（系统分析与集成专业论文）基于nrf903家畜运动量无线监测系统的研究与应用.pdf

摘要 随着无线网络技术和微芯片技术的发展，综合微芯片控制和无线数据传输功能的小型 网络被越来越广得应用在工农业领域，比如我国传统的畜牧业。畜牧业工作者都十分关心 家畜的产奶，长肉，产仔的情况，而这些都与家畜的发情期紧密相关。一个完整家畜运动 量监控系统可以帮助农业工作者及时的了解家畜的生理情况，从而更好的提高农产量。 本文综合了多年无线通信技术，射频i d 技术，低功耗单片机技术的发展，设计了一套 完整的家畜运动量监控系统。其中采集终端通过运动传感器采集家畜的运动量，并加以一 定的处理，把有价值的信息通过无线传输的形式传输给一个功能丰富的综合管理器，帮助 农业工作者监测家畜的发情期或者伤病，及时得做出处理。 文章还详细介绍了这个监控系统各硬件模块的功能及其实现技术。因为数据传输和编 码的兼容问题，本文在采集终端和管理终端采用相同的主控芯片和无线收发芯片。 在采集终端，本文使用传感器加控制芯片以及收发一体芯片的硬件结构：而在管理终 端本文除了这一核心模块外，还集成了显示模块，存储模块，与p c 通信模块等等。主控制 芯片选择的是t i 公司所生产的m s p 4 3 0 系列1 6 位单片机，来实现对无线射频模块的控制和 传感器数据的采集。射频模块的设计本文选用了n r f 9 0 3 射频芯片，实现在s i m 频段的短距 离无线传输。在整个设计中低功耗是本文考虑最多的一环，因为数据采集终端将被安放在 家畜身上，不易更换电池，无论是设计流程还是芯片工作模式或者是电源管理模块都是围 绕低功耗展开的。 设计中同时考虑了很多细节。本文的系统是个非对称的主从式模型，这就要求设计采 用射频i d 技术来区分家畜的身份和防止传输碰撞，同时考虑到与个人p c 相联系，本文还 设计了r s 2 3 2 接口，并编写了p c 上的管理软件以做长时间的数据统计。 关键词：m s p 4 3 0 ；r l r f 9 0 3 ；低功耗；r f i d ；运动传感器 v i a b s t r a c t a l o n gw i t ht h e w i r e l e s sn e t w o r k i n ga n dt h em i c r oc h i pt e c h n o l o g y sd e v e l o p m e n t ， s m a l l s i z en e t w o r kw i t hm i c r oc h i pc o n t r 0 1a n dt h ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nf u n c t i o ni sb e e n g e t t i n gm o r ea n dm o r eb r o a dt h ea p p l i c a t i o ni nt h ei n d u s t r ya n da g d c u l t u r ed o m a i n ，f o ri n s t a n c e o u rt r a d i t i o na n i m a lh u s b a n d r y t h ea g r i c u l t u r a lw o r k e r sc a r e dt h a td o m e s t i ca n i m a l sm i l k p r o d u c t i o n , p u t so nw e i g h t ，t h es i t u a t i o nw h i c hb e a r sy o u n g ，b u tt h e s ec l o s e l ya r er e l a t e dw i t h d o m e s t i ca n i m a l so e s t r u sp e r i o d ac o m p l e t ed o m e s t i ca n i m a lp h y s i o l o g i c a ll o a do fe x e r c i s e s u p e r v i s o r ys y s t e mm a yh e l pt h ea g r i c u l t u r a lw o r k e r sp r o m p tu n d e r s t a n d i n gd o m e s t i ca n i m a l s p h y s i o l o g i c a ls i t u a t i o n ，t h u sb e t t e re n h a n c e st h ea g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o nq u a n t i t y t h i sa r t i c l es y n t h e s i z e dm a n yy e a rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，t h er a d i o f r e q u e n c yi dt e c h n