通信原理课程设计报告

通信原理课程设计报告内容一、 课程设计目的掌握通信系统的设计方法。熟悉常用电路图绘制和PCB板设计工具。熟悉MSP430和常用单片机的原理和系统设计方法。熟悉无线数据传输系统的组成及各部分的工作原理。设计内容、技术条件和要求二、 课程设计内容和基本要求：设计完成由MSP430单片机+无线芯片+传感器组成的无线传感器模块，给出应用系统的工作过程。三、 无线温湿度传感器的总体硬件方案设计无线温湿度传感器基于MPS430F2274单片机，由MSP430F2274单片机及外围电路组成的数据处理模块、基于无线芯片nRF2401的无线数据通信模块和基于SHT11数字温湿度传感器的数据采集模块三大部分组成。各模块功能分析如下：数据处理模块：负责控制整个无线温湿度传感器的数据处理操作、功耗管理以及任务管理等；在系统中，我采用了具有强大功能的超低功耗16位单片机MSP430F2274，它的丰富的片内外设可使整个电路变得异常简化，减少了整个系统的功耗和体积。在单片机的基础上设计了无线数据传输模块等电路。数据采集模块：负责采集温湿度环境中的信息并完成数据转换，采集的信息包含温度、湿度、光强度、加速度和大气压力等；采用高精度的数字温湿度传感器SHT11对环境温湿度进行检测，实现对环境温湿度的测控。无线数据传输模块：负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；本模块选择了稳定性好、抗干扰能力强的nRF2401芯片。总体设计框图如图1（）（手画）所示：四、 无线温湿度传感器的硬件电路设计（一）、基于无线芯片nRF2401的无线数据通信模块的设计nRF2401芯片工作于2.4GHz全球开放ISM频段,125个频道，满足多点通信和跳频通信需要,工作速率0〜1Mb/s，最大发射功率0dBm，外围元件极少，内置硬件CRC（循环冗余校验）和点对多点通信地址控制，集成了频率合成器，晶体振荡器和调制解调器由于nRF2401的供电电压范围为1.9〜3.6V,为了使芯片正常工作，需要进行电平转换和分压处理。单电源供电时，采用MAXIM公司的MAX884芯片进行5V23.3V电平转换。电平转换电路如图2所示：单片机通过PWM_UP,CE,CS三端设置nRF2401的工作模式,nRF2401有四种工作模式如表1所示： 表1 nRF2401的四种工作模式模式PWRCECS工作模式（发送/接收）110配置模式101待机模式100掉电模式0xx配置模式时单片机通过CLK1和DATA端向nRF2401发送配置字，发送数据时通过CLK1和DATA端向nRF2401发送地址和数据，接收数据时通过CLK1和DATA端从nRF2401读取数据,DR1是nRF2401通知单片机已经接收到数据并且可以读取的状态信号。CLK2、DOUT和DR2端为通道二保留使用,nRF2401可以同时接收两路信号。nRF2401无线数传输模块原理图如图3所示：（二）、基于SHT11数字温湿度传感器的数据采集模块的设计SHT11传感器包括一个电容性聚合体湿度敏感元件、一个用能隙材料制成的温度敏感元件,并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，以镜面冷凝式湿度计为参照。校准系数以程序形式存储在OTP内存中,在校正的过程中使用。两线制的串行接口，使外围系统集成变得快速而简单。微小的体积、极低的功耗,使其成为各类应用的首选。其原理框图如图4（手画）所示：SHT11与微控制器的连接，即为SHT11的串行接口电路与微控制器的连接SHT11与微控制器的接口连接图如图5(手画)：串行时钟输入(K):SCK用于微控制器与SHT11之间的通信同步。430MCU(主机)GNDVdd(2.4-5.5V)DATASCKSHT1X(从机)Vdd由于接口包含了全静态逻辑，因而不存在最小的SCK频率限制。即微控制器可以以任意慢的速度与SHT11通信。串行数据(TA):DATA三态引脚是内部的数据的输出和外部数据的输入引脚。DATA在SCK时钟的下降沿之后改变状态,并在SCK时钟的上升沿有效。即微控制器可以在SCK的高电平段读取有效数据。在微控制器向SHT11传输数据的过程中，必须保证数据线在时钟线的高电平段内稳定。为了避免信号冲突，微控制器仅将数据线拉低，在需要输出高电平的时候，微控制器将引脚置为高阻态，由外部的上拉电阻(例如：10k将信号拉至高电平。SHT1X系列是单片集成的温湿度传感器，所有的信号调理都在芯片内部完成，简化外部电路设计，同时增强系统工作的可靠性，并且这种传感器将温度和湿度检测融合在一起，降低总体成本。