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基于单片机技术的无线数传模块设计物理与光电信息科技学院电子信息工程专业郑啟瑞指导教师王新明 赵星俤【摘要】介绍了一种通过单片机ATmega16L对无线收发芯片ADF7021进行智能控制的通用无线收发装置的设计方法， 包括 硬件电路和软件部分的实现方法。并给出了主要的CVAVR源代码。最后，进行了硬件电路的测试。开发的无线收发装置可以方便地嵌入各种带有串口的测量和控制系统中，实现无线数据的双向传输。【关键词】ADF7021；单片机；无线数传目录1.引言31.1课题研究意义31.2本课题的主要内容32.无线数传模块系统设计32.1系统分析32.2关键设备42.3本章小结83.无线数传模块的硬件设计83.1射频收发部分电路设计83.2单片机控制部分的设计93.3单片机与ADF7021的接口设计103.4单片机与计算机的接口电路133.5系统电源部分的设计133.6本章小结144.无线数传模块的软件设计144.1开发软件及其编程语言介绍144.2软件设计思想144.3总体设计144.4各模块的详细设计154.5本章小结175.制板与调试175.1制板175.2调试185.3本章小结196.结束语19致谢20参考文献201. 引言1.1 课题研究意义随着现代科学技术的发展，为了方便采集大量的工控数据（比如电压、电流、功率、温度），而后将说采集到的数据发送到服务主机进行相应的处理，然后主机可以根据对数据处理的结果发出相应的控制信号，控制信号被各个采集模块的客户端接收后，客户端执行相应的控制操作。在我国的现阶段，许多的企业设备较为陈旧，设计的思想未能考虑到信息自动化，因此往往需要进行手工记录数据。但是随着现代管理模式的建立，一个完好的系统项目往往需要大量的设备层数据。在这种新旧更替的转型期，从企业的本和系统的兼容性考虑，现有的设备又必须保留。在主模块功能不变的情况下，进行数据采集。为了满足新时代设备的可移动、体积小、功耗低、成本低、使用方便等特性，无线数传模块应运而生。这种各种无线模块应该能够具有广泛的通用性能，可方便地嵌入在各种测量和控制系统中进行无线数据传输，在车辆无线监控、POS系统、自动识别、电力无线抄表、无线RS232数据通信、计算机遥控遥测系统中应用、无线传感器、家庭自动化、自动化数据采集、工业遥控、遥测、楼宇小区自动化与安防、机器人控制、气象等可得到广泛的应用。1.2 本课题的主要内容利用单片机内部资源实现无线射频芯片的配置，是整个模块工作在相应的频率，对于传输过程中遇到的丢包进行对应的处理，能够保持较低的误码率和较高的传输速率，同时保证整个模块的抗干扰和接受的灵敏度。此外无线模块能提供了多个频道的选择，能够透明传输任何大小的数据，而用户无须编写复杂的设置与传输程序，并提供尽可能多的接口。同时小体积，宽电压运行，较远传输距离，丰富便捷的软件编程设置功能，使系统模块能够应用与非常广泛的领域。2. 无线数传模块系统设计2.1 系统分析一个无线数传模块典型的系统如图2-1。1图 2-1 无线数传系统典型框图微机将数据传给单片机控制系统，然后单片机把数据传给射频部分发射出去，同时还要能够接受数据。2 整个无线数传模块系统由射频部分、单片机部分、单片机与微机处理部分组成，通过工业设备采集到的数据，通过模块的外围接口传送到无线模块的单片机，通过单片机将射频部分的配置在所需的调制模式、频段和传送的速率（比如4FSK调试、433MHz和1200kb/s），信号通过无线通道传送到无线模块的射频接受部分，通过单片机预先配置好的对应接受解调模式、频段和接受速率，对接受信号进行解调，然后经过模块的外围接口电路，将接受到的数据传送到主机进行数据处理。为了满足不同领域的技术要求，在设计该模块时应当将无线数据传输模块设计为工作频段较宽、传输距离较长、功耗较低、可靠性较强、误码率较低、传播速率较快的要求。2.2 关键设备2.2.1 射频收发芯片ADF7021由于无线收发芯片的种类很多，如表2-1：表2-1 无线收发芯片选择设计所需的射频芯片对于完成整个项目来说非常的关键，因为正确选择可以避免走很多的弯路，缩短开发设计的周期。因此，出于设计射频项目应用特性应当考虑以下几个主要的方面： 1）功耗为了满足无线模块在移动领域的应用，应该使得整个设计得功耗达到较低水平。