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单片机无线数据传输系统设计目 录中文摘要-1英文摘要-21 引言-42 无线数据传输的基本原理-53 数传模块的选择-6 3.1 无线数据传输模块的选择-3.2 无线数据传输模块的特点-3.3 PTR2000的选用-4 单片机选型- 4.1 单片机结构特点及工作原理- 4.2 单片机外部结构特点- 4.3 单片机内部结构特点-5 单片机无线数据传输系统实现原理- 5.1 总体方案设计-6 硬件电路设计- 6.1 单片机和PTR2000的接口电路- 6.1.1 电路原理和器件选择- 6.1.2 地址分配和连接- 6.2 计算机和PTR2000的接口电路- 6.2.1 电路原理和器件选择- 6.2.2 地址分配和连接-7 通信协议的选择-8 软件设计方案- 8.1 软件流程图设计-8.2 程序代码-单片机无线数据传输系统 摘 要：在传统的工业测控系统中，传输数据采用的是有线方式，成本高、维护不方便，且在某些特殊的场合，布线困难甚至无法布线。随着无线通信技术的发展和成熟，数据传输可通过无线的方式实现，从而克服了上述缺点。本文主要介绍了基于无线数据传输模块PTR 2000的无线数据传输系统的总体结构，实现了单片机与微机的无线通信。着重讨论了器件的选择和硬件电路的设计及具体实现。通过对无线数据传输模块PTR2000功能特性的描述，探讨了单片机与微机的无线数据通信的方法，并使用CRC校验保证数据传输的可靠性，以及软件实现方法。该系统可方便地嵌入到无线测控系统中，抗干扰能力强，具有广阔的应用前景。关键词：无线数据传输；PTR2000；单片机； Abstract： In measuring and controlling system for industrial propose，large quantities of data need to be transmittedTraditional maDDer to carry out this work is wired transmission system，a manner with high cost of construction and inconvenience of maintenance，and sometime unapproachable impediment in wiring With the developing of wireless communication technology，data transmision can be carried out in wireles ma nner，with which problems mentioned above are mlved sufficientlyIn this paper，a wireless data transmision module namely PTR2000 and a scheme of data acquisition system based on PTR2000 is introducedThe hardware design as well as the communication protocol is discusedDue to its outstanding antiinterference performance，and its capability to be embedded into wireless system of industrial measuring and controlling ， its application prospects will be broad in the futureKey Words： wireles data transmision；PTR2000；singlechip microcompater；1 引 言在各种各样的测控系统中，传感器所测得的信号通常使用导线传输。这种传输方式常常会带来电磁干扰和信号衰减和失真。对于远距离和多点测量，众多的传输线还会带来成本的上升和分布电容。如果测量点在运动物体上或被隔离区域内，信号传输线的问题就很难解决。而引入无线传输方式，就可以克服以上测量系统中的不足，并且会更灵活,成本更低。