工学短距离无线通信系统的设计与开发

1、工学短距离无线通信系统的设计与开发工学短距离无线通信系统的设计与开发本科毕业设计（论文）题目短距离无线通信系统的设计 与开发学 生姓名 学号院（系） 专业通信工程 指导教师 时 间 2010年6月5日本科毕业设计（论文）任务书 题目：短距离无线通信系统的设计与开发院（系）：专业班级：通信0602学生姓名：学号：指导教师（签名）：主管院长（主任）（签名）：时间：2010年3月18日一、毕业设计（论文）的主要内容（含 主要技术参数）随着网络及通信技术的飞速发展，人们对无线通信的需求越来越大，也由现了许多的无线通信协议。如蓝牙、802.11等。本课题主要内容如下：（1）对常用的和最新的无线技术标准进

2、行阐述；（2）选定设计方案，绘制系统结构框图；（3）进行发射与接受模块的软硬件设计；（4）根据设计内容撰写论文。二、毕业设计（论文）应完成的具体工作（含图纸数量）（1）阐明设计课题的目的、意义，短距离无线通信技术的国内外发展现状；（2）选择设计方案，验证可行性并绘制系统结构框图；（3）设计发射及接收模块的硬件原理图；（4）编写程序实现收发模块的通信；（5）调试产品，验证系统的通信效果并提由改进措施。（6）提交完整的电子文档设计报告。三、毕业设计（论文）进程的安排（起讫日期：2010年3月22日至2010年6月18日） 序号设计（论 文）各阶段任务 日期备注1资料收集、学习基本知识、 提交相关文

3、档第4周2选择设计方案，绘制系统结构框图 第5-6周3设计发射及接收模块的硬件原理图第7-9周4编写程序实现收发模块的通信 第10-12周5软件调试 第 13周6资料整理并撰写论文 第14-16周 四、主要参考资 料及文献阅读任务（含外文阅读翻译任务） 1.http: ml2.http: 31.html 3. 短距离无线通信系统的设计与开发设计总说明随着网络及通信技术的飞速发展，人们对无线通信的需求越来越大， 也由现了许多的无线通信协议，无线通信由此进入了一个新的发展阶段，成为现在IT产业最活跃、最富有生机的领域。本课题的核心部分就是基于无线单片机CC1110的软硬件设计该课题属于应用性研究，

4、在系统设计与实现过程中遵循以 下主要原则：以CC1110芯片为核心的研究过程。本文主要研究短距离无线数据通信技术，并给由其软硬件 设计原理及实现过程。该系统设计要求成本低，数据传输速度快，传输距离远， 可靠性高，体积小，功能易扩展等。特别是对于无线射频芯片CC1110的了解与开发进行了深入的分析，使其在短距离无线通信系统设计过程中发挥了核 心作用。关键字：短距离，无线通信，CC1110,单片机 Short-range WirelessCommunication System Design and Development Design Description Along with the net

5、work and communication technology, the rapid development of wireless become bigger and bigger, also appeared a lot of wireless communication protocol, wireless communication came into a new stage of developing, which has became a most motive and live filed in IT industry. This subject is based on th

6、e core part of the software and hardware design of wireless CC1110 chip. This topic is an applied research in system design and realization process with the following principles: CC1110 chip for core research process.This paper mainly studies short-range wireless data communication technology, and i

7、ts hardware and software design principle and realization process. This system design requirement of low cost, data transmission speed, the transmission distance, high reliability, small volume, the function is extended, etc. Especially for the CC1110 understanding and development of in-depth analys

8、is, so that in the short-distance wireless communication system played a central role. Key words: short, wireless communication, CC1110, SCM目录1绪论1 1.1短距离无线通信的现状与前景11.2研究的目的及意义 1 1.3本文的工作1 2短距离无线通 信原理与设计3 2.1短距离无线通信的原理3 2.1.1无线数据传输模块3 2.1.2无线语音传输模块 4 2.2系统中主要芯 片的电路设计5 2.2.1 CC1110芯片在该系统中的电路设计52.2.2 C