应该根据需要选择合适得小功耗收发芯片。2）外扩元件数量和收发芯片的封装和管脚数这是因为外扩元件数量和收发芯片的封装和管脚数决定了PCB得面积、模块得体积和总量，以及整个设计得复杂程度。所以要选择相对外扩得元器件较少的RF收发芯片。这方面ADF7021是一个较为理想的选择。外围元件约为30个，无需声表面滤波器、变容管等昂贵的元件，只需一个晶振、几个电容、电感和电阻即可设计射频电路，24个引脚和较小的封装，使整个系统能更加利于减少布板面积，更适合测控系统的设计。4）发射功率发射功率决定了通讯的有效性和可靠性，发射功率较高的RF芯片在同等条件下的传输距离也会较远，更能具广泛的应用性。5）RF芯片的编码方式不同编码方式的RF芯片对于编程的难度、内部ROM和RAM由不同的要求，而且对数据的传输速率也有相当大的影响。如采用曼彻斯特编码的RF芯片编程较高，需消耗更多的RAM和ROM，使得数据得传输效率降低到标称速率得33左右。相较之下，ADI公司ADF7021系列的芯片采用串口传输，编程相对简单，应用及编程非常简单，并且传送的效率很高，实际数据传输速率就是芯片得标称速率。考虑到各种因素本方案最后选用ADF7021无线收发一体芯片。ADF7021芯片可工作在80MHz650 MHz和862 MHz 940 MHz多个频段， 能够在全球无线市场畅通无阻。支持多点间通信，最高传输速率超过32.8kbps，而且比普通无线收发设备具有更高的输出功率。ADF7021是利用芯片本身集成的射频、滤波、放大、数字信号-处理的模块，搭建收发一体的无线通信模块。由于芯片无线通信距离远及其高度的集成化，使得无线模块电路设计简单，调试方便，系统工作也更稳定。基于上述因素的比较和论证，本设计选取ADF7021作为整个无线数传模块的射频处理芯片。其功能的描述如下：1 )主要特点ADF7021的引脚排列如图2.2 ( 顶视图)所示。 它采用5mm5mm的24引脚QFN封装。表1所列是其引脚功能。ADF7021的主要特点如下： 采用80650 MHz和862940 MHz频段，可满足多频及跳频需要； 速率( 25kbps )，且具有高数据吞吐量； 输出功率（可设置输出功率:-16dBm - +13dBm）和工作频率等所有工作参数可全部通过软件设置； 电源电压范围为2.3 V3.6 V， 功耗很低； 电流消耗很小，掉电模式下工作电流小于1mA； 内部的ADC能够读取内置温度传感器、外部模拟输入、电池电压和接收信号强度指示（RSSI），温度传感器； 内部包含高斯升余弦滤波，无需外部SAW滤波器； 完整的自动频率控制环路（AFC）可补偿低容忍度晶体用于许多电路应用标准，包括欧洲ETSI-EN 300-220，日本ARIB STD-T67，中国短程设备标准以及北美FCC Part 15, Part 90和 Part 95管理标准。在信号良好的情况下，传输距离可达800m。在低成本数据传输器遥控/安全系统，无线测量和无键盘输入方面有很大的应用前景。ADF7021引脚排列图(顶视图)如图2-2所示：图 2-2 ADF7021引脚排列图(顶视图)ADF7021内部原理框图如图2-3所示：图2-3 ADF7021内部原理框图在本系统中，ADF7021是无线数据通信模块的主要芯片，利用芯片本身集成的射频、滤波、放大、数字信号处理的模块，搭建收发一体的无线通信模块。由于芯片无线通信距离远及其高度的集成化，使得无线模块电路设计简单、调试方便，系统工作也更稳定。芯片的内部工作过程如下：在发送端，ADF7021从串行接口接收数据后，数据进行高斯升余弦滤波，内部AFC控制电路产生的调制波进行调制，通过内部寄存器配置的预置分频比进行分频，最后经过内部的放大器PA进行信号放大，最后送到RFOUT脚输出；在接收端，ADF7021从RFIN和RFINB接受到数据，通过内部的自动增益控制器AGC控制数字接收强度指示器RSSI和IF滤波器指标，处理完的信号经过解调器解调后，通过时钟和数据的更新发送到TxRx控制器发送到处理器中。2）引脚功能ADF7021引脚功能如表2-2所示：表2-2 ADF7021引脚功能表2.2.2 单片机芯片ATmega16L作为电子技术不可或缺的一部分，单片机在现代工业中占据了举足轻重的地位。