实验十二433MHz无线通信实验-《物联网实验教程》成果

1.实验目的

本实验介绍了基于ATmega128和CC1000实现433MHz传感网节点的点到点无线通信方法。通过实验，使读者理解和掌握如何使用ATmega128控制CC1000进行点对点无线通信，并进一步了解如何实现自己的无线通信协议。

2.实验设备

（1）硬件

● 单片机实验母板（IOT-SCMMB）1套。

● IOT-NODE4331个。

● JTAG编程器1个。

● PC（含串口）1台。

（2）软件

● WinAVR20050214。

● AVRStudio4.18。

● 串口调试助手。

3.实验原理

433MHz无线通信实验是以在无线传感器网络中常用的CC1000芯片为基础完成的。该芯片具有良好的可配置性，非常适合于在实验环境下展示无线通信的原理。CC1000是根据Chipcon公司的SmartRF技术，在0.35μm CMOS工艺下制造的一种理想的超高频单片收发通信芯片。它的工作频带在315MHz、433MHz、868MHz及915MHz，但也很容易通过编程使其工作在300～1000MHz范围内。它具有低电压（2.3～3.6V），极低的功耗，可编程输出功率（-20～10dBm），高灵敏度（一般为-109dBm），小尺寸（TSSOP-28封装），集成了位同步器等特点。其FSK数据传输率可达72.8kbit/s，具有250Hz步长可编程频率能力，适用于跳频协议；主要工作参数能通过串行总线接口编程改变，使用非常灵活。

当调制数据时，CC1000能被设置成3种不同的数据形式，分别为同步NRZ模式、同步曼彻斯特码模式、异步传输（UART）模式。为了满足电池供电情况下严格的电源损耗要求，CC1000提供了十分方便的电源管理方法。通过MAIN寄存器控制低电平模式，有单独的位控制接收部分、发射部分、频率合成以及晶振。这种独立控制可用来优化在某个应用中最低可能达到的电流损耗。CC1000优良的性能使它应用于工业、科学及医疗等各个行业。

实验需要两个节点，433MHz无线传感器网络节点（IOT-NODE433）作为发送节点，开发套件作为接收节点。开始时两个节点将CC1000的状态设置为接收状态，发送节点通过时钟中断，定期地将CC1000的状态设置为发送状态，同时发送一个预定义的数据包（包括包头、包尾、有效载荷，有效载荷为main.c中定义的buff[4]），发送完毕转换为接收状态。

通信的初始化以及参数设置在CC1000.c中实现，主要包括：

1）通过CC1000HPLInit函数配置ATmega128单片机和CC1000交互的引脚方向和状态。

2）CC1000的主要工作参数的配置。图4-1为CC1000与ATmega128的连接方式。其中，单片机使用3个输出端与CC1000的3线串行接口（PDATA、PALE和PCLK）相连，配置CC1000的工作参数；使用SPI接口与CC1000进行数据发送和接收；另外，单片机能从引脚CHP_OUT监视频率的锁定状态，从引脚RSSI获取信号强度的输出。其中CC1000的主要工作参数配置过程为：当芯片供电时，首先进行复位（通过清零MAIN寄存器的RESET_N位）；然后对需要配置的寄存器进行编程。程序中各个寄存器的设置方法请参见CC1000的数据手册。本实验中写寄存器是通过函数CC1000HPLWrite实现的。其参数addr为要写入数据的寄存器的地址；data为要写入寄存器的数据。该函数先通过CC1000的PDATA引脚写入地址和读/写位，在此期间，PALE必须保持低电平，然后PALE置高，通过PDATA逐位地写入数据，PDATA在PCLK下降沿有效。

图4-1 CC1000与ATmega128的连接方式

函数实现代码如下：

3）CC1000发送或接收模式的设置也是通过向CC1000的相关寄存器写入所要求的值而实现的，如何设置请参见CC1000数据手册。

发送部分主要使用定时器来定时，并调用physical.c中提供的接口进行数据的发送，其主要流程如图4-2所示。

图4-2 CC1000数据发送的主要流程

当定时器溢出时，在其回调函数中调用物理层的physical.c模块进行数据发送。回调函数的代码如下：(www.xing528.com)

回调函数中调用的physical.c中的PhysicalTxPkt函数参数packet为要发送的数据包的地址，length为物理层要发送的字节数。该函数使物理层变为传送状态，调用radiocontrol.c的RadiocontrolStartTx（）函数进行数据包发送。其实现代码如下：

RadiocontrolStartTx（）函数首先关闭SPI中断，再判断CC1000的状态，若为睡眠则将其唤醒；然后将待发送的数据（包括导频字节和两个同步字节以及负载）写入SPI的SPDR寄存器；再打开SPI中断，通过SPI中断处理程序__attribute（（signal））__vector_17（）把SPDR寄存器的数据传入CC1000；最后CC1000在发送模式下将要发送的数据发送出去。该函数的代码如下：

CC1000接收到数据之后，触发单片机的中断进行数据的接收。接收部分的主要流程如图4-3所示。

图4-3 CC1000接收部分的主要流程

CC1000接收到数据就会产生由CC1000的时钟信号引发的SPI中断，使得单片机与CC1000同步，再根据CC1000状态进行相应的数据的发送和接收。SPI中断处理函数__attribute（（signal））__vector_17（）在检测到起始符号且同步完成之后，使射频控制进入接收状态，通过调用PhysicalStartSymDetected函数判断如果物理层处于空闲状态，则使物理层也转为接收状态。接下来根据偏移量取出字节，并调用PhysicalRxByteDone函数通知物理层处理接收到的字节。

4.实验内容

阅读CC1000数据手册，能够根据数据手册进行CC1000的配置并掌握CC1000数据收发程序的编写方法。

阅读ATmega128数据手册，学习ATmega128单片机SPI接口的使用方法，并能够使用ATmega128控制CC1000进行数据的收发。

5.实验步骤

1）启动WinAVR，建立一个base节点工程，编写代码，建立Makefile文件，并编译得到接收节点的.hex文件。

2）建立一个发送节点工程，编写代码，建立Makefile文件，并编译得到发送节点的.hex文件。

3）将接收和发送节点的.hex文件分别下载到开发板上和IOT-NODE433节点上。

4）将接收节点通过串口线和PC主机连接起来，PC主机运行串口调试助手（波特率设为57600bit/s），打开接收节点和发送节点，这时可以看到发送节点红色LED闪烁表示正在进行数据发送，接收节点蓝色LED闪烁表示正在进行数据接收。串口调试助手显示收到的类似“8E 04 FF EE DD 7E”格式的数据包。其中，8E为包头，7E为包尾，04FFEEDD为main.c中定义的负载数据uint8_tbuff[4]。

6.思考题

1）如何实现CRC-16校验？

2）简述使用AVR单片机SPI的步骤。

7.补充阅读

[1]徐勇军，安竹林，等.无线传感器网络实验教程[M].北京：北京理工大学出版社，2007.[2]ATmega128/LDatasheet.http：//www.atmel.com/.Atmel，2010.

[3]CC1000Datasheet.http：//www.ti.com/.Texas Instruments，2009.