（上海東軟載波微電子有限公司  200030

0 引言

HW2181B 是一款高集成度的2.4 GHz ISM頻段無線SoC芯片，可應用于無線航模、智能家居、以及其它無線數據傳輸和遠程控制等領域。片上集成高性能、低功耗的RF收發器和32位MCU(單片機)。本設計采用HW2181B SoC單片機作為航模無線遙控通信系統的核心芯片，在單片機的控制下實現航模無線遙控通信系統的遙控器端與接收器端的數據傳輸及2.4G 通信頻道的自動跳頻，有效地改善了通信質量和通信距離。

1 HW2181B簡介

HW2181B是一款高集成度的2.4 GHz ISM頻段無線SoC芯片，片上集成高性能、低功耗的RF收發器和32位MCU。工作電壓范圍：2.2~3.6V，工作主頻最高48 MHz，

片上RF收發器的外圍電路簡單，只需少數外圍被動器件即可構成完整的2.4 GHz無線收發系統。RF 收發器發射功率最大可以到8 dBm ，接收靈敏度可達到-93 dBm@250 kbps、-89 dBm@1Mbps。

片上 MCU內部集成32位ARM Cortex-M0 CPU內核，具備36 kB的Flash程序存儲空間。

HW2181B單片機系統框圖如圖1所示。

圖1 HW2181B單片機系統框圖

2 RF收發器介紹

RF收發器特性：使用國際通用的2.4 GHz ISM工作頻段(2 402~2 483) MHz，支持GFSK 調制方式，支持250 kbps / 1 Mbps 兩種數據速率，支持數字 RSSI 測量，支持4 PIPE 多邏輯通道傳輸。

2.1 RF收發器工作模式如圖2所示。

圖2 RF收發器工作模式

當使能RF收發器DBUS_TXEN并且發送FIFO處于有效狀態后，RF收發器進入TX模式。在發送完成之后，RF收發器進入IDLE模式，關閉DBUS_TXEN后，RF收發器進入SLEEP模式。

當使能RF收發器DBUS_RXEN并且接收FIFO處于有效狀態后，RF收發器進入RX模式。若FIFO為占用狀態不滿足接收條件時，RF收發器進入IDLE模式，關閉DBUS_RXEN后，

RF收發器進入SLEEP模式。

2.2 RF收發器數據包

結構如圖3所示。

圖3 RF收發器數據包結構

Preamble

支 持 2,4,6…16bytes, 長 度 可 通 過 寄 存 器 PREAMBLE_LEN （ PKTCTRL 寄 存 器 的Bit15-Bit13）配置。

PIPE Address(Syncword)

支持16/32/48 bit, 長度可通過寄存器 SYNCWORD_LEN（PKTCTRL 寄存器的 Bit12-Bit11）

配置。支持4路數據通道，PIPE Address 可通過寄存器0x40~0x47配置。

Trailer

支持 4~18 bit, 長度可通過 TRAILER_LEN（PKTCTRL 寄存器的 Bit10-Bit8）配置。

PID

PID 長度為2 bit，發送時由硬件自動產生。 PTX 每發送1次新的數據包 PID 將自動加‘1’。

PRX 針對當前接收的 PIPE 地址，依據 PID 與 CRC 值確定當前包為新接收包或重傳包（重

傳包會被丟棄）。PTX 若重發超時，在下一次重新發送時 PID 不累加。

NOACK

此指示位用于當 ACK 功能使能時，PTX 告知 PRX 當前包無需 ACK 的特例情況?？梢酝ㄟ^

PTX_FIFOn_NOACK（FIFOnCTRL 寄存器的 Bit4）進行設置。

PAYLOAD

硬件鏈路控制方式下，每級 FIFO 最大支持 63bytes 的 PAYLOAD，非定長模式 FIFO 的第1個 byte 代表 PAYLOAD 的長度，定長模式 PAYLOAD 長度由寄存器 FIX_PLD_LEN 配置。

軟件鏈路控制方式下，PAYLOAD 的長度由主控 MCU 芯片決定。

CRC

硬件鏈路控制方式下，支持 CRC16 與 CRC8 兩種模式，可通過 CRC_SEL（MISC1 寄存器

的 Bit14）配置。

CRC16 生成多項式為：x 16 +x 12 +x 5 +1

CRC8 生成多項式為 ：x 8 +x 2 +x+1

軟件鏈路控制方式下不支持硬件 CRC 功能。

3 系統硬件設計

3.1 原理圖設計

HW2181B 是一款高集成度的 2.4 GHz 無線SoC 芯片，片上集成高性能、低功耗的射頻收發器和32位MCU。片上射頻收發器的外圍電路簡單，只需少數外圍被動器件即可構成完整的2.4 GHz無線收發系統。HW2181B無線收發系統原理圖如圖4所示。