o l o g y , t h el o wp o w e rl o s sm o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i tt e c h n o l o g y s d e v e l o p m e n t , h a sd e s i g n e das e to fc o m p l e t ed o m e s t i ca n i m a lp h y s i o l o g i c a ll o a d o fe x e r c i s e s u p e r v i s o r ys y s t e m a n dt h eg a t h e r i n gt e r m i n a lt h r o u g ht h em o v e m e n ts e n s o rg a t h e r i n gd o m e s t i c a n i m a l sp h y s i o l o g i c a ll o a do fe x e r c i s e ，a n dp e r f o r m sc e r t a i np r o c e s s i n g ，t h ev a l u a b l ei n f o r m a t i o n t h r o u g ht h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o n sf o r mt r a n s m i s s i o nh e l p st h ea g r i c u l t u r a lw o r k e rt om o n i t o r d o m e s t i ca n i m a l so e s t r u sp e r i o do rw o u n d e da n ds i c k , i sp r o m p tt h eo p t i o np r o c e s s i n g t h ea r t i c l ea l s oi n d e t a i li n t r o d u c e dt h i s s u p e r v i s o r ys y s t e mv a r i o u sh a r d w a r em o d u l e s f u n c t i o na n dr e a l i z e st h et e c h n o l o g y b e c a u s eo ft h ed a t at r a n s m i s s i o na n dt h ec o d ec o m p a t i b l e q u e s t i o n w ea r eg a t h e r i n gt h et e r m i n a la n dt h eo 伍c et e r m i n a lu s et h es a m em a s t e rc o n t r o lc h i p a n dt h ew i r e l e s sr e c e i v i n ga n dd i s p a t c h i n gc h i p w eu s et h es e n s o rt oa d dt h ec o n t r o lc h i pa sw e l la st or e c e i v ea n dd i s p a t c hab o d yc h i pt h e h a r d w a r ea r c h i t e c t u r e ；b u ti no 伍c et e r m i n a l sw et h i sn u c l e u sm o d u l e i n t e g r a t e dt h ed i s p l a y m o d u l e ，s t o r a g em o d u l e ，w i t hp cc o n n e c t i o nm o d u l e t h em a s t e rc o n t r o lc h i p sc h o i c ei st h e m s p 4 3 0s e r i e s16m o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i t sw h i c hp r o d u c e sw i t ht ic o r p o r a t i o n , r e a l i z e st o t h ew i r e l e s sr a d i of r e q u e n c ym o d u l ec o n t r o la n ds e n s o rd a t ag a t h e r i n g t h er a d i of r e q u e n c y m o d u l ed e s i g n e dt os e l e c tt h en i 强9 0 3r a d i of r e q u e n c yc h i p r e a l i z e di nt h es i mf r e q u e n c yb a n d s h o r td i s t a n c ew i r e l e s st r a n s m i s s i o n t h ei o w p o w e rl o s si sw ec o n s i d e r sm o s t1 i n k si nt h ee n t i r e d e s i g n 。