无线通信技术的发展和成熟，为各种潜在的工程技术应用提供了新的通信方法和手段。目前许多应用领域都采用无线的方式进行数据传输，这些领域涉及到小型无线网络、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。与有线数据传输方式相比，无线通信的信道环境比较恶劣，可以实现的最高传输速率往往会受到很大的限制。但无线通信也具有一些独特的优势:首先，无线通信的数据传输距离比较远（可以达到或超过RS485及CAN总线的传输距离）；其次，无线通信设备在使用过程中不需要连接通信线缆，简化了工作流程，降低了设备成本。所以尽管无线通信方式在单片机系统中的应用不如其他数据传输方式广泛，还是有必要对无线数据传输方式进行介绍。本文介绍1种无线数据传输系统，它应用单片机和无线数传模块PTR2000，通过无线方式进行数据传输，两端采用半双工方式通信。PTR2000无线收发数传MODEM 接收发射合一；工作频率为国际通用的数传频段433 MHz；FSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合；采用DDS+PLL频率合成技术，频率稳定性极好；灵敏度高，达到105 dBm；低工作电压(27 V)，功耗小，待机状态仅为8 uA；具有2个频道，特别满足多信道工作的特殊场合；工作速率最高可达20kbits；超小体积约40275(rnrn)；可直接接CPU串口使用，也可以接计算机RS232接口，软件编程非常方便。该系统使用灵活、成本低廉，可方便地嵌入到无线测控系统中。 2 无线数据传输的基本原理无线数据传输模块可广泛应用于遥控、遥测、小型无线网络、身份识别、安全防火、生物信号采集、水文气象控制、机器人控制、数字音频、数字图象传输等系统。在本例中，无线收发模块主要担当系统中单片机和微机之间的数据传输，如图22所示。单片机和微机之间的无线数据传输过程是：单片机处理需要发送的数据，利用串口将数据传输到无线数据传输模块的发送端，串行信号经调制后发送到地面计算机，进行数据处理和数据记录。然后将处理后的数据再通过无线数传模块发送到单片机，从而控制测控系统的传感网络。可以说，无线数据收发模块相当于是单片机系统的一个特殊的执行模块。 图22 无线收发模块3 数传模块的选择3.1 无线数据传输模块的选择 无线数据传输模块的关键器件是无线收发芯片。无线收发芯片的种类和数量比较多，如何在设计中选择所需要的芯片非常关键。正确的选择可以使开发工作少走弯路，以下是几点选择芯片的参考标准。 收发芯片数据传输的编码方式采用曼彻斯特编码的芯片，在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的内存和程序容量，并且曼彻斯特编码大大降低数据传输效率，一般仅能达到标称速率的1/3。而采用串口传输的芯片，如nRF401系列的芯片，应用及编程非常简单，传送的效率很高，标称速率就是实际速率，因为串口的编程相对简单，编程开发工作也很方便。 外围元件数量芯片外围元件的数量决定了模块的体积和重量，以及整个系统的复杂性，因此应该选择外围元件少的收发芯片。这方面nRF401是一个较为理想的选择。外围元件近10个左右，无需声表滤波器、变容管等昂贵的元件，只需要便宜且易于获得的4MHZ晶体，收发天线合一。 功耗由于无线收发芯片是应用在测控系统上，因此功耗非常重要，应该根据需要选择综合功耗较小的模块。 发射功率在同等条件下，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。 收发芯片的封装和管脚数较少的管脚以及较小的封装，有利于减少PCB面积，适合测控系统的设计。nRF401仅20脚，是管脚和体积最小的。 目前较为流行的无线收发芯片中，无论是从使用的方便性、传输速度还是输出功率等各个方面，nRF401均不失为一种较为理想的无线数传芯片，而PTR2000正是一款基于nRF401芯片的无线数据收发模块。3.2 无线数据传输模块的特点 本文中的无线数据传输模块采用PTR2000，因为它是目前集成度较高的无线收发产品，它集成了高频发射、接收、FSK调制解调、PLL合成、参量放大、功率放大、频道切换等诸多功能。