无线数据收发系统论文

天津工程师范学院 2006 届毕业设计(论文)11 引言伴随着短距离、低功率无线数据传输技术的成熟，无线数据传输被越来越多地应用到新的领域。与有线通信方式相比，无线通信以其不需铺设明线，使用便捷等一系列优点，在现代通信领域占重要地位。但以往的无线产品存在范围和方向上的局限。例如，一些无线产品在使用时，无法将信息反馈给控制者；还有一些无线产品不能很好地显示参数或状态信息，如果能在系统中增加一块小型液晶显示电路，产品不仅能向用户显示其状态或状态的改变，而且可以大大降低成本。正如人们所发现的，只要建立双向无线通信-双工通信并且选择成本低的收发芯片，就会出现许多新应用。本次设计主要是利用无线收发电路，加上单片机控制与液晶显示制成一套完整的数据收发系统。考虑到目前市场上的一些需求，设计的主要要求是方案成本低，体积小，低功耗，集成度高，尽量无需调外部元件，传输时间短，接口简单。nRF401 是国外最新推出的单片无线收发一体芯片，它在一个 20 脚的芯片中包括了高频发射、高频接收、PLL 合成、FSK 调制、多频道切换等功能，并且外围元件少，便于设计生产，功耗极低，集成度高，是目前集成度较高的无线数传产品，它为低速率低成本的无线技术提出了解决方案。2 无线数据收发系统2.1 系统组成无线数据传输系统有点对点，点对多点和多点对多点三种。本系统由于实际应用的需要，接收器和数据终端之间的数据传输通过 nRF401 进行，构成点对点无线数据传输系统。整个系统中，两数据终端之间的无线通信采用 433MHz 的频段作为载波频率，收发通过串口通信。 无线数据收发系统可以分为无线收发控制电路、单片机控制电路、显示电路和按键电路四部分组成，系统原理如图 2-1 所示：图 2-1 无线数据收发系统原理图无线收发器按键单片机系统无线收发器液晶显示屏单片机系统天津工程师范学院 2006 届毕业设计(论文)22.2 实现过程当我们需要发送数据时，使用按键来输入所需发送的信息。按键与单片机AT89S52 的 P3.2-P3.5 口相接，单片机的 P1.0 口控制信息的发送与接收，并且 TXD端与收发器输入端相连，通过 TXD 将数据传入收发器，收发器接收到数据后，通过FSK 调制，将信号发送出去；接收端的收发器通过解调，将载波信号转换为数字信号，完成信息传输过程；收发器的输出端通过 RXD 端将数字信号输入到单片机；单片机将数据传送到显示器，这样就完成了一次数据发送与接收并显示的过程。本系统采用的是半双工传送方式。 所谓半双工就是通信的双方均具有发送和接收信息的能力，信道也具有双向传输性能，但是，通信的任何一方都不能同时既发送信息又接收信息，即在指定的时刻，只能沿某一个方向传送信息。所以上述实现过程只介绍了由一方传送到另一方的过程，而相反方向与其原理相同。无线数据收发系统的电路图见附录 3。3 收发部分原理与设计nRF401 是一种基于短程无线通信技术的芯片。收发部分采用 nRF401 芯片，其引脚 DIN 与单片机的 TXD 相连，需要发射的数字信号通过 DIN 输入；引脚 DOUT 与单片机的 RXD 相连，解调出来的信号经过 DOUT 输出进入单片机。3.1 无线收发芯片 nRF401介绍 13.1.1 主要引脚功能XC11VDD2VCC3FILT14VCO15VCO26VSS7VDD8DIN9DOUT10 RF_PWR 11FREQ 12VDD 13VSS 14ANT2 15ANT1 16VSS 17PWR_UP 18TXEN 19XC2 20图 3-1 nRF401 引脚图(1) 9 脚及 10 脚分别是 DIN 输入数字信号和 DOUT 输出数字信号均为标准的逻辑电平信号，需要发射的数字信号通过 DIN 输入，解调出来的信号经过 DOUT 输出。(2) 12 脚为通道选择，FREQ =“0”为通道#1（433.92MHz） ，FREQ =“1”为通道#2（434.33MHz） 。(3) 18 脚为电源开关，PWR_UP =“1”为工作模式，PWR_UP =“0”为待机模式。(4) 19 脚 TXEN：高电平允许发送数据，低电平允许接收数据。(5) ANT1、ANT2：天线接入端。