基于單片機(jī)和射頻芯片實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在當(dāng)前的無線數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域內(nèi)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的微型化、低功率是發(fā)展的趨勢(shì)與要求。在保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性、可靠性的前提下如何實(shí)現(xiàn)低功率條件下的長(zhǎng)距離無線數(shù)據(jù)傳輸是目前系統(tǒng)研究的主要問題。文章在分析了影響無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的相關(guān)因素，如頻率選擇、抗多徑干擾、天線選擇、協(xié)議設(shè)計(jì)等，分析了在低功率、微型化無線數(shù)傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)這些影響因素的具體解決思路。以單片機(jī)AT89C5l和射頻芯片nRF401為系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心，提出了一種低功率、長(zhǎng)距離、系統(tǒng)功耗低的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，并給出了系統(tǒng)擴(kuò)展應(yīng)用的基本方向與思路。

1 影響因素分析

在無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，頻段選擇、多徑干擾、天線選擇、協(xié)議設(shè)計(jì)等下列因素對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)與性能有著至關(guān)重要的影響。

1．1 頻段選擇

對(duì)一般的民用無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)而言，確定工作頻率的時(shí)應(yīng)該從兩方面考慮：一是所選擇的頻段應(yīng)在免申請(qǐng)的自由頻段內(nèi)頻率的：另一方面，頻率的高低與信號(hào)的傳輸損耗有關(guān)，結(jié)合當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，2．4GHz免申請(qǐng)微波頻段成為首選頻段，nRF401芯片就工作在此頻段。

1．2 多徑干擾

目前2．4GHz頻段的通信設(shè)備越來越多，藍(lán)牙、HomeRF、DECT和無線局域網(wǎng)（WLAN）等這類無線通信形式一般都采用2．4～2．5GHz ISM頻段，這些具有相同或相近工作頻段的系統(tǒng)在某一特定的區(qū)域內(nèi)，就會(huì)造成無線數(shù)據(jù)傳輸過程中的多徑干擾，成為影響系統(tǒng)可靠性的主要因素。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)為了有效的降低多徑干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響，可采用數(shù)字調(diào)制技術(shù)與擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的低成本及微型化要求，可選擇FSK+DSSS來避免帶內(nèi)多徑干擾。FSK調(diào)制具有設(shè)備簡(jiǎn)單、調(diào)制和解調(diào)方便等優(yōu)點(diǎn)，并且具有較好的抗多徑時(shí)延性能；DSSS系統(tǒng)采用偽隨機(jī)碼的相關(guān)解擴(kuò)，只要多徑時(shí)延大于一個(gè)偽隨機(jī)碼的碼片，多徑就構(gòu)不成干擾，反而可以利用這一干擾能量來提高系統(tǒng)性能。

1．3 天線選擇

目前常用的微波天線有，外置式：1／4波長(zhǎng)鞭狀、1／4波長(zhǎng)伸縮式天線（振子螺旋天線組合）、螺旋天線：內(nèi)置式：微帶縫隙、微帶貼片、介質(zhì)、背腔式、鐵氧體式。其中內(nèi)置式天線在使用的頻段范圍內(nèi)，可以使天線的有效增益盡可能增大，進(jìn)而提高無線傳輸距離；在保持有效增益的前提下，還要允許縮小尺寸和減輕重量。便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的微型化設(shè)計(jì)。

1．4 協(xié)議設(shè)計(jì)

對(duì)于無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)而言，通信協(xié)議設(shè)計(jì)的是否得當(dāng)，將會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能產(chǎn)生重要的影響。以nRF401為例，其協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)要保證系統(tǒng)在無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)處于休眠狀態(tài)，降低系統(tǒng)功耗；同時(shí)還要考慮無線部分硬件不具備自動(dòng)喚醒功能的，在有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)能夠及時(shí)喚醒設(shè)備確保數(shù)據(jù)不丟失。nRF40l協(xié)議設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容如下：

（1）首先每次發(fā)送應(yīng)該有一個(gè)前置碼，通?？刹捎?01010101010……，持續(xù)一個(gè)給定的周期，這個(gè)前置碼是實(shí)現(xiàn)低功耗的基礎(chǔ)。

（2）接端平時(shí)可以開啟接收幾個(gè)毫秒，如果沒有收到規(guī)定的前置101010101010……，然后關(guān)閉約1秒，通過檢測(cè)前置碼而獲得同步。開關(guān)的時(shí)間比也就是工作的占空比，增加前置碼的周期可以減少工作的時(shí)間，從而減少平均工作電流。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于本次的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)而，系統(tǒng)設(shè)計(jì)在保證系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，還要解決三個(gè)問題：低功率、長(zhǎng)距離，低功耗。其中的低功率實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，因?yàn)閚RF401芯片本身的最大發(fā)射功率只有+lOdBm，同時(shí)在電路設(shè)計(jì)可通過合理設(shè)置R3（見圖1）來調(diào)節(jié)發(fā)射功率。對(duì)于系統(tǒng)的低功耗要求可通過合理的協(xié)議設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)（上述2．4）。下來需要解決的主要問題便是長(zhǎng)距離傳輸?shù)南到y(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)。

2．1．長(zhǎng)距離傳輸實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方法有兩個(gè)：一是加大功率來提高傳輸距離；二是采用高增益天線提高通信距離。

