毕业论文——采集与发射系统设计

目录 1 引言 1 2 设计思路和系统框图 2 3 系统理论分析 4 3.1 无线数字通信相关理论4 3.2 超再生电路的特点和工作原理6 4 系统硬件设计 7 4.1 编码与发射和接收与解码电路分析与设计7 4.2 主控制器电路分析与设计.13 4.3 测温电路分析与设计.16 4.4 数据显示电路的设计.18 5 系统软件设计 .20 5.1 数据采集与发射部分程序设计.20 5.2 数据接收与显示部分程序设计.22 6 系统电路的制作与调试 .23 6.1 电路硬件焊接制作.24 6.2 系统调试及性能分析.24 7 结论 .26 参考文献 27 致 谢 29 附录 1：采集与发射部分总电路图.30 附录 2：接收与显示部分总电路图.31 附录 3：英文资料.32 附录 4：英文资料译文.39 附录 5：程序清单.44 1 引言 随着短距离、低功率无线数据传输技术的成熟，特别是 802.11b、红外线、 蓝牙等应用的推广，无线数据传输的应用再次成为热点。许多应用领域都采用 无线的方式进行短距离数据传输，这些领域涉及小型无线网络、无线抄表、门 禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线遥控系统、无线标签身份识别、 非接触 RF 智能卡等。这些大多采用蓝牙技术或无线射频收发芯片，因此这方 面的研究也受到广泛关注。 目前常用的短距离无线通信主要有 802.11b、红外通信、蓝牙、以及一些无 线射频收发芯片。其中 IEEE802.1Ib 实现的是有形的、特定的网络，传输距离 长、速度快，可以满足用户运行大量占用带宽的网络操作，成为无线局域网的 国际标准。IEEE802.11b 比较适用于办公室中的企业无线网络，有效距离长达 100 米，较适合用在影像等高速无线传输，在计算机局域网中应用广泛。红外 通信 IrD A 是一种点到点、窄角、专用数据传输标准，工作在 0-1 m 距离之内， 速率在 9 600 bit/s-16 M bit/s 之间，适配器包括传统的串口和并口。红外通信技 术成熟，但红外通信属视距离技术，也就是说红外通信接口的设备之间传输数 据，中间不能有阻碍物，并且总体实现成本较高，只在一些中高端的手持设备 中有所应用。蓝牙有一个完整协议规范，功能全面但协议复杂，不容易掌握， 需要长时间学习掌握，并且实现成本相对较高，因此应用发展较慢。 而现在最常用的射频无线收发芯片大多集成了全部射频收发和基带传输处 理，设计、调试成本低、周期短，并且它们体积小、价格便宜、传输距离相对 较远、可靠性高，特别适合于低成本的无线通讯设备使用。因而在工业上得到 广泛应用。 射频无线收发电路以射频芯片为核心，通过外围电路及其参数的设计来实 现无线数据的接收和发射。无线收发射频芯片内部一般集成了完整的接收和发 射功能电路，芯片外部接少数几个到几十个分立无源元件即可实现无线数据的 收发。 射频芯片一般工作在 300M1000MHz ISM 频段，发射功率 1020dB； 调制方式常采用 AM/FM/ASK/OOK/FSK 中的一种和几种；可电池供电；可嵌 入己有的仪器仪表、控制设备和便携式移动装置中；可直接与计算机、单片机 等接口。射频芯片分单发芯片、单收芯片和收发一体芯片。设计时要充分考虑 发射和接收芯片的匹配，各项指标要一致。由于无线收发芯片的种类和数量比 较多，无线收发芯片的选择在设计中是至关重要的，正确的选择可以减小开发 难度，缩短开发周期，降低成本，更快地将产品推向市场。选择无线收发芯片 时应需要考虑以下几点因素：功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的 外围元件数量、芯片成本、数据传输是否需要进行曼彻斯特编码等。 2 设计思路和系统框图 以往设计无线数传产品往往需要相当的无线电专业知识和价格高昂的专业 设备，传统的电路方案不是电路烦琐就是调试困难，令人望而却步，影响了用 户的使用和新产品的开发。而采用 F05J04 系列射频收发模块使人们摆脱了无 线产品设计的困难，F05J04 系列射频收发模块功耗极低，工作频率稳定可靠， 外围元件少，频率一致性较好，调试简单，便于设计生产，且价格低廉，适合 于便携式手持产品的设计，由于采用了低发射功率，高接受灵敏度的设计，且 工作频率为国际通用的数传频段 315MHz，满足无线管制要求，无需使用许可 证，是目前低功率无线数据传输的理想选择。 作为一个通信系统，应有其主控制器。