b e c a u s et h ed a t aa c q u i s i t i o nt e r m i n a lw i l lb ep l a c e do nt h ed o m e s t i ca n i m a lb o d y , i sn o t e a s yt or e p l a c et h eb a t t e r y , r e g a r d l e s so fb e i n gt h ed e s i g nc y c l eo rt h ec h i pw o r k i n gp a t t e r no ri s t h ep o w e rs o u r c ea d m i n i s t r a t i o nm o d u l ec e n t e r so nt h el o wp o w e rt ol a u n c h i nt h ed e s i g nh a ss i m u l t a n e o u s l yc o n s i d e r e dm a n yd e t a i l s o u rs y s t e mi sa l la s y m m e t r i c a l h o s tf r o mt h et y p em o d e l ，t h i sr e q u e s t su st ou s et h er a d i of r e q u e n c yi dt e c h n o l o g yt o d i f f e r e n t i a t ed o m e s t i ca n i m a l ss t a t u sa n dt op r e v e n tt h et r a n s m i s s i o nc o l l i s i o n 。s i m u l t a n e o u s l y c o n s i d e r e dr e l a t e sw i t hi n d i v i d u a lp c t h i sa r t i c l eh a sa l s od e s i g n e dt h er s 2 3 2c o n n e c t i o n 。a n d c o m p i l e do nt h ep cm a n a g e m e n ts o f t w a r et om a k et h el o n gt i m et h ed a t as t a t i s t i c s k e y w o r d s ： m s p 4 3 0 ；n i u 9 0 3 ：u l t r a - l o wc o n s u m p t i o n ；l 玎i d ；m o v e m e n ts e n s o r v i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经 发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢 意。 作者签名：遗墨墨作者签名：邋天 日 期：2 丝：；：丝 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定， 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版 和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校 图书馆被查阅：有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索：有权将学 位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用 作者签名： 日 期： i l 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 作者签名：谗天零 日期：丝：5 ：圭墨 i i i 导师签名： 日 期： 南京信息工程大学硕士学位论文 1 1 畜牧业产量分析 第一章绪论 1 1 1 国内外现状 奶牛是畜牧业的代表，一般奶牛企业的经济效益主要取决于牛奶的年产量，因此，提 高奶牛饲养企业的经济效益关键在于提高每一头奶牛的年平均产奶量，而牛奶年产量的多 少与许多因素有关，如合理的饲养计划，科学的统一管理。目前发达国家对奶牛的饲养管 理以及挤奶等工艺已实现计算机自动化管理，靠精细养殖、科学管理提高了牛奶的产量和 质量。法国的奶牛平均单产和乳品质量都是比较好的，个体平均产奶量达7 1 8 4 千克【3 】。 在澳大利亚，有的牛奶场里只要一按电钮，就能知道每头牛的体重、牛奶产量、产奶期、 怀孕期和饲养饲料等方面的信息，经过计算机专家系统的分析，确定合理的饲料成分及饲 养量，可获得最佳的效益。