无线串口的设计与实现

1 学科分类号学科分类号 07120712 本科生毕业论文本科生毕业论文 设计设计 题目 中文 题目 中文 无线串口的设计与实现无线串口的设计与实现 英文 英文 The Design And Realization of Wireless Serial 学生姓名 学生姓名 段段 星星 星星 学学 号 号 06104030140610403014 系系 别 别 物理与信息工程系物理与信息工程系 专专 业 业 电子信息科学与技术电子信息科学与技术 指导教师 指导教师 周周 群群 起止日期 起止日期 2009 112009 11 2010 52010 5 2 20102010 年年 5 5 月月 1 1 日日 怀化学院本科毕业论文怀化学院本科毕业论文 设计设计 诚信声明诚信声明 作者郑重声明 所呈交的本科毕业论文 设计 是在指导 老师的指导下 独立进行研究所取得的成果 成果不存在知 识产权争议 除文中已经注明引用的内容外 论文不含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的成果 对论文的研究做 出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确的方式标明 本 声明的法律结果由作者承担 本科毕业论文 设计 作者签名 年 月 日 3 目 录 摘要 1 关键词 1 Abstract 1 Key words 1 1 前言 1 2 设计方案 3 3 硬件设计 3 3 1 RS232 接口设计 3 3 2 无线模块介绍及工作原理 5 3 2 1 CC1101 简介 5 3 2 2 FT1100 232 无线模块 7 3 3 FT1100 232 无线模块信号的调制与解调 11 3 3 1 FSK 信号的产生 11 3 3 2 FSK 调制与解调 12 4 测试步骤与结果 13 5 结论 16 参考文献 16 致谢 17 附录 18 4 无线串口的设计与实现 摘 要 在传统的测控系统中 通常使用导线传输信号 这种传输方式常常会带来电 磁干扰和信号衰弱 而引入无线传输方式 就可以克服上述不足 同时也避免了 复杂的线路连接 有效的节约了人力物力 本次无线串口设计的目的就是希望利 用无线技术 通过构建一个小型的 短距离的无线网络 实现数据在串口设备间 的透明传输 经测试 系统运行稳定 各项功能达到设计要求 关键词 串口 网络 无线 The Design And Realization of Wireless Serial Abstract In the traditional measurement and control systems we transfer signal in using wire typically That often results in transmission electromagnetic interference and signal weakness But the introduction of wireless transmission we can use it to overcome these deficiencies but also avoids the complex connections effectively saving resources The purpose of the design of wireless serial is to use wireless technology to achieve transparent data transmission between serial equipment by building a small short range wireless networks Tested the system running stability and the functions