圖4 HW2181B無線遙控通信系統原理圖

HW2181B 應用電路主要由晶體振蕩電路、射頻匹配網絡、電源去耦網絡和數字 I/O 四部分構成。

晶體振蕩電路支持 12 MHz、16 MHz 無源晶振。根據應用需求的不同，晶振選取原則如下：晶振的頻率公差（Frequency Tolerance）越小，收發兩端之間的頻率差越小，則遠距離通信成功率將顯著提高。因此遠距離應用請盡量選用公差小的無源晶振，推薦使用公差±10 ppm(10-6) 的無源晶振。晶振兩邊的負載電容 C7 和 C8 一般不需要焊接，只有在一些對頻率要求比較苛刻的應用，才需要增加電容進行微調。電容越大則晶振頻率越低，但需要注意的是，電容太大會導致晶振不振，由于不同廠家的晶振參數不同，所以具體取值要通過實際調試來確定。

射頻前端匹配網絡主要完成射頻信號諧波抑制、天線端阻抗匹配等功能，該部分元器件選型對通信將產生較大影響。因此，C1、C2請盡量選用高頻性能好，精度高、穩定性高的電容，推薦用材質為 NP0（C0G）的電容，至少也要用 X7R 電容。      

外圍電源去耦電容 C4、C6 和 C9，可以濾除電源上的干擾信號。其中，特別需要注意的是 C6，建議最小取值 10uF，對于一些干擾很大的應用，建議增加到 22 μF 以上。C4和 C9一般取0.1 μF即可。需要注意的是 C5，是芯片內部數字模塊的濾波電容，推薦焊接，可以增強數字電路的穩定性。C3 是內部射頻模塊的濾波電容，一般不用焊接。

3.2   PCB設計

HW2181B 2.4 GHz無線通信系統對PCB(印制板)設計有比較高的要求，設計不好會影響通信距離。本設計PCB 如圖5所示。

圖5 HW2181B無線遙控通信系統PCB

射頻 PCB 對于布局和布線都有一定的要求，注意事項如下。

1)   需要特別注意的是ANT 腳有直流電壓輸出，所以推薦使用電容方案，此方案可以外接 PCB天線和導線天線。

2)   芯片底部中間的大焊盤（EP）腳必須接地，建議在此焊盤上添加 9 個均勻排列的接地過孔。推薦過孔尺寸為 0.3 mm，減小漏錫的風險。3 腳和 5 腳不需要和底部大焊盤連接，主要用于射頻信號隔離。

3)   射頻器件必須優先布局布線。C1 和 C2 是射頻匹配元件，必須盡可能靠近芯片的 ANT腳（PIN4），推薦的布局方式是 C1 垂直放置，C2 水平放置。射頻電路（包括射頻走線、器件和天線接口）周圍都要包地，并均勻放置一些接地過孔。

4)   C4 和 C6 是芯片電源的濾波電容，是系統穩定工作的保證，不能省略。

特別是和芯片 PIN1和 PIN2 連接的 C6，應該選取大容量電容，建議最小取值為 10 μF，推薦 22 μF 以上。C5 推薦焊接，可以增強芯片的可靠性。C3 電容一般不需要焊接，可以在PCB板上預留位置。

5)   芯片內部RF收發器的電源管腳是PIN1、PIN2、PIN9，MCU的電源管腳是PIN36，它們在內部無連接，所以需要在外部連接到電源上。RF 收發器的電源線可以在芯片管腳和中間大焊盤（EP）之間的區域之間走線（見圖中的高亮線），由于是在芯片底部，為了避免短路，需要在電源走線上增加一層絲印保護。電源線盡量不要在底層走線，以免破壞底層地平面的完整性。

6)   晶振兩邊的C7和C8電容一般不需要焊接，只有在需要調整晶振頻率時才使用，可以在PCB板上預留位置。

4   遙控器和接收器通信算法概述

1)  系統根據遙控器端產生的5個隨機地址碼及1-16組成的數進行哈希運算，在80個頻點中生成1個含16個頻點的跳頻表，跳動時間間隔為15 ms，精度為±500 μs，采用hash 算法算出此跳頻表，預先存儲1個16個頻點的hash table在遙控器端，對碼時傳給接收器端，接收器端進行表的存儲。

2)  遙控器端和接收器端對碼時均使用同一個16個頻點的table，同時存儲在遙控器端和接收器端。

3)  接收器端通過依次停留在跳頻表的每個頻點搜索遙控器端數據，每頻點最多停16×15 ms+2 ms=242 ms，收不到再依次切換到下一個頻點，收到后即按跳頻表跳動，同時進行時間同步清零操作。接收器端在計算出的監聽點+2 ms區間內監聽，收到后即進行同步清零，沒收到計算下一頻點時間并等候。

5   結語

本文介紹的基于HW2181B SOC MCU航模無線遙控通信系統的設計與實現具有很好的實用價值和成本優勢。特別是本設計采用的通信跳頻算法，提高了系統的抗干擾能力，有效地改善了通信質量。基于HW2181B方案的航模無線遙控通信系統在眾多航模產品研發企業中得到廣泛的應用，獲得開發工程師的一致好評。

參考文獻：

[1] 上海東軟載波微電子有限公司.HW2181B數據手冊[Z].

[2] 上海東軟載波微電子有限公司.東軟載波單片機應用系統[M].北京:北京航空航天大學出版社,2017.

（注：本文刊登于《電子產品世界》雜志2020年11期）