包长度以及自动CRC处理的片上支持： ●地址及CRC检验功能及点对多点通信地址控制： ●数字RSS9输出。这是许多射顿芯片无法输出的重要参数： ·可编程信道滤波器带宽： ●可编程载波监听(CS)指示器 ◆可编程前导质量指示器()，用于随机噪声伪同步字检测增强保护： ●支持发送前自动空闲信道评估(CCA)(用于载被监听系统)： ●支持每个数据包的链路质量指示LQ: ●可选数据自动白化和去白(de-whitening): ●标准2.54DP间距接口，便于猷入式应用： ●125个可选工作频道，满足多点通信和跳顿通信需要： )1.8v一3.6v的宽工作电压： (二)应用案例 本案例以常见的远程水表抄表系统为例，说明利用CC1101芯片设计 433MHz无线通信模块的基本原理。 、30 2019181716 OU U v U v SCLK 1 15 AVDD s0GD01]2 14 AVDD G0023P 13 RF N DVDD 4 12 RF_P DCOUPL 5 11 ADD 678910 9 e 雪 图1CCI101芯片引脚图 CC1101的芯片管脚图如图1所示，其中9、11、14、15脚为模拟电源输入 端，供电电压L8~3.6V:4脚为数字电源输入端，供电电压L8~3.6V:16脚是模 拟接地引脚：19脚是数字接地引脚：5脚是用于退褐的1.6~2.0V电源输出端： 18脚是用于隔离数字噪声的数字电源输入端：引脚8、10用于连接片外石英品 体：17脚连接用于确定参考电流的外部偏置电阻：12、13引脚是射频信号的差
2 ⚫ 提供对数据包导向系统的灵活支持；同步字检测、地址校验、灵活的数 据包长度以及自动 CRC 处理的片上支持； ⚫ 地址及 CRC 检验功能及点对多点通信地址控制； ⚫ 数字 RSSI 输出，这是许多射频芯片无法输出的重要参数； ⚫ 可编程信道滤波器带宽； ⚫ 可编程载波监听 (CS) 指示器； ⚫ 可编程前导质量指示器 (PQI)，用于随机噪声伪同步字检测增强保护； ⚫ 支持发送前自动空闲信道评估 (CCA)（用于载波监听系统）； ⚫ 支持每个数据包的链路质量指示 (LQI)； ⚫ 可选数据自动白化和去白 (de-whitening)； ⚫ 标准 2.54 DIP 间距接口，便于嵌入式应用； ⚫ 125 个可选工作频道，满足多点通信和跳频通信需要； ⚫ 1.8V～3.6V 的宽工作电压； （二）应用案例 本案例以常见的远程水表抄表系统为例，说明利用 CC1101 芯片设计 433MHz 无线通信模块的基本原理。 图 1 CC1101 芯片引脚图 CC1101 的芯片管脚图如图 1 所示。其中 9、11、14、15 脚为模拟电源输入 端，供电电压 1.8~3.6V；4 脚为数字电源输入端，供电电压 1.8~3.6V；16 脚是模 拟接地引脚；19 脚是数字接地引脚；5 脚是用于退耦的 1.6~2.0V 电源输出端； 18 脚是用于隔离数字噪声的数字电源输入端；引脚 8、10 用于连接片外石英晶 体；17 脚连接用于确定参考电流的外部偏置电阻；12、13 引脚是射频信号的差 GDO0(ATEST) 6 7 8 9 10 19 18 17 16 13 12 14 1 2 3 4 5 11 15 20 SCLK SO(GDO1) GDO2 DVDD DCOUPL AVDD AVDD RF_N RF_P AVDD CSn XOSC_Q1 AVDD XOSC_Q2 SI GND DGUARD RBIAS GND
