【毕业学位论文】(Word原稿)基于PIC的无线数据传输系统设计-电子与信息工程

毕业 设计 题 目 基于 学生姓名 王丽霞 学 号 院 系 电子与信息工程学院 专 业 通信工程 指导教师 周杰 二七年 五 月 三十 日 1 前言 一、问题的提出： 用于图文显示的 果只显示一些图形、文字，而对图象、动画以及信息的实时显示要求不高，而且信息的内容和屏与屏切换相对比较稳定，不需要固定计算机实时服务，只需要在控制显示屏的单片机中加入存储块，实现信息的保存功能。通过无线发射机和无线接收机进行数据的传输，达到对 二、论文的主要研究内容 : 通过软件编辑实现图文编辑与传输。采用习惯的 启文本编辑区，完成图形和文字的编辑工作。在 控制系统中实现字模的提取与保存，无需在单片机中加入汉字库。通过采用 无线 发射机串行通讯方式，无线接受机接收信息发送给 而完成信息的传输。 通过对点阵模块和控制电路的分析，确定 示屏的部件构成 ;通过对单片机及智能控制模块的分析，确定 现 三、本课题系统图 无线发射机硬件控制模块 无线接收机硬件控制模块 口通信 发射信 息 控制系统 单片机系统 阵显示屏 行列扫描驱动 2 四、论文的组织 通过对软件系统的简要分析，在论文中将对其进行详细的研究与设计。具体组织安排如下： 第一部分： 这一部分主要由司红君同学设计 ，在这一部分中主要介绍以下内容： 1、根据具体应用环境的要求，对整个系统进行详细的分析。主要介绍 : 1）整体分析。对软件的整体结构、框架进行分析与研究 2）软件控制系统分析。在本节中，对系统的编辑、保存、预览功能进行详细的分析与研究； 2、核心控制系统的设计与实现， 具体如下： 1）编辑功能设计与实现 ； 2）字模 ； 3）图 像 预处理的设计与实现 ； 4）在核心功能初步实现的基础上，对系统进行开发。 3、 设备通讯，利用 口对数据进行收发。 第二部分： 基于 据传输系统设计 。这一部分主要由王丽霞同学设计，在这一部分中主要介绍以下内容： 1. 简单介绍 据传输 发射机 的设计 1） 以 2） 发送信机控制 3） 发送信机端的程式设计框图 设计 1） 高频放大电路 2） 遥控接收机接收编码 1） 发送信机的安装调试 2） 接收机调测，动作确认 5小结 第三部分： 一部分主要由邓成富同学设计 ，在这一部分中主要介绍 : 1、 介绍 状及发展 2、 单片机概述及 3、 根据设计的要求，对 示屏系统整体结构框架进行分析，并介绍工作过程。 1、 硬件设计。主要完成 示屏的驱动任务，采用 列单片机控制，单片机主要负责与上位机 3 间的通讯接收文件信息并保存，通过行列驱动器控制完成 2、 软件设计。主要介绍 阵汉字的显示原理，并通过字模提取软件将 16 16点阵的汉字字模转换成8 32的编码，进行编辑语言输入。 4 目 录 .位单片的分类和特点 . . .送信机端的程式设计框图 .频放大电路 .控接收机接收编码 原理 .送信机的安装调试 .收机 调测，动作确认 .5 基于 无线数据传输系统 设计 王丽霞 南京信息工程大学 电子与信息工程学院 ， 南京 210044 摘要： 片机是一种用来开发的去控制外围设备的集成电路 。一种具有分散作用（多任务）功能的 基于 无线遥控器包括基于 无线数据传输发射机和接收机。在发射机和接收机电路设计中均采用 制。在发射机电路中，采用 控制发射信号的种类和对信号编码的控制。接收机中采用 对发射机发出的信号进行识别和解码。 以片为基本部件，设计并实现无线数据传输发射机。以 片为基本部件，设计并实现无线数据传输接收机。 关键词： 片机 无线数据传输 片 发射机 接收机 1、简介 片机 片机（ 一种用来开发的去控制外围设备的集成电路（ 一种具有分散作用（多任务）功能的 人类相比，大脑就是 享的部分相当于人的神经系统。 片机有计算功能和记忆内存像 由软件控制允行。然而，处理能力 存储器容量却很有限，这取决于 类型 。