基于CC1101的车间无线通信系统设计_陈伟
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一个无线数据传输系统可由微控制器，单片射频收发 芯片以及少量辅助设备和显示设备构成[4]，无线传输系统结 构如图 1 所示。
该系统包括微处理器、无线收发模块、液晶显示模块 和外围的辅助模块。自车通过无线收发模块向其周围通信 范围内的其他车辆广播自己的行驶数据（包括位置、车速 和航向等）和接收并显示从其他车辆发来的数据，同理， 其他车辆也同样广播自己的数据和接收并显示来自他车的 数据，该系统实现了车间的双工通信。
图 1 无线传输系统结构
2 系统硬件设计
2.1 微处理器设计 微处理器选用 STC 公司最新第六代加密型 CPU——
STC12C5A60S2 单片机。该单片机将大量的外围模块整合到 单片机内，包括看门狗、两个串行通讯口（UART0、1）、 一个 SPI 口、一个 10 位 A/D 转换器、基本定时器（Basic Timer）等，同时具有 60 kB 的 ROM 和 1280 B 的 RAM，处理 速度比普通的 8051 快 8～12 倍，足够满足系统要求，且该 单片机具有简单实用、成本低，抗干扰能力强，功耗低等 特点[5]。STC12C5A60S2 单片机外围电路如图 2 所示。
图6 通信协议格式 长度：字头+长度+数据+校验，系统设为 21； 数据：系统中需要传输节点的经纬度、速度以及航向 等数据，预留 18 个字节； 校验：字头+长度+数据的累加，系统设为 0xAB。 3.3 系统初始化及SPI口初始化 系 统 上 电 之 后 ， 可 根 据 需 要 进 行 设 置 。 这 里 需 对 P1 口，P3口用到的引脚状态进行设置。当初始化SPI口时，可 以对SPCTL寄存器和SPSTAT寄存器根据具体要求设置。在这 里，选择主机模式，同步时钟频率为晶振频率的1/8,数据 字的最高位先传送，在时钟上升沿对数据进行采样。 SPI口初始化程序为：
3.1 总体流程图 该系统采用模块化设计方法，以便提高代码重复利用
率、便于调试排错，并易于扩展。该部分主要完成车辆数 据交换，并将接收的数据显示到液晶屏上。总体流程图如 图 5 所示。
数据包( crc )
发射端
接收端
图3 短距离无线通信示意 CC1101 是 Chipcon 公司最新的高性能无线通信芯片， 其电路主要设定为在 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 以 容 易 地 设 置 为 300 ～348 MHz 、 400 ～ 464 MHz 和
图2 CPU外围电路 2.2 无线收发模块设计
短距离无线收发模块包括无线发射器和无线接收器两 部分组成，其通信的基本原理是发射器的数据通过无线发 射出去，接收器天线接收后，进行处理，得到正确的、经 过检验的准确数据[6]。该模块的通信示意图如图 3 所示。
数据包 ( crc )
图 4 无线收发电路
3 系统软件设计
收稿日期：2011-07-27。 作者简介：陈 伟（1987-），女，硕士研究生，主要研究方向为汽车
电子；施国梁（1963-），男，博士，副教授，主要研究方 向为嵌入式系统应用与汽车电子。
42
1 总体系统概述
本系统关键技术在于无线数据传输技术的应用。微功 率短距离无线数据传输技术作为一种无线通信实用技术， 一般使用单片射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器 件构成专用或通用无线通信模块[3]，只需根据指令操作就可 实现数据无线传输功能。
该设计中 CCll01 通过对 4 线 SPI 接口(SI，SO，SCLK 和 CSn)和 GDO2 测试接口的配置进行工作。SPI 接口是一种 同步串行通信接口，CSn 是芯片选择引脚，当该引脚为低电 平时，SPI 接口可以通信，否则不能通信。SI 和 S0 为数据 传输引脚，SI 为数据输入，SO 为数据输出。SCLK 为同步时 钟，在时钟的上升沿或下降沿数据被写入或读出；若信道 中有数据，GDO2 脚电平跳变[7]。
【关键词】车间通信；无线数据传输；动静态性能；STC 单片机
【中图分类号】TN929.5
【文献标识码】A
【文章编号】1002-0802(2011)12-0042-03
Design on Inter-vehicle Wireless Communication System based on CCl101
void SpiInit(void) {
CSN=1; CSN=1;
SPCTL=0xd0;
//CPHA=0,CPOL=0
SPSTAT=0xc0; //清0标志位SPIF和WCOL
}
3.4 CCll01初始化 在上电之初，CCllO1处于默认状态，需要对相应的寄