尤其是它发射功率低，灵敏度高，具备20Kbits的高传输速率，工作频率稳定可靠，而且体积小，引脚数只有7个。PTR2000模块内置nRF401芯片，数据无需曼彻斯特编码，外围元件只需10个，编程开发工作容易且易于设计生产，这些优异特性使得PTR2000非常适用于便携及手持产品。无线数据传输模块PTR2000广泛应用于遥控、遥测、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、无线标签、身分识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、无线232422485数据通信等系统。利用PTR2000无线数据收发模块的数据传输具有以下特点：接收发射合一、串口的发送速率最高可达19200bits的传输率(也可工作在其它速率如4800bits、9600bits，无需设置PTR2000的工作速率)、数据传输频段为433MHz、体积小：40mm27ram5ram、工作距离在无阻挡情况下10m以内、具有多个频道，满足需要多通道工作的特殊场合、工作电压27525V，工作电流1030mA，待机电流8uA。其主要参数如下： 调制方式：FSK 频偏：15KHZ 信道频率：433.92/434.33MHZ 发射电流：8mA 接收电流：250uA 接收灵敏度：105dBm 最大发射功率：10B 最高数据传输速率：20kbit/s 工作电压范围宽：2.7v5.25v 工作温度范围宽 无方向性要求，在高速移动和振动情况下抗干扰能力强 仅外接一个晶体和几个组容、电感元件，基本无需调试 不需要对数据进行曼彻斯特编码 不需要进行初始化和配置图31是PTR2000模块的引脚。引脚功能说明如下： 图3-1 PTR2000引脚说明pinl：VCC，正电源，27-525V。pin2：CS，频道选择，CS=0选择工作频道1， 即43392MHz；CS=1选择工作频道2，即43433MHz。pin3：DO，数据输出。Pin4：DI，数据输入。Pin5：GND，电源地。Pin6：PWR， 节能控制。PWR=1时，正常工作状态，PWR=0时，待机微功耗状态。Pin7：TXEN， 发射接收控制。TXEN=1时，模块为发射状态；TXEN0时，模块为接收状态。由此可得到模块不同的工作模式，具体设置可见表21。模块引脚接入电平模块工作状态TXENCSPWR工作频道芯片状态0011接收0112接收1011发射1112发射0待机 表21 模块工作模式设置3.3 PTR2000的选用无线数据收发模块PTR2000采用抗干扰能力较强的FSK调制/解调方式，其工作效率稳定可靠、外围元件少、功耗极低且便于设计生产，这些优异特性使得PTR2000非常适应于便携及手持产品。可以满足无线管制的要求且无需使用许可证，是目前低功率无线数据传输的理想选择。因此，本例采用PTR2000作为无线数据传输模块。无线数据传输模块PTR2000可广泛应用于遥控、遥测、小型无线网络、身份识别、安全防火、生物信号采集、水文气象控制、机器人控制、数字音频、数字图象传输等系统。在本例中，无线收发模块主要担当系统中单片机和微机之间的数据传输，如图22所示。单片机和微机之间的无线数据传输过程是：单片机处理需要发送的数据，利用串口将数据传输到无线数据传输模块的发送端，串行信号经调制后发送到地面计算机，进行数据处理和数据记录。可以说，无线数据收发模块相当于是单片机系统的一个特殊的执行模块。 图22 无线收发模块4 单片机选型4.1 概述由于PIC系列单片机采用精简指令集（RISC）、哈佛总线结构、流水线取指令方式，具有实用、低价、指令集小、简单易学、低功耗、高速度、体积小、功能强及抗干扰能力强等特点。大量用于汽车电气控制、低功耗的应用的表计和测量仪表等，在国内正在拥有大量的用户，深受用户欢迎。Microchip 公司生产的PIC16C73 是一款基于EPROM 的8 位高性能微控制器。与其它价格相当的微控制器相比, 它在执行速度和代码压缩方面都有很大的改进。由于随时可以买到需要的OPT (一次性编程) 产品,因而缩短了利用PIC16C73 进行产品设计开发的周期。PIC16C73 微控制器所具有的优越性能主要归功于它的精简指令集(RISC) 和所采用的哈佛(Harvard) 结构, 它具有分离的程序存储器空间(12位宽指令) 和数据存储器空间(8 位宽数据) 。