但是它们的最高操作频率大约都在 20右，存储器容量用做写程序的大约 1K 4K 字节 片机可以把计算部分、内存、输入和输出等都做在一个芯片内。所以她工作起来效率很高、功能也自由定义还可以灵活的适应不同的控制要求，而不必去更换不同的 样电路才有可能做的很小巧 1。 取指和执行采用双指令流水线结构 ,当一条指令被执行时 ,允许下一条指令同时被取出 ,这样就实现了单周期指令。 因为 片机可以把计算部分、内存、输入和输出等都做在一个芯片内。所以她工作起来效率很高、功能也自由定义还可 以灵活的适应不同的控制要求，而不必去更换不同的 样电路才有可能做的很小巧。 2 总线结构是哈佛结构 ,指令和数据空间是完全分开的 ,一个用于指令 ,一个用于数据 ,由于可以对程序和数据同时进行访问 ,所以提高了数据吞吐率。正因为在 列单片机中采用了哈佛双总线结构，所以与常见的微控制器不同的一点是：程序和数据总线可以采用不同的宽度。数据总线都是 8 位的，但指令总线位数分别位 12、 14、 16 位。寄存器组 :所有寄存器 ,包括 I/O 口 ,定时器和程序计数器等都采用 而且都只需要一个指令 周期就可以完成访问和操作 ;根据程序存储方式的不同，单片机可分为次可编程）、 膜）三种。我国一开始都采用 单片机（片内无 片外配 对单片机的普及起了很大作用，但这种强调接口的单片机无法广泛应用，甚至走入了 6 误区。如单片机的应用一味强调接口，外接 I/O 及存储器，便失去了单片机的特色。目前单片机大都将程序存储体置于其内，给应用带来了极大的方便。 列单片机数据存储器的特点和功能 列单片机品种虽多，但各产品内部硬件资源的数据存储器设 置仍是很有规律的 3。 列单片机各类数据存储器都是以寄存器方式工作和寻址的。专用寄存器包括了定时寄存器 择寄存器 称为项选寄存器 )、程序计数器 态寄存器 接寻址寄存器 口 I/O 寄存器 (如 )和相对应的端口 I/O 控制寄存器 (又称为端口 I/O 数据方向寄存器，如 )、保持寄存器 中断控制寄存器 述的专用寄存器都是 5/65A 和 同有的，它们不仅是寄存器名称、功能相同，而且寄存器的地址也完全相同。如果再查看其它 片机，如 2A/64/64A、2/73/73A/74/74A、 它们的专用寄存器名称凡是与以上相同者其地址也完全与上述相同 。 型号不同的 片机，其数据存储器的内部资源仅仅是功能种类和多少的不同。如 ，其引脚为 18 脚，主要功能是带有 8 位的 A/D 转换部件，有 4 个 A/D 通道模拟输入，所以 与其 A/D 转换部件有关的专用寄存器 于存放 A/D 转换的数值结果 )、 A/D 控制寄存器 于控制 A/D 转换器的操作 )和 A/D 控制寄存器 于控制选择 A/D 引脚的功能 )等。对 5A 型，其引脚是 40 脚的，其功能比 ，因而数据存储器 的专用寄存器的种类 就 增加了很多。 专用寄存器的每个寄存单元都有相对应的固定用途，它们可分成两类：一类用于供 作 (如 )；另一类用于控制外围功能芯片的操作。 接寻址寄存器 于 据存储器 的最顶端、地址 00 单元（地址码最小）的间接寻址寄存器 一个空的寄存器。它只有地址码，在物理上不是一个真正的寄存器。它的功能常常与寄存器 称寄存器选择寄存器）配合工作，实现间接寻址目的。初学专用寄存器 ，记住下述的逻辑关系对编程是有帮助的：使用寄存器 任何指令，在逻辑上都是对寄存器 指向的 行访问，即对 身）进行间接寻址（访问），读出的应是 容。以下的一个简单程序是用间接寻址方式清除 址 20h 2元寄存器内容的实例。 位单片的分类和特点 4 位单片机产品共有三个系列，即基本级、中级和高级。 基本级系列 :该级产品的特点是低价位，如 用于各种对成本要求严格的家电产品选用。又如 世界第一个 8 脚的低价位单片机，因其体积很小，完全可以应用在以前不能使用单片机的家电产品的空间。 中级系列 :该级产品是 丰富的品种系列。