余芬

摘 要： 目前在工業(yè)、科學(xué)研究及醫(yī)療設(shè)備中出現(xiàn)了大量需要進(jìn)行通信的設(shè)備，這些設(shè)備通信距離較近、數(shù)據(jù)量較小、不適合布線。本文在比較三種方案各自優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，提出了一個基于AVR系列單片機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案以MEGA16單片機(jī)為控制核心，鍵盤作為數(shù)據(jù)輸入、液晶顯示、以nRF401作為無線數(shù)據(jù)收/發(fā)芯片，該芯片的主要特點是采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)、收發(fā)速率快，外圍設(shè)備簡單等特點。系統(tǒng)性能較好，適用于多種應(yīng)用領(lǐng)域，有較大的推廣價值。

關(guān)鍵詞： 無線傳輸系統(tǒng) 數(shù)字載波調(diào)制 串行通信協(xié)議

1.引言

目前國內(nèi)的工業(yè)微機(jī)測控網(wǎng)絡(luò)多為有線通信方式。有線通信的優(yōu)點是數(shù)據(jù)傳輸可靠性較強(qiáng)。目前出現(xiàn)大量需要進(jìn)行通信的設(shè)備，這些設(shè)備通信距離較近、數(shù)據(jù)量較小、不適合布線，比如自動抄表系統(tǒng)、酒店點菜系統(tǒng)及現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。其中有很多設(shè)備是可移動的，而且要求荷重小便于攜帶，達(dá)到上述不同的功能要求，雙向無線發(fā)射、接收機(jī)應(yīng)滿足便攜式電池供電設(shè)備的一些基本要求，以適用于無線RF應(yīng)用。這些基本要求為：方案成本低、體積小、低功耗、符合電池供電要求、集成度高、無需微調(diào)外部元件、外圍元件極少、加工更容易、數(shù)據(jù)傳輸率高、傳輸時間更短、接口簡單、可以與廉價的單片機(jī)接口。

2.方案選擇

因為無線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比較多，無線收發(fā)芯片的選擇在設(shè)計中是至關(guān)重要的，所以正確地選擇芯片可以減小開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，降低成本，更快地將產(chǎn)品推向市場。下面先從數(shù)字芯片原理上作個比較，然后從三款芯片中選出一款最適合本系統(tǒng)的芯片。

2.1振幅鍵控和頻移鍵控的比較

采用ASK（振幅鍵控）電路。對于二進(jìn)制幅度鍵控信號的頻帶寬度為二進(jìn)制基帶信號寬度的兩倍。采用FSK（頻移鍵控）電路，頻移鍵控是利用兩個不同頻率f1和f2的振蕩源來代表信號1和0。用數(shù)字信號的1和0去控制兩個獨(dú)立的振蕩源交替輸出。雖然FSK調(diào)制方式頻帶利用率低，但由于其具有良好的抗衰弱性和信號傳送過程中較低的誤碼率，特別適用于較高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸。

本文采用FSK（頻移鍵控）方式的芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

2.2三款數(shù)字芯片的比較

2.2.1方案一CC1000無線收發(fā)芯片

CC1000是chipcon公司推出的單片可編程RF收發(fā)芯片，它基于Chipcons SmartRF技術(shù)。可工作在ISM頻段（300MHz-1000MHz）。CC1000集成了射頻發(fā)射、射頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制解調(diào)、可編程控制等多種功能。CC1000采用鎖相環(huán)技術(shù)。發(fā)射頻率是通過內(nèi)部的頻率合成器來配置的，可配置的范圍為300MHz-1000MHz.適合應(yīng)用跳頻協(xié)議，一般可配出10個或20個頻點，該芯片靈敏度為-109dBm，并可自動校準(zhǔn)，可編程輸出功率為-20dBm—+10dBm，

但是它有個缺點.就是不能直接連單片機(jī)串口使用。數(shù)據(jù)需要進(jìn)行曼徹斯特編碼，效率較低。

2.2.2方案二nRF903無線收發(fā)芯片

nRf903是Nordie公司為433/868/915MHzISM頻段設(shè)計的單片UHF多段無線收發(fā)芯片.它采用優(yōu)化的GFSK調(diào)制解詞技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，采用DDS+PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好，靈敏度高達(dá)-104dBm，發(fā)射功率可以調(diào)整，最大發(fā)射功率是+10dBm。可在155.6kHz的有效帶寬下傳輸最高76.8bps的數(shù)據(jù)。nRF903的工作電壓范圍可以從2.7V～3.3V。接收待機(jī)狀電流消耗為600laP，低功耗模式電流消耗儀為1uA?？蓾M足低功耗設(shè)備的要求。nRF903內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為發(fā)射電路、接收電路、模式和低功耗控制邏輯電路及串行接口幾個部分。

2.2.3方案三nRF401無線收發(fā)芯片

nRF401是Nordic公司研制的單片UHF無線收發(fā)芯片，工作在433MHzISM（Industrial，ScientificandMedica1）段。它采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù).抗干擾能力強(qiáng)，并采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好，發(fā)射功率最大可達(dá)10dBm，接收靈敏度最大為-105dBm。數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)20Kbps。工作電壓在+3V～5V之間nRF401無線收發(fā)芯片所需外圍元件較少。

在接收模式中。nRF401被配置成傳統(tǒng)的外差式接收機(jī)，所接收的射頻調(diào)制的數(shù)字信號被低噪聲放大器放大，經(jīng)混頻器變換成中頻，放大、濾波后進(jìn)入解調(diào)器。解調(diào)后變換成數(shù)字信號輸出（DOUT）端。在發(fā)射模式中，數(shù)字信號經(jīng)DIN端輸入，經(jīng)鎖相環(huán)和壓控振蕩器處理后進(jìn)行KFQ發(fā)射功率放大器射頻輸出。由于采用了晶體振蕩和PLL合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好；采用FSK調(diào)制和解調(diào)，抗干擾能力強(qiáng)。

