毕业设计（论文）-基于NRF401的无线通信系统的设计与应用.doc

目录摘要1关键词1Abstract1Key words11 绪论11.1 无线通信网中的射频通信技术11.2 课题研究的目的和意义31.3 本论文的主要研究内容32 系统的总体设计32.1 本系统的功能32.2 系统设计中的关键问题42.3系统的构成53 系统的硬件结构及设计53.1概述53.2 8251A可编程通信接口63.2.1 主要技术特性63.2.2管脚说明63.3 nRF401简介83.3.1 功能描述93.3.2主要技术指标93.3.3功能简介103.3.4发送和接收频率问题123.4无线发射端模块的设计与实现133.4.1控制模块的电路设计133.4.2串行通信接口电路133.4.3 nRF40l的外围电路设计143.4.4 PCB布局和去藕设计指南153.5硬件的抗干扰措施154 系统的总体设计164.1无线通信协议的设计164.1.1 本系统无线通信的任务164.1.2 无线通信过程分析164.1.3 通信协议数据帧174.2无线通信实现184.2.1 主机工作流程184.2.2 端机工作流程184.3 nRF401通信协议184.3.1 nRF401通信所需注意的时序信息194.3.2无线传输模块的工作模式204.3.3 发送端的软件实现214.4 串口通信224.5 软件抗干扰措施22总结与展望24致谢25参考文献26附录2727 基于NRF401的无线通信系统的设计与应用 摘要：随着无线通信技术的发展，无线数据传输系统的应用领域在不断扩大，基于射频技术的监控系统是无线数据传输在无线通信领域和自动化控制领域中的重要应用之一。本文以现代住宅小区为背景，设计出以51系列单片机AT89C51为核心，采用无线收发芯片nRF401的报警及安全调度系统。论文详细介绍了无线数据传输平台硬件模块的设计及其功能实现。本系统的研究，解决了小区管理时发生事故能及时报警和事务安全调度问题。事实证明所设计的终端性能可靠，可扩展性极强，满足设计和小区监控要求。该基于无线射频技术的报警和安全调度系统可以广泛的应用于智能控制、无线数据传输监控等方面，具有广泛的发展前景。关键词：AT89C51；无线射频；nRF401；8251A可编程通信接口Design and Application of Wireless Communication System Based on NRF401 Student majoring in electronic information science and technology Nan Ma Tutor Abstract：As the development of the wireless telecommunication, the field, in which the Wireless Data Transmission is used, has enlarged. The monitor system that based on radio frequency, shows an example that the Wireless Data Transmission is used in the fields of Wireless Telecommunication and Automation Program control. This thesis, based on modern housing district, develops the alarm and safe Mobilization systems，relaying on the series of 51 SCM AT89C51,and the wireless transceiver nRF401. This thesis introduces the design of the hardware module of the Wireless Data Transmission plate, and the accomplishment of its functions. The research in this thesis finds efficient method to alarm in time，when the accidents happen, and to solve the problem of the management working. The fact shows that the designed terminal is with reliability, can meet the