此外奶产量还依赖于奶牛年哺乳期的长短。奶牛一般两次产犊 其间的时间间隔应为一年左右。以色列奶牛平均单产1 0 0 0 0 千克以上，每头牛都装有记步 器， 通过记录牛的运动频率了解牛的发情期及健康状况，经计算机进行分析处理，可及 时地显示每头奶牛的生产状态和健康状况，以监督、指导、评价奶牛的饲养管理，对提高 牛奶的产量和质量起到了不可估量的作用。但实际上在我国奶牛饲养企业中约有3o 以 上的奶牛其两次产犊时间间隔超过了4 0 0 天，这就对奶牛饲养企业的经营产生两个不利因 素：一是降低了企业的奶量生产；二是降低了生产小犊的数量。两个因素均将造成企业成 本提高和经济效益降低的结果。因此，充分利用现代化的科学管理手段提高牛奶的产量和 质量，对推进我国饲养业的发展有着十分重要的意义。利用计算机技术实现奶牛的科学化 管理，首先需要获取奶牛的信息，根据采集的信息分析每头奶牛的生理状况，再根据奶牛 的生理状况进行分类饲养，制定科学合理的饲喂方案【3 1 。 1 1 2 家畜生理特点 奶牛的发情一般是以2 1 天为一个周期，一旦怀孕发情就停止。发情期一般维持2 天，这段时间对奶牛的交配，产奶十分重要，也是本文工作的一个基础。 1 2 无线网络技术 1 2 1 无线网络通信技术发展现状 近几年来，无线局域n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 技术己经迅速发展成为计算机网 络中一个至关重要的组成部分，可以为前几代移动通信的各种空中接口提供无缝漫游连接。 目前，无线局域网技术已经成为可与3 g 技术竞争但又互补的无线网络，为整个网络“神 经末梢”终端的无线接入提供技术支持。 无线局域网同有线局域网比最基本的优势在于它的可移动性，用户将不再受到固定位 南京信息工程大学硕士学位论文 置的电缆、光缆、双绞线的制约。其次，无线局域网可作为一种不同于有线网的网络形式 而独立存在，它可以在需要时随时建立。再次，无线局域网可作为两个有线局域网之间的 无线连接形式，方便的实现有线网之间的数据交换。另外它的一项重要特性就是用户自己 可以进行安装，并可以随心所欲地选择所要安装的场所，而且这些无线网络的构建成本在 目前也相当具有市场吸引力【1 】。 1 2 2 无线局域网的通信技术 无线局域网的核心是短距离的无线通信技术。目前使用的技术有i r d a 、b l u e t o o t h 、u w b 和r f 等几种。 射频( r a d i of r e q u e n c y ，r f ) 技术使用几个特定频率中的一个频率传输数据，相邻的 无线局域网用不同频率。其产品既可工作在1 8 1 9 g h z 的特许频带，也可以在低功率的情 况下工作于i s m ( i n d u s t r i a l s c i e n t i f i c m e d i c a l ) 频段。在中等衰减的建筑物中，r f 信号一般 可穿透一至三堵墙。它可用于室外、开放或封闭的室内办公环境。现在有很多射频芯片可 用来完成无线数据传输，开发相对简单，易于实现。随着低功耗的模拟和数字电路技术、 低功耗的无线电射频技术和传感器技术的发展使得开发小体积、低功耗、低成本的微传感 器成为可能。这种新型的微传感器一般具有：用于感知周围世界中的物理量的传感模块， 用于处理传感模块采集的信号的计算模块，用于通信的无线电收发模块和为微传感器的各 种操作提供能量的电源模块。 而基于射频技术的射频识别系统是由终端和阅读器两部分组成。阅读器一般由天线、 通信模块、控制模块和接口电路组成。终端由天线、功能模块和存储器等组成。不同的终 端能量来源不同，有源终端自带有电源模块，而无源终端则靠阅读器天线发射的能量信号 获得能量驱动后端电路工作。在r f i d 的实际应用中，电子终端附着在被识别的物体上( 表 面或内部) ，有条件将信息取出来，发送到阅读器从而实现自动识别物品或自动收集物品信 息的功能。在射频识别系统中，除了具有两个基本的部件外，为了能更好地完成无线射频 识别技术的识读功能，还需要用到中间件、外部计算机( 上位机主系统) 等附属设备【2 】。 1 3 论文的主要研究任务和工作 无线局域网的特点是短距离通信，低速数据传输，便携移动，易开发，低成本等，所 以利用无线射频( r f ) 技术更符合它的应用要求。本文在研究基于射频技术的无线局域网的 基础上，开发出了一种无线数据传输平台，实现家畜自动化管理，并为家畜发情，生病等 情况的发生时提供可靠的信息。具体来说就是采集终端通过传感器记录奶牛的运动量，每 隔1 2 小时数据与阀值进行一次比较，若小于阀值则继续处于休眠状态，若大于阀值则唤醒 微处理器和无线收发装置，进行数据发送。上位机负责接受并处理数据，做出奶牛处于异 常情况的提示，并存储数据，另外上位机还配备串口可以与个人p c 连接，个人p c 可以对 数据进行长期的系统的统计。基于此目的，本文把整个课题的研究任务分为以下四个部分 2 南京信息工程大学硕士学位论文 来完成： 1 、技术研究 这个部分重点介绍了微处理器，无线收发芯片以及r f 射频识别系统的原理、工作方 式：然后对无线局域网技术和射频识别技术中的防碰撞算法进行研究探讨。 