它把CPU、I/O口以及内存压缩到一块芯片中，只需要在其外围外接少量的电子元件即可构成一个建议的控制系统。与复杂的独立元件电路来说，其硬件的成本得到了大大的降低。普通的单片机面积有限，无法设计出太大的内存空间，片内的ROM和RAM较小，片内常内置了引脚方向控制器、计时定时器、外部中断控制器等。有些MCU内部资源不断的升级，包括了AD、DA、UART、SPI等接口。在单片机中，以51系列、PIC系列、AVR系列最为常用。为了开发的方便我们这边的设计采用AVR系列的ATmega16L单片机。其主要因素有如下：与PIC和51系列单片机想比较，AVR单片机全部型号都支持ISP在线编程、芯片可以反复擦写，设计者可以在目标电路板上直接对芯片进行编程、调试，而不需要专用的编程器和仿真器。这样可以大大降低设计的开发成本。而51单片机只有少部分型号支持ISP在线编程（如AT89S51、AT89S52等），51系列的机械周期较长，相对于AVR的运行速率低。PIC单片机也是部分支持ISP，但是它有很多型号是OPT一次性烧写的，而且PIC单片机的芯片价格普遍比较高，不利于较低设计成本。ATmega16L单片机是高性能、低功耗的8位AVR微处理器，内部集成了8路10位AD，2个可编程串行USART，可工作于主机/从机模式的 SPI串行接口，32个可编程的I/O口，在掉电模式下工作电流1uA，工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS，2.7V-5.5V的宽工作电压。可以满足系统设计的整体要求。2.3 本章小结本章在分析了单片机无线数传输模块要求的基础上选择了ADF7021和ATmega16L作为实现功能的主要芯片。详细分析了这2块芯片的功能和特点。为下面的具体设计做了充分的准备工作。3. 无线数传模块的硬件设计根据无线通信系统的一般结构和本方案所采用芯片的具体特点，本系统硬件设计主要可分为4部分：射频收发部分、单片机控制部分、接口电路和电源部分。3.1 射频收发部分电路设计系统的射频电路由ADF7021和一些外围元件构成。在分析了ADF7021的参考电路之后，采用如下的电路和元件实现433MHz的无线收发功能。其电路图如图3-1所示：图 3-1ADF7021应用射频电路其中ADF7021的电源采用ADI公司给出参考电压，电源电路由LM117产生3.3V的直流稳压源提供，C4，C5，C6，C29，C31，C32，C33，C40为去耦合电容。天线部分参考电路采用的是鞭型天线，所占空间较大。现在无线通信领域常采用的天线是倒F型天线。倒F天线结构紧密，带宽适中，不容易损坏，而且和鞭型天线比起来功率吸收更小。因此本设计采用倒F天线。由于在高频电路中，负载阻抗跟传输线的特征阻抗应该相等，这就是传输线的阻抗匹配。如果输入阻抗与输出阻抗的失配将导致高频信号的反射，能量传递不过去，降低效率；会在传输线上形成驻波（简单的理解，就是有些地方信号强，有些地方信号弱），导致传输线的有效功率容量降低；功率发射不出去，甚至会损坏发射设备。如果是电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配时，会产生震荡，辐射干扰等。本模块设计匹配网络由L4,L5,L6,L7,L8,C30,C34,C35,C36,C37,C38,C39和C41构成，采用图中的相应参数，使得输入阻抗与输出阻抗的匹配。出于成本的考虑采用负载电容CL=12pF,等效串联电阻ESR40的晶振，最好可以使用负载电容CL=16pF的晶振，因此采用并联两个串接的33pF电容C26，C22即可。3.2 单片机控制部分的设计图3-3 单片机复位电路在给单片机的复位信号，选用IMP811M微处理器监控电路减少系统中为控制电压供给和电池功能所需要组件的复杂性和数目。这些设备和独立的IC或离散组件相比可显著增强系统的可靠性和准确性。IMP811M用一个有效高电平来代替看门狗定时器.当供给电压低于4.40V时，IMP811M产生一个复位脉冲，复位脉宽200ms。图3-4 单片机JATG烧写电路ATmega16L单片机可通过控制4个JTAG专用引脚:TCK、TMS、TDI及 TDOJTAG 接口进行编程。单片机的Reset引脚及时钟引脚不用控制。首先，使用JTAG接口编程JTAGEN熔丝位。芯片出厂时这个熔丝位缺省为编程状态。