它是在基本级产品上进行了改进，并保持了很高的兼容性。外部结构也是多种的，从 8 引脚到 68 引脚的各种封装，如 级产品其性能很高，如内部 带有 A/D 变换器、 据存储器、比较器输出、 出、 接口。 级系列产品适用于各种高、中和低档的电子产品的设计中。 高级系列 :该系列产品如 特点是速度快，所以适用于高速数字运算的应用场合中，加之它具备一个指令周期内 (160以完成 8 8(位 )二进制乘法运算能力，所以可取代某些 品。再有 7 有丰富的 I/O 控制功能，并可外接扩展 它成为目前 8 位单片机中性能最高的机种之一。所以很适用于高、中档的电子设备中使用。 位单片机具有指令少、执行速度快等优点，其主要原因是 列单片机在结构上与其它单片机不同。该系列单片机引入了原用于小型计算机的双总线和两级指令流水结构。这种结构与一般采用杂指令集计算机 )的单片机在结构上是有不同的 5。 双总线结构 具有 构的单片机均在同一存储空间取指令和数据，片内只有一种总线。这种总线既要传送指令又要传送数据。因此，它不可能同时对程序存储器和数据存储器进行访问。因与 接相连的总线只有一种，要求数据和指令同时通过，显然“乱套”，这正如一个“瓶颈” ，瓶内的数据和指令要一起倒出来，往往就被瓶颈卡住了。所以具有这种结构的单片机，只能先取出指令，再执行指令 (在此过程中往往要取数 )，然后，待这条指令执行完毕，再取出另一条指令，继续执行下一条。这种结构通常称为冯诺依曼结构，又称普林斯顿结构。 在这里 列单片机采用了一种双总线结构，即所谓哈佛结构。这种结构有两种总线，即程序总线和数据总线。这两种总线可以采用不同的字长，如 列单片机是八位机，所以其数据总线当然是八位。但低档、中档和高档的 列机分别有 12 位、 14 位和 16 位的指令总线。这样，取指令 时则经指令总线，取数据时则经数据总线，互不冲突。 指令总线为什么不用八位，而要增加位数呢 ?这是因为指令的位数多，则每条指令包含的信息量就大，这种指令的功能就强。一条 12 位、 14 位或 16 位的指令可能会具有两条八位指令的功能。因此 列单片机的指令与 构的单片机指令相比，前者的指令总数要少得多 (即 令集 )。 两级指令流水线结构 。 由于 列单片机采用了指令空间和数据空间分开的哈佛结构，用了两种位数不同的总线。因此，取指令和取数据有可能同时交叠进行，所以在 列微控制器中取指令和执行指令 就采用指令流水线结构。当第一条指令被取出后，随即进入执行阶段，这时可能会从某寄存器取数而送至另一寄存器，或从一端口向寄存器传送数等，但数据不会流经程序总线，而只是在数据总线中流动，因此，在这段时间内，程序总线有空，可以同时取出第二条指令。当第一条指令执行完毕，就可执行第二条指令，同时取出第 3 条指令，如此等等。这样，除了第一条指令的取出，其余各条指令的执行和下一条指令的取出是同时进行的，使得在每个时钟周期可以获得最高效率 6。 在大多数微控制器中，取指令和指令执行都是顺序进行的，但在 片机指令流水 线结构中，取指令和执行指令在时间上是相互重叠的，所以 列单片机才可能实现单周期指令。只有涉及到改变程序计数器 的程序分支指令 (例如 才需要两个周期。 此外， 结构特点还体现在寄存器组上，如寄存器 I/O 口、定时器和程序寄存器等都是采用了 且都只需要一个周期就可以完成访问和操作。而其它单片机常需要两个或两个以上的周期才能改变寄存器的内容。上述各项，就是 列单片机能做到指令总数少，且大都为单周期指令的重要原因。 上述的三层次 (级 )的 位单片机还具有 很高的代码兼容性，用户很容易将代码从某型号转换到另一个型号中。 列 8 位单片机为适应各种不同的用途，有多种型号可供选用。但是，尽管 片机有不同的档次和型号，但其最基本的组成则大同小异 7。因此，在这里先从型号 单片机入手，讨论 8 其基本组成。 双列直插式 (料封装，最大时钟频率可达 4 8 位 片机。