required to design 5 Key words serial port network wireless 1 前言 当今 无线技术越来越受到人们的青睐 因为它将为消费者带来 空前的便利 对于使用无线网络的企业而言 也能体验到提高生产力 带来的回报 现代的数字集群系统可以提高公共安全的通信能力和效 率 而嵌入式的无线模块可以增加很多产品的连接能力 从而提高升 了产品的性能 提高了产品的价值和吸引力 带有无线功能的设备 甚至是服务可以让电信运营商轻松地开发新的市场 带来新的收入 我国两大智能家庭标准组织闪联和 e 家佳在推进数字家电互联互通 的同时带动了无线技术应用的增长 他们在产业化进程方面的努力预 示着无线技术应用进入快速普及阶段 PC 机之间的无线串口通信 作为无线技术的一种简单 基础的 应用 为用户带来了许多便利和经济效益 设备之间进行数据交换时 串行通信是一种简单 快捷 经济的 方法 如果设备相距比较远 或他们之间不易铺设有线电缆 采用无 线串口是代替有线串口的一种较好方案 随着通信设备网络和通信技 6 术的高速发展 人们对无线通信的需求也越来越高 短程 便捷 廉价 的无线通信技术正成为关注的焦点 采用无线的方式实现串口通信大 大减小了线路连接的复杂程度 从而避免了电线老化 线路间干扰等 问题 即使在相距不是很远的地方 无线通信的应用同样广泛 它在 许多领域发挥着它的优势 为人们提供快捷与可靠的服务 下面介绍 一下无线串口在生活中的几个典型应用 1 无线串口应用于无线抄表系统 电能计量是现代电力营销系 统中的一个重要环节 传统的电量结算是依靠人工定期到现场抄取数 据 在实时性 准确性和应用性等方面都存在诸多不足之处 将现代通 信技术和计算机技术以及电能量测量技术结合在一起 能够及时 准 确 全面地反映电量的使用 即销售 情况 系统中无线电表将传统的 电表所采集到的电量做相应的处理 然后通过无线串口上的无线收发 模块以短距离无线的方式将此电量信息发进出去 以实现远程自动无 线抄表功能 无线串口于无线抄表系统的应用在智能家居方面也体现 着它强大的优越性 经简单的拓展它可以对家居环境 如温度 湿度 厨房的空气质量 用水情况等等 进行实时准确的监测与报告 为您 创造一个和谐的家居环境提供可靠的信息 2 无线串口应用于 LED 屏幕无线图文更新 传统的 LED 屏幕 图文更新都是采用有线串口进行数据传输的 这种方式会带来诸多的 问题和不便 例如要对经常移动的 LED 屏幕 如车载屏 进行图文更 新 采用传统有线串口 我们可能要将车开到离电脑近的地方 或是 7 将电脑搬到车上 或是在屏幕与电脑之间连接一根很长的双绞线 等 等这些不便都会影响到我们工作的效率 再如采用无限串口时要考虑 的布线问题 尤其是室内 LED 屏幕的布线 既要考虑布线的美观同 时还要避免各线间的干扰 当布线距离太长时 还会影响到数据传输 的效率和质量 甚至导致传输失败 采用无线串口的话可以方便地解 决上述问题 无线传输方式主要以电磁波为传输媒介 串口设备间电平信号与 电磁波信号的相互转换 信号的发送与接收 无线传输的距离与速率 以及无线数传模块与串口间的电平匹配 是本次设计的主要问题 本 次设计的主要目标和意义在于解决这些问题以实现无线串口设备间 高效 稳定的数据传输 2 设计方案 图 2 1 图 2 1 为无线串口的硬件连接框图 主要由三部分组成 两台计 算机 两块标准的 RS 232 接口和两块无线数传模块 计算机通过 VB 通信控件实现对无线模块的参数设定以及收 发控制 RS 232 接口板 完成计算机串口与无线模块间的电平转换 以实现计算机对无线模块 8 的有效控制 无线模块完成数据在电平信号与电磁波信号间的相互转 换以及数据的发送与接收 本设计硬件连接简单 操作方便 经简单 的拓展可广泛应用于许多相关领域 3 硬件设计 3 1 RS232 接口电路 图 2 1 中 RS232 的作用是进行无线模块电平与计算机电平的转 