其次，MCUCSR 寄存器的JTD位必须清零。如果JTD已被置1，则可以将单片机的外部Reset引脚强制拉低。经过两个时钟周期之后JTD位就清零了。JTAG引脚即可用于编程功能。要求外接电路中各个引脚需各接一个上拉电阻，以下是各个引脚的功能： TMS: 测试模式选择。此引脚用来实现TAP控制器各个状态之间的切换； TCK: 测试时钟。 JTAG操作是与TCK同步的； TDI: 测试数据输入-需要移位到指令寄存器或数据寄存器(扫描链)的串行输入数据； TDO: 测试数据输出-自指令寄存器或数据寄存器串行移出的数据。图3-4 单片机控制电路LM117提供ATmega16L的工作电源，IMP811M给ATmega16L提供复位信号，C7、C12、C14、C17、L3用于单片机系统的去耦抗干扰，C25、C27和7.3728MHz的Y1晶振提供单片机的时钟信号电路，同时其中的I/O口提供单片机与射频部分的SPI接口、与计算机的串行USART接口，3个发光二极管是为了指示工作状态。通过程序设置，可使系统不同的状态，黄灯指示发送，绿灯指示接收，红灯只是系统电源正常工作，以便于调试之用。3.3 单片机与ADF7021的接口设计3.3.1 SPI接口介绍SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)接口是一种同步串行外接口，它可以使MCU和各种外围设备进行通信以交换信息。外围设备包括Flash,网络控制器，LCD显示驱动器，A/D转换器和MCU等。其特点包括：9 全双工，三线同步数据传输 主从模式 LSB首先发送或MSB首先发送 7 种可编程的比特率 传输结束中断标志 写碰撞标志检测 可以从闲置模式唤醒 作为主机时具有倍速模式(CK/2)图3-6说明了一个典型的SPI主从式总线结构。它使用3根线连接了所有的设备。主设备通过并行的4个管脚来控制各个从设备的SS管脚来选择从设备。图 3-6 典型SPI主从式总线MOSI(Master Output Slave Input)：这个l bit的信号直接连接主设备和从设备。信号通过MOSI线从主设备串行传输到从设备。因此，对主设备而言，MOSI是信号输出端口，对从设备而言，则是信号输入端口。在这条线上，一个Byte的信号通过高位(MSB)到低位(LSB)的传输。MISO(Master Input Slave Output)：通过这个l bit的信号线，信号由从设备传输到主设备，因此它是主设备的信号输入端口，从设备的信号输出端口。信号同样是从MSB到LSB的传输。SCK(SPI Serial Clock)：这个信号来同步所有设备的进出MOSI和MISO的数据。 它通过主设备的8个时钟周期来驱动，允许交换串行线上的1 Byte的信号。SS(Slave Select )：通过使某个从设备的SS管脚保持低电平来选择该从设备。显然只有主设备(它的SS管脚保持高电平)才能驱动这个系统备，如图3-3。通过阻止MISO线上的冲突，备。在设置主设备时，SS管脚可以和SPI。主设备通过软件，利用端口来选择从设备来保证主设备每次传输只选择一个从设备的状态寄存器SPSTA中的MODE一起工作来阻止多个主设备一起驱动MOSI和SCK。3.3.2 操作模式SPI接口可以设置成主模式或者从模式中的一种。它的设置和初始化可以通过设置SPCR寄存器来实现。一旦SPCR设置好后，数据交换可以通过3个寄存器SPCR，SPSR，SPDR来实现。在SPI传输过程中，数据是以全双工的方式同时串行传输和串行接收的，它靠同一个时钟进行同步。1 )主模式当MCU的SPCR寄存器中的MSTR位被设置后，该MCU即成为SPI的主设备。只有一个主设备可以初始化传送，它通过程序写入SPDR寄存器。如果移位寄存器为空，那么S PDAT中的这个字节立即写入移位寄存器中。在SCK的控制下，这个字节开始移到MOSI上。同时，从设备的数据进入主设备的MISO脚上。当SPSR寄存器中的传输中止标志SPIF 被设置后，整个传输结束。同时，MISO 脚接收到的从设备的数据被传到SPDR上。程序通过读取SPSR清除SPIF，然后读取SPDR。92 )从模式当设备的SPCR寄存器中的MSTR位被清除后，该设备即成为从设备。在数据传输前， 从设备的SS脚必须设为“0”。SS必须保持低电平直到传输结束。