needs of design and the district monitor. The alarm system and safe control system can be used widely in the aspects of brainpower control, wireless data transmission monitor, and so on, with broad development.Key Words: AT89C51; wireless radio frequency; nRF401; 825lA Programmable communication Interface1 绪论1.1 无线通信网中的射频通信技术随着网络的普及和网络技术的进步，无线互连已经通过各种不同的方式成为我们日常生活中的一部分。如今在许多的场合有线的连接方式已经不能满足科技的高速发展，而无线互联网络凭借其独特的数据传输优势和良好的移动性，正越来越受到人们的关注。无线网络与有线网络相比成本低，携带方便，无须布线，目前其被广泛应用在在各种遥控遥测系统、无线抄表系统、门禁系统、小区传呼、水文气象监控、无线数字语音、生物信号采集等领域。无线网络主要分为无线个域网、无线局域网、无线广域网和移动 Ad Hoc网络。目前无线网络主要是指无线局域网，使用的无线通信技术主要有红外通信技术 (IrDA) ，RF 射频技术, 蓝牙（Bluetooth）和 等几种，这几种介质本质上都是基于无线电通信的电磁波频谱。红外通信技术采用肉眼看不见的红外线传输数据，是使用最广泛的点对点传输技术，其技术比较成熟，并具有设备体积小，功耗低，价格便宜，传输数据速度快等优点，因此在图形或者音频设备中具有很好的优势。但由于其传输距离短、受视距影响发射接收具有方向性的缺点，无法组成网络，主要用在两台设备之间进行点对点的传输。蓝牙技术是 1998 年由爱立信、诺基亚、Intel、Toshiba 和 IBM 公司联合推出的一种支持点到多点的无线通信技术，它为固定设备与移动设备通信建立一个特别连接，可以将打印机、PDA、桌上微型电脑、传真机、键盘、游戏操纵杆及其它的数字设备连接起来，形成一个小的无线通信系统。蓝牙技术使用跳频技术提高系统抗电磁干扰能力，数据传输更加可靠，但是采用蓝牙技术存在硬件复杂、模块化的产品成本较高、接口方式复杂，时序要求严格，通信协议法复杂，开发成本高等缺点；且通信速率低，通信距离仅几十米，只能为短距离通信网络所用。HomeRF 无线通信技术是由 HomeRF 工作组开发的 PC 和用户电子设备之间实现无线数字通信的开放性工作标准，该技术也是一种短距离无线通信技术，适合组建小范围无线个域网。RF射频技术是利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递的技术，使用 ISM 频段进行数据传输。ISM频段包括 433.92 MHz-434.32 MHz，902 MHz-928 MHz，2.4 GHz-2.4853 GHz，这些频段不需要经过通信委员会的申请许可便可直接使用。随着芯片技术、天线技术、无线收发技术、数据变换与编码技术的不断进步，基于射频的无线数据传输技术以其独特的优势，逐渐的被广泛应用于工业自动化、商业自动化和交通运输控制管理等领域。 射频技术作为一种高度可靠的无线通信选择方案，不仅可以增强系统设计的灵活性，而且与传统有线控制系统相比，无线数传输有以下优点： 1）不需要安装昂贵的电缆基础设施，省去了工业布线的费用，降低了投资成本同时也为不能敷设电缆的陈旧的建筑提供数据传输接入。 2）无线传输支持冗余连接配置，数据可达性强，数据有多条通路可以抵达目的地； 3）系统组建容易，几乎无限制，系统可扩展性好，新设备可以随时随地灵活接入而不会因系统增大而出现不可预料的故障，系统安全可靠性高；4）具有更大的开放性，易于未来新技术的发展应用及与其它无线通信产品的兼容； 5）无线传输可实现远程访问，容易互连，具有互操作性； 基于射频技术的无线通信系统的主要功能的实现，是通过射频收发芯片加上微控制器和少量的外围器件构成专用或者通用的无线射频通信模块来完成的。射频芯片一般采用 FSK 调制方式，开发相对简单，易于实现，适合组成小型的通信局域网，在工业、民用领域得到了广泛的应用。近几年来，由于传统的无线射频收发装置结构比较复杂，调试困难，而且其可靠性以及安全性都不是很好，不能满足对环境以及安全性要求比较高的场合的应用要求，因此国外各大公司纷纷推出了利用新型无线通讯技术的无线射频收发一体型芯片。无线射频收发一体型芯片设计是在一块芯片上集合了信号调制解调、信号射频发射、信号接收、信号电平转换等功能的一种高集成度的多功能芯片。