同时可运用两级流水线指令进行取数和执行, 除了跳转指令需要两个周期外, 其余所有的指令都可在单周期内执行。PIC16C73 分离的程序和数据空间可使指令字优化为任意宽度, 从而使指令具有单字长的特性, 且允许指令码的数据位数多于8 位, 这样, 就可达到2 : 1 的代码压缩和4 :1 的速度。4.2 单片机结构特点及工作原理PIC16C73 是PIC16xx 系列微控制器中的一种, 它由高性能RISC 结构的CPU 、存储器、I/ O 接口和复位电路等组成。PIC16C73 是低功耗、低电压、CMOS、全静态、8 位EPROM 型单片机,寻址空间为4 K14 ,8 级堆栈,多个内部及外部中断源。内部设有192 个字节的RAM 和2 个串行口以及五通道高速A/ D 转换器部分,不需要增加价格高的片外支持功能部件,也省去了附加的A/ D转换外围部件,从而降低了系统成本和系统功耗,提高了系统的可靠性;其内部结构图如图41所示。 图41 PIC16C73内部结构4.2.1 单片机外部结构特点PIC16C73 是28 脚双列直插式大规模集成芯片,其引脚排列如图24 所示。各引脚功能如下:OSC1/ CL KIN : 为晶体振荡器输入/ 外部时钟源输入引脚。OSC2/ CL KOU T : 晶体振荡器输出/ 外部时钟源输出引脚。在晶体振荡器方式下, 接晶体或陶瓷振荡器;在RC 振荡器方式,输出1/ 4fosc 。MCL R/ Vpp :芯片复位/ 编程电压输入脚,复位时,低电平有效。RA0/ AN0RA5/ AN4/ SS :复用引脚,RA0RA5 为双向数据线; AN0AN4 为A/ D 输入输出通道;RA5/ AN4/ SS 还可作为同步串口使用。RB0RB7 : B 口双向数据信号线, 其引脚含有可控的弱上拉电阻。其中,RB4/ IN T 可作为外部中断输入端; RB4RB7 可产生变化中断; RB6 可作为串行编程的时钟端; RB7 可作为串行编程的数据端。 图4-2 PIC16C73外部引脚RC0RC7 : 复用引脚, 为C 口双向数据信号线,C 口引脚均为多功能复用引脚。RC0/ T1OS0/ T1CK1 可选择TMR1 振荡器输出或TMR1 时钟输入;RC1/ T1OS1/ CCP2 可作为TMR1 振荡器输入或捕捉器2 输入/ 比较器输出/ PWH2 输出;RC2/ CCP1 可作为捕捉器1 输入/ 比较器输出/ PWH1 输出;RC3/ SCK/ SCL 可作为同步串行时钟输入/SPI 的I2C 方式输入;RC4/ SDI/ SDA 可作为SPI 数据输入(SPI) 或数据I/ O ( I2C) ;RC5/ SDO 可作为SPI 数据输出(SPI) ;RC6/ TX/ CK 可以作为异步发送或SCI 同步时钟线;RC7/ RX/ DT 可以作为异步接收或SCI 同步数据线。4.2.2 内部结构特点a . 高性能CPU仅35 条单字指令, 采用的时钟频率为20MHz ,指令周期为200ns ;具有8 级深度的硬件堆栈;具有中断能力,有11 个中断源;带有片内RC 振荡器的看门狗(WDT) ;具有程序保密位,可防止非法拷贝;具有低功耗SL EEP 方式, 功率低, 采用高速CMOS EPROM 工艺制造;可选择不同的振荡器方式;工作电压为3. 0V6. 0V 。b. 分离的程序和数据空间该PIC 器件带有13 位程序存储器, 最大寻址能力为8k 14 位,用户存储空间(00000FFFh) 共4k 14 位。当访问大于以上地址范围的物理存储空间时,可采用滚动循环访问方式。数据存储区分为两个存储体Bank 0 和Bank 1 ,每个存储体又由通用寄存器和专用寄存器构成。当状态寄存器中的RP0 位为0 时,选中Bank 0 ; RP0 为1 时选中Bank 1。每个存储体最大可以扩展到7Eh(128 个字节) 。在每个存储体中,专用寄存器被安排在低空间,用SRAM 实现的通用寄存器被安排在高地址空间。专用寄存器中含有A/ D 的寄存器。c. 完善的串行通信接口(SCI)SCI 利用RC6 和RC7 两个引脚来作为通信线的二线制串行通信接口。它们可被定义为三种方式:全双工异步方式、半双工同步主控方式和半双工同步从动方式。SCI 部件含有两个8 位的可读写状态和控制寄存器, 分别为发送和控制寄存器TXSTA 、接收和控制寄存器RCSTA 。