换 我们知道 PC 机串口通信协议中电平使用的是标准 RS232 电平 而本次设计采用的无线收发模块使用的是 TTL 电平 为了使 PC 机 串口与无线模块通信间的电平匹配 我们需要一个电平转换工具 即 RS232 接口板电路 MAX232 系日本 Maxim 公司为串行口 RS232 生产的低功耗 单 电源双 RS232 发送 接收器 在单 5V 供电条件下 能实现 0 5V TTL 电平 与 10V 10V RS232 电平 之间的相互转换 使用极为方便 图 3 1 为 MAX232 的引脚图 MAX232 芯片内部结构基 本可分三个部分 第一部分是 电荷泵电路 由 1 2 3 4 5 6 脚和 4 只电容 构成 功能是产生 12v 和 12v 两个电源 提供给 RS 232 串 口电平的需要 第二部分是数 据转换通道 由 7 8 9 10 11 12 13 14 脚 构成两个数据通道 其中 13 脚 R1IN 12 脚 R1OUT 11 脚 T1IN 14 脚 T1OUT 为第一数据通道 8 脚 R2IN 9 脚 R2 OUT 10 脚 T2IN 7 脚 T2OUT 为第二数据通道 TTL CMOS 数据从 T1IN T2IN 输入转换成 RS 232 数据从 T1OUT T2OUT 送到电脑 图 3 1 9 12 13 14 脚构成两个数据通道 其中 13 脚 R1IN 12 脚 R1OUT 11 脚 T1IN 14 脚 T1OUT 为第一数据通道 8 脚 R2IN 9 脚 R2OUT 10 脚 T2IN 7 脚 T2OUT 为 第二数据通道 TTL CMOS 数据从 T1IN T2IN 输入转换成 RS 232 数据从 T1OUT T2OUT 送到电脑 DP9 插头 DP9 插头的 RS 232 数据从 R1IN R2IN 输入转换成 TTL CMOS 数据后从 R1OUT R2OUT 输出 第三部分是供电 15 脚 DNG 16 脚 VCC 5v 图 3 2 如图 3 2 所示为 RS232 接口板电路原理图 其中单排直插接口 A1 是与无线收发模块相连接的接口 3 2 无线模块介绍及工作原理 3 2 1 CC11O1 简介 10 图 3 3 图 3 3 是 CC1101 无线数传芯片的引脚图 CC1101 是 TI 公司一 款高性价比的单片 UHF 收发器 为低功耗无线电应用而设计 它是 CC1100 器件的加强升级版 灵敏度更高 功耗更小 带宽更大 CC1101 拥有卓越的数据包处理能力 发送时 只需简单设置寄存器 当用户往 CC1101 内的 TXFIFO 写入数据后 器件自动在数据包内增 加前导字节 长度可控 同步信息 CRC16 校验 并根据寄存器设置 将 FIFO 内写入的头两个字节数据标志为长度信息 此功能可选 和地 址信息 可选 接收状态下 器件自动侦测前导码 同步码 地址信息 和计算并比较 CRC16 此外 CC1101 还支持变长数据包格式和交织 功能 这些原本需要复杂算法和巨大运算量和存储空间的功能由硬件 支持 MCU 的编程难度大大降低 其负荷也大为减轻 CC1100 具有 包处理机制 发送 接收 FIF0 WOR 模式 WakeonRadio 等诸多特点 11 在 CC1100 之前的无线收发芯片都是采用同步方式将数据按位发送 出去 这种方式在发送与接收数据时处理起来比较麻烦 接收时还要 判断前导字与同步字 而 CC1100 把这些繁琐的工作承担下来 当需 要发射数据时 只需将发射的数据按照一定的格式通过 SPI 口写入到 发射 FIF0 然后把 CC1100 配置成发射状态 数据就会按照要求发射 出去 当需要接收数据时 首先将 CC1100 配置成接收状态 一旦收到 符合要求的数据 CC1100 就会把收到的数据存入接收 FIF0 同时引 脚 GD00 或 GD02 会有一个脉冲出现 这个脉冲可以用来通知 MCU 有一个数据包已被 CC1100 收到 