2 采集终端的研究 采集终端的主要任务是对传感器数据进行采样并加以处理，通过无线网络传递给基站， 并对外接的执行机构加以调节和控制，低功耗是其重要特点。 3 上位处理器终端 上位处理器是整个应用系统的核心。上位机硬件模块中，按照其的组成对上位机的控 制单元、收发芯片、以及所使用的天线的连接进行研究。通过对寄存器设置的描述，本文 详细介绍了其工作原理。 4 应用软件设计 本软件的主要作用，是对数据的存贮和做一个长期的统计，让牧场管理员可以针 对前一段长时间的奶牛的运动量情况，对今后的管理做出科学的判断1 3 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章系统的主要硬件组成 2 1 结构总体框架 本文在研究基于射频技术的无线局域网的基础上，开发出了一种无线数据传输平台， 实现家畜自动化管理，并为家畜发情，生病等情况的发生时提供可靠的信息。根据需求分 析的阐述，本文设计如下结构总体架构图2 1 所示： c p u z 、。 u 传感器模块 无线收发模块 外围电路 v 功能模块无线收发模块外围电路 什un c p u u 串口通一言模块 妙 个人p c 图2 1 结构总体框架图 下面主要介绍一下硬件的主要模块的选型、特点。c p u 本文选择的是t i 公司开发的 m s p 4 3 0 ，无线收发模块选择的是n o r d i c 公司的n r f 9 0 3 无线收发一体芯片，而传感器的 选择则是电感式传感器。 4 南京信息工程大学硕士学位论文 2 2 p 4 3 0 单片机的特点 m s p 4 3 0 系列单片机是由t i ( 美国德州仪器公司) 开发的1 6 位微处理器，采用了精简指 令集( r i s e ) 结构。其突出特点是强调低功耗，非常适用于各种低功率要求的应用。它有 多个系列和型号，分别由一些基本的功能模块按照不同的应用目标组合而成。强大的处理 能力：丰富的寻址方式( 源操作数7 种，目的操作数4 种，但只有简洁的2 7 条指令) ；片内 寄存器数量多，存储器可实现多种运算；较高的查表处理方法。这些特点保证了编制出高 效的程序。丰富的片上外围模块：m s p 4 3 0 f i x 中的各个成员集成了较多的片上外围资源。 方便高效的开发方式：m s p 4 3 0 f i x 具有f a l s h 存储器，这一特点使它的开发工具相当简 便。利用单片机本身具有的j r a g 接口，可以在一台p c 及一个结构小巧的y r a g 控制器的 帮助下实现程序的下载，完成程序调试。由于其高的性价比，在智能家庭仪表，医疗设备， 保安系统等领域已经取得广泛的应用i _ 4 j 。 2 2 1m s p 4 ，3 0 x 1 4 x 系列单片机结构和引脚 m s p 4 3 0 f 1 4 9 是h ( 美国德州仪器公司) 设计的一款超低功耗1 6 位混合信号微控制器， 内建1 6 位定时器和丰富的i o 引脚。m s p 4 3 0 f 1 4 9 工作电压范围为1 8 3 6v ；在1m h z 时，不同运行模式下的额定工作电流为o 1 - - 4 0 0 1 a ；具有五种节能模式，从等待方式唤醒 时间只需6 呻，可以使系统在保证正常运行条件下最大限度地降低功耗；适应于电池供电 的手持设割5 1 。m s p 4 3 0 x 1 4 x 的内部结构如图2 2 所示 6 0 i = b f m h2 k r a a a 4 9 k bf l a s n 1 酬 l 啦 jljl jl “垃 铀j 、1 f | h 0 、一 1 r1r1r p 1p 2p 3p 4 = 1 jz j 。一黜 丁丁 口5p 6 口5端36 l _ ；_ 二虿 飞广一 蔗“懈8 谚i移i ，煽巍搿僦榭群徽# l 瓣吐嚣嚣嚣$ 聱棼菇锄凇 型穆i 碜i 一# 7 # - ； 嚣7 1 普 二；：5 2 蔷世 “ 7 ，磊嚣撼：二二：一7 图2 2m 鲫叼o x l 4 x 系列单片机结构 ：! “w 一惦 r j l u a r t 直t 式 卯i 裎置铲1 棱主广 下面介绍m s p 4 3 0 x 1 4 x 系列单片机的主要i 0 引脚以及引脚的功能，如下表2 1 所示 重 南京信息工程大学硕士学位论文 表2 1m s p 4 3 0 x 1 4 x 系列单片机主要i o 引脚 序号引脚说明 1 2 - 1 9p 1 o - p 1 7通用数字i o 引脚t i m e r a ，捕获c c i o a 输入 2 0 - 2 7p 2 o - p 2 7 通用数字i o 引脚时钟或o u t 比较输出 3 0 - 3 6p 3 0 p 3 7 通用数字i o 引脚u s a r t o 不同模式 3 7 - 4 2p 4 o - p 4 7 通用数字i o 引脚捕获i p 或p w m 输出口 4 4 - 5 1p 5 o p 5 7 通用数字i o 引脚u s a r t l 模式或各类时钟输出 5 9 - 6p 6 o - p 6 7 通用数字i o 引脚1 2 位a d 转换器模拟输入通道 5 8r s t n m i 复位信号输入不可屏蔽中断输入 5 7 t c k 测试时钟 l ，6 2 ，6 3 ，6 4 v c c 电源正负引入端 8 ，9 ，5 2 ，5 3x t 晶体震荡器x t 的输入输出口 引脚分布图如图2 3 所示 图2 3m s p 4 3 0 f 1 4 9 系列单片机引脚 6 南京信息工程大学硕士学位论文 2 2 2 超低功耗模式 m s p 4 3 0 单片机可以通过特殊功能寄存器选择使用不同的功能电路，即依靠软件选择 其中不同的外围功能模块对于不使用的模块使其停止工作以减少无效功耗，可以通过控制 系统的运行频率来控制系统的功耗。