加大功率雖然可以有效提高傳輸距離，但同時(shí)會(huì)使系統(tǒng)電流消耗增加，并且構(gòu)成系統(tǒng)的元器件數(shù)量也會(huì)增多，造成系統(tǒng)功耗及體積變大，不利于系統(tǒng)微型化和低功耗特性的實(shí)現(xiàn)。

而采用高增益天線來恰好可以避免上述缺點(diǎn)，在這種方式中采集成天線，無需增加額外的功耗和增加外圍元件即可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的無線數(shù)據(jù)傳輸，其基本的理論依據(jù)如下：

采用OdB增益天線，理論上的數(shù)據(jù)傳輸距離為：

●f0：434 MHz（λ=0．69 m）

●Pt：10 dBm

●Gtx ant：0dB天線

●Grx ant：0dB天線

●S：-105 dBm

傳輸足巨離：R=λ／（4*π*10M）=30877m

其中：M=LP／20

LP=S—Pt—Gtx_ant—Grx_ant=-115dBm

這是理想狀況下的傳輸距離，實(shí)際的應(yīng)用中是會(huì)低于該值，這是因?yàn)闊o線通信要受到各種外界因素的影響，如大氣、阻擋物、多徑等造成的損耗，將上述損耗的參考值計(jì)入上式中，即可計(jì)算出近似通信距離。

2．2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1為nRF401在采用高增益天線時(shí)的典型應(yīng)用電路

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以Atmel 公司的AT89C51 單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器與該電路連接。由控制器發(fā)出控制信號(hào)改變TXEN端口的值，以改變nRF401 的收、發(fā)工作狀態(tài)，nRF40l與AT89C51連接方式如下圖2示。

本系統(tǒng)處于半雙工的工作狀態(tài)。單片機(jī)的串口P3．0、P3．1分別和nRF4．01的DOUT、DIN相連接。TXEN、FREQ、PWR UP可以分別由單片機(jī)的Pl口的引腳進(jìn)行控制。即發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)由單片機(jī)的串口P3．1到達(dá)nRF401的DIN引腳，然后天線端口發(fā)送出去。接收數(shù)據(jù)的過程正好相反，數(shù)據(jù)經(jīng)由天線，經(jīng)過解調(diào)，到達(dá)DOUT端口，再由P3．0接收，經(jīng)由SBUF轉(zhuǎn)存到存儲(chǔ)器中。單片機(jī)和nRF401 的連接如圖2所示。芯片引腳DIN與單片機(jī)P3．1相連，需要發(fā)射的數(shù)字信號(hào)通過DIN輸入。DOUT與單片機(jī)P3．0相連，解調(diào)出來的信號(hào)經(jīng)過DOUT輸出進(jìn)入單片機(jī)。PWR UP（節(jié)電控制）與單片機(jī)P1．2相連：PWR UP=“1”為工作模式：PWR UP=“0”為待機(jī)模式。電路進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，工作電流為8μA，電路不接收和發(fā)射數(shù)據(jù)。TXEN為發(fā)射允許控制，與單片機(jī)P1．0相連：TXEN=“1”為發(fā)射模式：TXEN=“0”為接收模式。為了設(shè)計(jì)上的方便，nRF401可以與單片機(jī)共用一個(gè)晶振，具體連接方法如圖3所示：

2．3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)的收、發(fā)由AT89C51控制。首先，對(duì)系統(tǒng)要進(jìn)行初始化，讓nRF401進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)：使單片機(jī)工作在串口通信方式，利用單片機(jī)的中斷響應(yīng)，對(duì)。nRF40l芯片的相應(yīng)引腳進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收或發(fā)射。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。在程序設(shè)計(jì)的時(shí)候，要注意一個(gè)關(guān)鍵問題：即nRF401有多種不同的工作模式，當(dāng)不同的模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，系統(tǒng)存在相應(yīng)的延遲，程序設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮這一因素。nRF401不同工作模式下的時(shí)序如表1所示。

其中TX：發(fā)射模式；Rx：接受模式；std_by：待機(jī)模式；VDD=0-Tx：加電到發(fā)射模式；

VDD=0-RX：加電到接收模式。

當(dāng)從接收轉(zhuǎn)為發(fā)射模式時(shí)，數(shù)據(jù)輸入引腳DIN必須保持為高至少1ms才能發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)由發(fā)送模式轉(zhuǎn)為接收模式時(shí)，數(shù)據(jù)輸出引腳0UT要至少3ms以后才有數(shù)據(jù)輸出（其他的狀態(tài)，讀者可以根據(jù)表1 自行分析） 。在編程實(shí)現(xiàn)的時(shí)候要把延遲考慮進(jìn)去，才能達(dá)到準(zhǔn)確無誤接收。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，軟件設(shè)計(jì)流程如下圖4所示：

3 應(yīng)用分析

本設(shè)計(jì)以nRF401和單片機(jī)AT89C51為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出了一款具有微型化、低功率、可長(zhǎng)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，在某環(huán)境監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)中進(jìn)行了系統(tǒng)功能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在室外無障礙環(huán)境下的有效傳輸距離約為1300m，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確率較高，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

同時(shí)該系統(tǒng)可以作為一個(gè)開放式的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，將該系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備有效結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)環(huán)境下的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與監(jiān)控需求。同時(shí)該系統(tǒng)也可實(shí)現(xiàn)無線語(yǔ)音傳輸，將話音信息經(jīng)音頻接口芯片（如TI公司的TLV320AICl0）進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換、采樣、編碼后送入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信息的無線傳輸。

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