在实际应用中外围电路十分简单，可方便与单片机或 DSP 连接。与传统的无线收发射频装置相比，无线射频收发一体型芯片还具有电磁兼容性好、耗电量低、体积小、外围电路简单、可靠性高、抗干扰能力强、数据传输安全性好、价格低廉等特点，在各种控制系统、电子遥控等许多领域都得到了广泛的应用。 由于无线数据传输具有的高灵活性和可靠性，无线通信技术在各行业的广泛应用取得了引人瞩目的成果，在带来了巨大的商业价值的同时，也展示了极为广阔的市场前景。目前，射频无线通信技术在监控方面的应用仍是处于开拓状态，随着射频技术的成熟及随着大规模集成电路技术的进步，基于射频技术的产品种类越来越丰富，成本也不断降低，其应用必将越来越广泛。1.2 课题研究的目的和意义 随着我国城乡经济的迅猛发展，人民生活水平日益提高，对传统的住宅提出了挑战。以人为本、安居乐业成为现代人对居住环境的迫切要求。于是，智能小区概念应运而生。所谓智能小区，就是将在一定地域范围内多个具有相同或不同功能的建筑物按照统筹方法，利用计算机、通信技术、多媒体技术等高科技手段，分别对其功能进行智能化，使资源充分共享、统一管理。智能小区依托先进的科学技术，实现小区物业运行的高效化、节能化和环保化，它是人类社会住宅发展的必然趋势。由于我国经济发展不平衡，短时间内不可能使所有现存的小区都达到统一的智能化程度，关系到千家万户生命财产安全的报警系统往往成为智能小区的首要考虑的问题，其优劣直接关系到整个智能小区系统的成败。 目前，智能小区安防信息传输方式主要有电力载波、电话线、总线和无线方式。应用现有的电力线资源，无需另外布线，改造成本底，但干扰较大，安全性较差；利用电话线通信是一个经济的方案，只需在数据集中器和管理中心主机各加装调制解调器即可，但线路连接时间较长，通常可达几秒到几十秒，使得管理中心无法对用户实时监控，而且对于并线使用的电话或多或少会有一些影响；应用总线方式，通信速率较高、通信距离较远，但布线走网复杂、影响美观、易出故障、移动性能差；而采用无线方式，以其特有的防火、防潮、防化学物质腐蚀、防破坏，无需布线、工程简单、成本低廉、易管理、易维护和高移动性将能很好地解决这些问题，对于距离较远且分散的用户区以及有线用户系统未连接到的地方更是一种理想的选择。1.3 本论文的主要研究内容 本系统主要完成的工作是设计完成一套可移动的小区管理报警及安全调度设备，负责把小区居民发送的按钮信号通过单片机处理然后经由无线通讯模块传送到控制室，为控制室对小区内的情况提供报警信号。控制端无线报警控制系统从硬件结构设计上完全相同，两个控制模块都选用低功耗高功能的8位控制器AT89C51，采用NORDIC公司的nRF401单片无线收发芯片。在软件上，单片机现场点对点的通信采用总线型的通信方式，RF射频模块的通信参考的MODICON公司倡导的一种协议MODBUS，通过MODBUS协议可以很容易的将带有串行通信口的设备集成在一起。 系统的总体设计2.1 本系统的功能针对传统的有线监控报警系统中布线困难、不易扩展的缺点，采用专用射频无线收发芯片nRF401，设计一种参数稳定、功耗低、体积小的无线监控呼叫系统。该系统基于单片机多地址编码技术，对每个分机设置不同的地址编码，从而有效降低系统呼叫时的误码率和呼叫主机间的干扰，提高了系统容量，易于扩展。当小区居民发现可疑情况时，按下报警按钮，小区管理控制室里报警显示板上相应位置的指示灯点亮并发出报警提示。（A）发射部分原理框图（B）接收部分原理框图图2.1系统原理框图无线模块芯片选用NORDIC公司的nRF401单片无线收发芯片，nRF401是一个为433MHz ISM频段设计的真正单片UHF无线收发芯片，它采用FSK调制解调技术。nRF401最高工作速率可以达到20K，发射功率可以调整，最大发射功率是+l0dBm，它具有较少的外围元件，无需进行初始化配置，不需要对数据进行曼彻斯特编码，且有两个工作频道，低功耗高功能等特点。2.2 系统设计中的关键问题 本课题的设计任务主要是设计一套针对小区的安全问题进行监控的无线监控系统，由于无线通信技术和现代智能网络的发展己成为未来必然的发展趋势，使得以更低的投资建立一个基于无线方式的传输数据的安全报警监控系统成为可能。本系统在设计时主要考虑了以下几个关键问题。 1）市场定位：本设计希望提供的面向广大小区居民的商品化产品，因此在开发规划设计之初，进行功能设计、技术选择及设备配置时，必须进行市场定位、确定功能需求。本系统设计定位于对小区管理的监控，系统的突出优点就是监测数据采用无线方式进行传输。采用无线方式进行数据或信号的传递，不但没有了布线的烦恼，而且可以自成体系独立安装。