更为突出的是为更好地降低功耗，m s p 4 3 0 单片机可 采用三套独立的时钟源：高速的主时钟、低频时钟以及d c o 片内时钟( a c l k 、m c l k 和 s m c l k ) 。可在满足功能需要的情况下按一定比例降低m c u 主时钟频率，以降低电源功 耗。在不需要高速运行的情况下，可选用副时钟低速运行，进一步降低功耗。通过软件对 特殊功能寄存器赋值可改变c p u 的时钟频率，或进行主时钟和副时钟切换。m s p 4 3 0 单片 机具有一种活动模式和五种节能模式：l p m o 、l p m i 、l p m z 、l p m 3 、l p m 4 ，如表2 2 。 这五种模式为其功耗管理提供了极好的性能保证。图2 4 显示了活动状态( a m ) 与各种节能 模式( l p m o _ _ i p m 4 ) 在v c c = 3 v 供电下消耗的实际工作电流大小。从图中可以看到在低 功耗模式下m s p 4 3 0 的耗电情况有了极大的改善，尤其在工作模式4 ( l p m 4 ) 单片机的耗电 极低，c p u 、外围及振荡器3 2 k h z 都不活动，功耗只有0 1 u a 。 表2 2m s p 4 3 0 各种工作模式及时钟的活动状态 工作模式c p u 状态、振荡器及时钟 活动模式( a m )c p u 处于活动状态，m c l k 活动，s m c l k 活动，a c l k 活动 低功耗模式0c p u 处于禁止状态，m c l k 被禁止，s m c l k 活动，a c l k 活 ( l p m 0 )动 低功耗模式1c p u 处于禁止状态，如果d c o 未用作m c l k 或s m c l k ， ( l p m l )则直流发生器被禁止，否则仍保持活动，m c l k 被禁止，s m c l k 活动，a c l k 活动 低功耗模式2c p u 处于禁止状态，如果d c o 未用作m c l k 或s m c l k ， ( l p m 2 )自动被禁止，m c l k 被禁止，s m c l k 被禁止，a c l k 活动 低功耗模式3 c p u 处于禁止状态，d c o 被禁止，直流发生器被禁止， ( l p m 3 ) m c l k 被禁止，s m c l k 被禁止，a c l k 活动 7 南京信息工程大学硕士学位论文 2 7 0 3 1 8 0 o 0-二、 a ml p m 0l p m 2l p m 3 l p m 4 图2 4m s p 4 3 0 各种工作模式下的耗电情况 2 3 无线收发模块 2 3 1 无线收发模块的选择 由于无线收发芯片的种类和数量比较多，如何在你的设计中选择你所需要的芯片是非 常关键的，正确的选择可以使你少走弯路，降低成本。 1 芯片外围元件的数量的直接决定你的产品的成本，因此应该选择外围元件少的收发芯片。 有些芯片似乎比较便宜，可是外围元件使用很多昂贵的元件如变容管以及声表滤波器等； 有些芯片收发分别需要两根天线，会大大加大成本。 2 大多数无线收发芯片是应用在便携式产品上的，功耗也非常重要，应该根据需要选择综 合功耗较小的产品。 3 在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射功率较高的产品。但是也应 该注意，有些产品号称的发射功率虽然较高，但是由于其外围元件多，调试复杂，往往实 际的发射功率远远达不到标称值。 4 较少的管脚以及较小的封装，有利于减少p c b 面积降低成本，适合便携式产品的设计。 当然无线收发芯片其他几个非常重要的参数：灵敏度、传输速度、无线收发芯片工作时收 发状态的切换及唤醒所需的时间( 切换速度不够快会导致数据丢失) 也是无非常重要的参 数。 表2 3 是几种主要单片r f 收发芯片的性能比较： 8 南京信息工程大学硕士学位论文 表2 3r f 收发芯片的性能比较 b r a n d n r f 9 0 3n o r d i c l 强2 9 1 5r f m dt r f 6 9 0 0 t i c c 9 0 0c h i p c o 性能比较 n r f 9 0 3 三段 频率( m h z )4 3 3 8 6 8 1 9 1 54 3 3 8 6 8 9 1 58 6 8 9 1 98 6 8 9 1 5 覆盏，应用更 灵活 工作电压 2 7 3 3 v2 4 5 o v2 2 3 6 v2 7 3 6 v 低功耗 n r f 9 0 3 范围 = 1 ：= 作温度- 4 0 + 8 5 4 0 + 8 5 2 0 + 6 0 3 0 + 8 5 更宽 n r f 9 0 3 功耗 