单片机自问世以来，性能不断提高 和完善，其资源又能满足很多应用场合的需要，加之单片机具有集成度高、功 能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点，因此，在工业 控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、高级计算器、家用电器等 领域的应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统。单片机的 潜力越来越被人们所重视。特别是当前用 CMOS 工艺制成的各种单片机，由于 功耗低，使用的温度范围大，抗干扰能力强、能满足一些特殊要求的应用场合， 更加扩大了单片机的应用范围，也进一步促使单片机性能的发展。比较之下， ATMEL 公司的 8 位单片机 AT89S52 以其功能强大、使用方便而成为本系统主 控制器的选择。 一个产品的设计应该有准确的应用定位才能在后期的开发和生产中发挥出 数字温度 传感器 DS18B20 主控制器 AT89S52 编码器 PT2262 发射模块 F05 LED 显示 主控制器 AT89S52 解码器 PT2272 接收模块 J04 显示驱动 巨大的实用功能和经济效益。温度是日常生活、工业、医学、环境保护、化工、 石油等领域最常遇到的一个物理量，特别是在自动化控制系统中，温度数据采 集是其中最常见的一种，但由于种种条件限制，在很多应用中，近距离现场测 温困难重重。从生产生活的实际应用出发，本无线数据传输系统采用测量的实 时温度数据作为发射信号，发送至接收端以数字温度值显示，以解决远程测温 这一难题。 温度数据的测量，可采用热敏电阻，也可采用最新的智能数字温度传感器， 基于设计方便和应用范围广等方面的考虑，决定采用美国 DALLAS 公司生产的 智能型数字温度传感器 DS18B20, 它以电路简单、测温精确、转换时间短、传 输距离远、分辨率高等特点给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。 按照设计要求和上述思路，确定系统由两个部分共六个模块组成：数据采 集与发射部分由控制器、测温电路和编码及发射等三个模块组成；数据接收与 显示部分由控制器、接收及解码和温度显示等三个模块组成。系统结构框图如 图 2-1 和图 2-2 所示。 图 2-1：数据采集与发射部分 3 系统理论分析 3.1 无线数字通信相关理论 3.1.1 数字通信系统模型 利用数字信号来传递数据的过程称为数字通信，计算机通信、数字电话、 数字电视等都属于数字通信。与模拟通信相比，数字通信具有下列优点： （1）以数据帧为单位传输数据，并通过检错编码和重发技术来发现与纠正 通信错误，从而有效保证通信的可靠性。 （2）在长距离数字通信中，可通过中继器放大和整形技术来保证数字信号 的完整性，不累积噪声。 （3）可使用加密技术有效增强通信的安全性。 （4）数字技术比模拟技术发展更快，数字设备很容易通过集成电路来实现， 并与计算机相结合，而由于超大规模集成电路技术的迅速发展，数字 设备的体积与成本的下降速度也大大超过模拟设备，性能价格比高。 近 20 年来，数字通信技术开始发展并得到广泛应用。目前，数字通信已开 始在长距离语音通信、无线通信和数字数据通信等领域逐渐取代传统的模拟通 信。 数字通信系统一般由信源、编码器、信道、解码器、信宿以及发送端和接 收端时钟同步组成，其中编码器包括信源编码和信道编码，解码器包括信源解 码和信道解码。如图 3-1 所示。发送端信源所产生的原始信号通常要经过编码 图 2-2：数据接收与显示部分 器编码后进入信道传输，在接收端经解码器解码还原。 信 源编码器信 道解码器信 宿 噪声源 发送端接收端 图 3-1：数字通信系统模型 数字通信的信源可以是模拟信号或数字信号。对于二进制形式的数字信号， 可以直接用两种电平来表示，为了改变其传播特性，通常对二进制数据进行编 码（即信道编码） ，然后再进行传输。 3.1.2 无线数据传输系统模型 对数据传输系统而言，由于需要传输的信息都是数字信号，也就是0 、 1序列，所以它并不包含信源编解码部分，只有调制/解调和信道编/解码电 路。其系统模型如图 3-2 所示。 数字通信中还有一个不可缺少的部分是时钟同步。由于数字通信系统传输 的是数字信号，所以发送端和接收端必须有各自的发送和接收时钟。而为了保 证接收端正确接收数据，接收端的接收时钟必须与发送端的发送时钟保持一致。 