分输出编：引脚1、2、7和20组成串行外设接口(S):3、6引脚是通用数据 输出端，可用于出发微处理器(MCU)的相关中断。 低较大器 SCLK AD 冲 so 顿布合成都 纠错与奖织 数包处 孩口 GDOO GDO2 功率敏大恩 调制器 图2CC1101原理框图 为说明CC1101的工作原理，图2给出了该芯片内部的模块化原理框图。由 图可见，接收信号首先被低噪声放大器放大，随后经下变频处理，分解为同相(1) 和正交(Q》的中频信号。I、Q两路信号分别通过模/数变换器解调为基带数字 信号。其间，自动增益控制(AGC)、信道滤波以及同步等功能模块均通过数字 的方式实现。信号的发射过程是通过对基带数字信号直接进行频谱搬移来实现 的，信号接收和发射过程中所需的本振信号均通过（基于锁相环路的）直接频率 合成的方式获得。该频率合成器包含一个全片上的LC型压控振荡器和一个90 度的移相器，用于产生同相和正交的本根信号。外接石英晶体为频率合成器提供 参考類率，同时也为芯片的数字电路提供系统时钟。 基于CC1101的无线通信电路如图3所示，其中，电容C124是糯合电容， 用于隔离直流：电容C121、C13引与电感L121、L131组成巴伦电路（平衡-不平 衡变换器)，用于12、13引脚的差分信号与单端射频信号间的转换：电容C122, C123与电感L122、L123组成低通型的LC透频网络，同时将输出阻抗匹配到 50O(依据芯片手册可知，433MHz顿率下，芯片射频端口的差分输出阻抗为 116+412):石英品振频事为26MHz:SI、S0,SCLK以及CSn组成的4线S川 接口用于配置和数据援冲器的访间
3 分输出端；引脚 1、2、7 和 20 组成串行外设接口（SPI）；3、6 引脚是通用数据 输出端，可用于出发微处理器（MCU）的相关中断。 图 2 CC1101 原理框图 为说明 CC1101 的工作原理，图 2 给出了该芯片内部的模块化原理框图。由 图可见，接收信号首先被低噪声放大器放大，随后经下变频处理，分解为同相（I） 和正交（Q）的中频信号。I、Q 两路信号分别通过模/数变换器解调为基带数字 信号。其间，自动增益控制（AGC）、信道滤波以及同步等功能模块均通过数字 的方式实现。信号的发射过程是通过对基带数字信号直接进行频谱搬移来实现 的。信号接收和发射过程中所需的本振信号均通过（基于锁相环路的）直接频率 合成的方式获得。该频率合成器包含一个全片上的 LC 型压控振荡器和一个 90 度的移相器，用于产生同相和正交的本振信号。外接石英晶体为频率合成器提供 参考频率，同时也为芯片的数字电路提供系统时钟。 基于 CC1101 的无线通信电路如图 3 所示。其中，电容 C124 是耦合电容， 用于隔离直流；电容 C121、C131 与电感 L121、L131 组成巴伦电路（平衡-不平 衡变换器），用于 12、13 引脚的差分信号与单端射频信号间的转换；电容 C122、 C123 与电感 L122、L123 组成低通型的 LC 选频网络，同时将输出阻抗匹配到 50Ω（依据芯片手册可知，433MHz 频率下，芯片射频端口的差分输出阻抗为 116+j41Ω）；石英晶振频率为 26MHz；SI、SO。SCLK 以及 CSn 组成的 4 线 SPI 接口用于配置和数据缓冲器的访问。 RF_N RF_P 低噪放大器 功率放大器 频率合成器 调 制 器 0 90 A/D A/D 解 调 器 前 向 纠 错 与 交 织 数 据 包 处 理 发 缓 冲 器 收 缓 冲 器 数 据 接 口 SCLK SO SI SCn GDO0 GDO2
1W-36N0wep内 R171 Aeenna .1 5000 CC1101 L1 G124 C122 L121 图3基于CC1101的433Mz无找通信电路原理图 依据上述电路图制作的无线传输模块，至少达到最低12s、最高00kbs 的信息传输速事。 三、产品原型 (一)产品简介 ·支持低功耗模式，通过对CC1101模块的合适配置，可将整板电流控制到最 低达到0.5uA: ·模块供电范围是1.83.6，极宽的供电范围满足电池供电要求 ●极小的尺寸，极远的传输距离，造就该模块不可替代的地位： (二)产品参数 表1cC1101通讯模块技术参数 序号 参数名称 参数植明细 1 核块尺寸 15幸28m(不含天线) 2 接口方式 2*42.54m,可使用万能板和杜邦线，硬件兼容nF201模块 3 供电电压 8N-3NC,满足电池供电需求 通信电平 7V-3.61C,0是指模块供电电压 实测距离 110▣1.2K和，条件：市区、空旷可视、30℃、阴天
