CC1020的点对多点无线组网研究

引 言
    在近距离无线数据采集与自动控制系统中，往往需要组成点对多点的系统，即一个主机与多个从机的系统，如图1所示。在这样的系统中，主机作为整个系统的控制中心，负责发送指令和接收数据；从机被动地接收主机的指令，收到指令后，首先确定指令的类型，然后开始相应的工作。例如在无线数据采集系统中，主机负责选择需要的从机，并启动从机进行数据采集，然后接收从机采集到的数据；从机则根据接收到的主机发给自己的指令，启动数据采集并发送数据给主机，
或停止工作。

    点对多点的无线系统对无线传输提出了双向通信的要求，即主机和从机都可以进行发射与接收，并且相互之间协调有序，不会产生冲突和干扰。其实现方式有多种，本文从基于无线收发芯片CCl020实现这种点对多点无线系统出发，详细论述了该系统的3种简单实现方式。

1 基于CCl020实现点对多点系统
1．1 CCl020概述
    CCl020是为极低功率、极低电压的无线应用而设计的单片UHF收发芯片。电路主要应用于402、424、426、429、433、447、449、469、868和915 MHz的ISM和SRD频带，也可以通过编程工作于402～470 MHz和804～940 MHz的其他频率。
    CCl020电源电压为2．3～3．6 V，有接收、发射和低功耗3种模式。在接收模式下，电流消耗为17 mA。CCl020尤其适用于信道间距为12．5 kHz或25 kHz的窄带系统。在12．5 kHz带宽的信道中，灵敏度可达一119 dBm，数据速率高达153．6 kbps。CCl020具有ASK、FSK和GFSK三种数据调制方式，有数字接收信号强度指示器、载波检测指示器和镜像抑制混频器，无需温度补偿晶体振荡器(TCXO)即可补偿晶体温度漂移。
    在典型应用系统中，CCl020与单片机和少量外部无源元件结合使用。图2为CCl020与单片机AT89C2051连接的电路示意图。图中DVDD与AVDD均为3 V。

    CCl020的工作是建立在对其33个可编程配置寄存器进行编程基础上的，33个配置数据可由SmartRF Studio软件根据参数选取的不同生成最佳搭配值，再根据自己的实际需要调整个别寄存器的参数。
    单片机使用3或4个I／0引脚与CCl020的结构配置SPI兼容接口(PDI，PDO，PCLK和PSEL)连接。PD0接单片机的输入，PDI、PCLK和PSEL接单片机的输出。如果PDI和PD0连接在一起，则可以节省一个I／0引脚，此时单片机使用一个双向引脚。单片机的一个双向引脚与CCl020的DIO引脚连接，用于数据的发射和接收(输入与输出)。DCLK提供数据时钟，必须连接到单片机的一个输入端。当工作在同步模式时，根据DCLK引脚端提供的同步时钟从DIO引脚进行数据的收发。
    在点对多点系统的实现中，重点在于对CCl020的结构配置与收发软件的设计上。
1．2 基于地址码的点对多点系统
    点对多点系统中从机与主机的交流可以通过地址码的形式来实现，地址码包含在数据帧中。最简单的数据帧形式如下：

    Lead为引导字节(即同步码)，通过测试和试验发现，OxFF后跟OxAA、Ox55在噪声中不容易发生，接收协议规定只接收以OxFF后跟OxAA、0x55开始的包；Address为从机地址码；地址码后跟规定字节的数据；CheckSum为数据帧校验字节。
    工作时，主机根据所选的从机改变地址码，紧跟着发送指令数据；从机则在识别到同步码后，首先根据地址码判断此数据帧是否是发给自己的，然后相应地选择放弃或接收。从机发送、主机接收的协议与此类似。图3与图4分别给出了基于CCl020使用地址码应用于点对多点无线数据采集系统的主从机软件工作流程。

    该方式下，从机的个数取决于地址码的大小。使用一个字节时可以连接256个从机，从机个数较少，但扩展比较容易。需要增加从机个数时可以增加所使用地址码的字节数，每增加一个字节的地址，从机个数扩展28倍，扩展时所需工作量也不大。
    使用地址码方式实现的点对多点系统，由于主机与所有从机之间使用相同频率的信道，在同一时间只能有一个从机工作，因此主机在从机之间选择切换时，必须将前一个从机关闭，否则两个从机发生干扰而导致系统无法工作。
1．3 基于工作频率的点对多点系统
    CCl020的工作频率是通过对配置寄存器的频率字编程来设置的。2个频率字寄存器FREQ_A和FREQ_B能被设置成不同的2个频率。为了在发射模式与接收模式之间快速切换，一个频率字寄存器用于接收(本振频率)，另一个用于发射(发射载波频率)。它们也可以用于发射(或接收)的两个不同信道。
    利用CCl020工作频率可编程的特性，可以实现多信道的点对多点系统。主机的工作频率根据选择的从机的不同而进行改变，每个从机工作在各自的频率下。
    软件实现时，由于多信道是基于工作频率建立主机与从机互连的，所以在收发中不需要使用地址码。当主机在从机间进行切换时，只需要改变频率字寄存器FREQ_A和FREQ_B的内容就可以了。其他的工作流程与图3和图4中使用地址码的工作流程基本相同。
    由工作频率实现的点对多点系统能够连接的从机数，取决于使用的工作频带与信道带宽。当工作在402～470MHz、信道带宽为25 kHz时，理论上可连接的从机数最多为2 720个。该方式下从机数的扩展有限，而且增加从机的个数将大大增加工作量，但是由于各个从机所占用的工作频率不同，即使有多个从机同时工作，彼此之间也不会相互干扰。
1．4 基于地址码与工作频率组合的点对多点系统
    在分别使用地址码和工作频率实现点对多点系统的基础上，可以实现工作频率+地址码组合的点对多点系统。也就是说，连接的从机分成多组，各组从机分别使用不同的频率；组内从机使用相同的频率，通过地址码进行区别。
    软件实现时，只需要在图3与图4所示的流程中，增加改变频率字寄存器FREQ_A和FREQ_B内容的步骤来实现信道切换就可以了。

    这种方式下可连接的从机数为：频率信道数×地址码数。例如，工作在402～470 MHz、信道带宽为25 kHz、使用一字节地址码时，可连接的从机数为：2 720×256=696 320，大大地增加了可连接的从机个数。同样，随着频率信道数的增加，工作量显著增加。

2 总 结
    本文论述了基于CCl020实现点对多点系统的3种方式。这3种方式属于固定预分配方式，但都足够满足简单无线通信的需求；从机扩展的实现难易各不相同，使用地址码最容易进行扩展，另外两种方式从机扩展难度依次有所增加，但却有各自的优点与应用领域。3种方式的区别主要在于主从机信道的建立上，信道建立后的控制流程则基本相同。
    这3种点对多点系统的实现方式虽然是基于CCl020的，但却适合于所有采用无线收发芯片建立的系统。其中，使用地址码的方式对于所有数字通信系统普遍适用，另外两种方式则取决于收发芯片的频率可编程特性。具体采用何种方式应根据系统的实际需求而定。