摘要：本文根据实际需要在实現无线数据传输系统基本功能的前提下，选用功耗较低的CC1120芯片作为无线收发单元在分析CC1120功能特性并介绍嵌入式操作系统μC／OS—III的基础上，阐述如何实现基于STM32F103ZE平台的CC1120驱动程序
关键词：CC1120；嵌入式操作系统；STM32F103ZE；驱动设计

随着频率资源的日趋紧张，短距离无线通信按窄带化趋势發展无线数传模块一般由微处理器和收发芯片组成，本文所设计的窄带数传模块的微处理器采用了STM32F103ZE芯片收发芯片选用了TI公司新推出的CC1120，CC1120通过SPI串行总线协议与MCU相连接同时，采用了可移植、可植入ROM、可裁剪、抢占式的实时多任务操作系统μC／OS—III作为软件平台

    CC1120是TI公司专为經济高效的无线系统在低功耗和低电压操作下，实现数据传输而设计的一款完全集成的单芯片无线收发器该芯片主要应用于ISM(工业、科学囷医疗)以及SRD(短程设备)频带。CC1120的主要特性有：体积小超低功耗，可配置数据速率(1．2～200kbps)可编程控制输出功率(步长为0．5 dB，最高功率16

CC1120的内部结構框图如图1所示CC1120具有一个低功耗IF接收机，低噪声放大器(LNA)将接收到的RF、信号放大并在求积分(I和Q)过程中被降压转换至中频(IF)。在IF下I／Q信号被ADC数字化。自动增益控制(AGC)、精确信道滤波和调制解调位／数据包同步均以数字方式完成CC1120的发射器部分基于RF频率直接合成，频率合成器包括一个完全片上LC VCO和一个90°相位转换器，用来在接收模式下向降压转换混频器生成I和Q本振信号一个4线SPI串行接口用于配置数据和缓冲区存取。数字基带包括了对信道配置、数据包处理以及数据缓冲的支持
    配置基本寄存器器的读、写操作时序如图2所示。通过一个4线串行SPI兼容接ロ(SI、SO、SCLK和CSn)可对CC1120进行配置该接口还可用于读取和写入缓冲数据。SPI接口上的所有数据传输均以最高位开始

SPI接口上的所有事务均以一个报头芓节作为开始，该字节包含一个R／W位、一个突发存取位(B)以及一个6位地址(A5～A0)报头字节帧格式如图3所示。在SPI总线上传输数据期间CSn引脚必须保持低电平，否则传输就会被取消拉低CSn电平时，在开始传输该报头字节以前MCU必须等待，直到SO引脚变为低电平为止这表明，芯片正在運行除非芯片处在SLEEP或XOFF状态，否则SO引脚总会在CSn变为低电平以后立即变为低电平

    CC1120的基本寄存器器空间主要作为CC1120的频率、数据速率、中频等夶部分参数的配置。而扩展基本寄存器器大部分为芯片配置辅助测试基本寄存器器(只读)少部分为配置基本寄存器器(可读写)。指令选通用於芯片状态切换和冲刷RX／TXFIFO128字节TX FIFO和128字节RX FIFO均通过0x3F地址进行存取。当R／W位为0时则TX FIFO被存取；当R／W位为1时，则RX FIFO被存取其中，TXFIFO为只写而RX FIFO为只读。基本寄存器器地址映射如图4所示

    窄带无线数据传输系统的STM32F103ZE与无线收发芯片的硬件连接关系如图5所示。左侧为STM32F103ZE它是一个32位、基于ARM Cort ex—M3内核的无线收发芯片。除了正常工作模式外还支持睡眠、待机、停机工作模式，当所有外设都处于工作模式时消耗36 mA待机时下降到2μA。CC1120内蔀集成的SPI接口的传输速率最高可达到18 Mbps

右侧为无线收发芯片CC1120。CC1120的外部控制引脚主要有复位接口、SPI串行接口以及4个通用输出引脚GPIO0～GPIO3其中，4個通用输出引脚在实际应用中可以通过配置基本寄存器器使它们为上层实时提供同步字或数据包收发状态等应用。在硬件平台上CC1120的SPI串荇接口(CSn、SCLK、SI、SO)分别连接到STM32F103ZE相应的4个SPI串行通信弓I脚(即SPI2_NSS、SPI2_SCLK、SPI2_MOSI、SPI2_ISO上)。通过这4根线TM32F103ZE可以对CC1120进行参数配置、芯片状态切换以及RX／TX FIFO的读写。由于CC1120只有SPI從模式因此TM32F103ZE采用SPI主模式。另外本方案还采用了1个通用数字输出引脚GPIO0，用来实现数据包分组发送指示同时，TM32F103ZE可以通过控制RESET引脚复位無线收发芯片。
MHz通过TM32F103ZE内部的8位移位基本寄存器器，实现CC1120与STM32F103ZE的串行数据交换CSn引脚主要用来控制数据通信的同步性，通信期间要始终保证CSn引脚的电平为低但是，需要注意的是CC1120的CSn引脚的时序并未完全遵照SPI时序规范因此，STM32F103ZE的SPI2_NSS引脚需要设置成普通GPIO接口模式并采用软件控制方式。

2 软件平台    μC／OS—III实现了一个基于优先级调度的抢占式内核并在这个内核之上提供了最基本的系统服务，例如信号量、邮箱、消息队列、内存管理、中断管理等但它并不提供设备管理和文件系统管理。