系统功能设计定位于经济实用型，以满足管理监控需求、操作简单为先，主要具有监控数据采集、自动数据分析预警、紧急求助报警等功能。 2）经济性和可靠性：目前，我国仍然是一个发展中国家，高造价的监控系统很难受欢迎。在经济型和可靠性的选择上，经济型是关键参考指标。一个高造价的智能化系统功能肯定会不错，但绝不是选用的技术和设备越先进越好，如果相对于人们的需求而产生了技术过剩，就会造成意想不到的浪费。监控系统的各种智能化功能要立足于用户的要求，最终由消费者决定。因此在本系统的设计中，选取器件时在保证性能的情况下选择比较经济适用的元器件。系统数据传输采用无线方式进行，可大大降低系统成本、工程难度和技术风险，提高经济性。并且数据可实时传输，使监控人员能及时了解情况，降低了小区内发生事故的风险，并设置了自动分析报警功能，增强了可靠性。3）开放性和可持续发展性：为了避免因技术的更新换代对产品的使用造成淘汰而造成资源浪费，并与未来智能小区的概念相接轨，小区监控系统必须具备一个开放性的结构，以适应未来功能的需求增加，使系统具有良好的可持续发展性。本系统采用无线方式进行数据传输，不但易于灵活实现多个监控参数的设置和传输，当有新的功能要求时，新的功能模块可以很灵活的接入系统，具有极好的开放性，并大大提高系统功能的可扩展性。2.3系统的构成无线通信模块无线通信模块单片机单片机调试信号解码部分调试信号编码部分电源电源人机入口输入信号图2.2 系统的硬件构成 根据系统的功能设计以及系统框图2.1所示，整个报警监控系统分为现场终端和管理控制中心两个部分，现场终端又由信号采集控制部分和无线通信部分组成。信号采集部分主要负责采集小区居民发出的按钮信号，并通过单片机的处理发送给无线通信模块，然后通过无线通信发射电路对该信号进行调制处理后发送出去。在信号无线传输过程中，由于每个用户端的主控制器除了能够收到本用户端数据采集模块发来的数据外，随时都可能受到来自相邻或相近用户的监测数据干扰，如果主控制器不能够做到正确识别数据来源，提取真实有效的监测数据，就无法真正反映出用户端的确切情况，势必影响监护的准确度，因此在对信号进行发射前必须作编码处理。通过编码给每个用户分配一个唯一的地址，以之作为数据传输时的识别码，在同一用户端的主控制器模块再作相应的地址识别和解码，从而达到识别数据、避免干扰的目的。因此，信号调制模块主要由编码器和单片机控制模块构成。通过按钮信号获取的报警信号，并将此数据经编码器编码后通过无线发射模块传送给主控制器。 同时为了控制室能及时的疏散人员，在控制模块输出一个报警信号，当控制室发现需要疏散的时候，就会发出信号经由无线通信模块发回给信号发射端，并发出疏散指示。当系统运行一切正常，并没有报警和事故发生时，在任意时刻，控制中心如需要知道小区内的情况，也可以通过喇叭要求与小区居民通信。如果达到报警条件，单片机通过RF无线射频模块向控制中心发射报警信号和故障代码。控制中心转而控制单片机，通过控制端无线射频模块发射疏散信号。3 系统的硬件结构及设计3.1概述 本章将具体介绍系统的硬件设计与实现。主要分为无线射频通信模块设计、控制模块与人机接口模块设计几个部分。控制模块和无线射频模块设计主要是解决对按钮信号的处理和信号收发问题;人机接口模块的主要任务是完成报警条件的初始设置。系统的硬件结构图如图2.2所示。3.2 8251A可编程通信接口 8251A是8251的改进型，它是一种通用的同步异步接收/发送器(USART)，是为适用于Intel公司的高性能微处理机系列的数据通信而设计的。 8251A作为一种外围器件，可由CPU编程而采用常用的任何一种串行数据传输技术工作。 8251A接收来自CPU的并行数据字符，然后将其转换为连续的串行数据流，以便发送出去。与此同时，8251A可以接收串行数据流，并将其转换成为并行数据字符提供给CPU。每当 8251A能接受邀发送出的新字符，或已接收了提供给CPU的一个新字符时，都会向CPU发出信号。CPU可在任何时候读出 8251A的全部状态，包括数据传输的错误和控制信号。3.2.1 主要技术特性同步和异步操作；同步:5-8位的字符，内部或外部字符同步，自动插入同步为；异步:5-8位的字符，时钟频率-1、16或64倍于波特率，断点字符的产生，1、3/2 或2位停止位，启动位的检测，断点自动检查和处理；同步波特率:O-64K波特；异步波特率:O-192K波特；全双工、双缓冲器的发送器和接收器；出错检测-奇偶检验、重迭检测和帧校验；与 8080/8085CPU完全兼容；28脚双列直插式封装；所有输入和输出电路均与TTL兼容；只需一组+5V电源；一个TTL时钟。