为了使接收端收到的数据中具有一定的时钟信息，便于数据的恢复，同时为了 改善信号的传输质量，在发送端的模块中除了包含调制设备之外，通常还有信 道编码器，在接收端相应的要有信道解码器。 3.1.3 数字信号的 ASK 调制 调制的主要任务就是把接收到的数字信号转换为便于信道传输的形式，比 噪声源 信道 图 3-2：无线数据传输系统的组成 信道编码 信宿 信源 调制器 解调器 信道译码 较常用的调制方式有调幅、调频等。解调就是把数据从调制信号中恢复出来， 对应不同的调制方式采用的解调方式也各不相同。F05 系列采用调幅方式调制 以降低功耗,在本系统中采用二进制振幅键控（ASK）调制与解调法。 二进制振幅键控 ASK 信号是利用二进制数字基带脉冲序列中的 1、0 码去 控制载波输出的有或无得到的。ASK 有乘法器实现法和键控法两种实现方法， 乘法器实现法的原理方框图如图 33 所示，其数字信号与载频为 fc 的余弦信 号进行混频得到调制信号；振幅键控信号解调有两种方法，即同步解调法和包 络解调法，同步解调方框原理如图 3-4 所示。图中 uASK(t)信号经过带通滤波器 抑制来自信道的带外干扰，相乘器进行频谱反相搬移，以恢复基带信号。低通 滤波器用来抑制相乘器产生的高次谐波干扰，解调的相干载波用 2cos2fct。 图 3-3 ：ASK 调制器框图 图 3-4：ASK 同步解调方框图 3.2 超再生电路的特点和工作原理 接收模块 J04E 采用独特的超再生电路结构。超再生接收电路方框图见图 3-5 所示，该电路仅由一级超再生检波电路就能完成选择信号、放大信号及实 现解调的功能。为使信号达到一定的幅度以至推动译码电路工作，通常在超再 生检波级后还加有低放级。超再生接收电路较简单，使用电子元件较少，具有 较高的灵敏度。但是选频特性较差，噪声偏大。适用于一些要求不高的频率信 号接收场合。 对于再生式接收，在调试过程中再生不能调得太强，否则就会产生振荡， 无法收到信号，只能听到刺耳的尖叫声。对于超再生电路就不存在这个问题。 超再生电路正常工作的条件之一就是电路要产生高频振荡，这种电路的高频振 荡不是连续的而是处于间歇状态。故电路必须具有使高频振荡处于间歇状态的 控制电压，称为熄灭电压，振荡频率在 20KHz 到 60KHz 之间。处于间歇状态的 高频振荡对电路中的电压波动非常敏感，当有外来载波信号时，高频振荡的振 幅受载波强度的控制。无外来信号时，振幅受电路中无规律的杂乱噪音电压的 控制。超再生检波级工作于非线性状态，具有检波功能：正常工作时所检的波 是受载波信号控制的高频振荡电压，并且检波后得到的波形与载波的包络是一 样的。当工作不正常时电路所检的波是受电路内部噪音控制的高频振荡电压， 它检波后得到的是超再生电路特有的沙沙噪音。 还要说明的是，超再生电路检波的并不是天线所收到的载波信号，而是受 载波控制的由电路自身的振荡回路产生的振荡电压，该电压的幅度很大，故超 再生检波电路具有较高的灵敏度。 4 系统硬件设计 按照设计要求和确定的系统框图，将系统电路分成单元模块设计，包括测 温电路单元、主控制器单元、编码与发射单元、接收与解码单元、温度数据显 示单元五个单元模块。其中，编码与发射单元和接收与解码单元是相应的配套 超再生检波低频放大器 输出 图 3-5：超再生接收电路方框图 单元，其设计必然是一体的。 4.1 编码与发射和接收与解码电路分析与设计 4.1.1 射频收发模块简介与收发电路设计 射频发射模块 F05 系列采用声表谐振器稳频，SMT 树脂封装，频率一致性 较好，特别适合无线遥控及数据传输系统。F05 具有较宽的工作电压范围及低 功耗特性，当发射电压为 3V 时，发射电流约 2mA，发射功率较小，12V 为最 佳工作电压，具有较好的发射效果，发射电流约 5-8mA，大于 l2V 直流功耗增 大，有效发射功率不再明显提高。F05 系列采用调幅方式调制以降低功耗，系 统调试过程中测得，当数据信号停止时，发射电流降为零，并且数据信号与 F05 用电阻而不能用电容耦合，否则 F05 将不能正常工作。数据电平应接近 F05 的实际工作电压以获得较高的调制效果，F05 对过宽的调制信号易引起调 制效率下降，收发距离变近。 F05C 为改进型,体积更小,内含隔离调制电路消除输入信号对射频电路的影 响,信号直接耦合,性能更加稳定，为本设计的首选。其主要性能参数如表 4-1。 表 4-1：射频发射模块 F05C 性能参数 F05C 发射系统应用电路如图 4-1 所示，编码器采用 PT2262，经调试，振 荡电阻取 4.7M 效果较好。17 脚无信号输出时，F05 不工作，发射电流为零。 