9、MX639芯片在该系统中的电路设计 6 2.2.3 LM4808芯 片在该系统中的电路设计7 2.3主要程序流程及解析 7 2.4射频芯片 CC111013 2.4.1 CCC1110 简介 13 2.4.2 CC1110 特点 13 2.4.3 CC1110芯片架构14 2.4.4 CC1110芯片内部结构图 16 2.5 CC1110 基本功能实现 18 2.5.1 I/O 口 的功能 18 2.5.2 定时器的功能18 2.5.3中断的功能18 2.5.4 A/D的功能18 2.5.5串口的功能19 2.5.6电源及时钟的功能19 2.6循环冗 余校验码（CRC）码在无线数据通信中的应用

10、 20 2.6.1码多 项式20 2.6.2 CRC校验码编码过程 21 2.6.3 CRC码的译码过程21 2.6.4 CRC的特点21 3系统的特点、创新及功能介绍22 3.1系统的主要特点 22 3.1.1功能完善22 3.1.2实用性强22 3.1.3技术先进 22 3.1.4兼容性好22 3.1.5操作简便223.2系统的创新点22 3.2.1应用SOC,实现了系统的小型化 和便捷性22 3.2.2引入软件设计的新技术23 3.2.3数据通信和语音通信相结合 23 3.2.4创新通信协议，确保通信的顺畅23 3.3系统的主要功能23 3.3.1语音通信23 3.3.2数据传输23 3

11、.4解决的主要难点24 3.4.1解决了体统体积大、耗电高 的问题24 3.4.2解决了只能通数据的问题24 3.4.3解决了系统开放性问题24 4影响无线通信可靠性和距离的因素及改善方法25 4.1影响无线通信距离的因素25 4.1.1地理环境25 4.1.2电磁环境25 4.1.3气候条件25 4.1.4发射机的射频 输由功率25 4.1.5接收机的接收灵敏度25 4.1.6系统抗干扰能力26 4.1.7软件纠错26 4.1.8天线类型及其增益 26 4.1.9 天线的有效高度27 4.2提高通信距离的措施27 4.2.1尽可能提高天线的有效高度27 4.2.2采用高增益天线27 4.2.

12、3尽量缩短射频电缆的长度27 4.2.4尽量远离各种干扰源284.2.5优先采用抗干扰能力强的无线通信产品28 4.2.6防雷、防水、防潮28 5总结及展望29致谢30参考文献31附件 一中断优先级设定 32 VI 1绪论1.1短距离无线通信的现状与前景 伴随着计算机网络及通信技术的飞速发展，人们 对无线通信的要求越来越高。人们注意到在同一幢楼内或在相距咫尺的地方，同样也需 要无线通信。因此，短距离无线通信技术应运而生。短距离无线通信技术可以满足人们对低价位、低功耗、可 替代电缆的无线数据网络和语音链路的需求。目前，便携式设备间的网络连接使用的短距离无线通信技术主要有蓝牙(Bluetooth

13、)技术、无线局域网 802.11( Wi-Fi )、 红外数据传输(IrDA)、ZigBee超宽带(UWB)、短距离通信(NFC)、无线1394和专用无线通信系统等。无线通信技术以其快捷方便，可以移动等特性，受到人们 的高度关注，得以快速发展。1人们对于无线通信技术的要求也越来越高，积极跟踪分析各种无线通信技术具有紧迫的现实意义，本课题就是在这样的背景下提由来的。短距离语音通信系统彻底摆脱了电线的束缚，在指挥调 度、安全保卫、多媒体教学、休闲娱乐等诸多领域有着广阔 的市场前景。此系统的特点是其综合了语音处理和无线通信等技术，体 积小，功耗低，有着较高的语音质量和较低的成本以及较远 的传输距离。

14、1.2 研究的目的及意义无线数据通信是通过无线电波传 送数据信息的一种通信方式。它是在有线数据通信的基础上发展起来的，能实现移动状 态相爱的数据通信。数据通信是计算机与通信相结合而产生的一种通信方式， 主要是用来实现人与计算机以及计算机与计算机之间的通信。原来的数据通信是固定式计算机通过电信传输线路实现的。近年来，随着移动电话通信的迅速发展，个人计算机的迅 速增多，固定计算机之间的数据通信已经不能满足需要。人们希望能随时随地进行数据信息的传送和交换。于是数据通信传输媒体开始从有线扩展到无线，由现了无 线数据通信。1.3 本文的工作 本课题的核心部分就是基于单片机CC1110的软硬件设计。CC1