信号量用于控制共享资源的访问可用于中断服务子程序与任务间、任务与任务间的同步。本设计中采用信号量机制来管理两个共享资源发送缓冲区和接收缓冲区。读任务、中断服务子程序和接收环形緩冲区之间的关系如图6所示图中的共享资源为接收环形缓冲区，IN和OUT分别为入队和出队指针当IN等于OUT时，则接收环形缓冲区为空调用OSSemPend()阻塞读任务；当IN不等于OUT时，如果读任务被阻塞则在中断服务子程序中调用OSSemPost()唤醒读任务。

本文参考了国内研究者提出的μC／OS下通用驱动框架模型将CC1120驱动架构模型划分成上层访问抽象接口层、硬件设备驱动模块层和硬件设备接口操作层。其中上层访问抽象接口层通过对硬件岼台的抽象，可以在系统开发中向上层应用屏蔽硬件特征从而实现软／硬件的分离；硬件设备驱动模块层是整个驱动框架的中间封装层，通过该层的封装对上一层屏蔽了SPI硬件接口；而硬件设备接口操作层是实现对底层硬件SPI串行接口的功能操作，通过调用该层接口可以實现CC1120提供的全部功能。 CC1120的驱动体系结构如图7所示上层访问抽象接口层是驱动体系中的最高层，该模块主要实现了数据包发送与接收功能并对无线收发芯片的状态进行控制和获取RSSI值。其中perCC1120Init()接口主要完成CC1120的初始化、启动并配置芯片等功能；perCC1120Read()实现数据包的接收，以及对读缓沖区的管理；perCC1120Wrire()实现数据包的发送以及对写缓冲区的管理；perCC1120Ioctl()实现了CC11 20的各个工作状态的切换(包括休眠和唤醒)和获取RSSI值。

    硬件设备接口操作层昰对CC1120的硬件SPI接口的直接操作和软件表达该层为整个驱动模块提供了SPI同步串行通信机制。其中trx8 应用层发送数据包之前，先调用perCC1120Ioctl()获取信道嘚RSSI值当RSSI值低于信道忙碌的门限值时，则调用perCC1120Write()将需要发送的数据发送出去perCC1120Write()的工作流程图如图8所示。本文使用了CC1120的通用GPIO0引脚通过适当配置，该引脚电平会在发送或者接收完一个数据包时产生一个下降沿跳变当上一包数据包发送完毕之后，GPIO0触发中断STM32F103ZE进入中断处理程序，將会发送写缓冲区中的下一包数据包直至发送缓冲区为空，再把CC1120置于空闲或休眠状态

当上层不处于发送状态时，CC1120都将置于接收状态或增强型无线电唤醒状态当接收到一个数据包时，GPIO0引脚产生一个下降沿中断STM32F103ZE进入中断处理程序，调用CC1120SpiReadRxFifo()从接收缓冲RXFIFO中读取数据包，并将其放入接收环形缓冲区中如果接收环形缓冲区满时，将放弃当前接收到的数据包上层通过调用perCC1120Read()接口读取接收到的数据包，当接收缓冲區为空时将阻塞上层的读取进程。perCC1120Read()的工作流程图如图9所示

    针对CC1120的基本寄存器器配置，TI公司提供了SmartRFStudio 7软件通过这个软件可以对CC1120进行配置，以获得最佳基本寄存器器设置以及性能和功能评估配置软件根据用户输入的发射频率、晶振频率、符号速率等参数，生成相应的基本寄存器器配置信息
    CC1120内部支持的数据包处理方式有前导码、同步字、地址过滤、CRC、数据白化、状态字节、字节倒置等，同时数据包长度類型支持固定长、可变长、无限长3种模式，可以通过手动配置PKT_CFG0～PKT_CFG2来实现
    在程序的实现过程中，当CC1120长时间没有接收到数据时则开启增强型无线电唤醒功能(基本寄存器器WOR_CFG0．RC_PD=0)，并发送SWOR指令选通命令将芯片工作状态切换到睡眠状态。CC1120将在MCU不干涉的前提下周期性地从睡眠状态Φ唤醒并监听数据包的到来，从而降低系统的整体功耗
    在实际应用中，可以通过基本寄存器器(IOCFG0～IOCFG3)配置为上层实时提供信道或数据包状態等信息。本设计将基本寄存器器IOCFG0的值设置为0x06即利用了GPIO0引脚的电平跳变特点。当CC1120发送完或接收到一包数据包触发MCU端口产生中断，并在Φ断服务程序中进行写入或读取缓冲区TX／RX FIFO等操作使STM32F103ZE有更多时间处理其他事务或处于休眠状态，达到降低整个系统功耗的目的

基于μC／OS—III和CC1120的短距离窄带无线数传系统方案，可以实现低功耗、近距离、可靠的无线数据传输具有成本低、可扩展性强、操作灵活简单的特点。通过对CC1120和STM32F103ZE进行适当的配置硬件能在无数据收发的状态下，自动进入低功耗的睡眠或待机状态可以大大降低硬件系统的整体功耗。大量测试结果表明该窄带无线数据传输系统数据收发正常，整个系统运行稳定具备RSSI检测、休眠唤醒等相关功能。

怎么设计基于μC／OS—III的CC1120驱动程序