主设备来的数据在SCK的控制下，进入从设备的移位寄存器。当满一个字节后，数据立即进入SPDR，并且SPIF被设置。为了防止数据溢出，从设备的程序必须在下一个字节的进入移位寄存器前，读取SPDAT中的数据。从设备的SPI接口必须在主设备的SPI接口开始传输之前，在一个总线周期里完成对SPDR的写操作。如果这个写操作没有及时完成，那么SPI接口传输的是先前已经在SPDAT里的数据。从设备的SCK频率最高允许是Fosc /4。93.3.3 波特率的设置在主模式下，通过设置SPSR寄存器中的SPI2X，SPCR寄存器中SPR1和SPR0来控制波特率发生器，进而来设置波特率。主设备的时钟可以通过设置7种不同的内部时钟分频来选择。表3-3 给出了通过选择SPI2X : SPR1:SPR0，来设置不同时钟频率的选择方案：9表3-3 时钟频率选择方案SPI2XSPR1SPR0时钟频率波特率除数因子000Fosc /44001Fosc /1616010Fosc /6464011Fosc /128128100Fosc /22101Fosc /88110Fosc /3232111Fosc /56563.3.4 错误控制( 1 )模式错误如果SS配置为输入，必须保持为高以保证SPI的正常工作。若系统配置为主机，SS为入，但被外设拉低，则SPI系统会将此低电平解释为有一个外部主机将自己选择为从机。为了防止总线冲突，SPI系统将实现如下动作： 清零SPCR的MSTR位，使SPI成为从机，从而MOSI和SCK变为输入。 SPSR的SPIF置位。若SPI中断和全局中断开放，则中断服务程序将得到执行。因此，使用中断方式处理SPI主机的数据传输，并且存在SS被拉低的可能性时，中断服务程序应该检查MSTR是否为“1”。若被清零，用户必须将其置位，以重新使能SPI主机模式。( 2 )写冲突在传输过程中，当写入SPDR寄存器完成后，SPSR中的写冲突标志WCOL被设置。WCOL并不产生中断请求，因此传输不会中断。可以通过SPSR和SPDR的程序来清除WCOL 。( 3 )溢出当主设备试图传输数个字节的数据，而从设备还未清除上个字节的SPIF位时，便会发生溢出。这种情况下，接收缓存将存储SPIF刚被清除后的那个字节。SPDR将读取这个字节，其余的字节都被丢失。这种溢出情况SPI的外设并不侦察。( 4 )中断SPIF是串行外设数据传输中断标志。 当数据传输完毕，可以通过硬件来设置这个位。SPIF 标志位产生传送CPU中断请求。3.3.5 ADF7021的SPI口实现和标准的SPI相比，ADF7021的TxRxDATA、TxRxCLK分别与SPI中的MISO、MOSI对应。因此采用图3-7的连接方式：图3-7 ADF7021的SPI接口3.3.6 单片机和ADF7021的接口电路图3.4 单片机与计算机的接口电路因为P C 机的串口采用的是RS232-C的电平标准 ( 用-3 -15V 表示“-1”，用+3 +15V表示“+1”)，而单片机这里用的是3.3 V的TTL逻辑电平。因此ATmega16L和计算机的连接需通过MAX232进行电平转换。所需元件见表3-6。345图3-8 ATmega16L与计算机的接口电路3.5 系统电源部分的设计系统的电源由外部电源、集成稳压器LM117-ADJ和一些外围元件组成。其电路如图3-9。这部分的设计主要根据前面几部分各个芯片的电源要求，借鉴LM117的参考设计完成的。输出3.3V ，一般LM117-ADJ不需要外接电容，这里考虑到输入端的连线可能超过5cm，故采用了4个电容，这样可以改变瞬态响应。E3、C48用来储能和滤波，D11、D2保护二极管对系统进行系统保护。R1和R2可作为输出电压的调节电阻，VOUT=（1+R1/R2）1.5V。这里VOUT=3.3V，取R2=1K，则R2=1.2K。图3-9 单片机电源部分3.6 本章小结本章是整篇论文的重点。详细分析了射频部分、单片机控制部分和电源部分的元件和功能，并详述了ATmega16L单片机和ADF7021的接口电路以及ATmega16L单片机和PC的接口电路的设计实现。对下面的软件设计也是重要的支持。4. 无线数传模块的软件设计4.1 开发软件及其编程语言介绍系统的软件设计采用C语言，对单片机进行编程实现各项功能。