4 图 3 基于 CC1101 的 433MHz 无线通信电路原理图 依据上述电路图制作的无线传输模块，至少达到最低 1.2kbps、最高 500kbps 的信息传输速率。 三、产品原型 （一）产品简介 ⚫ 支持低功耗模式，通过对 CC1101 模块的合适配置，可将整板电流控制到最 低达到 0.5uA； ⚫ 模块供电范围是 1.8-3.6V，极宽的供电范围满足电池供电要求； ⚫ 极小的尺寸，极远的传输距离，造就该模块不可替代的地位； （二）产品参数 表 1 CC1101 通讯模块技术参数 序号 参数名称 参数值明细 1 模块尺寸 15 * 28mm（不含天线） 2 接口方式 2*4*2.54mm，可使用万能板和杜邦线，硬件兼容 nRF24L01 模块 3 供电电压 1.8V-3.6VDC，满足电池供电需求 4 通信电平 0.7VDD-3.6VDC，VDD 是指模块供电电压 5 实测距离 410m~1.2Km，条件：市区、空旷可视、30℃、阴天
6 最大功率 10Ea,约合10ad 7 空中速率 1.2张-500，可通过软件调节。推荐使用低速 8 关断电莲 的0,5uA,测试条件：掉电柄式。V=30N 9 功率等缓 多领可调，详见0C1101于雨 10 发射电莲 最大峰值约29.24 11 接收电流 15MA,条件，3.0WC供电，速率1,2Nps 12 天线形式 1接口型天线 13 通信接口 标准SPI接口，模式0，通信速率高达1Obps 14 发射长度 单个数据包1-61字节 15 接收长度 单个数据包16例字节 16 5SI支持 支持5SI 17 接收灵敏度 -99dBa 18 工作温度 30-+85℃ 19 工作湿度 (90%相对混度 20 储存温度 40-+125℃ 21 工作顿段 387Ez-46z,可通过软件调节，推荐433士10Wz (三)使用简介 使用单片机S!总线对模块内部寄存器和O口进行访问和控制。达到数据 收发之目的，模块数据速率和收发频事可调。可灵活使用51,4VR,PIC等单片 机作为控制器，组成一个数据收发站点。 图4产品原型实物图
5 6 最大功率 10dBm，约合 10mW 7 空中速率 1.2K-500，可通过软件调节，推荐使用低速 8 关断电流 约 0.5uA，测试条件：掉电模式，VDD=3.0V 9 功率等级 多级可调，详见 CC1101 手册 10 发射电流 最大峰值约 29.2mA 11 接收电流 15MA，条件：3.0VDC 供电.速率 1.2Kbps 12 天线形式 SMA 接口型天线 13 通信接口 标准 SPI 接口，模式 0，通信速率高达 10Mbps 14 发射长度 单个数据包 1-64 字节 15 接收长度 单个数据包 1-64 字节 16 RSSI 支持 支持 RSSI 17 接收灵敏度 -99dBm 18 工作温度 -30 - +85℃ 19 工作湿度 <90%相对湿度 20 储存温度 -40 - +125℃ 21 工作频段 387MHz-464MHz，可通过软件调节，推荐 433±10MHz （三）使用简介 使用单片机 SPI 总线对模块内部寄存器和 IO 口进行访问和控制，达到数据 收发之目的，模块数据速率和收发频率可调。可灵活使用 51，AVR，PIC 等单片 机作为控制器，组成一个数据收发站点。 图 4 产品原型实物图