3.2.2管脚说明图3.1 8251A的引脚图图3.2 8251A内部结构框图 1）数据总线缓冲器：这个三态、双向、8为的缓冲器将8251A与系统数据总线连接起来。有CPU执行输入或输出指令，是缓冲器发送或接收数据。控制字、命令字和状态信息也通过该数据总线缓冲器传送。控制状态和数据输入以及数据输出的8位寄存器是相互独立的，以便提供缓冲性能。 2）RESET(复位)：该输入为高电平迫使8251A处于“空闲”状态。在把一组新的控制字写入 8251A，设定其功能之前，该器件就一直处于“空闲”状态。RESET脉冲的最小宽度为 6tcy(时钟必处于运行状态)。 3）CLK(时钟)：CLK输入用于产生器件内部的时序，一般接至8224时钟发生器的TTL输出上。外部的输入或输出不必与CLK同步，但是CLK的频率必须比接收器或发送器的数据率高30倍以上。 4）(写)：该输入端为低电平就通知8251A，CPU正在把数据或控制字写入825l。 5） (读)：该输入端为低电平就通知 8251A，CPU正在从 8251A读取数据或状态信息。 6）C/(控制/数据)：这个输入端与和输入信号相结合，通知8251A数据总线上的字是数据字符、控制字，还是状态信息。 7）(选片)：该输入端为低电平是选中这个825lA。除非器件被选中，否则不能被读出或写入。若为高电平，数据总线处于浮置状态，和对器件没有影响。 8）调制解调器的控制器：8251A有一组控制输入和输出端，能用于简化与几乎任何一种调制解调器的接口。调制解调器的控制信号实际上是通用的。如果必要的话也可用作其他功能。 9）(数据装置准备就绪)：输入信号是一个通用的1位反相输入口。CPU可通过读状态操作测试其状态。输入通常用于测试“数据设置准备就绪”之类的调制解调器状态。 10.(数据终端准备就绪)：输出信号是一个通用的1位反相输出口。可通过对命令字中的适当位编程而使之变为低电平。输出信号通常用于调制解调器的控制，例如数据终端准备就绪或者速率选择。 11） (请求发送)：输出信号是一个通用的1位反相输出口。可通过对命令字中的适当编程而使其变为低电平。输出信号一般用于请求发送之类的调制解调器控制功能。 12）(清楚发送)：若命令字节中的发送启用位为1，这输入为低电平是允许 8251A发送串行数据。若在发送器工作过程中“发送启用”状态或信号消失，则发出关闭发送信号之前写入 8251A的所有数据将被发送出去，然后才关闭。如果在最后一个字符出现在串行数据流之前出现上述状态，则最后一个字符将在或“发送启用”状态出现时再发送一次。 13）发送器缓冲器：发送器缓冲器接收数据总线缓冲器来的数据，将其转换成为串行数据流，根据不同的通信技术插入适当的字符或位，并在的下降沿由TxD的输出引脚输出合成的串行数据流。如果=0，那么发送器就在受到启用时开始发送。在主复位、发送启用状态/信号消失或TxEMPTY出现时，TxD线将立即处于标志状态。 14）发送器控制：发送器控制部分管理与串行数据发送有关的所有活动，该部分接收和发送内部的外部的信号，以便实现这些功能。 15）TxRDY(发送器准备就绪)：该输出信号告诉CPU，发送器己准备好接收一个数据字符。 16）TxE(发送器空)：当8251A没有要发送的字符时，TxEMPTY输出端处于高电位。若允许发送器工作，则接收到来自CPU的一个字符时TxEMPTY自动复位。 17）(发送器时钟)：发送器时钟控制字符发送的速率，在同步传输方式下，波特率(lx)等于的频率。在异步传输方式下，波特率是实际频率的函数。 18.接收缓冲器：接收器可接收串行数据，并将其转换成为并行数据，对这种通信技术采用的特别位或字符进行检查，并向CPU发送一个装配好的字符。 19）接收器控制：这个功能块管理与接收器有关的所有动作。 20）RxRDY(接收器准备就绪)：这个输出表明8251A己准备好输入给CPU的一个字符。RxRDY可以接至CPU的中断结构上；或者在查询操作中，CPU可用读状态操作检查RxRDY的状态。 21）(接收器时钟)：接收器时钟控制字符接受的速率。在同步工作方式下，波特率(lx)等于的实际频率。在异步工作方式下，波特率是频率的若干分之一。 22）SYNDET(同步检测)/RKDET(断点检测)：在同步工作方式下，该引脚用于同步检测，或者作为输入或输出，通过控制字来编程。复位时该引脚处于输出低电平状态。 23）断点检测(只用于异步方式)：只要接收器在两个连续的停止位串(包括起动位、数据位、奇偶位)中保持低电平，这个输出就变成高电平。3.3 nRF401简介nRF401是挪威NORDIC公司推出的单片无线收发一体的芯片，nRF401采用抗干扰能力强的FSK调制方式，工作频率稳定可靠，外围元件少，便于设计生产，功耗极低，适合于便携及手持产品的设计，可直接接单片机串口，无需曼彻斯特编码。