它有高性能的类似于 指令，共有 35 条单字节的指令，所有的指令除程序分支指令需要两个指令周期外，都 只需要一个指令周期。当主振频率为 10一个指令周期为 400序指令的宽度为 14 位，在芯片内有 1K14 的 序存储器 。数据的宽度为 8 位，在芯片内有 368的静态 通用寄存器， 648 的 数据存储器。 8 级深度的硬堆栈。具有直接、间接、相对寻址方式。有 4 个中断源；外部 脚； 时器溢出， 7： 4引脚上信号的改变；数据写入 成 。 数据存储器的擦写可达 1000000 次，数据的保持大于 40 年。有 13 位的 I O 引脚，可以单独直接控制 。 每一个 I O 引脚均可承受 25输入输出电流，这样就可以直接驱动 8 位的计时计数器（ 带有 8 位可编程的预分频。有通电复位（ 功耗上升（ 时器（ 振荡器起动计时器（ 看门狗计时器（ 为了能可靠工作 ，它有自己的 荡器。有代码保证功能。有 眠）方式 ，以 节省 功耗。有 4 种可供选择的振荡器： 成本的 荡器）；准的晶体谐振器）； 速晶体谐振器）； 功耗，低 频率的晶体）。工作电压的范围宽 片机最大的特点是具有 1K14 位的电可擦除的程序存储器和 648 位的电可擦除的数据存储器，这将为系统开发和各种应用提供了 更多的方便。 时钟和指令周期 。 从 的时钟输入在内部经 4 分频。产生互不叠加的时佛周期，每 4 个时钟周期（ 1， 2， 3， 4）组成一个指令周期。在内部、程序计数内对每一个 1 加 1，然后从程序存储器取指令，取出的指令在 4 时放入指令寄存内。在下一个 1 利 4 期间指令被执行。取指令和执行指令采用流水线技术，一个指令周期取指令，下一个指令周期执行已取 出的指令，同时又取出下一条指令。所以每条指令执行， 时间是一个指令周期。当某条指令要改变程序计数器的 内容时（如分支指令），则需要两个指令周期才能完成。被取出的指 令在执行指令周期的 1 时放入指令寄存器，在 2， 3， 4 时译码 并执行指令。在 2 期间读操作在 4 期间写操作数。 存贮器的结构 。 在 片机中有两个存储器块。即程序存储器和数据存储器。每一块具有它自己的总线，即可在同一时钟周期访问每一块。数据存储器被进一步分成通用 专用功能寄存器（ 专 用功能寄存器用于控制外设模式。数据存储器也包含有数据 储器。这个存储器并不直接映象到数据存储器，而是间接映象的。即由一个间接寻址的指针指明要读写的数据 64 个字节 的数据 有的地址是 0 3 然体积不大，但仍然是一个完整的计算机，它有一个中央处理器 (程序存储器 (数据寄存器 (两个输入 /输出口 (I/O 口 )。 和其它品种的单片机一样， 此单片机的 “首脑 ”，它从程序存储器中读取和执行指令。在取指和执行时， 还可同时对数据寄存器进行取数 (用哈佛结构 )。程序存储器和数据存储器各有一条总线与 连。有些 部的寄存器与其外部的 分开管理的，但 片机不是这样，它的通用数据 归为寄存器，称为 存器。在 ，有 68 个字节的通用 地址为 04 除了通用数据寄存器外，还有一些专用寄存器，其中最常用的工作寄存器为 “W 寄存器 ”。 工作数据存放在 W 寄存器中。寄存器 W 的作用与其它单片机中的 “累加器 A”相似。此外，还有几个专用寄存 9 器，它们分 别以某种方式控制 运作。 程序存储器是由 速 )成，它可用电来记录和擦除，而在断电时，仍可保留其内容。 片机有些型号的程序存储器用的是 要用紫外线来擦除；还有一些型号是一次性可编程 (产品 (一经编程便不能再擦除 )8。 两个输入 /输出口，即 A 口和 B 口。每个口的每个引脚可单独设定为输入或输出。各个口的位是从 0 开始编号的。当 A 口为输出方式时，其第 4 位 (即 开路集电极 (或开路漏极 )输出，而 口其它各位为常规的 全 动电路。这些功能必须注意，否则会在编程时出错。 每个端口都按一个字节 8 位来处理，但 A 口只有 5 位引脚。 