MCU 就可以通过 SPI 口将 CC1100 收到的数据取出来 硬件连接如图 3 4 所示 图 3 4 3 2 2 FT1100 232 无线模块 12 FT1100 232 是基于 CC1101 的无线收发模块 模块主要由单片机 和 CC1101 无线数传芯片及外围电路构成 单片机控制 CC1101 芯片 完成信号的发送与接收以及信号间的相互转换 单片机对发射模块和 接收模块的控制 首先对单片机的接口进行初始化 SPI 总线接口技 术是一种高速 高效率的串行接口技术 主要用于扩展外设和进行数 据交换 然后对射频模块初始化 在这部分的初始化中要上电复位 芯片和对它的片内寄存器进行配置 发射端发射一组数据首先要通过 接口 对缓冲区设置单次发送的数据个数 然后写入要发送的数据包 数据自动加前导码和校验 接着进入发送模式发送数据包 等待本次 发送结束 最后冲洗缓冲区 本次发送完毕 接收端接收一组数据中 首先进入接收模式 等待接收信息完成 然后接收到的数据包被分解 读出所有接收到的数据并存储 最后清洗缓冲区 本次接收完毕 该 模块单片机内部程序固定 无需再另外编程 在计算机上通过对 VB 控件对其简单设定就能进行数据的无线收发了 FT1100 232 无线模块功耗低 最大发射功率 10mW 使用 10mW 功率发射 可以到最佳的通信效果 载频频段 433MHz 高抗干扰能力 和低误码率 基于 FSK 的调制方式 采用高效前向纠错和信道交织编 码技术 提高了数据抗随机干扰和突发干扰的能力 在信道误码率为 10 2时 可得到实际误码率 10 5 10 6 传输距离远 在直线可视情况 下 天线放置高度位置 2 米 9600bps 可靠传输 距离大于 200m BER 10 3 9600bps 1200bps 传输距离可达 300m BER 10 3 1200bps 支持透明的数据传输及 DL 645 规约 提供透明的数据接 13 口 能适应任何标准或非标准的用户协议 自动过滤掉空中产生的假 数据 所收即所发 通信软件支持无线抄表系统的 DL 645 规约 256 个可编程信道 20M 频段 在同一个频段可以按照用户 200KHz 间 隔频点则可以提供至少 256 个信道 满足用户多种通信组合方式 大 的数据缓冲区 接口波特率等于空中有效波特率 提供 3 种用户可选 波特率 4800 9600 19200bps 接口速率最高可设置到 19200bps 数据格式为 8N1 8E1 8O1 用户自定义 可传输最长为 30 字节的数据 帧 用户编程更灵活 即使是半双工通信 用户也无需编制多余的程 序 只要从接口收 发数据即可 其它如空中收 发转换 控制等操作 模块自动完成 多种天线配置方案 满足用户不同的结构需要 可配 置镀银弹簧天线 多种增益的柱状天线 吸盘天线等 基于 FT1100 232 无线模块的这些特点优点 完全能够符合本次设计的需求 1 FT1100 232 连接端子的定义 端口位置如图 3 5 图 3 5 FT 1100 232 管脚位置和尺寸图 FT1100 232 提供 1 个 5 针排线和一个 2 针排线的连接器 连接端子 14 定义及连接方法 模块正面从左到右的顺序 见表 3 1 表 3 1 管脚定义说明连接到终端备注 1GND 电源地 电源地线 2VCC电源 4 5 5 5V 3RS232 RxD数据输入RS232 TTL 数据输入 4RS232 TxD数据输出RS232 TTL 数据输出 5GNDGNDGND 6RESET复位引脚 可不连 7SLEEP休眠 可不连 FT1100 232 无线模块与 RS 232 接口电路的具体连接方法见表 3 2 表中同行两管脚标号表示这两个管脚相连 其中 A1 为图 3 2 中 RS 232 接口电路的五针排线接口器 表 3 2 FT1100 232 接口器A1 RS 232 接口器 1 GND 1 GND 2 VCC 2 VCC 3 RxD 3 TxD 