当 14 脚为低电平时，17 脚输出已设定的编码脉冲对 F05 进行调制发射，即 F05C 受控于 PT2262 的 17 脚输出的数字信号当 17 脚为高电平期间射频发 射模块 F05C 发射等幅高频信号，当 17 脚为低平期间射频发射模块 F05C 停止 工作。从而完成幅度键控（ASK 调制）相当于调制度为 100的调幅，并进行 发射。通过测试 F05 工作电流可大致判断 F05 是否处于正常发射状态，空码时 加天线发射电流约 6mA 左右。 接收模块 J04E 采用独特的超再生电路结构，SMT 工艺树脂封装，内含放 大整形，输出为数据信号直接至解码器，使用极为方便，是一种性价比较好的 超再生模块。其主要性能参数如表 4-2。 发射频率315M * ;常数定义 ;* TIMELEQU0E0H TIMEHEQU0B1H TEMPHEAD EQU36H ;* ;工作内存定义 ;* BITSTDATA 20H TIME1SOKBITBITST.1 TEMPONEOKBITBITST.2 TEMPLDATA 26H TEMPHDATA 27H TEMPHCDATA 28H TEMPLC DATA 29H ; ;* ; 引脚定义 ;* ; TEMPDINBITP3.7 ; ;* ; 中断向量区 ;* ORG0000H LJMPSTART ORG000BH LJMPT0IT ORG 0100H ;* ;系统初始化 ;* START:MOVSP,#60H CLSMEM:MOVR0,#20H MOV R1,#60H CLSMEM1: MOVR0,#00H INCR0 DJNZR1,CLSMEM1 MOVTMOD,#00100001B MOVTH0,#TIMEL MOVTL0,#TIMEH SJMPINIT ERROR:NOP LJMPSTART NOP INIT:NOP SETBET0 SETBTR0 SETBEA MOVPSW,#00H CLRTEMPONEOK LJMPMAIN ; ;* ; 定时器 0 中断服务程序 ;* T0IT:PUSHPSW MOVPSW,#0H MOVTH0,#TIMEH MOVTL0,#TIMEL INCR7 CJNER7,#32H,T0IT1 MOVR7,#00H SETBTIME1SOK T0IT1:POPPSW RETI ; ;* ; 主程序 ;* MAIN:LCALL DISP1 JNBTIME1SOK,MAIN CLRTIME1SOK JNBTEMPONEOK,MAIN2 LCALL READTEMP1 LCALL CONVTEMP LCALL DISPBCD LCALL DISP1 MAIN2:LCALL READTEMP SETBTEMPONEOK LJMPMAIN ; ;* ;* ;子程序区 ;* ; RESET DS18B20 ;* INITDS1820:SETBTEMPDIN NOP NOP CLRTEMPDIN MOVR6,#0A0H DJNZR6,$ MOVR6,#0A0H DJNZR6,$ SETBTEMPDIN MOVR6,#32H DJNZR6,$ MOVR6,#3CH LOOP1820: MOVC,TEMPDIN JC INITDS1820OUT DJNZR6,LOOP1820 MOVR6,#064H DJNZR6,$ SJMPINITDS1820 RET ; INITDS1820OUT:SETBTEMPDIN RET ; * ; 读 DS18B20 的程序，从 DS18B20 中读出一个字节的数据 ; * READDS1820: MOVR7,#08H SETBTEMPDIN NOP NOP READDS1820LOOP: CLR TEMPDIN NOP NOP NOP SETBTEMPDIN MOVR6,#07H DJNZR6,$ MOVC,TEMPDIN MOVR6,#3CH DJNZR6,$ RRCA SETBTEMPDIN DJNZR7,READDS1820LOOP MOVR6,#3CH DJNZR6,$ RET ; * ; 写 DS18B20 的程序，从 DS18B20 中写一个字节的数据 ; * WRITEDS1820: MOVR7,#08H SETBTEMPDIN NOP NOP WRITEDS1820LOP:CLRTEMPDIN MOVR6,#07H DJNZR6,$ RRCA MOVTEMPDIN,C MOVR6,#34H DJNZR6,$ SETBTEMPDIN DJNZR7,WRITEDS1820LOP RET ; * ; READ TEMP ; * READTEMP:LCALL INITDS1820 MOVA,#0CCH LCALL WRITEDS1820 MOVR6,#34H DJNZR6,$ MOVA,#44H LCALL WRITEDS1820 MOVR6,#34H DJNZR6,$ RET ; READTEMP1:LCALL INITDS1820 MOVA,#0CCH LCALL WRITEDS1820 MOVR6,#34H DJNZR6,$ MOVA,#0BEH LCALL WRITEDS1820 MOVR6,#34H DJNZR6,$ MOVR5,#09H MOVR0,#TEMPHEAD MOVB,#00H READTEMP2:LCALL READDS1820 MOVR0,A INCR0 READTEMP21: LCALL CRC8CAL DJNZR5,READTEMP2 MOVA,B JNZREADTEMPOUT MOVA,TEMPHEAD+0 MOVTEMPL,A MOVA,TEMPHEAD+1 MOVTEMPH,A READTEMPOUT: RET ; * ; 处理温度 BCD 码子程序 ; * CONVTEMP:MOVA,TEMPH ANLA,#80H JZ TEMPC1 CLRC MOVA,TEMPL CPLA ADDA,#01H MOVTEMPL,A MOVA,TEMPH CPLA ADDC A,#00H MOVTEMPH,A MOVTEMPHC,#0BH SJMPTEMPC11 ; TEMPC1:MOVTEMPHC,#0AH TEMPC11: MOVA,TEMPHC SWAP A MOVTEMPHC,A MOVA,TEMPL ANLA,#0FH MOVDPTR,#TEMPDOTTAB MOVC A,A + DPTR MOVTEMPLC,A ; MOVA,TEMPL ANLA,#0F0H SWAP A MOVTEMPL,A MOVA,TEMPH ANLA,#0FH SWAP A ORLA,TEMPL LCALL HEX2BCD1 MOVTEMPL,A ANLA,#0F0H SWAP A ORLA,TEMPHC MOVTEMPHC,A MOVA,TEMPL ANLA,#0FH SWAP A ORLA,TEMPLC MOVTEMPLC,A MOVA,R7 JZ TEMPC12 ANLA,#0FH SWAP A MOVR7,A MOVA,TEMPHC ANLA,#0FH ORLA,R7 MOVTEMPHC,A TEMPC12: RET ; ; * ; 小数部分码表 ; * TEMPDOTTAB:DB 00H,01H,01H,02H,03H,03H,04H,04H,05H,06H DB 06H,07H,08H,08H,09H,09H ; ; * ; 显示区 BCD 码温度值刷新子程序 ; * ; DISPBCD: MOVA,TEMPLC ANLA,#0FH MOV70H,A MOVA,TEMPLC SWAP A ANLA,#0FH MOV71H,A MOVA,TEMPHC ANLA,#0FH MOV72H,A MOVA,TEMPHC SWAP A ANLA,#0FH MOV73H,A MOVA,TEMPHC ANLA,#0F0H CJNEA,#010H,DISPBCD0 SJMPDISPBCD2 ; DISPBCD0: MOVA,TEMPHC ANLA,#0FH JNZDISPBCD2 MOVA,TEMPHC SWAP A ANLA,#0FH MOV73H,#0AH MOV72H,A DISPBCD2: RET ; ; * ; 数据发送子程序 ; * DISP1: MOV R0,#20H MOV A,#0FH MOV P2,A ACALL DELAY FF: MOV A,R0 ANL A,#0FH MOV P2,A ACALL DELAY INC R0 CJNE R0,#24H,FF RET ; DELAY: MOV R5,0FFH D1: MOV R4,0FFH DJNZ R4 ,$ DJNZ R5,D1 RET ; ; * ; 单字节十六进制转 BCD ; * HEX2BCD1: MOV B,#064H DIV AB MOV R7,A MOV A,#0AH XCH A,B DIV AB SWAP A ORL A,B RET ; ; * ; Calculate CRC8 Values. Uses The CCITT8 Polynomial,Expressed ;As ; X8+X5+X4+1 ; * CRC8CAL: PUSHACC