存 器 进 行 设 置 才 能 工 作 。 CCll01 有 40 多 个 寄 存 器 需 要 配 置 ， 其 决 定 了 CCll01 的 工 作 模 式 ， 具 体 配 置 可 以 参 照 CCll01的详细参考资料。在设置寄存器值时，使用SPI接口 通信，该程序涉及单片机的SPSTAT、SPDAT等寄存器。首先 把欲配置的寄存器的地址或数据写入数据寄存器SPDAT中， 当检测到SPSTAT寄存器的SPIF位为高时，即数据寄存器已 空，数值发送完。参照上面提到的寄存器读写方式，可以 依次对CCll01内部寄存器进行配置。完成一个CC1101寄存 器设置的程序为：
图5 总体流程 43
3.2 无线通信协议 该系统将每辆车视为一个节点，每个节点都是对等的，
即每个节点是交替进入发送状态和接受状态的。在某段时间 内，A节点采用广播方式广播数据，此时，B节点发生中断并 接收数据，直到该数据通信结束；之后，发送节点和接受节 点状态交换，即是，B节点开始广播数据，A节点发生中断并 接受数据，以此继续下去。各发送节点采用不同的时间延迟 来间隔发送数据。通信协议格式如图6所示。
通过硬件的测试，验证整个系统静态和低速动态环境 下的实用性。
（1）静态性能 条件为：A、B、C三点都静止，之间相距一定距离。 结 果 ： 节 点 间 数 据 传 输 正 确 率 100% ， 最 大 延 时 小 于 10 ms，传输距离最大为240 m，通信稳定。因此，静态性 能符合应用要求。 （2）动态性能 条件为：A、B、C都以低速行驶，之间相距一定距离。 结 果 ： 节 点 间 数 据 传 输 正 确 率 99% ， 最 大 延 时 小 于 100 ms，传输距离最大220 m，通信稳定。因此该系统低速 动态性能较好。
在此,MCU 通过软件去设置各种射频参数和其他辅助功 能。在无需外加功放电路的情况下，可使其通讯距离达到 200 m 以上。该系统采用 433 MHz 频段，STC12C5a60S2 的 P1.4 、P1.5 、P1.6、 P1.7 引脚分别与 CC1101 的 SPI 口 的 CSn、SI、SO、SCLK 连接，对其进行寄存器配置和无线 数据收发控制；该单片机的 P3.2 脚与 CC1101 的 GDO2 脚连 接，当信道中有数据时，GDO2 脚电平跳变，单片机产生中 断并进行数据接收。无线收发电路如图 4 所示。
究，为其能够在车辆碰撞预警中应用做好前期的理论和试验研究。该系统是以单片机 STC12C5a60S2 为微处理器，基于无线
收发芯片 CC1101 的通信模块系统。对其工作原理和工作方式进行了分析，给出了其软硬件设计，阐述了通信模块的接口实
现过程，并在硬件测试中验证了所设计的系统在静态及低速动态环境中性能良好。
【Keywords】inter-vehicle communication; wireless data communication; static and dynamic properties; STC single chip microcomputer
0 引言
近年来汽车网络越来越受到人们的关注，无线通信技 术在消费电子的汽车化和更环保、更安全、更方便的驾车 环境的要求下不断应用和发展，尤其是如何能够提高驾车 安全、减少甚至排除交通事故已经成为当前一个重要的研 究课题[1]。而高精度、高可靠性、宽广的监测视角以及高性 价比的防碰撞系统成为迫在眉睫的需要。其中的关键问题 是快速、准确计算出汽车行驶的安全距离。而测距的方法 不同就会大大影响车辆的防碰撞控制。因此，这里提出了 一种通过无线通信技术实时的将车辆行驶数据发送给对方 的系统，从而通过算法得到准确的车间距离[2]。
2011 年第 12 期，第 44 卷 总第 240 期
通信技术 Communications Technology
Vol.44，No.12,2011 No.240,Totally
基于CC1101的车间无线通信系统设计
陈 伟， 施国梁
（苏州大学 电子信息学院，江苏 苏州 215006）
【摘 要】针对无线通信技术在车间通信方面的不断发展，提出了一种车间无线数据交换系统并对其动静态性能做出研
{
SPDAT=dat;
while(!(SPSTAT & 0x80));
SPSTAT=0xC0;
// SPIF写1清0
return SPDAT;
}Fra Baidu bibliotek
配置寄存器结束之后，CC1101处于等待状态，可以通过
STX和SRX指令使其进入发射或接收状态，进行数据传输。
4 试验结果
测试场景为：天气晴，测试地点为电子信息楼前的马 路上，将系统放在车上，即设置三个节点分别为A、B、C 三点。
void SpiWriteReg(char addr, char value)
{
CSN = 0;
while (MISO);
SpiComm(addr);
//写地址
44