4 TxD 4 RxD 管脚 定义 5 GND 5 GND 2 电源 FT1100 232 使用直流电源 电压 5V 可以与其它设备共用电源 但应选择纹波系数较好的电源 纹波峰值小于 200mV 如果有条件话 可采用 5V 稳压片单独供电 使用开关电源应注意开关脉冲对无线模 块的干扰 另外 系统设备中若有其他设备 则需可靠接地 若没有条 件可靠接入大地 则可自成一地 但必须与市电完全隔离 在本设计中 电源的选择就地取材 选择了型号为 DSA 0151F 12A 的开关电源 该电源输出直流电压 5V 额定电流 2A 纹波峰值约 15 为 75mV 提供输出短路自动保护 完全满足设计的要求 3 FT1100 232 参数设定 用户可以通过电脑 RS232 串口对 FT1100 232 模块进行简单配置 如 果是带 RS232 串口的可以直接相接 如果模块提供的是 TTL 或 RS485 接口的 需连接到相应的转换器 以修改信道接收频率 信 道发射频率 信道波特率 接口波特率和数据格式 1 通信信道设定 文字 命令码 信道 说明 长度2bytes1bytes 格式HEXHEX 固定A7 7A00 信道取值可以从 0 x00 0 xEE 共 计 238 个信道 举例 如发送 A7 7A 06 则该模块的通信就设为信道 6 了 2 串口波特率设定 文字 命令码 波特率 说 明 长度2bytes2bytes 格式HEXHEX 固定A3 3A01 01 4800 02 9600 03 19200 举例 如发送 A3 3A 03 则该模块的的串口通信波特率就设为 19200 了 4 FT1100 232 无线模块的数据发送和接收 FT1100 232 是半双工工作的 收发一体模块 即每个模块既可 以收 也可以发 1 如果要发送数据 只需要把该字节数据通过串口写入模块 模 块收到该字节数据就通过无线发出 2 如果收到无线数据 则模块自动把该字节数据从串口送出 3 一次连续发的数据或字符串长度不要大于 30 16 3 3 FT1100 232 无线模块信号的调制与解调 FT1100 232 无线模块的调制方式是 FSK 调制 下面简单介绍一 下二进制频移键控 FSK 调制与解调 频移键控 FSK 是用不同频率 的载波来传送数字信号 用数字基带信号控制载波信号的频率 二进 制频移键控是用两个不同频率的载波来代表数字信号的两种电平 接 收端收到不同的载波信号再进行逆变换成为数字信号 完成信息传输 过程 3 3 1 FSK 信号的产生 FSK 信号的产生有两种方法 直接调频法和频率键控法 1 直接调频法 直接调频法是用数字基带信号直接控制载频振动器 的振荡频率 图 3 6 所示是直接调频法的具体电路之一 二极管 图 3 6 V2 V3 的导通与截止受数字基带信号控制 当基带信号为负时 相当 于 0 码 V2 V3 导通 C2 经 V3 与 LC1 槽路并联 使振荡频率降低 设此时频率为 f1 当基带信号为正时 相当于 1 码 V2 V3 截止 17 C2 不并入槽路 振荡频率提高 设为 f2 从而实现了调频 这种方法 产生的调频信号是相位连续的 2 频率键控法 频率键控法也称频率选择法 图 3 7 是它实现的原 理框图 它有两个独立的振荡器 数字基带信号控制转换开关 选择 不同频率的高频振荡信号实现 FSK 调制 图 3 7 关发生转换的瞬间 两个高频振荡的输出电压通常不可能相等 于是 S t 信号在基带信息变换时电压会发生跳变 这种现象也称为相位不 连续 这是频率键控特有的情况 3 3 2 FSK 信号的解调 数字频率键控 FSK 信号常用的解调方法有很多种 如同步解调 法 包络解调法和过零解调法 同步解调法原理方框如图 3 8 所示 由图可见 FSK 信号的同步解调器分成上 下两个支路 输入的 FSK 信号经过 f1 和 f2 两个带通滤波器后变成了上 下两路 ASK 信号 之 后其解调原理与 ASK 类似 但判决需对上 