入与 容，所以 出可驱动 辑芯片。每个输出引脚可以流出或吸入 20流，即使一次只用了一个引脚亦是如此。 有一些其它功能，如用来长期存放数据的 时器 /计数器模块等 。 本 无线 数据传输系统就是利用 实现的。 2 基于 无线数据传输发射机 基于 无线 数据传输系统 包括 基于 无线数据传输发射 机 和接收机。在 发射机 和接收机电路设计中均采用 制。在发射机电路中，采用 控制发射信号的种类和对信号编码的控制。接收机中采用 对发射机发出的信号进行识别和解码。 这里主要介绍 以 片 (图 1 为它的电路图 )为基本部件，设计并实现无线数据传输发射机 。我们采用 片编程来产生控制编码。这种方式能使我们简单改写 式就能产生各种不同的编码，利于对各种 器件的控制和简化发射器电路的设计。 48 遥控器发射机电路图 10 无线数据传输发射机使用 片 （ 如图 2） 。具体电路设计时，编码控制由 入端口选择控制。对发振器的控制由 口输出信号控制。 110111213141516171898765432线数据传输发射机使用 片 具体电路设计时，编程控制由 入端口选择控制。对发振器的控制由 口输出信号控制。 以 片为基本部件的无线数据传输发射机中使用了 (如图 3)。它是作为高频发振器和高频功率器使用。也就是在电路 设计中考虑到使用的是高频，所以在选择器件时考虑它的最大遮断频率。 2最大遮断频率为 600 到 1000 间。使用稍低最大遮断频率器件也可。 2级管 片为基本部件的无线数据传输发射机的各部原理 11 频发振电路 由于电路板的配线长度等等的影响，会影响发振频率。特别是频率越高，影响越大。设计时必须在实际电路板实调。发振具体电路如图 4 所示 选择采用 10000高精度电容 9。发 振产生 83发振频率 8310000容的等效交流组抗为 0、 2 欧也就是说在交流高频时， 交流组抗很小，可以几乎忽略不计完全就如同短路一样考虑。 图 4 发振器电路 频功率功率放大器电路 (如图 6) 由发振器 （图 5） 发出的信号在发射前还必须进行信号放大处理。如果我们直接从发振起接天线，这样由于天线的位置、大小均会影响发振器的频率。另外信号发射出的功率也可能不足，所以此间加入功率放大电路。 对于发振器输出信号至功率放大器输入间采用高频线圈耦合变压器。耦合变压器有 多种形式。本次电路设计采用一个线圈耦合方式。如图 6 所示，有数出线权输出信号至三级管的 。放大信号有集电极输出至天线 . 制码 生电路 对接收机的回路控制是由发信机的 控制 来控制的。控制码的发生均由 件实现。用 电路控制码使用 8 位的编码组合。对控制码的识别采用特定断续间隔来区分。另外控制的种类区分采用 8 位的不同编码组合。本次设计采用 2 类。如果对控制输入电路另加可控制更多种类。 12 发振器交流等效电路 图 6 功率放大器 控制码 生电路如图 7,电路采用 输出输入端口 控制发振器工作 口输出 从发振器来看 口与发振口入断开一样 。 这样发振器发振共振工作 低电平时 (0V)如图示 口接地即发振三级管基极接地使得发振停止 。 13 控制 控制电路 源开关和控制 选择电路 对发送信机电路，一般要求在未按开关时电路不工作。电路仅在按开关时工作。所以控制开关就须兼电源开关和控制 选择二用。由于本设计仅控制二类，所以设置有 2 开关。电路如图 8。 送信机控制 信号（如图 9） 一个完整的控制有个控制块（ 我们的程式管理着这个控制块，也就是管理控制着发信的状态（ 针对各 ，又设计了自状态管理管理（ 前文块。它用于接收机对信号接收进行确认和同步作用。 真正的控制 部分。 终止块。 14 4 (0)图 8 电 源开关和控制 选择电路 1 4 6 120123456781011121314151617181920212223 发送控制 信号 送信机端的程式设计框图（如图 10） 15 O 接 口 模 式 设 定（ T R I S A ）定时器设定(波停止()初始化状态管理番号()()设 定 1 0 m s e c 定 时 器(定定时器中断功能(1?2?