SpiComm(value);
//写入配置
CSN = 1;
}
SpiComm()是SPI口发送一个字节的子程序：
char SpiComm(char dat)
800～928 MHz 的其他频率。CCl101 集成了一个高度可配置 的调制解调器，支持不同的调制格式，其数据传输率最高 可达 500 kb/s。通过开启集成在调制解调器上的前向误差 校正选项，能使性能得到提升。在发射状态下，其发射功 率可编程调节，其最大发射功率达到+10 dBm，且接收灵敏 度可达-110 dBm，抗干扰能力强，功耗较低。
CHEN Wei， SHI Guo-liang
（School of Electronics and Information Technologies, Soochow University, Suzhou Jiangsu 215006, China）
【Abstract】Considering unceasing development of the wireless communication technology in inter-vehicle communication, an inter-vehicle wireless data exchange system is proposed, and a study on the static and dynamic properties of the inter-vehicle wireless data communication module is done. Early theoretical and experimental research is aimed at using this technology on the vehicle collision warning system. This system implements wireless data transmission based on STC12C5a60S2 and CCll01. The design of hardware and software and the work principle of this system are given. The connection module is described emphaticaIly. The experiment indicates that this system is of good performance in static and low-dynamic environment.
该系统包括微处理器、无线收发模块、液晶显示模块 和外围的辅助模块。自车通过无线收发模块向其周围通信 范围内的其他车辆广播自己的行驶数据（包括位置、车速 和航向等）和接收并显示从其他车辆发来的数据，同理， 其他车辆也同样广播自己的数据和接收并显示来自他车的 数据，该系统实现了车间的双工通信。
图 1 无线传输系统结构
2 系统硬件设计
2.1 微处理器设计 微处理器选用 STC 公司最新第六代加密型 CPU——
STC12C5A60S2 单片机。该单片机将大量的外围模块整合到 单片机内，包括看门狗、两个串行通讯口（UART0、1）、 一个 SPI 口、一个 10 位 A/D 转换器、基本定时器（Basic Timer）等，同时具有 60 kB 的 ROM 和 1280 B 的 RAM，处理 速度比普通的 8051 快 8～12 倍，足够满足系统要求，且该 单片机具有简单实用、成本低，抗干扰能力强，功耗低等 特点[5]。STC12C5A60S2 单片机外围电路如图 2 所示。
图6 通信协议格式 长度：字头+长度+数据+校验，系统设为 21； 数据：系统中需要传输节点的经纬度、速度以及航向 等数据，预留 18 个字节； 校验：字头+长度+数据的累加，系统设为 0xAB。 3.3 系统初始化及SPI口初始化 系 统 上 电 之 后 ， 可 根 据 需 要 进 行 设 置 。 这 里 需 对 P1 口，P3口用到的引脚状态进行设置。当初始化SPI口时，可 以对SPCTL寄存器和SPSTAT寄存器根据具体要求设置。在这 里，选择主机模式，同步时钟频率为晶振频率的1/8,数据 字的最高位先传送，在时钟上升沿对数据进行采样。 SPI口初始化程序为：
3.1 总体流程图 该系统采用模块化设计方法，以便提高代码重复利用
率、便于调试排错，并易于扩展。该部分主要完成车辆数 据交换，并将接收的数据显示到液晶屏上。总体流程图如 图 5 所示。
数据包( crc )
发射端
接收端
图3 短距离无线通信示意 CC1101 是 Chipcon 公司最新的高性能无线通信芯片， 其电路主要设定为在 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 以 容 易 地 设 置 为 300 ～348 MHz 、 400 ～ 464 MHz 和