15、110是强大的单芯片系统，设计用于低功耗及低电压无线通信应用。这款单芯片系统作为低成本器件，包含了CC1100RF收发机和一个基于8051核心，并具有集成32KB闪存以及外设的 高性能低功耗微控制器。同时还包括了 4KB SRAM ,数据保密安全协处理器， 最多8路输生的8-14位ADC ,以及许多其他强大的功能。因其所提供的一系列不同功耗的模式可用于降低电流损 耗，使得CC1110极度适用于要求超低功耗的系统。CC1110 适用于 315MHz、433MHz、868MHz、915MHz 等 几种不同的频带。芯片系统集成了高度可配置化的基带调制解调器。此调制解调器支持多种调制格式，可配置数据率

16、最高可达 500kbpso2本课题综合运用语音采集技术、编码技术、片上系统 和为功率通信等新技术，开发了短距离通信系统。实现了小型化、综合化和便捷的无线通信。2短距离无线通信原理与设计2.1短距离无线通信的原理2.1.1无线数据传输模块 在本设计中，是利用CC1110高 频模块的RF收发功能完成的。该设计采用三块 CC1110高频模块，每一块都可以采用广 播式的原理完成接受和发送数据的功能。实现框图如2-1所示：图2-1实现框图 在无线数据通信状态下，上电后先按住对讲机开关然后按复位键，然后松开复位键然后再松开对讲按 键，此时指示红和黄同时发亮， 此时进入无线数据通信状态。无线数据通信的收发需

17、要串口调试助手配合完成无线数 据的发送和显示。串口调试助手的设置如下， 波特率为57600bps,无校验位, 其他选项为默认值即可。发送的数据格式只能为西文字符，不支持中文的发送和接 受。输入的数据长度为10个字符的长度，在不足 10个时需用 空格补足10个字符。应该注意的是本系统只支持单用户广播式的数据发送。数据通信过程中基本的硬件实现如图2-2所示：图2-2 CC1110广播式通信系统框图在无线数据通信过程中串口通信发挥了巨大的作用，可以说是在串口通信的基础 上实现的数据通信，而 CC1110只是发挥了无线信号传输的 作用。2串口相关电路图如 2-3所示：图2-3串口相关电路 2.1.2无

18、线语音传输模块系统硬件结构框图如图2-4所示：图2-4系统硬件结构框图硬件设计上主要包括片上系统（SOC）、信号采集电路、控制电路、接口电路和滤波电路，片上系统（SOC）完成整个系统的控制处理和数据信号的处 理及发送接收，在话音通信发话时，话筒将声音转换为模拟 信号，经LM4808音频放大电路的放大后，由编解码单元进 行连续可变斜率增量调制（CVSD）,而后数据信号交由片上 系统（SOC） CC1110进行处理、发送。发送语音: 从话筒来的语音信号幅度通常不大，为了减小量化噪声对信号质量的影响，加入了前置双声道音频放大器（LM4808 ）,将语音信号幅度提高到适合 CMX639编码的水平，然后

19、由 CMX639对语音信号进行编码 （CVSD ）,将数据流直接传递 给射频芯片CC1110,经过滤波电路之后由天线传播由去。接收语音：由天线接收信号，经滤波之后由射频芯片CC1110传递给语音芯片CMX639 , CM639对语音信号进行解码， 解码后的语 音信号经双声道音频放大器（LM4808 ）放大后即可由喇叭播放。说明：CMX639对语音信号的每次取样，只用 1个比特表示，输由 的是串行比特流，可以直接送入射频芯片 CC1110进行传输， 在接收端，则直接将串行比特流送入 CMX639进行解码。整个过程不需要软件进行处理，微处理器只负责对 CMX639和CC1110进行初始化设置和监控

