基于STM8及UHF RF收发器SX1231的无线射频收发系统设计

系统软件设计

系统中各主要功能模块均编成独立的函数由主程序调用。功能模块包括：初始化程序（包括初始化STM8L151K2、SX1231）、无线发送程序、无线接收程序等。无线发送程序负责写入数据载荷到SX1231，并根据通信协议来配置芯片的前导码、同步字及CRC校验码，最后SX1231把其组装成数据包将其发送出去；无线接收程序负责接收并处理数据。首先，SX1231接收到一个完整的数据包，之后逐步的把前导码、同步字以及CRC码去除，最后MCU从其FIFO中取出有效数据。

无线收发模块之间的通信是以数据包的形式发送的，本系统定义的数据包格式如表2所示。

表2 本文系统定义的数据包格式

其中，Preamble(前导码)是一连串的10101010（0XAA）或01010101（0X55），其数量为0~655635字节，具体几个字节可以根据应用的需要来设定。前导码主要用来进行帧同步，接收机主要依靠前导码来进行有用信号识别，完成频率控制，以及自动增益控制、信号强度判断等动作以确保用最佳的状态接收正确的数据。SyncWord(同步字)在前导码之后，通过设定好的同步字来作为同步模式的标志码，也可以作为一个网络的ID，相同网络的设备用相同的同步码。而接下来的地址码（Address）可以作为网络内每个设备的ID，如果数据包中的地址于本设备的地址相同，则接收数据，否则不予处理。有效载荷（Message）是真正需要传输的数据。最后是CRC校验码，由芯片自动完成。

初始化程序

初始化程序包括STM8L151K2的初始化以及SX1231的收发频率、工作模式、调制方式、数据速率以及数据包处理等寄存器的初始化配置。

系统上电后，STM8L151K2处于默认状态，根据系统功能需求重新进行初始化配置。SX1231也处于默认状态，需要进行配置才能工作。SX1231的初始化是一个重要的部分，正确的配置对系统最终的通信性能有很大的影响。

数据发送程序

无线发送程序流程如图3所示。完成STM8L151K2、SX1231的初始化后，配置寄存器写入相应的初始化RF控制字；然后通过SPI连续写寄存器向TX FIFO内写入需要发送的数据；再切换到发射模式。当数据发送完后，PacketSent寄存器置1，同时映射的DIO PIN会变成高电平通知MCU数据包发送完成。然后写数据到FIFO，发送，如此循环。直到所有数据发送完成，进入Sleep模式。

图3 数据收发流程图

数据接收程序

程序完成STM8L151K2、SX1231的初始化后，配置寄存器写入相应的初始化RF控制字，把SX1231配置为接收状态。检测PayloadReady为高电平时，表明已经收到数据，然后MCU从FIFO中读取数据，并进行处理。如此循环直至完成接收。

系统测试结果

系统测试条件及设置

该部分为本系统测试时的设置，根据不同的应用需求，部分设置可用作相应的变动。
•电源电压：3.3V
•频率：868.3MHz
•数据速率：4.8kbps
•频偏：5.0kHz
•接收机带宽：10kHz
•数据类型：PN15
•功率设定：4dBm

测试结果

发射功率
从图4中可以看到，发射功率为6.86dBm。低于5mW（7dBm）的规范要求。

图4 发射功率

载波频率容限：100x10-6
从图5中可以看出，设置为868.3MHz输出，实际测量的频率为868.2960MHz，则频率偏差为(（868.30-868.296）MHz/868MHz)=4.6×10-6，小于规定的载波频率容限100×10-6。

图5 载波频率容限

发射信号的占空比限值：1%
发射信号的占空比通常指在一定时间内，发射信号的时间与未发射信号的时间比值。这主要取决于应用的要求，但是对类似短距离无线通信，发射器的发射的时间是非常的小，适合于各种控制类应用。如抄表的应用中，每个月抄表一次，而且每次发射的时间都小于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

对于25kHz的信道间隔，允许的占用带宽为8.5kHz~16kHz之间。从图6的结果中可以看到，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。

接收灵敏度

接收灵敏度是-113.4dBm@0.1%。整个系统的接收链路预算为120.2dB。通信距离可以达到600m左右。
从测试结果可看出该系统具有很好的性能，精准的频率控制，高的接收灵敏度，可以满足于宽带的应用要求，而且结果也表明完全适合于窄带应用。完全满足于中国年微功率（短距离）无线电应用对于868MHz~868.6MHz频段的规范要求。在本系统的基础上，稍作改变就可适用于不同的应用环境。