当需要同时检测温度和湿度值时，采用SHT1X系列传感器是一种不错的选择。SHT1X系列中不同的子型号对应不同的测量精度，适应不同的系统设计要求。对于一些高速的应用，还可以使用软件降低测量精度，以提高检测速度。基于SHT11数字温湿度传感器的数据采集模块的原理图如图6所示。、MSP430F2274单片机及外围电路组成的数据处理模块的设计MSP430F2274简介微处理器采用TI公司的MSP430F2274单片机。MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，能够在低电压下以超低功耗状态工作；其控制器具有强大的处理能力和丰富的片内外设；带FLASH存储器的单片机还可以方便高效地进行在线仿真和编程。MSP430系列单片机最显著的特点就是它的超低功耗，在1.8〜3.6V电压、1MHz的时钟条件下运行，耗电电流在0.1〜400mA之间，RAM在节电模式耗电为0.1uA，待机模式下仅为0.7uA。MSP430F2274的结构框图如图7(手画)所示：(①)特点低工作电压：1.8〜3.6V超低功耗：活动模式250pA@1MHz,2.2V;待机模式0.7pA;掉电模式(RAM数据保持)0.川A。5种节电模式。从待机到唤醒的响应时间不超过川s。十六位精简指令结构，62.5n秒的指令执行周期。基本时钟模块配置：片内高频时钟源，频率高达16MHZ并存有四个已经校正的频率参数存在在FLASH的信息段A中，其误差在±1%以内。内部还有低功耗低频振荡器VLO32KHZ晶振模块外部数字时钟源带有三个捕获/比较器的16位定时器Timer_A，Timer_B通用串行通讯接口：增强型的异步通讯，支持波特率自动检测。红外编/解码器同步通讯SPII2CLIN10位，200-kspsA/D转换器带有内部参考源、采样保持、自动扫描特性和数据传送控制器2个可编程的运放OA0,OA1掉电检测(BrownoutDetector)FLASH存储器高达32KB，RAM高达1KB。调试接口串行在系统编程，无需外加编程电压，可选择烧断熔丝来保护代码内置自启动引导程序(BootstrapLoader)在线仿真模块Spy-Bi-Wire4-WireJTAG(®)单片机MSP430F2274的外围电路设计单片机MSP430F2274外围电路的主要功能为：1、应用单片机I/O口与SHT11相连控制其对温湿度数据采集及数据传输。2、与无线数据传输模块相连，达到数据的远程传输及探测4、完成与JTAG、单片机复位、晶振电路等扩展模块的连接。单片机MSP430F2274系统电路设计如图8所示。五、 通信软件流程工程文件的建立启动IAR编译软件进入IAREmbeddedWorkbench界面，点击“embededworkbenchstartup”对话框中的“Createnewprojectincurrentworkspace”或点击Project>CreateNewProject。此时回弹出对话框，在此对话框中选择您所要建立的工程类型，一般我们选asm或C，选择好后按“OK”，到您所需的路径并输入工程文件名(*.PRJ)，点击“保存”，一个工程就这样建立完毕了。如果在已经有源文件的情况下，也可以建了一个空的工程，就选“Emptyproject”，同样点“保存”就建立了一个空的工程。源程序(*・S43/*,C)的加载在workspace中右键点击当前项目，选Add->AddFile，从源程序所在路径选择源程序(*.S43/*.C)，点击"打开"加载。项目参数设置进入葫日EmbeddedWorkbench界面的主菜单Projiec->Option,在“Category”选择“GeneralOptions”，在右边的对话框中选择“Target”页，在此页的“Device”栏中选择主芯片型号。再到左边的“Category”中选择“Debugger”，右边显示如图2.5。在“driver”栏中有两个选项是“simulator”和“FETDebugger”，前者是软件仿真，后者是硬件仿真。硬件调试时选择“FETDebugger”。再选择左边的“FETDebugger”来选择调试工具类型，如图2.6所示。在“Connection”栏中选择“Lpt”。这样整个工程设置完成了，可以进入下一步调试了。源程序下载在IAREmbeddedWorkbench界面，点击Debugger下载程序，如下载正常会出现图2.7所示界面，然后即可以进行仿真。如出现错误，必须回到IAREmbeddedWorkbench界面修改，修改完毕后重新进行编译、下载。仿真调试在仿真界面,可以