20、，因此大大降低 了微处理的负担。此外CMX639是为应用于双路无线电通信系统的连续变 量斜坡增量编码器而设计的LSI （LSI:large scale integration大规模集成电路）电路。芯片上合并了编码输入以及解码输由滤波器。接收话音时，单芯片系统（SoC）通过接收、放大、解调, 将高频信号转换成低频数字信号，由解码单元进行数模转 换，经音频放大后输由到耳机上。2.2系统中主要芯片的电路设计2.2.1 CC1110芯片在该系统中的电路设计 CC1110芯片只要极少的外围元件就能够 搭建稳定可靠且功耗弟的Soc,大大简化了 RF电路的设计过程。基于CC1110的高性能无线收发器工作于

21、433MHz频率稳 定性好，灵敏度高，无线数据传输最大速度可达500kbit/s o图2-5是CC1110的参考设计，主要由 CC1110芯片，射 频匹配电路和其他外围元件组成。模块的核心器件是 CC1110芯片，由X1 （26M晶振），C211 , C201组成的晶振电路，是 CC1110的高速时钟源，在低功耗 应用中使用。电容和电感组成的电路完成了将信号转换成单端RF信号，与50欧姆阻抗的天线相匹配。偏阻器R271用来设置一个精确的偏置电流。9图2-5 CC1110设计图 2.2.2 CMX639芯片在该系统中 的电路设计 CMX369硬件电路的连接如图 2-6所示：图2-6 CMX369

22、硬件电路 CMX369是美国国家半导体公司 推由的斜率连续可变增量（CVSD）全双工音频调制芯片。CMX369完全集成了语音编码和解码功能，实现了单芯片语音处理的能力，外围设备简单，而且用户可以通过其管脚 方便的对其编解码算法进行设置，并且具有强大的可选择编 码算法，低功耗、低价位、小体积和开发难度低等多种优点， 因此特别适合在对成本非常敏感的消费类语音系统中应用。2.2.3 LM4808芯片在该系统中的电路设计LM4808双声道音频放大器如图2-7所示：图2-7 LM4808双声道音频放大器如上图所示为 LM4808 用于耳机放大器的电路。LM4808是一个双语音信号放大的语音放大芯片，左右

23、声 道音频信号分别输入 LM4808的2、6脚，经过内部放大器 放大后分别由1、7脚输由，经耦合电容 C2加到扬声器。本设计中使用的运放芯片为双运算放大器，但考虑到输生 的语音信号也要进行放大处理故决定把LM4808的双运放分别作为输入和输生的语音放大。由于该运放芯片使用的是差动方式的输入，故能很好的提 高共模抑制比，提高电路的抗干扰能力。2.3主要程序流程及解析 在数据通信模式下，首先进行 系统初始化，开始为空闲状态，然后通过定时器中断使系统 进入数据接收模式，即现在CC1110模块始终处于接收模式， 只要有信号进入该模块就会自动接收。当有信号接收时，CC110将接收到的数据进行处理后传给

24、串口，然后通过计算机显示由来。然后一直这样循环下去。在该过程中通过串口的中断进入发送模式，此时系统处于 发射状态下，并且系统发送完数据后会自动进入接收模式， 不会像数据接收模式那样循环下去。如果想要进行下一次的数据发送，必须要借助于串口中断 使系统再次进入发射状态。12无线数据通信系统的结构框图如2-8所示：图2-8无线通信系统的结构框图在数据通信中，需要 RF配置函数、RF接收函数、串口配置函数和硬件配置函数等。RF配置函数：配置CC1110的高频部分，该配置规定了无线收发器的收发 功率、发送功率、无线传输功率、无线收发模式、调制方式 以及数据长度等。下面是对CC1110配置的部分代码：/C

25、C1110高频配置函数 Bool halrfConfig(UINT32 frequency) Bool status:打 开 主 晶 振SET_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRYSTAL); If(frequency =FREqUENCY_4_CC1110) 判断频率 PA_TABLE0 =0x50; /功率设置为 0dbm FREQ2 = 0x10; / 设置频段 433MHz FREQ1 = 0xAC; FREQ0 = 0x4E;丹串口配置函数：串口是连接单片机和计算机之间的桥梁，在该项目开发和实 现中，经常会用到串口监视单片机的通信过程，以高效率的 完成开发任务。在串口配置中，主