发射电流3 1 m a2 7 m a o d b m5 0 m a9 l m a 较小 6 8 m a + 外部电 n r f 9 0 3 功耗 接收电流2 3 m a3 4 m a2 3 m a 路 较小 i d 强9 0 3 发射 输出功率+ 1 0 d b mo d b m+ 4 5 d b m+ 4 d b m 功率较大 n r f 9 0 3 速率 速率 7 6 8 k b p s 9 6 k b p s 9 6 k b p s 9 6 k b p s 较高 g m s k 方式的 调制方式 g m s kf s kf s kf s k 抗干扰能力较 强 n r f 9 0 3 节省 灭线数目 ll2l 天线 多频道能力 有( 最多1 7 0 个)无 有，可编程有，可编程多频道更灵活 是否需要外接 无需外接，已在需要外接昂 需要外接昂贵需要外接昂贵 n r f 9 0 3 更节 变容管 内部集成贵的变容二极管 的变容二极管的变容二极管约成配 n r f 9 0 3 的外 外接元件数目 l o 5 05 0 2 0 接元件最少， 成本低 9 南京信息工程大学硕士学位论文 2 3 2n r f 9 0 3 无线收发芯片 n r f 9 0 3 是n o r d i c 公司推出的一款工作在4 3 3 8 6 8 9 1 5 m h z 频段的无线收发一体芯 片，它的工作频率处于i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ) 频段，满足无线电管制要求，频 点多，频率无需申请。它的工作方式为半双工，采用优化g m s k ( 高斯频移键控) 调制 解调技术，抗干扰能力强，采用d d s + p l l 频率合成技术，频率稳定性好，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。n r f 9 0 3 最 高工作速率可以达到7 6 s k b p s ，发射功率可以调整，最大发射功率是+ 1 0 d b m 。天线接口 设计为差分天线，以便于使用低成本的p c b 天线，n r f 9 0 3 的工作电压范围为2 7 3 3 v ， 接收待机状电流消耗为6 0 0 p a ，低功耗模式电流消耗仅为l p a ，可满足低功耗设备的要求。 2 3 3n r f 9 0 3 无线收发芯片结构 c s c f oa k o e q n k r k 图2 5 n r f 9 0 3 内部结构和外围元件 射频模块的主要功能由无线收发芯片n r f 9 0 3 配合外围电路完成。该模块的硬件原理 如图2 5 示。其内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和低功耗控制逻辑电路及串行 接口几个部分。 发射电路含有：射频功率放大器( 】p a ) 、锁相环( p l l ) 、压控振荡器( v c o ) 、频率合成 器等。基准振荡器采用外接晶体振荡器产生电路所需的基准频率。振荡电路采用锁相环( p l l ) 方式，由在d d s 基础上的频率合成器、外接的无源回路滤波器和压控振荡器组成。压控振 荡器由片内的振荡电路和外接的l c 谐振回路组成。要发射的数据通过d a t a 端输入。 表2 4 列出了n r f 9 0 3 的主要技术指标，其中接收电流为2 5 0 u a ，占空比2 ，周期2 0 0 m s 。 1 0 南京信息工程大学硕士学位论文 表2 4n r f 9 0 3 的主要i o 引脚 管脚名称功能说明 l ，6 ，7 ，1 7 ，2 3 v s s 地接地( o v ) 2l f l 输出频率合成p l l 输出 3l f 2 输入频率合成p l l 输入 4 ，5 i n d 输入v c o ( 压控振荡器) 的外接电感 8 ，9 ，1 4 ，1 5 ，3 l v d d 电源 电源电压( + 3 d c ) 1 0c f gc l k 输入编程模式时钟 l l c f g d a t a 输入 收发数据的串行输入端 1 2c s 输入芯片使能 1 3x c l 输入石英振荡器的输入端 1 6c l ko u t 输出为外部微控制器提供时钟信号 1 8cs e n s e 输出传送检测 1 9d 蛆a 双向输出接收数据 2 0t x e n 输入选择输出接收模式 2 lf i u 2 输入从外部1 0 7 m h zi ff i l t e r 俞入 2 2f i 【t 1 输出输出到外部1 0 7 m h zi ff i l t e r 2 5 p w r d w n输入省电模式 2 6s t b y 输入待机模式 2 8 。2 9 a n t 双向天线终端 南京信息工程大学硕士学位论文 接收电路包含有：低噪声放大器( l n a ) 、混频器、中频放大器、g f s k 解调器、滤波器 等电路。低噪声放大器放大输入的射频信号：混频器采用2 级混频结构，第一级中频1 0 。 7 1 3 6 m h z ，第二级中频3 4 5 6 k h z 。中频放大器用来放大从混频器来的输出信号：中频放大 器的输出信号经中频滤波器滤波后送入g f s k 解调器解调，解调后的数字信号在d a t a 端 出。 