天津工程师范学院 2006 届毕业设计(论文)33.1.2 内部结构与工作原理nRF401 无线收发芯片的结构框图如图 3-2 所示：芯片内包含有发射功率放大器（PA） 、低噪声接收放大器（LNA） ，晶体振荡器（OSC） ，锁相环（PLL） ，压控振荡器（VCO） ，混频器（MIXER）等电路 2。图 3-2 内部结构方框图在接收模式中，RF 输入信号被低噪声放大器（LNA）放大，经由混频器（MIXER）变换，这个被变换的信号在送入解调器（DEM）之前被放大和滤波，经解调器解调，解调后的数字信号在 DOUT 端输出。在发射模式中，压控振荡器（VCO）的输出信号是直接送入到功率放大器（PA） ，DIN 端输入的数字信号被频移键控后馈送到功率放大器输出。由于采用了晶体振荡器和 PLL 合成技术，频率稳定性极好。3.1.3 特点nRF401 是一个单片 RF 收发芯片，工作频率为国际通用的数传频率 433MHz；具有 FSK 调制和解调能力，抗干扰能力强，特别适合工业控制应用；采用 PLL 频率合成技术，频率稳定性好；最大发射功率达+10dBm，数据速率可达 20kb/s；具有 2 个信号通道，适合需要多信道工作的特殊场合；工作电压在+35V 之间，最低工作电压为 2.7V；它还提供进一步降低电流消耗的待机模式，接收待机状态仅为 8A；仅需外接一个晶体和几个阻容、电感元件，即可构成一个完整的射频收发器。nRF401接收机使用频移键控(FSK)调制方式，改善了噪声环境下的系统性能。与幅移键控(ASK)方式相比，这种方式的通信范围更广，特别是在附近有类似设备工作的场合。3.2 FSK调制 3本系统中的 nRF401 是具备 FSK 调制的无线收发芯片。所谓 FSK 调制，就是频移键控，又称数字频率调制，是数字通信调制方式的一种，由于其方法简单、易于实现、抗噪声和抗衰落性能较强以及解调不须恢复本地载波等优点而在现代数字通信系统的低、中速数据传输中得到广泛得应用。3.2.1 产生原理频率键控法就是利用矩形脉冲序列控制的开关电路，对于两个不同的独立频率源进行选通。它有两个独立的振荡器，数字基带信号控制开关，选择不同频率的高频振荡信号实现 FSK 调制。图 3-3 为频率键控法原理框图。天津工程师范学院 2006 届毕业设计(论文)4101信 号FSK21f2f 1f2f调 频 器模 拟 )(FSK2te)(ts振 荡 器）（二 进 信 息NRZ倒 相振 荡 器 门 相 加门2f1f)(b)(a )(FSK2te图 33 频率键控法原理框图以二进制数字频率调制为例，当数字信号为“1”时，正脉冲是控制门 1 接通，门 2 断开，输出频率 f1 ；数字信号为“0”时，门 1 断开，门 2 接通，输出频率 f2 。如果产生 f1， f2 的两个震荡器是互相独立的，则输出 2FSK 信号的相位是不连续的。震荡器的频率 f1，f2 可以直接是所需的载频，也可以是低频范围通过混频、倍频方式搬移到载频范围。3.2.2 FSK信号波形图已调信号的时域表达式为“0cos122tAteFSK图 3-4 2FSK 信号的波形3.3 时序参数nRF401 有 3 种工作模式：接收模式（RX）、发射模式（TX）和等待模式（Standby）。工作模式可由 2 个引脚设定，分别是 TXEN 和 PWR_UP。因此通过单片机控制 nRF401 的工作模式，使其在接收、发射、等待任一种状态之间转换。(1) TXRX 之间的切换当从 RXTX 模式时，数据输入脚（ DIN）必须保持为高至少 1ms 才能发送数据，时序如图 3-5（a） 。当从 TXRX 模式时，数据输出脚（ DOUT）至少 3ms 以后有数据输出，如图 3-5（b） 。（3.1）天津工程师范学院 2006 届毕业设计(论文)5图 3-5 TX 与 RX 转换的时序图(2) StandbyRX 、Standby TX 的切换从待机模式到接收模式，当 PWR_UP 输入设成 1 时，经过 tSR时间后，DOUT 脚输出数据才有效。对 nRF401 来说，t SR最长的时间是 3ms，如图（a） 。从待机模式到发射模式，所需稳定的最大时间是 tST，如（b） 。图 3-6 StandbyRX 、StandbyTX 的时序图(3) Power UpTX 、Power UpRX 的切换从上电到发射模式过程中，为了避免开机时产生干扰和辐射，在上电过程中TXEN 的输入脚必须保持为低，以便于频率合成器进入稳定工作状态。