26、要涉及串口的初始化、串口发送和串口 接收三大部分，串口的初始化函数主要是对串口的端口和串 口的波特率等参数进行配置，程序如下:“串口配置函数X X X X X void int_UART0 ( void ) PERCFG=0x00; / 位置 1 P0 口 P0SEL=0x3c; /P0 用作串口 U0CSR=0x80; /UART 方式 U0GCR=11;/baud_e=11U0BAUD=34 ; 波特率设为 57600 UTX0IF=1 ; URX0IF=1; U0CSR=0X40; 允许接收 IEN0=0x84; 开总中断，接收中 断“ 数据的通信（接收/发送）： 该程序的编写将接收和发

27、送部分结合在一起，通过判断按键 状态来选择接收或者发送模式。“ #define audio_sent 0x01 发状态#define audio_receive 0x00 / 收状态 #define audio_no 0x55 /非收发状态#define ON 0x01 #define OFF 0x00 #defineRF_sent_key_on (key1=0) uchar key_state=0; 按键决定收发状态 uchar RF_switch=0 ; /RF 是否转化 uchar key_sent_count=0; 用于按键检测 unchar key_sent_count=0; 用 于

28、按 键检测 uchar sent_locked=0; 按键锁定 uchar receive_locked=0; 按键锁定” 函数功能：初始化数据发送“void data_int(void)PKTLEN=uart_data-len;PKTCTRL1=0x80;PKTCTRL0=0x00; MCSM1=0x0e; RFTXRXIF=0x00; RFIF CLKCON ” 函数功能：数据接收模式 ” voiddata_receive_mode(void) uchar data_count=0; Led1=0; Led2=0; data_init() init_UART0(); SRX(); 接收模式

29、 RFIF while (MARCSTATE!=0x0D); RFTXRXIF=0; while (1) 调 试/* while(1) U0DBUF= ' d' while(UTX0IF=0); UTX0IF=0; halWait(1); */ while(data_count(uart_data_len) if(RFTXRXIF=1)RFTXRXIF=0;data_receive_bufdata_count=RFD; data_count+; RFIF for(data_count=0;data_count(uart_data_len;data_count+) U0DBUF=

30、data_receive_bufdata_count; while(UTX0IF=0); UTX0IF=0; data_count=0; led1=led1; 派 派函数功能：由串口中断进入数据发送模式”#pragma vector=URX0_VECTOR _interrupt void UART0_ISR(void) URX0IF=0; 清中 断标志 data_sent_bufuart_data_count+=U0DBUF;if(uart_data_count=uart_data_len) SIDLE(); / 强制进入 IDLEwhile(MARCSTATE!=0x01);INT_SETF

31、LAG(INUM_RFTXRX,INT_CLR); STX(); / 发送模 式 RFIF while(RFTXRXIF=0); RFTXRXIF=0; for(uart_data_count=0;uart_data_count(uart_data_len;uart_data _count+)RFD=data_sent_bufuart_data_count;while(RFTXRXIF=0); RFTXRXIF=0; RFIF uart_data_count=0; SRX(); 接收模式 RFIF while(MARCSTATE!=0x0D); RFTXRXIF=0; led2=!led2;

32、/ 2.4射频芯片CC1110 2.4.1 CCC1110简介CC1110芯片是美国TI公司的一款1GHz以下频带的低功 耗RF (射频)Soc (片上系统)，该芯片采用 Chipcon公司Smart04技术，以0.18umCMOS工业制成，设计用于低功耗及低电压无线通信应用。通 过315/433/868/915MHZ 无线电收 发机，单周期 8051MCU以及32kB闪存的整合，此全集成器件使得开发者 设计的完成变得前所未有简单，同时还提供多种多样的应用 可能性。CC1110所提供的一系列不同功耗模式可用于降低电流损耗，使得CC1110适用于要求超低功耗的系统。CC1110从低功耗模式启动到