无需使用许可证，是目前低功率无线数传的理想选择。nRF401外接参考晶振为4MHz，通过内部的频率合成器合成433MHz的工作频率。由于发射和接收频率的误差应在30KHz以下，因此对外接的参考晶振有一定的要求，其稳定度应大于士35ppm，否则会对精度造成较大的影响。外接的VCO电感应选用高频电感，工作频率下的Q值应在45以上，精度为2%，精度的大小直接影响通信的距离。电路的PLL环路滤波器为单端二阶滤波器。RF偏压电阻用于调整输出发射功率，最大功率可以调整到+10dBm，外部天线采用低成本的PCB天线，体积较小，使用差分的方式连接到nRF401的ANT1和ANT2的两端，天线的负载阻抗为400欧。nRF401内的功率放大器输出是两个开路输出三极管，配置成差分放大的方式，功率放大器的VCC必须通过集电极负载，VCC必须通过环行开线的中心输入。3.3.1 功能描述工作频率为国际通用的数据传输频段433MHz；FSK调制，直接数据输入输出，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合；采用DSS+PLL频率合成技术，频率稳定性极好；灵敏度高，达到-105dBm；功耗小，接收待机状态仅为8uA；最大发射功率达 +l0dBm；低工作电压 (2.7V)，可满足低功耗设备的要求；具有多个频道，可方便地切换工作频率，特别满足需要多信道工作的特殊场合；工作速率最高可达20Kbit/s，可直接接单片机串口，无需曼彻斯特编码；仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件，基本无需调试；由于采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用申请许可证。3.3.2主要技术指标表3.1 nRF401主要技术特性参数数值单位频率频道1/频道2433.92/434.33MHz调制方式FSK调制度15KHz最大输出发射功率400,3V10dBm灵敏度400欧姆，BR=20kbit/s，BER45433MHZ，精度2%。 晶体的规格： F=4.0000MHz 晶体并联谐振频率 C05pF 晶体等效电容 ESR150ohm 晶体串联等效电阻Cl14pF 等效负载电容，包括PCB上分布电容（4）晶振nRF401与单片机可以共用一个晶振，下图表示了它们之间的连接方式。需要注意的是从单片机引入的晶体走线不能离数据线或者控制线太近。图3.6 晶振电路图3.7 nRF401与单片机共用一个晶振3.3.4发送和接收频率问题为了获得最好的RF性能，发射和接收频率误差不能超过70PPM(30KHz)。这就要求晶体的稳定度不能低于士35PPM，频率的差异将会导致接收机灵敏度产生-12dB/倍程的损失。例如一个20PPM频率精度和在温度范围内25PPM稳定度的晶体，最大的频率误差将会超过45ppm。如果发射机和接收机工作在不同的温度环境，在最差的情况下两边的误差将会超过90PPM，其结果将会导致接收机灵敏度下降将近5dB。3.4无线发射端模块的设计与实现3.4.1控制模块的电路设计图3.8 8251A电路图本部分电路主要由按钮开关、AT89C51单片机、nRF401无线通信芯片、喇叭、发光二极管、变压器、晶振、电容、电阻以及一个24C04EEPROM和看门狗MAX813组成。电路图如图3.8所示。由于市电只能提供+220V的电源，所以加上一个DC/DC，将+220V转化成+5V的电压。S3、S4、S5为系统的编码电路，在点对多点通信中，用来起到对事故地点的确认，发光二极管一个为发射指示灯，一个为接收指示灯。D3为红灯，D2为绿灯，当P10发出“1”指令，D3亮灯，表示nRF401此时的工作状态是发射状态，当P11口发出“1”指令，D2亮灯，表示nRF401此时的工作状态是接收状态。数据存入EEPROM中。喇叭经由控制模块的控制，当主控制室发出警报信号，单片机控制喇叭在现场发出报警响铃。由于AT89C51只有一个串口，所以在人机接口部分需要加一个串口来实现人机交互，这串口本系统选择的是8251A可编程通信接口。8251A和AT89C51的连接电路如图3.10所示。串行通信接口电路如图3.9所示。3.4.2串行通信接口电路单片机对信号数据进行处理后，需要与上位机进行数据通信，将采集的各种信息显示于上位机，以增强人机交互功能。单片机与上位机的通信采用RS232C总线标准，其电平转换芯片采用MAXIM公司生产的MAX232，它包含两路接收器和发送器，适用于各种232通信接口。