本文中使用的n r f 9 0 3 是3 2 p i ns s o i c 封装形式。它的引脚定义图如图2 6 所示。 图2 6n r f 9 0 3 引脚定义图 2 3 4n r f 9 0 3 无线收发芯片的工作模式 1 用户接口n r f 9 0 3 的用户接口包括7 根输入输出线，它们按功能分为数据接收( c f g d a t a 、c f gc l k 、c s ) 和模式控带t j ( d a t a 、t x e n 、s t b y 、p w rd w n ) 两部分。除了这7 根线外，还利用了cs e n s e 和c l ko u t 两个外部信号。在接收通道中没有数据被检测到 时，cs e n s e 为0 ，当一个数据的功率被检测出大于1 0 6 d b m 时cs e n s e 为1 。c l k o u t 就是把1 1 0 5 9 2 m h z 的参考频率进行1 、2 、4 或8 分频后输出。数据接收就是把n r f 9 0 3 数据结构即1 4 位的结构数据依次进入移位寄存器。这1 4 位数据包括了相应的频率带宽、 通道、输出功率和输出时钟频率【7 l 。 2 工作模式n r f 9 0 3 的工作模式通过管脚t x e n 、s t b y 和p w rd w n 进行设置，具 体设置见表2 5 。 1 2 南京信息工程大学硕士学位论文 表2 5n r f 9 0 3 的工作模式 工作模式 s t b y p w r d w n t x e nc s 正常工作模式：接收数据 o0oo 正常工作模式：传送数据 001o 省电模式 olxx 待机模式 loxx 2 3 5n r f 9 0 3 无线收发芯片的工作原理图 图2 7 给出了n r f 9 0 3 的工作原理图供参考 图2 7n r f 9 0 3 参考应用电路图 1 3 南京信息工程大学硕士学位论文 2 4 天线 2 4 1 无线通信系统天线原理 天线是无线通信系统中的重要元件，当天线放在一定的辐射场内，在电磁场的作用下 导体上会感应出电势，并产生高频电流，该电流送到接收机回路，就可以接收到无线电波 所载的信息。天线具有能量转换的功能，能把发射设备产生的高频电流形态的能量转换成 电磁波能量，同时又能把电磁波能量变换成高频电流形态的能量。发送机以一定的功率将 信息通过天线以电波的形式发射到空中，无线电波经过一定的路径被接收机的天线所接收， 信息被传递到接收机处理。无线通信链路由一个带天线的发送器、传输通路和一个带天线 的接收器组成。影响射频无线通信传送距离的因素很多，其中最重要的参数是发射器的输 出功率和接收器的灵敏度。 传输距离 一，卜 传输路径损耗 机 天线增益天线增益 图2 8 无线传送图示 如图，天线增益( g a n t ) 表征天线辐射或接收电波能力大小。在同等条件下，增益越 高，电波传播的距离越远。分别用( a 和g 二。表示发送机天线和接收机天线的增益。 表示发射功率，p a t h l o s s 表示传输路径损耗，则接收机接收到信号功率气可以表 示为： 骆鼍a t t 7l争od s s 乞，吒，髓吒，。 ( 4 z r 允) 2 ( 2 - 1 ) r 表示传输距离( 单位：m ) ；a 表示载波波长( 单位m ) ：c 表示光速；f 表示载波频 率( 单位h z ) 。 如果统一取d b 为单位，两边同时取以1 0 为底的对数，可以得到： 兄。l 船l - 乞，+ g 埘，扛+ 吒。- p a t h l o s s ( 2 - 2 ) 若己知发射功率，收、发天线的增益，那么在达到接收端灵敏度极限情况下的传输路 径损耗，对应着最大的传输距离的天线增益与天线的面积是成比例的【9 1 。 根据天线的基本理论有t 1 4 南京信息工程大学硕士学位论文 吒：掣 式中：以表示天线的有效面积( 单位：m 2 ) ；允表示载波波长( 单位：m ) 。 转换成以d b 为单位，则有： 叫砷1 0 1 9 l 孚i ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 2 4 2 天线的分类 lp c b 环形天线 工作在4 3 3 m h z 频段的射频模块p c b 环形天线设计方法见图2 9 ，加粗部分为p c b 天 线，其有效面积为9 5 m mx9 5 m m 。对该p c b 环形天线，按照式( 3 3 ) 计算其增益约为2 6 d b ， 发送和接收均采用该p c b 天线时，g 扛= g 0 。= - 2 6 d b ，已知最大发射功率是1 0 m w ， 转换以d b 为单位就是1 0 d b m ，接收灵敏度为1 0 4 d b m ，从而可计算出保证通信链接所允许 的最大路径损耗为6 2 d b ，代入式3 1 即可求得理想通信距离符合系统要求。本文最后要把 整个电路板密封在一个盒子中，因此对电路板上的环形天线也产生屏蔽作用，从而影响接 收效果。值得注意的是天线布在p c b 一侧边沿部，注意远离噪声及敏感电路，特别是晶体 振荡部分，天线周围尽量不要有元件，以免影响分布参数。 r 4 图2 9p c b 环行天线设计图 儿 l o o pa n t e n n a 9 5 * 9 5 m