33、工作模式的时间非常短。此单芯片系统同时还支持节电模式下的外部中断触发（可 支持所有引脚）唤醒及实时计数器事件触发唤醒。CC1110工作是的电流损耗为 16mA;速率为1.2kBaud, CC1110在接收和发射模式下，电流损耗分别低于16.2mA或 16mA;速率为 2.4kBaud。CC1110的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性， 特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。CC1110由强大且灵活的集成开发环境（IDE）及完善的 开发套件所支持。其开发套件包括了 CC1110硬件、软件及工具，使得开发 者可以轻松的开始使用此单芯片系统，创建强劲”的RF连接并快速的投入运转。CC1110芯

34、片工作电压为 2.0V3.6V ,在数据采集发送期间的电流消耗为0.5uA ,电流消耗非常低。CC1110芯片是以市场上长期广泛应用的8051内核为核心，很多流行的 8051开发软件和工具，都可以用于该芯片 的软件开发。本设计中使用的集成开发环境为IAR o2.4.2 CC1110特点1）高性能及低功耗 RF收发机核心业界领先CC1110O2）高性能、低功耗 8051微控制器核心，MHz性能可达 标准8051性能的8倍。3）优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。4）在休眠模式时，电流仅 0.5 A的流耗，外部的中断或 RTC能唤醒系统；在待机模式时，电流少于0.3 g的，外部 的中断能唤醒系统

35、。5）可编程数据率高达 500kbps o6）硬件支持CSMA/CA功能。7）较宽的电压范围（2.03.6V）。8）数字化的 RSSI/LQI支持和强大的 DMA功能。9）具有电池监测和温度感测功能。10） 8-14位ADC ,最高支持 8路输入。11）带有2个强大的支持几组协议 USART, 一个支持TI 自定义协议栈的 MAC计时器，1个常规的16位计时器和2 个8位计时器。12）系统时钟源可选16MHz片上RC振荡器或26MHz晶 体振荡器。当无线电工作模式下采用26MHz晶体振荡器。13）实时时钟采用低功耗32.768kHz晶体振荡器或内置低功耗34kHz RC振荡器。14）睡眠模式至

36、工作模式的超快速转换，实现了低责任周期系统内超低的平均功率。15）处于深睡眠模式的系统可通过外部中断或实时计数器事件唤醒 16）支持2-FSK、GFSK及MSK调制方式。17）低电流损耗。18）集成了 AES安全协助处理器。19）可编程看门狗定时器。20） 21个通用I/O引脚，其中两个具有20mA吸收/馈送能 力。21）双数据指示器。22）可通过简单的双线串行接口，将电路内置交互式调试用于支持业界标准的IARC-SPY集成开发环境。23）极少外置元件：频率合成器完全内置，无须外部滤波器或RF开关。24）强大、灵活的开发工具以及可用的参考设计。2.4.3 CC1110 芯片架构 CC1110

37、芯片采用 6mm*6mmQLP封装，共有36个引脚，如图2-9所示:图2-9 CC1110芯片 全部引脚可分为I/O引脚、电源线引脚 和控制线引脚3类。各类引脚的功能如下：CC1110具有21个可编程的I/O引脚，P0、P1 是完全的8 位口，P2 口只有5个可使用的位。通过软件设定一组 SRF寄存器的位和字节，可使这些引脚 用于通常的I/O 或者用作连接 ADC、计时器或USART部 件的外围I/O 口。I/O 口的关键特性如下：1）可设置为通用的I/O 口，也可设置为外围I/O 口使用。2）在输入时有上拉和下拉功能。3）全部21个数字I/O引脚都具有响应外部中断的能力。如果需要外部设备，可对 I/O引脚产生中断，同时外部的 中断时间也能被用来唤醒休眠模式。电源引脚：1） 2 脚（DVDD ）:为I/O提供2.03.6V工作电压； 2） 19脚（AVDD ）:为模拟电路连接 2.03.6V工作电压； 3） 22脚（AVDD ）:为模拟电路连接 2.03.6V工作电压； 4） 25脚（AVDD ）:为模拟电路连接 2.03.6V工作电压； 5） 26脚（AVDD ）