下两支路比较来进行 假 设上支路低通滤波器输出为 x1 下支路低通滤波器输出为 x2 键控法产生的 FSK 信号 频率稳定度可以做的很高并没 有过渡频率 它的转换速度快 波形好 频率键控法在转换开 关发生 18 图 3 8 同步解调法原理框图 则判决准则是 X1 X2 0 判输入为 f 信号 当输入的 FSK 信号振荡频率为 f1 时 上支路经带通后有正弦信 号 Acos2 f1t 存在 与 ASK 系统接收到 1 码时的情况相似 经过低 通滤波器 x1 A 而下支路带通滤波器输入为 0 与 ASK 系统接收到 0 码时情况相似 故 x2 0 显然 x1 x2 A 0 0 按判决准则判输入为 f1 反之 当输入为 f2 时 x1 0 x2 A x1 x2 0 A 0 按判决准则应判 输入为 f2 因此可以判决出FSK 信号 4 测试步骤与结果 将无线模块 电平转换器和计算机机串口连接起来 检查硬件连 接是否有错误 检查无误后上电 在测试过程中 可以在应用程序中 通过发送设置参数命令来修改模块参数 也可以通过计算机串口调试 工具来设置参数 我们通过电脑 RS232 串口对 FT1100 232 模块进行 简单配置 以修改信道接收频率 信道发射频率 信道波特率 接口波 特率和数据格式 首先 选择未被占用的通信端口 方法如图 4 1 X1 X2 X1 X2 0 判输入为 f1 信号 19 图 4 1 1 把 A7 7A 06 输到图 4 2 所示的数据框中 2 选 十六进制发送 3 按 手动发送 信道参数设置完成 这样通信信道就设置成信道 1 了 再对通信的波特率进行设定 若要设定波特率为 9600 则具体命令如下 A3 3A 02 图 4 2 然后设定通信信道 FT1100 232 模块共有 0 238 个信道 若要设 置成信道 1 则具体命令和步骤如 下 A7 7A 01 20 波特率的设置步骤与信道设置步骤相同 只需将图 4 2 中数据框 的命令改为 A3 3A 02 就行了 其他参数的设定 如校验位 数据位和停止位的设置采用默认值 就可以了 对相互通信的两台计算机设置好这些参数之后就可以开始 通信了 例如要通过计算机 1 向计算机 2 发送 12 34 56 几个数字 则将 12 34 56 输入图 4 2 所示的数据框 点击发送即可 数据成功发 送与接收时 发送模块与接收模块上的指示二极管会闪亮一下 同时 发送机的串口调试助手发送计数器和接收机的串口调试助手接收计 数器会根据所发数据的长度作相应增加 结果如图 4 3 a 和图 4 3 b FT1100 232 是半双工工作的 收发一体 每个模块既可以收 也可以 发 串口通信的效率和质量与波特率和传输距离有很大关系 通过测 图 4 3 a 图 4 3 b 量 当波特率设定为 9600 天线距地面约 1m 时 稳定通信的可视传 输距离约为 60m 天线增高可以增加传输的距离 另外 相同情况下 21 波特率高 稳定传输的距离会减小 而波特率低 稳定传输的距离增 大 但可以感觉出数据从发送到接收的时间差 本次设计的无线串口 由于硬件连接简单 所以只能发送数字和字母 但是经简单拓展后可 以满足人们的各种通信需求 5 结论 在测试过程中虽然偶尔会出现错误或传输中断 但总的来讲 本 次设计是成功的 本次设计的无线串口硬件连接简单 数据传输稳定 体积小易操作 且成本低廉 经简单扩展可广泛应用于远程控制 无 线数据传输 楼宇自动化 安防 机房设备无线监控 井下定位 报警 工业监测和控制 低功耗手持终端产品等等多个领域 参考文献 1 王萍 陈长青 龚睿 唐晓娜 基于 nRF905 的无线串口通信系统 J 微计算机信息 2007 8 23A 281 282 2 刘立新 李国辉 郝云芳 基于 nRF2401 的无线无线自动抄表系统 J 微计算机信息 2006 11 25A 158 160 3 何辉 权晓红 Win9x 环境下无线数传模块 SA68D11 串口通讯软件设计