其内部有一个电压变换器，可以把输入的+5V电源电压变换成输出所需的10V电压。因此，在串行通信中只需要单一的+5V电源就可以了，且价格适中硬件接口电路简单。图中，电容C1、C2、C3、为电解电容，电容值为22uF(耐压高于16v)，连接时电容需要靠近器件，并且不能将极性接反。实际上电容C3、C4、及VS+、VS是电源的交换部分，可以实现单一的+5v到10v的电压转变。由于在应用中器件对电源噪声很敏感，因此，VCC需要对地加去藕电容C4，其值选为1uF。接口电路如下图所示：图3.9 串行接口电路原理图3.4.3 nRF40l的外围电路设计图3.10 nRF401外围电路图表3.3 推荐使用的元件参数表元件参数元件参数C1NP0，0603，22pFC10NP0，0603，3.3pFC2NP0，0603，22pFC11NP0，0603，5.6pFC3NP0，0603，820pFL1Q45，0603，22nHC4X7R，0603，15nFR11/8W，0603，1.0MC5X7R，1206，2.2uFR21/8W，0603，4.7KC6NP0，0603，100nFR31/8W，0603，22KC7NP0，0603，1nFR41/8W，0603，18KC8NP0，0603，100pFX1Crystal，4.000MHzC9NP0，0603，100pFnRF401的TXEN、PWR_UP、CS引脚分别和8051A的P27、P26、P25引脚相连，DIN和DOUT引脚分别和8251A的11和10引脚相连，如图3.8和图3.10标示。RF芯片的外围器件的选择要求比较高，外围元件是实现RF射频功能的关键要素。元件的品质和精度直接影响到电路设计的整体性能。推荐使用的元件参数如上表所示。3.4.4 PCB布局和去藕设计指南一个好的PCB设计对于获得好的RF性能是必需的，推荐使用至少两层板来设计，nRF401的直流供电必需在离VDD脚尽可能近的地方用高性能的RF电容去藕。如果一个小电容再并上一个较大的电容效果会更好 (2.2uF)，nRF401的电源必需经过很好的滤波，并且与数字电路供电分离。在PCB应该避免长的电源走线，所有元件地线VDD，连接线，VDD去藕电容必需离nRF401尽可能近，如果PCB设计的顶层有铺铜，VSS脚必需连接到铺铜面，如果PCB的设计的底层有铺铜，与VSS的焊盘有一个过孔相连会获得更好的性能。所有开关数字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。需要说明的是VCO电感的布局是非常重要的，一个经过优化的VCO电感布局将可以给PLL环路滤波器提供一个1.10.2V电压，这个电压可以从FILT1(pin4)测得。对于1.6mmFR4板材的双面PCB，0603封装电感的中心到VCOl和VCO2焊盘的中心的距离应该是5.4mm。3.5硬件的抗干扰措施 监控系统在现场工作是，要求具有良好的抗干扰能力和很高的稳定性，因此有必要采取相应抗干扰的措施。设计中主要采取了以下硬件抗干扰措施。 1）接地抗干扰措施 接地技术是抑制噪声干扰的重要手段，良好的接地可以很大程度上抑制系统内部噪声藕合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。一般来说，电路的工作频率在1MHz以下时屏蔽线可使用一点接地方式，当频率高于10MHZ时应采用多点接地方式，工作频率在1-10MHz之间，如果采用一点接地，则其地线长度不得超过信号波长的1/20，否则应用多点接地。 2）滤波抗干扰措施 滤波器是硬件抗干扰经常使用并且效果明显的器件。使用最多的是低通滤波器，一般使用RC滤波器，它能够很好的抑制信号传输线中的高频噪声和抑制工频干扰，起到良好的抗干扰作用。在芯片的供电部分，通常采用一个0.0luF或0.luF的电容和地连接起来。这样是为了防止供电电压突变而对芯片产生影响，稳定电压波形，防止突变。 3）印刷电路板抗干扰措施 在印刷电路板上，器件和器件之间的连线、电源线、地线等均用印制铜条来实现。随着电子器件向低功耗低电压的方向发展，各种电子装置的体积越来越小，印刷电路板上的元件密度越来越高，印制线条越来越细，其间的距离也越来越小，这就增加了印制线条的阻抗和相互之间的感应藕合。所以，在进行印刷电路板的设计和制作时，非常有必要采取相应的措施来提高电子线路的抗干扰性能。 在本系统中，电子线路都是采用印刷电路板的方式，在设计和制作印刷电路板时从以下几个方面加以了考虑： （1）在结构和布局上，数字电路、模拟电路和大电流器件等分开放置。对于频率很高的CPU时钟电路，尽量靠近管脚放置，使时钟线尽量短，同时采用地线将整个电路圈起来。 （2）电源线加粗，合理走线、接地和总线分开以减少互感振荡。 （3）独立系统结构，减少插件，可大大减少故障率和受干扰的概率。 （4）在布线层也采用了地线大面积铺铜，同时，线与线的距离尽可能的大，双层电路板顶层和地层的布线应相互垂直，从而最大限度的减小印制线之间的藕合干扰。 （5）电源线和地线的走线方向与数据线传递的方向一致，增强系统的抗噪声能力。（6）尽量避免长距离的平行走线，以防止他们之间的相互串扰，拐角处应为斜线，避免直角。4 系统的总体设计4.1无线通信协议的设计4.1.1 本系统无线通信的任务 在无线数据传输监控系统中，无线通信的任务包括以下四个方面: （1）将检测终端的检测数据通过各终端的无线传输模块传给主机。 （2）主机部分的射频模块接收终端机上传输过来的数据并传给主控制器。 （3）将主控制器的控制信息由主机下传给各个无线终端。 （4）检测终端通过无线传输模块接收主机传过来的控制信息。因此在整个通信的过程中主机和监控终端既是数据发送端也是数据接收端，基于在本无线网络中，存在一个主站(即主机终端)和多个从站(各个终端检测点)，因此本无线通信的协议是点对多点的无线通信协议。图4.1 系统网络通信拓扑结构4.1.2 无线通信过程分析 在整个无线通信系统中，无线通信模块的工作频率是433MHz，数据传输率是9600b/s。由于整个系统工作在单一载波频率下，采用FDMA技术是不可能的，所以在经过权衡之后，认为采用TDMA方式即时分多路访问模式是最有效可行的，由于整个系统每次最多的通信数据量限制在1K以内(主要是一些检测数据信息和控制信息)，本系统主机端采用了轮询的工作方式。整个系统的工作过程如下：主机端： （1）向无线检测终端发送建立连接请求，请求中包含终端ID，询问该终端是否有数据或命令要发送。 （2）若收到该终端机的肯定响应应答，则转到（3），否则转到（4）。 （3）主机同终端机进行通信，接收终端机的数据或者向无线终端发送控制信息，整个通信完成后转到（4）。 （4）转机的入和下一个终端通信，回到（1）。无线终端： （1）监听主机端发送的建立连接请求，若请求中包含的终端ID等于自己的ID号，转至（2）；若请求中包含的终端ID不等于自己的ID，则丢弃此请求包，继续监听。 （2）若本终端有数据或命令需要上传，则开始与主机进行通信直至通信结束，然后回到（1）；若没有数据需要上传，则回到（1）。4.1.3 通信协议数据帧 通信协议是通信双方为实现信息交换而制定的规则，本系统采用分时技术将点对多点的通信方式转化为点对点的通信，因此必然涉及信源与信宿建立通信的地址匹配问题，而且由于无线收发模块的特性，通信可能在发射端与接收端之间受到外界的干扰而使数据发生错误，也需要通信协议来保证接收端能正确接收数据，并确定所接收数据是否为实际数据。射频模块和主控制芯片之间是通过串行口来实现数据交换的。当没有发送数据的时候，RF无线模块接收端也会有信号出现，这是因为nRF401对噪声进行了解调，并会引起UART进行接收处理。在对噪声进行采样的时候，有可能另一端的发送机开始发送信息，因此读取检测到哪个是有效数据起始位就很为重要，引导字头这时候就起着检测的作用，它使UART在第一个地址位到来前能够正确检测开始位并接收数据。在本套无线通信系统中采用如下的信息帧格式：表4.1 信息帧格式引 导字 头系 统关键字接收机ID发送机ID控制字数 据长 度数据块校验字（a）引导字头 引导字头是一个训练序列，在建立无线通信过程中起到稳定接收机和发送机通信的作用。引导字头用来保证应用通信程序能够识别噪声和有效数据，噪声是以随机字节出现的，没有明显的方式，一个理想的噪声源应该能够产生每一种可能字节信息的组合，噪声的这种特性使得相当困难去找一种字节组合来作为有效数据包的开始，幸运的是噪声并不是理想的，经测试发现0xFF后跟0x00在噪声中不容易发生，传输协议应该在数据包前加开始字节0xFF后跟0x00用作数据包的通信同步码，接收协议只能接收以OxFF后跟0x00开始的数据包。（b）系统关键字 由于无线通信模块可以工作在多个终端，所以在同一工作地点可能应用多次查询连接，各终端控制各自的端机。为了区分不同的系统，可以添加不同的系统关键命令字，常用一个字节来表示，例如0x0l和0x02表示两套不同的连接，这可根据实际情况设定。（c）通信模块功设置 为了区分不同的端机，可将各无线通信模块划分不同的功值。例如主机ID给定编码值(16进制)0x01，端机ID给定编码值(16进制)0xl0，0x20，0x30等，端机编码范围(16进制)0xl0-0xlF，分别对应所控制的压力、温度、位移等等不同类型的传感器模块。接收端在判断