设 定 P A T T E R N 1 数 据( 定 P A T T E R N 2 数 据(待中断0 发送信机端的程式设计框图 3 无线 数据传输 接收机 无线数据传输 接收机 （如图 11） 主要使用的器件：以 片、低噪声运算放大器 于高频放大用放大 泳三极管和继电器驱动 2开关三极管 16 以 片为基本部件，设计并实现无线数据传输接收机的各主要部件原理 。 本次电路设计采用的是固定频率，接收信机的高频放大电路即可使用简单的 级管组成的简单放大电路。但灵敏度较低。如要是极高灵敏度的接收机可采用 收机用的专用 较好。 频放大电路 （如图 12） 高频放大电路采用了 2 段放大电路。在 )极输入信号即可放大该信号 10。在 )极接有阻抗是为给 以直流偏压。如该电阻加大， 对地电压升高，即偏压升高。在放大电路放大倍数较大时，由于输出信号的再输入可能使得放大电路发振，所以为避免发振，该电阻一般选择较大使得放大器的增益较低不易起振 . 图 11 无线数据传输接收机 图 12 高频放大电路 17 频检波电路 高频检波电路放大后的接受信号采用简单的二极管检波电路，这种电路经常用于收音机的 号检波。使用二极管的单向导通功能对高频信号进行整流变成直流信号 压比较电路（如图 13） 如图 13 电压比较电路 由于从天线接收的信号到高频检波电路输出，信号的强 弱均受到电波的强弱的影响。所以在检波电路的输出信号是变化的信号。这种带有变化的电平信号是不能输入 字电路。必须引入电压比较电路。电路的目的是比较判定信号的有无。如有信号时输出稳定的数字信号 H 电平至 口。在无接收信号时输出 L 电平。 电器驱动电路（如图 14） 图 18 所示控制端口由 出控制信号。控制对象控制方法等均由 据接受信号而 定。如图18 所示二路控制均为小型继电器。控制信号由 输出高 H 电平时 关导通，继电器 S 端和 M 端 路中同时接有表示继电器工 作状态 图 14 继电器驱动电路 线数据传输 接收机接收编码 原理 整发送信控制 成。 式对此三大块控制码接收信号状态（ 行管理。具体在各大块中又由 管理各 。接收机 式对接收的信号进行 18 如不能同步则重新接受直到同步为止。 4无线传输系统的安装调试 送信机的安装调试 作确认 （如图 15） 在电路板上不搭载芯片时，发振器的控制端及三极管的基极处于 为控制状态。这是发镇器连续发振。如图所示在发振三极管的集电极与发射极间接入频率计可确认发振器工作与否。可以通过调整线圈的长度调整发振强度。 发送机5 发振器动作确认图 振器频率变动（如图 16） 8 3 。 3 0 0 120 180 240 360 420300频率变动振震器频率（ M H z ）图 16 发振器频率时间特性 源电压变动对发振频率影响（如图 17） 19 M H z ）电源电压（ V )图 17 发振频率对电源电压变化特性 发送信机端使用干电池 驱动。电池的能量消耗会使得电池的输出电压有所下降。它的变化对发振频率有影响。 线频率测试动作确认 采用无线频率计测试天线发射出的频率进度较高。 线数据传输 接收机调测，动作确认 接收机频率调整（如图 18）在高频电路的设计和调测时一般不能单靠理论计算值，因为各种原因会使计算值和实际值相差甚远，就必须仔细调测。在本电路设计中调测的器件是耦合变压器的磁芯，可以旋转上下调整，这会改变线圈的阻抗，也即改变共振电路的共振频率。针对整个电路采用了 3 个耦合变压器 2 和 必须对它们进行调 整。 图 18 接收机频率调整 20 收机灵敏度调整 本次电路设计灵敏度不是很好，因为均采用简单的调试解调方法，简单的放大器等。这需要进一步完善。 本文主要介绍 了多功能信息显示牌的无线数据传输系统的设计。本设计