6程序是在Windows XP环境下采用CodevisionAVR软件编写的，可以实现ADF7021芯片的配置，无线传输数据的校验确定等功能。7104.2 软件设计思想作为整个系统的核心内容系统控制器软件用于完成用户与ADF7021双方的通讯和数字的封装，因此借鉴Windows系统的消息循环机制设计理念，系统的软件也采用消息循环的体系结构。这种结构使得程序结构清晰、可扩展性强、可移植性强。经过长时间的实践，证明这种结构非常适合单片机系统软件的开发。消息环结构框图如图4-1所示：图4-1 消息环结构框图4.3 总体设计系统软件流程图见图4-2。下面讲一下ADF7021的配置以及ATmega16L和ADF7021的通信过程。图 4-2 软件流程图4.3.1 ATmega16L配置ADF7021 设置CE高，是ADF7021进入编程模式 ADF7021的Data 脚为输入状态主机通过MOSI写入数据，从MISO读出数据配置数据通过ADF7021的Data脚输入按照硬件电路设计，配置后ADF7021的通道1数据段长度32bit，通信速率1Mbit/s，晶振频率19.02MHz，工作频段433MHz，接收状态。4.3.2 ATmega16L向ADF7021发送数据 设置CE高，使ADF7021进入TX模式 ADF7021 的Data脚为输入状态 主机通过MOSI写入数据，从MISO读出数据 设置数据通过ADF7021 的Data脚输入，并输入到TX FIFO 设置CE低，开始突发传输模式4.3.3 ATmega16L从ADF7021读取数据 ADF7021在接收模式下，并且己经接收到数据包 主机通过MOSI写入数据，从MISO读出数据 因为图中的两个电阻，在MOSI写入的数据不会影响从ADF7021 输出的数据4.4 各模块的详细设计4.4.1 ADF7021初始化配置初始化函数包含如下：HardWare_Init();#asm(cli)Uart_Init();#asm(cli)adf7021_init();#asm(cli)void adf7021_init(void)ADF7021_CE = 1;delay_ms(10);adf7021_set_txmode();4.4.2 ADF7021发送包处理ADF7021发送包程序如下：void adf7021_transmit_pack(unsigned char *buf,unsigned char data_len)unsigned char i;Uart_PutChar(0xAA);for(i=0;idata_len;i+) adf7021_data_bufferi = bufi;/ adf7021_ptr_len = data_len; #asm(cli)adf7021_ptr_len = (data_len+10);adf7021_set_to_txmode();adf7021_ptr = 0;_adf7021_get_data8(); adf7021_flag2 = 0;GIFR |= 0x40; /清中断标志/开 CLKOUT中断 (/INT0)GICR |= 0x40; / .7: /INT1 ENABLE(SWD), .6:/INT0 ENABLE(CLKOUT)adf7021_tim_flag = 0; adf7021_flag1 = 1; #asm(sei)PORTB.7 = 0; / FOR DEBUG =delay_us(5);PORTB.7 = 1; / FOR DEBUG =4.4.3 ADF7021接收包处理接受完函数的包处理程序如下：void adf7021_deal_pack(void)if(adf7021_flag1 = 4) / 接收完成。adf7021_flag1 = 5;adf7021_clr_int_pin();Uart_PutChar(0xee);Uart_Puts(adf7021_data_buffer,adf7021_ptr);delay_ms(100);adf7021_transmit_pack(adf7021_data_buffer,adf7021_ptr); 4.5 本章小结本章的通过对ADF7021程序设计，设置了系统的工作模式，完成了ATmega16L和ADF7021的SPI接口通信。另有一些的程序由于较简单和常规，故省略。但不影响对整个系统工作的理解。5. 