图2 CPU外围电路 2.2 无线收发模块设计
短距离无线收发模块包括无线发射器和无线接收器两 部分组成，其通信的基本原理是发射器的数据通过无线发 射出去，接收器天线接收后，进行处理，得到正确的、经 过检验的准确数据[6]。该模块的通信示意图如图 3 所示。
数据包 ( crc )
图 4 无线收发电路
3 系统软件设计
收稿日期：2011-07-27。 作者简介：陈 伟（1987-），女，硕士研究生，主要研究方向为汽车
电子；施国梁（1963-），男，博士，副教授，主要研究方 向为嵌入式系统应用与汽车电子。
42
1 总体系统概述
本系统关键技术在于无线数据传输技术的应用。微功 率短距离无线数据传输技术作为一种无线通信实用技术， 一般使用单片射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器 件构成专用或通用无线通信模块[3]，只需根据指令操作就可 实现数据无线传输功能。
该设计中 CCll01 通过对 4 线 SPI 接口(SI，SO，SCLK 和 CSn)和 GDO2 测试接口的配置进行工作。SPI 接口是一种 同步串行通信接口，CSn 是芯片选择引脚，当该引脚为低电 平时，SPI 接口可以通信，否则不能通信。SI 和 S0 为数据 传输引脚，SI 为数据输入，SO 为数据输出。SCLK 为同步时 钟，在时钟的上升沿或下降沿数据被写入或读出；若信道 中有数据，GDO2 脚电平跳变[7]。
【关键词】车间通信；无线数据传输；动静态性能；STC 单片机
【中图分类号】TN929.5
【文献标识码】A
【文章编号】1002-0802(2011)12-0042-03
Design on Inter-vehicle Wireless Communication System based on CCl101
void SpiInit(void) {
CSN=1; CSN=1;
SPCTL=0xd0;
//CPHA=0,CPOL=0
SPSTAT=0xc0; //清0标志位SPIF和WCOL
}
3.4 CCll01初始化 在上电之初，CCllO1处于默认状态，需要对相应的寄
存 器 进 行 设 置 才 能 工 作 。 CCll01 有 40 多 个 寄 存 器 需 要 配 置 ， 其 决 定 了 CCll01 的 工 作 模 式 ， 具 体 配 置 可 以 参 照 CCll01的详细参考资料。在设置寄存器值时，使用SPI接口 通信，该程序涉及单片机的SPSTAT、SPDAT等寄存器。首先 把欲配置的寄存器的地址或数据写入数据寄存器SPDAT中， 当检测到SPSTAT寄存器的SPIF位为高时，即数据寄存器已 空，数值发送完。参照上面提到的寄存器读写方式，可以 依次对CCll01内部寄存器进行配置。完成一个CC1101寄存 器设置的程序为：
图5 总体流程 43
3.2 无线通信协议 该系统将每辆车视为一个节点，每个节点都是对等的，
即每个节点是交替进入发送状态和接受状态的。在某段时间 内，A节点采用广播方式广播数据，此时，B节点发生中断并 接收数据，直到该数据通信结束；之后，发送节点和接受节 点状态交换，即是，B节点开始广播数据，A节点发生中断并 接受数据，以此继续下去。各发送节点采用不同的时间延迟 来间隔发送数据。通信协议格式如图6所示。
通过硬件的测试，验证整个系统静态和低速动态环境 下的实用性。
（1）静态性能 条件为：A、B、C三点都静止，之间相距一定距离。 结 果 ： 节 点 间 数 据 传 输 正 确 率 100% ， 最 大 延 时 小 于 10 ms，传输距离最大为240 m，通信稳定。因此，静态性 能符合应用要求。 （2）动态性能 条件为：A、B、C都以低速行驶，之间相距一定距离。 结 果 ： 节 点 间 数 据 传 输 正 确 率 99% ， 最 大 延 时 小 于 100 ms，传输距离最大220 m，通信稳定。因此该系统低速 动态性能较好。
在此,MCU 通过软件去设置各种射频参数和其他辅助功 能。在无需外加功放电路的情况下，可使其通讯距离达到 200 m 以上。该系统采用 433 MHz 频段，STC12C5a60S2 的 P1.4 、P1.5 、P1.6、 P1.7 引脚分别与 CC1101 的 SPI 口 的 CSn、SI、SO、SCLK 连接，对其进行寄存器配置和无线 数据收发控制；该单片机的 P3.2 脚与 CC1101 的 GDO2 脚连 接，当信道中有数据时，GDO2 脚电平跳变，单片机产生中 断并进行数据接收。无线收发电路如图 4 所示。
究，为其能够在车辆碰撞预警中应用做好前期的理论和试验研究。该系统是以单片机 STC12C5a60S2 为微处理器，基于无线
收发芯片 CC1101 的通信模块系统。对其工作原理和工作方式进行了分析，给出了其软硬件设计，阐述了通信模块的接口实