d. 片内器件模块有3 个定时/ 计数器和3 个双向I/ O 口。含有16 位捕捉/ 比较/ PWM 模块。其中捕捉器的最大分辨率为12. 5ns ; 而比较器的最大分辨率为200ns ; PWM 的分辨率为10 位。带有5 路A/ D 转换器和A/ D 中断功能。5 单片机无线数据传输系统实现原理5.1 总体方案设计无线数据传输模块在无法使用有线数据传输的场合，或者是为了更安全，采用无线数据传输模块和单片机配合进行数据传输的方案较为理想。由于PTR2000无线数传模块可以利用串口进行数据传输，所以可以利用其作为单片机和微机之间数据传输的装置。典型的应用如图51所示。图51 无线数传的应用PTR2000是基于nRF401芯片的无线数据收发模块，PTR2000无线数据传输模块可以利用串口进行数据传输，作为单片机和微机之间数据传输的装置。基于单片机的无线数据传输系统在单片机和微机之间的数据传输如图2-3所示，无线数据收发模块是单片机测控系统的一个特殊执行模块。在单片机和微机之间的无线数据传输过程是：单片机处理需要发送的数据，利用串口将数据传输到无线数据传输模块的发送端，串行信号经调制后发送到计算机，进行数据处理和数据记录。数据处理后，经过电平转换送给PTR2000模块，通过数传模块发送给单片机，再反馈给传感器系统。基于PTR2000模块的单片机无线收发系统应当具备三种工作模式：发送：在发送数据之前，应先模块置于发射模式，即TXEN=1，然后等待5ms后(接收到发射的转换时问)才可以发送任意长度的数据，发送结束后应将模块置于接收状态，即TXEN=0。接收：接收时应将PTR2000置于接收状态，即TXEN=0，然后将接收到的数据直接送到单片机串口或经电平转换后送到计算机。待机：当PWR=0时，PTR2000进入节电待机模式，在待机模式下不能接收和发射数据。 无线数据传输模块电路设计的主要功能是提供单片机和PTR2000的接口电路，以及PTR2000与计算机之间的通信接口电路。6 硬件电路设计6.1 单片机和PTR2000的接口电路图61 PTR2000无线收发模块与单片机的连接PTR2000无线收发模块与单片机的连接中，PTR2000模块的DO和DI分别与单片机的RX和TX连接。利用单片机的I/O可以控制模块的发射控制、频道转换和低功耗模式。单片机可直接通过将P2.0位置高电平或置低电平而将无线收发模块置于发射或接收状态。接口电路如图61所示。6.1.1电路原理和器件选择此处只列出和本例相关的、关键部分的器件名称和相关的主要功能。 PIC单片机：主要完成待发数据的组织和处理，向PTR2000模块发送数据和接收计算机发送的数据。 PTR2000无线数据模块：和单片机相连的PTR2000模块主要是将单片机的待传数据信号调制成射频信号，发送到计算机端的PTR2000模块；接收计算机端PTR2000模块发送的数据信号，并解调成单片机能够识别的TTL信号。 晶振：计算机与单片机的通信速率约定为9600bit/s,为了获得精确的传输率，单片机选用11.0592MHZ的晶振。6.1.2地址分配和连接只列出和本例相关的、关键部分的单片机与PTR2000无线收发模块管脚的连接和相关的地址分配。 DO:连接单片机的RX管脚和PTR2000的DO管脚。PTR2000将接收到的数据信号解调后，输出到单片机中。 DI：连接单片机的TX管脚和PTR2000的DI管脚。单片机将待发数据传输到PTR2000模块，经过解调后，发送到计算机端。 TXEN：连接单片机的P2.0管脚和PTR2000模块的TXEN管脚。通过单片机P2.0管脚的电平控制PTR2000模块的发射接收控制，TXEN1时模块为发射状态，TXEN0模块为接收状态。 CS:PTR2000模块的频道选择，CS=0选择工作频道1，即433.92MHZ；CS=1选择工作频道2，即434.33MHZ。在本例中，采用固定的收发频道，即将CS和GND连接，固定通信频道为频道1。 PWR：PTR2000模块节能控制。PWR1为正常工作状态，PWR0为待机微功耗状态。在本例中，将PTR2000模块的PWR管脚连接到VCC上，使PTR2000模块固定工作在正常状态。6.2 计算机和PTR2000的接口电路图62 PTR2000与计算机串口的连接电路如图62所示是PTR2000与计算机串口进行接口的典型应用电路。