制板与调试5.1 制板由于无线数传模块的设计涉及到高频布板的许多技巧，在实际的研发过程中遇到许多的问题，往往由于一个小小的制版问题，引发射频部分的可靠性和稳定性变得极不稳定。因此在制版历经了几个阶段，最终才达到数据的稳定传输要求。5.1.1 在制板时碰到的一些问题1 )高灵敏线和高噪声线之间的隔离不充分由于数模电源的不同特性，数字电路和模拟电路集成在一块PCB板上时，可能系统工作状态的不稳定。如果不能使数字信号与模拟信号(射频RF)很好的分离。微弱的射频信号可能遭到致命的破坏,无线设备工作性能也会因此而恶化，甚至完全不能工作。由此可见数字信号的高频噪声很大，如果模拟地和数字地混合的话，就会把噪声传到模拟部分，造成干扰。如果分开接地的话，高频噪声可以在电源处通过滤波来隔离掉。11 122 )电源噪声因为数字部分有几个输入输出电压幅度，所以它能容许较大的电源噪声。但是模拟信号对电源噪声尤其是毛刺信号和高频分量却相当敏感。因此数模混合的板子比起纯数字板，电源部分的布线需格外注意。应避免自动布线。现代MCU大多采用CMOS工艺制造，在每个时钟周期内的短时间突然吸入大部分电流。这样电源势必产生毛刺电压和其他的高频谐波，而射频电路对于电源噪声又相当敏感。假设有一MCU以1MHz的内部时钟频率运行，那么它将以此频率从电源提取电流，电源线上也将因此引起电压毛刺，如果这些电压毛刺到达电路RF部分的电源引脚,严重时可能导致不能正常工作，因此应当采取相应的电源去耦电路。3 )射频部分隔离而对于模拟电路的设计，在RF频段一根极短的地线都具有相当于电感一样的作用。粗略地计算，电感量约为1nH/mm，433MHz时PCB线路地感抗约为27/10toni。如果没有设置地线层，那么大多数的地线将会较长，这样容易引起PCB地线的共阻抗干扰，电路也就无法达到设计要求的特性。射频电路的接地层应该连到负电源上。如果没有做好，可能会产生旁路效应。虽然对数字电路而言，不连接地层不影响效果。而在一定的情况下，设计数字电路时，即使是没有地线层，大多数的数字电路也具有良好的电路功能。4 )天线辐射对其他模拟元件的影响在PCB电路设计中，常常是由几个模拟或是数字电路模块组成的。比如，许多电路都有ADC、DAC、PA电路。任何电路线路都可以等效于天线般发出或接收RF信号，那么RF发送器的天线发出高频信号可能会到达ADC的模拟输入端。当这种情况发生的时候，如果ADC输入端的处理不合理，接收到的RF信号可能在ADC输入的ESD(静电放电保护)二极管内自激，从而引起ADC偏差。5.1.2 采取的措施在查阅了相关资料后，采取了下面的一些方法，获得了比较满意的结果。1 ) 一个可靠的接地层一个可靠的接地层可以产生一个0V参照电压，给所有的信号提供去耦合。由于接地层的阻抗，两个接地的接点将不会耦合。这点很重要，因为板上的有些信号幅度相差120dB。所有的布线和所有的元件应该放在同一面，另一面为接地层。对于2层以上的板子，接地层应该在靠近上层信号的那一层。在信号层里所有的空余地方，应尽可能的和接地层连接。需要注意的是，靠近接地点的电感的性能会发生改变，因此必须考虑好接地点的位置。2 )电源的星型布线法不同模块的电源线直接从电源分开得到，每一条电源线分别去耦合。这是一个使数字模块的噪声避免影响模块的一个非常有效的方法。 如果在PCB板上存在噪声极大的模块，可以用电感或小电阻(10m) 和电源线串联到这部分模块上。而这些模块的电源必须用至少10uF的钽电容器来去耦合。3 ) 信号地和接地层的连线尽量短应当尽可能远地分离高功率电路和低功率电路，输入远离输出，固定位于RF路径上的元器件并调整其方向,将RF路径的长度减到最小,使传输过程的功率损耗达到最小。4 )射频的去耦合设计去耦合电容应该尽量靠近需要去耦合的管脚。一个电容配一个管脚，使用高质量的陶瓷电容。一般使用“NPO”的电介质型，但在比较低的频率情况下，“X7R”也同样有效。必须选择电容值， 使它们的串联谐振频率和所要去耦合的信号频率相等。5 )PCB板的底板设计为了减少高噪声模块对模拟部分的影响，必须考虑各模块的位置。通常的做法是避免将灵敏的模块 (比如射频RF和天线模块)和高噪声模块 (比如高速、高电压数字电路，RS232驱动电路)放在一起。请记住，不在同一层的高噪声模块和线路会像在同一层一样，造成同样的影响，除非在两层之间有接地层隔离。