现过程，并在硬件测试中验证了所设计的系统在静态及低速动态环境中性能良好。
【Keywords】inter-vehicle communication; wireless data communication; static and dynamic properties; STC single chip microcomputer
0 引言
近年来汽车网络越来越受到人们的关注，无线通信技 术在消费电子的汽车化和更环保、更安全、更方便的驾车 环境的要求下不断应用和发展，尤其是如何能够提高驾车 安全、减少甚至排除交通事故已经成为当前一个重要的研 究课题[1]。而高精度、高可靠性、宽广的监测视角以及高性 价比的防碰撞系统成为迫在眉睫的需要。其中的关键问题 是快速、准确计算出汽车行驶的安全距离。而测距的方法 不同就会大大影响车辆的防碰撞控制。因此，这里提出了 一种通过无线通信技术实时的将车辆行驶数据发送给对方 的系统，从而通过算法得到准确的车间距离[2]。
2011 年第 12 期，第 44 卷 总第 240 期
通信技术 Communications Technology
Vol.44，No.12,2011 No.240,Totally
基于CC1101的车间无线通信系统设计
陈 伟， 施国梁
（苏州大学 电子信息学院，江苏 苏州 215006）
【摘 要】针对无线通信技术在车间通信方面的不断发展，提出了一种车间无线数据交换系统并对其动静态性能做出研
{
SPDAT=dat;
while(!(SPSTAT & 0x80));
SPSTAT=0xC0;
// SPIF写1清0
return SPDAT;
}Fra Baidu bibliotek
配置寄存器结束之后，CC1101处于等待状态，可以通过
STX和SRX指令使其进入发射或接收状态，进行数据传输。
4 试验结果
测试场景为：天气晴，测试地点为电子信息楼前的马 路上，将系统放在车上，即设置三个节点分别为A、B、C 三点。
void SpiWriteReg(char addr, char value)
{
CSN = 0;
while (MISO);
SpiComm(addr);
//写地址
44
SpiComm(value);
//写入配置
CSN = 1;
}
SpiComm()是SPI口发送一个字节的子程序：
char SpiComm(char dat)
800～928 MHz 的其他频率。CCl101 集成了一个高度可配置 的调制解调器，支持不同的调制格式，其数据传输率最高 可达 500 kb/s。通过开启集成在调制解调器上的前向误差 校正选项，能使性能得到提升。在发射状态下，其发射功 率可编程调节，其最大发射功率达到+10 dBm，且接收灵敏 度可达-110 dBm，抗干扰能力强，功耗较低。
CHEN Wei， SHI Guo-liang
（School of Electronics and Information Technologies, Soochow University, Suzhou Jiangsu 215006, China）
【Abstract】Considering unceasing development of the wireless communication technology in inter-vehicle communication, an inter-vehicle wireless data exchange system is proposed, and a study on the static and dynamic properties of the inter-vehicle wireless data communication module is done. Early theoretical and experimental research is aimed at using this technology on the vehicle collision warning system. This system implements wireless data transmission based on STC12C5a60S2 and CCll01. The design of hardware and software and the work principle of this system are given. The connection module is described emphaticaIly. The experiment indicates that this system is of good performance in static and low-dynamic environment.