如果直接将PTR2000与计算机串口连接，则可用RTS来控制PTR2000无线收发模块的收、发状态转换。6.2.1 电路原理和器件选择在这里列出和本例相关的、关键部分的器件名称和相关的主要功能。 计算机：主要完成待发数据的组织和处理，向PTR2000模块发送数据和接收单片机发送的数据。 PTR2000无线数据模块：和计算机相连的PTR2000模块主要是将单片机的待传数据信号调制成射频信号，发送到单片机端的PTR2000模块；接收单片机端PTR2000模块发送的数据信号，并解调成计算机能够识别的TTL信号。 波特率：计算机数据收发软件的通信速率约定为9600bit/s。 MAX202：RS-232和TTL电平的转换芯片。PTR2000模块与计算机串口的连接中，由于PTR2000模块支持TTL电平，计算机串口RXD和TXD输出的信号需经电平转换后分别与PTR2000模块的DO和DI相连。6.2.2 地址分配和连接只列出和本例相关的、关键部分的单片机管脚连接和相关的地址分配。主要是单片机和8253之间的连接和地址分配。 DO：连接MAX202和T2IN管脚和PTR2000的DO管脚。PTR2000将接收到的数据信号解调后，输出到MAX202的输入信号管脚中，进行RS-232电平转换。 DI:连接MAX202的R2OUT管脚和PTR2000的DI管脚。MAX202将待发数据经过RS-232的转换后传输到PTR2000模块，经过调制后，发送到单片机端。 TXEN：连接MAX202的R1OUT管脚和PTR2000模块的TXEN管脚。通过计算机串口的RTS信号控制。TXEN=1时模块为发射状态，TXEN=0时模块为接收状态。 CS：PTR2000模块的频道选择，CS=0选择工作频道1，即433.92MHZ：CS=1选择工作频道2，即434.33MHZ。在本例中，采用固定的收发频道，即将CS和GND连接，固定通信频道为频道1。 PWR：PTR2000模块的节能控制。PWR=1为正常工作状态，PWR=0为待机微功耗状态。在本例中，将PTR2000模块的PWR管脚连接到VCC上，使PTR2000模块固定工作在正常工作状态。 RXD：连接MAX202的T2OUT管脚和计算机串口的RXD管脚。MAX202将调制后的数据信号传输到计算机机串口的接收端。 TXD：连接MAX202的R2IN管脚和计算机串口的TXD管脚。计算机将发送的RS232信号送到MAX202，经过调制后，发送到PTR2000的发送端。 RTS：连接计算机串口的RTS管脚和MAX202的R1IN管脚，是计算机串口对无线收发模块收/发状态转换的控制。RTS输出高电平时，电平转换后将PTR2000 置为发射状态；串口RTS输出低电平时，电平转换后将PTR2000置为接收状态。 7 通信协议的选择为了使系统能够可靠、稳定地通信，在单片机和微机的数据传输过程中，由于传输距离、现场状况等因素的影响，计算机和单片机之间的通信数据会发生无法预测的错误，在通信时要采取数据校验的方法，采用数据校验是保证数据传输可靠性的方法，单片机和PTR2000进行无线数据传输时需要采用CRC校验(循环冗余码校验)，提供单片机串行通信的一种简单协议，用以提高串行通信的数据可靠性。循环冗余码校验的英文名为Cyclical Redundancy Check，简写为CRC。它是利用除法及余数的原理作错误检测(Error Detecting)。发送装置计算出CRC值并随数据一同发送给接收装置，接收装置对收到的数据重新计算CRC并与收到的CRC相比较，若两个CRC值不同，则说明数据通信出现错误。以最常用的CRC一16校验方法来说明其生成过程，CRC一16由两个字节构成，在开始时寄存器的每一位都预置为1，然后把CRC寄存器与8一bit的数据进行异或，之后对CRC寄存器从高到低进行移位，在最高位(MSB)的位置补零，而最低位(LSB，移位后已经被移出CRC寄存器)如果为1，则把寄存器与预定义的多项式码进行异或，否则，如果LSB为零，则无需进行异或，重复上述的由高至低的移位8次，第一个8一bit数据处理完毕，用此时CRC寄存器的值与下一个8一bit数据异或并进行如前一个数据似的8次移位。所有的字符处理完成后CRC寄存器内的值即为最终的CRC