必须要立体考虑。6 )将射频信号和其他模拟信号分离开正如前面所说，射频信号在发射时，可能影响其他灵敏的模拟模块，比如说ADC尤其是窄带大功率射频信号造成的影响更是一个问题。一个有效的措施是将灵敏模块接到接地层上去耦合，而射频模块，用去耦合电容(比如220pF的NPO 433MHz电容)。7 )特别注意板上天线由于采用的是集成到PCB板上的倒F型天线，虽然比较可靠稳定，但也会从周围的高噪声模块耦合到噪声。这些可能影响接收，并可能无意的调制发射信号，因此不能将数字信号线布在天线的附近。并且要保证天线周围有足够的空余板面，因为在天线附近的任何元件都可能形成部分回路，造成天线的频率偏移，因而减少了传输距离。而且PCB板的外壳也可能对天线造成影响，因此应在整个PCB固定在外壳内之后，再来调试天线。5.2 调试通过对系统数据传输能力的测试，该系统发送和接收数据正确、可靠，各元件工作正常。并且在此硬件连接的基础上，利用ADF7021进行串行数据接收及发送，收到了较好效果。在本设计中，最后主要碰到了一些关于ADF7021的一些问题。因此这里主要讲ADF7021的一些调试方法。 1 ) ADF7021 的整体测试系统测试连接如图5-1所示：图 5-1系统测试连接图系统的测试过程如下：在无线数传模块的发射端由信号源发送一组方波脉冲信号，用频谱分析仪监测其中心频率（如是否中心频率f=433.33MHz），在用示波器观察无线模块接收端接收到的波形（观察ADF7021是否处于正常的工作状态），最后即可利用PC主机通过串口将数据存储起来。在测试的过程中，外界环境的变化可能造成传输效果不尽相同。这是由于无线通讯的环境不确定性（如障碍物影响、人体静电影响、外界无线干扰、多径现象和环境吸收等）所引发的，因此需要给定一定的条件进行测试与评估。本设计采用不同的试验场所对模块进行检测实验，当障碍物（如建筑物）多的时候，该无线数传模块均离地面1.5m（2.0m）高时，能够达到最佳通讯距离30m-50m(40m-60m)；而在空旷的场所，该模块两端均离地面1.5m高时，最远的传输距离可达400m-700m。至此，发现实际通讯距离与ADF7021的Datasheet的理论传输距离相差较大，可能调谐天线引起的。另外，人员的走动或是其他信号的干扰，通讯距离变得不是非常稳定。在实际应用中，最好采用高增益天线来提高通信距离。分析其原因，天线是一个辐射的器件，如果旁边的物质与长度变化都会影响天线的性能，包括辐天线阻抗、射增益与调谐等。2 )乱码的解决方法解决这类问题时一般需要注意以下3点： 检测测试的环境、方法是否合理，包括传输速度、传输条件； 系统的电源采用稳压电源而不要使用开关电源； 在检查时，手不要接触RF芯片和外围元件等高频部分。3 )控制无信号发送时的噪声测试中还发现，在现场即使没有任何发送器，在ADF7021的DOUT引脚上也会观察到连续的数字“噪声”。后来通过研究发现，当接收器打开时，空气中的任何信号(数据或噪声) 都会被天线捕捉到并被解调。这就是所看到的系统中没有工作的发送器却存在“噪声”的原因。5.3 本章小结本章主要对制数字电路和模拟电路集成在一块PCB板上时，容易出现的问题进行了分析和讨论。参照有关资料，结合自己在制板过程中的体会，提出了一些解决方法。并对调试时遇到的一些问题进行了简单描述。6. 结束语本文采用了美国ANALOG DEVICES公司最新推出的单片无线收发一体芯片ADF7021，并在此基础上设计出多功能无线数传模块经过实际检验，此模块运行稳定，通信可靠，能够实现较远距离无线通信，PC机与MCU之间、MCU与MCU之间的远距离点对点和点对多点的异步串行通信。在通讯技术和计算机科学的不断发展和变革的过程中，无线传输通讯变得越来越重要。其中无线产品的应用对于成本的降低、传输途径的无线化、不受环境因素限制、灵活组装、增强系统的重构性有很大的提升，为未来的控制技术带来很大的发展空间。可以被广泛的应用到电力、自动识别、遥控、工控数据采集、智能家居、安防、无线通讯等各种的实际工作领域。无线输传模块的研发历时近四个月，在研发期间，从方案的论证到有关功能的仿真，从建立模型到程序代码的编写，调试系统成功，我翻阅了许多有关书籍，并且受到相关老师的亲身指导，将理论研究和实验手段相结合，在经历失败挫折的过程中，也体味到了成功的喜悦，可以说这段