CC1100可编程RF收发器的原理及开发

1 引言
    CC1100是Chipcon公司推出的一款低成本单片的UHF收发器，专为低功耗无线应用而设计，该RF收发器工作在315 MHz、433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM(工业，科学和医学)和SRD(短距离设备)频率波段，也可通过软件编程设置频率波段300 MHz～348 MHz、400 MHz～464 MHz和800 MHz～928 MHz。CC1100内部还集成了一个高度可配置的调制解调器，该调制解调器支持不同的调制格式，其数据传输率最高可达500 Kb/s。CC1100能为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供硬件支持。
    CC1100适用于AMR-自动仪表读数、电子消费产品、RKE-两路远程无键登录、低功率遥感勘测、住宅和建筑自动控制、无线警报和安全系统、工业监测和控制以及无线传感器网络等应用领域。

2 CC1100内部结构
    CC1100内部结构框图如图1所示。CC1100先通过低噪声放大器(LNA)对接收到的射频信号进行放大，然后再对信号的中间频率求积分向下转换。在中频，I/Q信号通过ADC进行数字化。CC1100的自动增益控制(AGC)，细微频率滤波和解调位/数据包同步均数字化工作。
 
图1 CC1100的内部结构
    CC1100发送器部分在RF频率直接合成的基础上实现其功能。RF频率合成器包含一个完整的片上LC压控振荡器(VCO)和一个对接收模式下的向下转换混频器产生I和Q的LO信号的90°相移装置。XOSC_Q1和XOSC-Q2之间连接晶体可产生合成器的参考频率，同时为数字部分和ADC提供时钟。CC1100的数字基带可支持频道配置、数据包处理及数据缓冲。

3 应用电路
    CC1100采用QLP 4mm×4mm封装，该器件共有20个引脚。图2是Chipcon公司推荐的CC1100应用电路，表1是应用电路采用的外部元件清单。CC1100应用电路所需外部元件根据工作频率不同而略有偏差。
 

    需要注意的是，应用电路中没有给出退耦电容。实际应用时，能量供给必须在靠近供给引脚处恰当地退耦。退耦电容器的放置及大小必须严格遵照Chipcon公司给出的参考设计以达到最优性能。

4 CC1100与MCU的接口
4.1 SPI总线接口
    如图2所示，CC1100通过4线SPI总线接口(SI、SO、SCLK和CSn)实现与单片机通信，CC1100工作在SPI的从模式，该模式同时用作写缓存数据。SPI接口上所有操作都包含一个读/写位，一个突发访问位和一个6位地址的头字节。
 
    地址和数据转换时，CSn引脚(低电平有效)必须保持低电平。如果在转换过程中CSn变为高电平，则转换取消。当CSn变低，在开始转换头字节之前，MCU必须一直等待，直到SO引脚变低。SO变低表明电压调制器已达到稳定。晶体正在工作中。除非器件处在SLEEP或XOFF状态，SO引脚在CSn变低之后总会立即变低。

4.2 CC1100内部寄存器配置
    单片机通过SPI总线读写CC1100内部寄存器地址为0X00～0X3F，实现功能设定及测试。其中，0X00～0X2E是配置寄存器地址，0X30～0X3F是状态寄存器和命令滤波地址。其中状态寄存器为只读，命令滤波为只写。当访问地址为0X30～0X3F时，读写位决定是对寄存器访问还是写命令滤波。利用突发访问实现对续地址单元的访问，但必须注意不能对状态寄存器进行突发访问。CC1100配置寄存器的读写操作时序如图3所示
(1)配置寄存器：对配置寄存器写入相应的设定值便可设定器件的工作状态。比如工作频率、波特率及通信带宽等。
(2)状态寄存器：读0X30～0X3F地址，可获悉器件工作状态，如CCA信息，RX是否溢出等。
(3)命令滤波：单片机往SPI接口上写0X30～0X3F的地址就可命令器件执行某个任务，如：器件重启、开启并校准频率合成器及启动RX/TX等。
 
图3 CC1100配置寄存器的读写操作时序

5 器件的工作状态
5.1 工作状态获取方式
(1)状态寄存器位
    获取器件工作状态方式是通过读取状态寄存器值来获得的.比如CCA、RSSI和LQI。
(2)附加的两字节状态字节
    除了通过读取状态寄存器值获得器件工作外还可通过相应设置，在接收端接收数据后通过接收附加的两个状态字节RSSI[7:0]、CRC_OK以及LQI[6:0]获取器件状态信息。
5.2 状态字节
    向器件引脚写头字节时，可以从SO引脚上读取器件状态字节：CHIP_RDYN+STATE[2:0]+FIFO_BYTE_AVAILABLE[3:0]
    CHIP_RDYN一直保持高电平直到电源和时钟达到稳定。从STATE[2:0]中可获悉当前主机的模式，比如：发送、接收、RX FIFO上溢及FX FIFO下溢等。从FIFO_BYTE_AVAILABLE[3:0]中可以得知当时TX FIFO的可用位数和自由位数。
5.3 GDO测试引脚
    通过对IOCFGX_GDOX寄存器写入相应值可得到不同的测试信号.如：前导质量到达标记、CCA状态、在侦测到同步词汇时产生一个中断触发信号、产生FIFO状态信号等。

6 常见问题及解决方案
6.1 电源噪声干扰
    RF电路对电源噪声干扰十分敏感.尤其是高次谐波和电压毛刺.当干扰严重时可导致RF器件无法正常工作。因此，含RF电路的PCB板在布板时需要十分小心.电源部分一定要加耦合电路.而且最好不要采用自动布线.以保证器件可靠接地。
6.2 RF通信异常
    实验时经常会发现CC1100之间通信异常现象，原因是接收方RXFIFO溢出后RF无法再接收新的数据。首先，初始化RF时应关闭中断，然后在接收失败时清空RXFIFO就能解决此问题。

7 结束语
    CC1100支持2FSK、GFSK、ASK、MSK 调制方式.适合跳频(具有高速频率合成器)，具有高灵敏度(1.2 Kb/s下-110 dBm，1％包误差)、低电流(RX下15.6 mA，2.4 Kb/s，433 MHz)、可编程输出功率(对所有频率支持-30 dBm~+10 dBm)、电磁波激活(WOR)等强大的功能特性，极大满足了短距离微功率的无线通信需求，将广泛应用于ISM(工业，科学和医学)和SRD(短距离设备)中。。