2.2.4綜合比較分析

由于在系統(tǒng)設(shè)計時，需要考慮以下幾個因素：系統(tǒng)的便攜性、效率、功耗、發(fā)射功率、接收靈敏度、收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量、芯片成本、數(shù)據(jù)傳輸是否需要進(jìn)行曼徹斯特編碼等，綜合比較以上幾種方案。方案一中雖然可以滿足設(shè)計的要求，且外圍元件少，但不能直接連接單片機(jī)串口使用。數(shù)據(jù)需要進(jìn)行曼徹斯特編碼，這樣可大大降低使用效率。方案二中是一個很理想的芯片，但考慮到工作電壓要與單片機(jī)（MEGA16）工作電壓相匹配，故不選擇該方案。方案三更適合本設(shè)計的要求，所以采用方案三實現(xiàn)這個系統(tǒng)。

3.無線通信基本原理

3.1數(shù)字載波調(diào)制原理

數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制本質(zhì)并無差別，都是進(jìn)行頻譜搬移，都是為了有效傳輸信息。區(qū)別在于基帶調(diào)制信號一個是數(shù)字的，一個是模擬的，數(shù)字基帶信號有二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制與多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制兩類。數(shù)字調(diào)制的種類很多，最常見也是最基本的調(diào)制方式有調(diào)幅（ASK）、調(diào)頻（FSK）、調(diào)相（PSK）三種，本文采用的NRF401芯片就是調(diào)頻（頻移鍵控）方式。數(shù)字振幅調(diào)制抗噪聲性能差，在低速數(shù)據(jù)傳輸中還有用的。調(diào)相在抗噪聲性能上優(yōu)于調(diào)幅和調(diào)頻，而且信道頻帶利用率較高，因此在中、高速數(shù)傳機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。由于調(diào)制方式在接收端需要載波同步和定時再生，因而設(shè)備復(fù)雜。

3.2實現(xiàn)調(diào)制的方法

FSK有相位連續(xù)和不連續(xù)兩種，分別記為CPFSK和DPFSK。所謂相位連續(xù)是指在一個碼元內(nèi)相位不產(chǎn)生突變，隨時間平滑的變化，在碼元轉(zhuǎn)換時刻上，前后碼元相位相等。

FSK信號的產(chǎn)生分為兩類：

3.2.1直接調(diào)頻法它是用數(shù)字基帶矩形脈沖控制一個振蕩器的某些參數(shù)，直接改變振蕩頻率，輸出不同頻率的信號。

3.2.2頻率鍵控法頻率鍵控法又稱頻率轉(zhuǎn)換法，是用數(shù)字矩形脈沖控制。電子開關(guān)在兩個振蕩器之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而輸出不同頻率的信號。數(shù)字信號為，“1”時，正脈沖使控制門1接通，門2斷開，輸出fl：數(shù)字信號“0”時，門1斷開，門2接通，輸出頻率f2。如果產(chǎn)生fl>f2的兩個振蕩器是相互獨(dú)立的，則輸出的2FSK信號相位是不連續(xù)的。這種方法轉(zhuǎn)換速度快，波形好，頻穩(wěn)度很好?；鶐л斎胄盘栂嗉悠鬏敵鰁（t）。

3.3FSK信號的解調(diào)方法

數(shù)字調(diào)頻信號的解調(diào)方法很多，有鑒頻法、過零檢測法、差分檢測法、包絡(luò)檢測法、相干檢測法，下面介紹包絡(luò)檢測法2FSK信號的包絡(luò)檢測方塊圖。

用兩個窄帶的分路濾波器分別濾出頻率為fl及f2的高頻脈沖，經(jīng)包絡(luò)檢波后分別取出他們的包絡(luò)。把兩路輸出同時送到抽樣判決器進(jìn)行比較，從而判決輸出基帶數(shù)字信號。設(shè)頻率fl代表數(shù)字信號1；f2代表0，則抽樣判決器的判決準(zhǔn)則應(yīng)定為即vl-v2>0，判為1，若vl-v2<0，判為0。式中vl，v2分別為抽樣時刻兩個包絡(luò)檢波器的輸出值。這里的抽樣判決器，要比較vl，v2的大小?；蛘哒f把差值vl-v2與零電平比較。因此，有時稱這種比較判決器的判決門限為零電平。

4.總結(jié)與討論

在本系統(tǒng)研究過程中，無線通訊模塊的PCB制作尤為重要，要妥善處理抗干擾等問題。另外，合適的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議也是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素。由于NRF401的接收靈敏度高，且采用的ISM公用頻段，在干擾比較嚴(yán)重的場合，即使不存在任何發(fā)射器，在接收機(jī)的DOUT腳也存在速率大約為40kbit/s～50kbit/s的雜亂的噪聲信號，UART對DOUT腳采樣，不斷產(chǎn)生串行中斷，使接收機(jī)無法正常工作，在這種情況下可采用這樣的方法：加長先導(dǎo)字段，接收機(jī)以一定的時間間隔開串行中斷，中斷程序先關(guān)中斷再判斷收到的是不是先導(dǎo)字段，如果是則正常運(yùn)行接受程序，如不是向?qū)ё侄?，則丟棄數(shù)據(jù)中斷返回。系統(tǒng)在實際應(yīng)用中保證了工業(yè)現(xiàn)場穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)通信，成本低，具有很好的推廣價值。

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