当由上电进入发射模式时，TXEN 必须保持 1ms 以后才可以往 DIN 发送数据。从上电到接收模式过程中，芯片将不会接收数据，DOUT 也不会有数据输出，直到电压稳定达到 2.7V 以上，并且至少保持 5ms。0Std. by to TXStd. by to RXVDD VDDPWR-UP PWR-UPTXEN TXEN DOUT DINms ms2 4 20 420DOUTTXENPWR-UPVDDTX to RXms420DINTXENPWR-UPVDDRX to TXRX to TX4(a)ms(b)(a) (b)TXEN天津工程师范学院 2006 届毕业设计(论文)6图 3-7 Power UpTX 、Power Up RX 时序图3.4 应用电路设计3.4.1 电路组成nRF401 无线收发芯片的应用电路 5，如图 3-8 所示：22pFC122pFC2820pFC3 15nFC42.2uFC522nFC6 1nFC7 100pFC8100pFC93.3pFC105.6pFC114MX11MR14.7KR222KR318KR4DNDOUTTXENPWR_UPFREQ+3VXC11 VDD2VCC3 FILT14VCO15 VCO26VSS7 VDD8DIN9 DOUT10 RF_PWR 11FREQ 12VDD13VSS 14ANT2 15ANT116VSS 17PWR_UP 18TXEN19XC2 20nRF401U1JQ4*图 3-8 nRF401 的 433Mhz 应用电路(1) 输入输出当 nRF401 是接收模式时，ANT1 和 ANT2 引脚端提供射频输入到低噪声放大器（LNA） ；当 nRF401 为发射模式时，从功率放大器提供射频输出到天线。(2) PLL 环路滤波器PLL 环路滤波器，是一个单端二阶滤波器，滤波器元件参数值：C3=820pF，C4=15nF，R2=4.7k(3) VCO 电感芯片的 VCO 电路需要外接一个 VCO 电感，这个电感是非常关键的，需要一个高质量的片式电感，Q 值大于 45，最大误差2%。VDD=0 to RXVDD=0 to TXVDDPWR-UPTXEN TXEN DOUT(b)ms6420ms420(a)DINTXEN TXEN PWR-UPVDD天津工程师范学院 2006 届毕业设计(论文)7(4) 晶振电路晶体振荡器需要外接晶振，晶振的特性要求是：并联谐振频率 f=4MHz，并联等效电容 C05pF，晶振等效串联电阻 RESR150，全部负载电容，包括印制板电容CL14pF。负载电容 CL如下式所示： （3.2） 式中 和 ， 和 是电路板的寄生电容。22PCB 11PCB 1PB2C(5) RF 输出功率连接在 RF_PWR 端和 VSS 之间的电阻 R3 可以设置输出功率，最大发射功率可以调整到+10dBm。3.4.2 印刷电路板设计(1) nRF401 电路的 PCB 板设计过程 9利用 Protel DXP 软件设计制作 nRF401 无线收发电路部分，按本论文中的图3-8 所示。 在 Protel DXP 软件中按照设计电路制作连接电路，并封装电路。制作 PCB 板，设置布局范围，加载网络表和元件库，自动布局并做好调整电路，自动布线过程，最后调整整个电路板，将其实现 3D 功能。 查看模拟的 PCB 板后，实现制作 10。首先生成报表和网络表，设置电路图中已有的仿真模型的器件。在 Protel DXP软件中运行电路仿真。并观察记录有关电路仿真过程中的波形图。再进行对电路板 1：1 的打印。最后，将加工成形的 PCB 电路板打孔，并焊接元器件，实现 nRF401 应用电路，检测并调试其电路使之正常工作。nRF401 应用电路印刷电路板，如下图所示：2L天津工程师范学院 2006 届毕业设计(论文)8图 3-9 应用电路印制电路板图(2) PCB 板设计要求印刷电路板（PCB）的设计直接关系到射频性能，为了获得较好的 RF 性能，PCB设计至少需要两层板来实现，PCB 分成射频电路和控制电路两部分布置。nRF401 采用 PCB 天线，在天线的下面没有接地层。射频部分的电源与数字电路部分的电源分离。为了减少分布参数的影响，在 PCB 应该避免长的电源走线，所有元件地线，VDD连接线必须离 nRF401 尽可能的近。