【应用】无线收发芯片在一体式远程报警可燃气体检测系统中的应用

【摘要】本文主要从硬件和软件两方面介绍了，SILICON LABS公司为国内仪器仪表类行业量身定制的超高性价比的无线收发芯片Si4438，在一体式远程报警可燃气体检测系统中的应用。

可燃气体检测系统可应用于易燃易爆气体泄漏场所，该系统广泛使用于制药厂、化工厂、天然气管网、污水处理厂、氯气厂、乙炔厂、燃气站、锅楼房、酒店、厨房操作间等等存在可燃气体需要防爆的场所。同时要求该系统可以检测不同种类可燃气体的浓度ppm，快速响应，并触发各种设定比例门限的报警信号。

该系统主要分为上位机主控端和下位机数据采集端两大部分。下位机主要由可燃气体检测单元、信号处理单元、温湿度检测单元、MCU控制单元、无线收发单元构成；上位机主要由声/光报警显示单元、GSM短信报警通知单元、MCU主控单元、无线收发单元构成。可燃气体检测系统组成构架如图1所示。

图1：可燃气体检测系统组成构架

由图1可知，气体浓度信号是由可燃气体传感器产生微弱电信号，经过信号的采集放大且滤波处理，然后利用高性价比8bit单片机 EFM8和12bit A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号，收集处理采集到的数据然后通过无线收发芯片Si4438和主机进行通讯。根据用户需求的不同可能会增加一些特殊或者辅助功能，例如下位机的LCD显示，上位机的以太网（Wi-Fi）接入等等。本文主要针对无线传输模块在该系统中的应用展开介绍。

Si4438是Silicon Labs公司为国内仪器仪表类行业量身定制的超高性价比的无线收发芯片。

Si4438在可燃气体检测系统中的硬件设计
Si4438是针对仪器仪表行业425Mhz~525MHhz频率范围，从Si4463（支持的频率范围是119~1050MHz）裁剪过来降低成本定制应用的版本，硬件设计是完全兼容的，可以满足不同用户的需要直接进行互相替换。芯片外围电路4颗电感、7颗电容、30M晶体、射频开关（可选直连模式接收灵敏度会降低2dbm），RF射频链路包含开关最多只有12个器件组成，方便布局布线和硬件设计。

Si4438和MCU的接口采用4线SPI通讯，通讯速率可达10MHz。nIRQ提供芯片内部各种中断触发信号，SDN用来控制Shutdown功耗模式和芯片复位，最多只需要6根线和MCU进行连接实现基本的通讯功能。4个通用GPIO口可以用做开关控制、信号测试、直接透传、LDE收发显示等许多自定义功能。芯片封装QFN20芯片大小4x4mm，供电电压1.8~3.8V，最大发射电流75mA。图2是硬件设计原理：

图2：硬件设计原理图

可燃气体检测系统的软件设计
采用星型网络结构，两种主从机通讯方式。第一种，主机根据从机地址定时查询通讯方式，应用在对过程数据监控要求高的场合，从机数量不宜太多会影响有效报警数据的实时性；第二种，从机主动上发报警数据，始终监听网络空闲状态发送有效的报警数据。应用在只关心触发报警结果数据，从机数量相对较多，通讯数据量小，通讯频率非常低的场合。此外，结合第一、二种通讯方式，什么时候需要过程数据了通过晚间定时或者手动扫描一遍所有从机获取数据。

数据帧结构一般由帧头+同步字+包长度+从机地址+数据指令+CRC组成，用户可以根据自己需要自定义通讯协议。帧头用来检测识别无线信号常用的编解码方式是0101……或者1010……；同步字用来同步帧数据的起始；包长度描述变长数据帧要发送的数据包大小；从机地址描述从机的ID号；数据区是要收发的数据；CRC用来做数据区域的效验。

Si4438内部模式功能状态切换，单片机通过控制SDN引脚切换进入Shutdown模式；通过SPI和Si4438通讯即可进入SPI active模式；写入Sleep指令后不再进行SPI操作（包括查询CTS状态）可以进入Sleep模式；Ready、Txtune、RxTune是不同功耗和响应收发时间的三种模式，通过指令进行切换；Tx、Rx状态用来进行数据的发送、接受操作，通过指令进行切换。如下图所示：

图3：指令切换

WDS软件是厂家免费提供的无线芯片产品的开发工具，完全的界面化操作，方便快捷的开发方式深受研发工程师的青睐。让我们首先打开WDS软件选择Si4438配置项，再选择要使用的工程模板，配置工程内详细参数，然后就可以生成配置头文件或者整个工程的源代码。对软件开发人员来说，甚至不用去研究数据手册查阅寄存器功能和配置，就能快速开发完成应用所需的无线通信功能，能有效缩短开发周期，加快产品的市场投放。操作界面如图4所示。

图4：WDS软件 操作界面

Si4438芯片总简介
最后概括来说，Silicon Labs的Si4438是一款高性能，低电流消耗的无线收发器，覆盖了仪器仪表行业主要使用的425MHz~525MHz的Sub-GHz频段。该收发器是EZRadioPRO系列产品的一部分，其中包括完整的发射器、接收器和收发一体系列，还有集成MCU一体的8bit 8051内核SOC、32bit Cortex-M内核SOC等。具有出色的接收灵敏度（空旷环境下实测3.2km的通信距离490MHz、2.4kbps、4.8k Deviation、RSSi 65，通讯稳定且灵敏度还有较大余量）和低功耗特性，如下：

• 发送模式电流：75mA @+20dbm
• 准备发射模式电流：7.8mA
• 接收模式电流：13.7mA（<6mA @PSM）
• 准备接收模式电流：7.6mA
• Ready模式电流：1.8mA
• 休眠模式电流：740nA
• 待机模式电流：40nA
• 关断模式电流：30nA

在设计软件时我们可以依据所使用的功能模块的特点，让Si4438工作在不同的能耗模式下，实现产品实际电流的最大优化。

其他主要特性如下：
• 频率范围：425~525MHz
• 最大输出功率：+20dBm内部PA
• 接收灵敏度：-124dBm
• 调制方式：（G）FSK、OOK
• 数据速率：100bps to 500kbps
• 接收帧头传感器模式（PSM）：平均电流6mA @1.2kbps
• 快速唤醒、快速调频
• 支持天线分集和自动开关控制
• 卓越的选择性表现：58dB相邻信道，@1MHz 75dB阻塞。
• 支持无线唤醒WUT功能
• 集成AFC、AGC
• 符合IEEE802.15.4g标准
• 供电范围：1.8 to 3.8V
• 小体积20PIN QFN 4x4mm封装

在这里不宜长篇大论谈的过深过细，如果对无线芯片感兴趣或者是对应用有疑惑可以联系世强。