3.1 系統(tǒng)硬件設計

　　系統(tǒng)硬件部分主要由中繼層與現(xiàn)場儀表層兩部分組成。現(xiàn)場儀表層又分為控制器和遙控器。

　　中繼層主要由GPRS模塊和Si4432芯片組成。GPRS模塊選用Motorola公司的模塊G20.G20是該公司推出的內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的GSM/GPRS模塊，性能優(yōu)越，體積小巧，而且解決了GSM/GPRS模塊無線通信和數(shù)據(jù)傳輸終端的協(xié)議瓶頸和成本問題。該模塊廣泛應用于短信中心、GPRS監(jiān)控系統(tǒng)、無線POS機、無線抄表、車輛防盜等。G20通過UART與控制處理芯片進行通信，將數(shù)據(jù)信息與控制信號在控制器和上位機之間進行雙向傳遞。控制器中是由Si4432芯片通過SPI與單片機C8051F310通信，將數(shù)據(jù)信息與控制信號和控制層之間進行雙向的傳遞;同時通過另一路Si4432和遙控器之間進行數(shù)據(jù)交換。

　　無論集中器和控制器，還是控制器和遙控器的通信均是通過Si4432無線收發(fā)芯片來完成。所以為了將設計模塊化，減少工作量，針對Si4432設計了無線通信模塊。Si4432無線收發(fā)模塊如圖3所示。

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　　Si4432的13~16腳是標準的SPI接口，17腳(nIRQ)是中斷狀態(tài)輸出引腳。當FIFO溢出、有效的數(shù)據(jù)包發(fā)送或接收、CRC錯誤、檢測到前導位和同步字、上電復位等情況發(fā)生，且相應的中斷被使能時，17腳都會產(chǎn)生一個低電平以通知單片機有中斷產(chǎn)生。20腳(SDN)決定了Si4432芯片的工作狀態(tài)。當SDN接地(SDN=0)時，芯片處于常規(guī)工作模式;接高電平(SDN=1)時，芯片處于掉電模式。掉電模式下寄存器中的內(nèi)容會丟失，且不允許SPI訪問，但芯片的電流損耗只有10 nA,功耗很低，因此適合要求極低功耗的應用。在連接到電源后，在SDN的下降沿上電復位，根據(jù)指令轉(zhuǎn)換到其他工作模式。

　　單片機可以通過內(nèi)置SPI對Si4432的內(nèi)部寄存器進行讀寫操作，靈活配置各項參數(shù)。通過SPI接口完成對Si4432的初始化配置、讀寫數(shù)據(jù)、訪問FIFO等操作。使用4線SPI,即MOSI、MISO、SCK和nSEL.MOSI用于從單片機到Si4432的串行數(shù)據(jù)傳輸;MISO用于從Si4432到單片機的串行數(shù)據(jù)傳輸;SCK用于同步單片機和Si4432之間在MOSI和MISO線上的串行數(shù)據(jù)傳輸;nSEL作為片選信號，只有片選信號為低電平時，對Si44 32的操作才有效。

　　為了達到較好的通信效果，Si4432的接收低噪聲放大器匹配電路和發(fā)射功率放大器匹配電路的阻容參數(shù)，應嚴格按照數(shù)據(jù)手冊提供的參數(shù)選型。前端的分集式電路采用UPG2214TB,其VC1腳和VC2腳分別連接Si4432的GPIO1和GPIO2.通過這款交叉開關(guān)實現(xiàn)分集式天線發(fā)送和接收通道的自動切換。

　　3.2 系統(tǒng)軟件設計

　　軟件編程采用模塊化設計思想，系統(tǒng)中各主要功能模塊均編成獨立的函數(shù)由主程序調(diào)用，功能模塊包括：初始化程序(包括初始化C8051 F310、SPI、Si4432)、無線發(fā)送程序以及無線接收程序等。無線發(fā)送程序負責寫入數(shù)據(jù)載荷，并根據(jù)通信協(xié)議為數(shù)據(jù)載荷加上前導碼、同步字、數(shù)據(jù)載荷長度及CRC校驗字節(jié)，形成數(shù)據(jù)包將其發(fā)送出去;無線接收程序負責接收并檢驗數(shù)據(jù)包中的CRC字節(jié)，以確保接收到的數(shù)據(jù)的正確性。

　　3.2.1 初始化程序

　　初始化程序包括C8051F310的初始化、SPI的初始化，以及Si4432的關(guān)于無線收發(fā)頻率、工作模式、發(fā)射速率等內(nèi)部寄存器的初始化配置。

　　系統(tǒng)上電后，C8051F310處于默認狀態(tài)，根據(jù)系統(tǒng)功能需求重新進行初始化配置。C8051F310的數(shù)字交叉開關(guān)允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到端口I/O引腳，可通過設置交叉開關(guān)控制寄存器，將片內(nèi)資源配置到具體的I/O引腳上。這一特性允許用戶根據(jù)自己的特定應用選擇通用I/O端口和所需數(shù)字資源的組合，提高了應用的靈活性。本系統(tǒng)中，主要配置了SPI通信的4線，液晶LCD的數(shù)據(jù)線接口、控制線接口等。

　　初始化SPI時，可以通過塒SPI1CFG寄存器和SPI1CN寄存器的配置來選擇具體使用規(guī)則。這里，選擇主SPI,4線模式，時鐘極性為低電平，在時鐘上升沿時對數(shù)據(jù)采樣;通過配置SPI1CKR寄存器，可將同步時鐘頻率設為晶振頻率的1/4.

　　上電之初，Si4432也處于默認狀態(tài)，需要進行配置才能工作。Si4432有70多個寄存器需要配置，它們決定了Si4432的丁作模式，具體配置可以參考Si4432的數(shù)據(jù)手冊。Si4432的初始化是一個重要的部分，配置的恰當與否對系統(tǒng)最終的通信效果有很大的影響。主控制器C8051 F310通過SPI配置Si4432的1ch、1dh等寄存器，寫入相應的初始化RF控制字(主要是頻率、傳輸速度、傳輸方式等);通過配置33h、34h等寄存器來設置包的結(jié)構(gòu)、前導碼長度、同步字內(nèi)容等。本系統(tǒng)采用同步傳輸模式，以0x2DD4作為同步模式的標志碼，傳輸完同步字后才開始傳輸數(shù)據(jù)載荷。

　　3.2.2 無線發(fā)送程序

　　無線發(fā)送程序流程如圖4所示。完成C8051F310、SPI和Si4432的初始化后，配置寄存器寫入相應的初始化RF控制字。接下來，通過配置Si4432的寄存器3eh來設置包的長度，通過SPI連續(xù)寫寄存器7fh,往TX FIFO里寫入需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。然后打開"發(fā)送完中斷允許"標志，將其他中斷都禁止。當有數(shù)據(jù)包發(fā)送完時，引腳nIRQ會被拉低以產(chǎn)生一個低電平從而通知C8051F310數(shù)據(jù)包已發(fā)送完畢。完成中斷使能后，使能發(fā)送功能，數(shù)據(jù)開始發(fā)送。等待nIRQ引腳因中斷產(chǎn)生而使電平拉低，當nIRQ引腳變?yōu)榈蜁r讀取中斷狀態(tài)并拉高nIRQ,否則繼續(xù)等待。一次數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，進入下一次數(shù)據(jù)循環(huán)發(fā)送狀態(tài)。

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