nRF401 的电源必须经过很好的滤波,并且与数字电路供电分离，在离电源脚 VDD 尽可能近的地方用高性能的电容去耦。PCB 板顶层和底层最好敷铜接地，把这两层的敷铜用较多的过孔紧密相连,再将 VSS 脚连接到敷铜面。所有开关信号和控制信号都不能经过 PLL 环路滤波器元件和 VCO 电感附近。4 控制部分原理控制电路主要组成部分为单片机 AT89S52，通过 AT89S52 与 nRF401 进行串行通信，并用其控制 nRF401 的 TXEN 端，来调整收发状态。AT89S52 还控制液晶屏的显示和按键等一些工作。4.1 AT89S52功能介绍AT89S52 是一个低功耗高性能单片机，40 个引脚，32 个外部双向输入/输出（I/O）端口，片内含 8k bytes 的可重复编程的 Flash 存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ，3 个 16 位可编程定时计数器，1 个全双工串行通信口，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统。AT89S52 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。4.1.1 内部结构AT89S52 单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时器/计数器、并行 I/O 口、串行 I/O 口和中断系统等几大单元以及数据总线、地址总线和控制总线三大总线构成。图 4-1 为单片机内部结构框图 13。(1) 中央处理器中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，能处理 8 位二进制数据或代码，CPU 负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。(2) 程序存储器AT89S52 共有 8KB 个 E2PROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。(3) 数据存储器（RAM）AT89S52 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用天津工程师范学院 2006 届毕业设计(论文)9于存放用户数据，所以，用户能使用的 RAM 只有 128 个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。图 4-1 内部结构框图(4) 并行输入输出口AT89S52 共有 4 组 8 位 I/O 口(P0、 P1、P2 或 P3)，用于对外部数据的传输。(5) 串行输入输出口AT89S52 内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。(6) 定时/计数器AT89S52 有三个 16 位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对单片机进行控制。(7) 中断系统AT89S52 具备较完善的中断功能，有两个外中断、三个定时/计数器中断和一个端 口 0驱 动 器 端 口 2驱 动 器RAM（ 128） 端 口 0锁 存 器 端 口 2锁 存 器 ROM（ 4K8） 程 序 地 址 寄 存 器缓 冲 器PC加 1寄 存 器程 序 计 数 器 PC数 据 指 针 DPTR堆 栈 指 示 器 SPPCONSCONTMODTCONTH0L0H1L1SBUF（ TX） SBUF（ RX） IE中 断 、 串 行 口 和 定 时 器RAM地 址寄 存 器 ACB寄 存 器 ALU状 态 寄 存 器暂 存 器 2暂 存 器 1定 时与控 制 指 令寄 存器 端 口 1锁 存 器 端 口 3锁 存 器端 口 1驱 动 器 端 口 3驱 动 器XTAL1XTAL2P0. 0.7P2.0 2.7P1.0 1.7 P3.0 3.7ALERSTPSNVcs（ 5）天津工程师范学院 2006 届毕业设计(论文)10串行中断，可满足不同的控制要求，并具有两级的