畢業(yè)設(shè)計(jì)--簡(jiǎn)單實(shí)用型無(wú)線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)</p><p>　　題 目: 簡(jiǎn)單實(shí)用型無(wú)線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) </p><p>　　院 系： 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 電子信息工程 </p><p&

2、gt;　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)</p><p>　　題目： 簡(jiǎn)單實(shí)用型無(wú)線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) </p><p><b>　　基本任務(wù)及要求：</b>

3、</p><p>　　基本任務(wù) </p><p>　?、?設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)系統(tǒng)； </p><p>　?、?使用PROTEL畫(huà)出系統(tǒng)硬件

4、圖，并用Proteus軟件對(duì)單片機(jī)控制部分進(jìn)行仿真 </p><p>　　2．系統(tǒng)要求 </p><p>　?、?無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x不低于80米；

5、 </p><p>　?、?工作頻率在430MHz； </p><p>　　進(jìn)度安排及完成時(shí)間：</p><p>　　第1周 布置任務(wù)、下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)

6、 </p><p>　　第2周 熟悉課題，了解無(wú)線通信技術(shù)的分類及其發(fā)展歷程 </p><p>　　第3周～第4周 畢業(yè)實(shí)習(xí)，撰寫(xiě)實(shí)習(xí)報(bào)告 </p><p>　　第5周 撰寫(xiě)文獻(xiàn)綜述、開(kāi)題報(bào)告

7、 </p><p>　　第6周～第8周 學(xué)習(xí)通信系統(tǒng)中調(diào)制解調(diào)部分知識(shí) </p><p>　　選擇適當(dāng)無(wú)線收發(fā)芯片 </p><p

8、>　　選擇合適的單片機(jī) </p><p>　　第9周～第10周 熟悉阻抗匹配部分知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)單端天線 </p><p>　　學(xué)習(xí)PROTEL軟件，畫(huà)出整體電路圖，學(xué)習(xí)使用KEIL C51 </p>

9、;<p>　　第11周～第12周 用C語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫(xiě) </p><p>　　第13周～第14周 學(xué)習(xí)使用Proteus仿真軟件 </p><p>　　用Proteus軟件對(duì)單片機(jī)的數(shù)據(jù)鍵入以及顯示進(jìn)行仿

10、真 </p><p>　　第15周~第16周 撰寫(xiě)畢業(yè)論文 </p><p>　　第16周 畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯 </p>

11、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論１</b></p><p>　　1.1 課題研究背景1</p><p>

12、;　　1.2 無(wú)線數(shù)據(jù)傳送的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)1</p><p>　　1.3本課題研究的主要內(nèi)容和主要工作4</p><p>　　第2章 無(wú)線通信系統(tǒng)基本理論5</p><p>　　2.1 數(shù)字通信系統(tǒng)基本組成5</p><p>　　2.2 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸原理5</p><p>　　2.2.1調(diào)制與解調(diào)5<

13、;/p><p>　　2.2.2編碼與解碼9</p><p>　　2.2.3 PLL鎖相環(huán)9</p><p>　　第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.2 無(wú)線收發(fā)芯片的選擇14</p><p>　　3.3 nRF401無(wú)線模塊15&

14、lt;/p><p>　　3.3.1內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳功能15</p><p>　　3.3.2應(yīng)用電路及設(shè)計(jì)應(yīng)注意問(wèn)題17</p><p>　　3.3.3工作原理19</p><p>　　3.3.4天線的設(shè)計(jì)19</p><p>　　3.4 單片機(jī)控制模塊的選擇20</p><p>　　3.5

15、AT89C51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳功能21</p><p>　　3.6 鍵盤(pán)接口技術(shù)24</p><p>　　3.7 顯示器接口技術(shù)25</p><p>　　第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)28</p><p>　　4.1 主程序設(shè)計(jì)28</p><p>　　4.2 從機(jī)點(diǎn)菜程序設(shè)計(jì)29</p><

16、;p><b>　　總結(jié)33</b></p><p><b>　　致謝34</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p><p><b>　　附錄36</b></p><p>　　簡(jiǎn)單實(shí)用型無(wú)線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)<

17、/p><p>　　摘要：文章介紹了基于AT89C51以及 nRF401 芯片的實(shí)用型無(wú)線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸，采用半雙工方式通信、主機(jī)-從機(jī)體系結(jié)構(gòu)。主機(jī)可同時(shí)接收多個(gè)從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。 隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，基于射頻技術(shù)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，是無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸在通信領(lǐng)域的重要應(yīng)用典型實(shí)例，為各個(gè)行業(yè)帶來(lái)了嶄新的管理理念與服務(wù)手段，優(yōu)化了業(yè)務(wù)

18、流程，為客戶提供了更好的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)價(jià)值最大化同時(shí)又使成本最低化，是現(xiàn)代生活步入信息化時(shí)代的一個(gè)重要標(biāo)志。它有效地利用了計(jì)算機(jī)應(yīng)用、無(wú)線通信等先進(jìn)的現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)，是一套集先進(jìn)性、實(shí)用性、簡(jiǎn)易性、嚴(yán)密性于一體的應(yīng)用系統(tǒng)。論文詳細(xì)介紹了無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)硬件模塊的功能及其實(shí)現(xiàn)原理、單片機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸及其輸入與顯示的實(shí)現(xiàn)原理?；跓o(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)平臺(tái)同時(shí)可以廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，具有廣泛的發(fā)展前景。</p><p&

19、gt;　　關(guān)鍵詞：AT89C51；nRF401；無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸</p><p>　　The Study and Design of System about Simple and Practical Wireless Data Transmission </p><p>　　Abstract: The article describes the study and design of pra

20、ctical wireless data transmission system which is based on chips of AT89C51 and nRF401. System transmits data two-way through wireless means, and uses half-duplex communication and the master-slave structure.The host can

21、 simultaneously receive multiple data from theslaves. As the wireless communication technology develops continuously, the field of applications of wireless data transmission system is expanding. Wireless data transmissio

22、n</p><p>　　Key words: AT89C51; NRF401; Wireless Data Transmission</p><p><b>　　第1章 緒論 </b></p><p>　　1.1 課題研究背景 </p><p>　　在現(xiàn)代通信中，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是各種智能化控制系統(tǒng)的重要組成部分，其需要在

23、單片機(jī)之間或單片機(jī)與微機(jī)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，而且在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，往往需要通過(guò)上位機(jī)對(duì)接收到的下位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。一般在傳輸距離比較短的情況是，可以采用有線連接的數(shù)據(jù)通信方式。如并行傳送、串行傳送、CAN總線和Lonworks總線等等。在這些有線傳輸?shù)姆绞街?，?shù)據(jù)的傳輸載體是雙絞線、同軸電纜或是光纖。但是在許多比較特殊的環(huán)境有線連接則往往不能滿足需求。對(duì)于傳輸范圍比較廣的情況采用有線數(shù)據(jù)傳輸方式通信需要較高的代價(jià)。再如高腐蝕環(huán)境

24、、現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)明線連接或者為了保證安全等許多條件下，采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸信道即通過(guò)有線傳輸采集的數(shù)據(jù)已經(jīng)不能滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，這時(shí)采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸就顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸與有線相比有成本低，通信距離遠(yuǎn)，沒(méi)有鑿墻鉆孔布線的煩惱等優(yōu)點(diǎn)。其不受地理環(huán)境、氣候、時(shí)間等條件的限制，通過(guò)真空或空氣實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，可以不考慮傳輸線纜的安裝問(wèn)題，從而節(jié)省大量線纜，并且降低施工難度和系統(tǒng)成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前應(yīng)用在許多領(lǐng)域，比如：RFID，

25、無(wú)線餐飲點(diǎn)菜系統(tǒng)，無(wú)線抄表，水文監(jiān)測(cè)，低功率遙感勘</p><p>　　1.2 無(wú)線數(shù)據(jù)傳送的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) </p><p>　　無(wú)線技術(shù)是通過(guò)無(wú)線電波在自由空間(包括空氣和真空)傳播信息的技術(shù)，它利用導(dǎo)體中電流強(qiáng)弱的改變會(huì)產(chǎn)生無(wú)線電波這一原理，將信息加載于無(wú)線電波之上，當(dāng)電波通過(guò)空間傳播到達(dá)接收端，電波引起的電磁場(chǎng)變化又會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流，通過(guò)一定的方法將信息從電流變化中提取出來(lái)，就達(dá)

26、到了信息與數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹?lt;/p><p>　　隨著無(wú)線技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展后勁。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶軓V，在一般意義上，只要收發(fā)雙方通過(guò)無(wú)線電波傳輸信息，并且可以根據(jù)自己的需要控制傳輸距離。其中短距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)具有應(yīng)用廣泛、種類多樣、頻段豐富、免執(zhí)照申請(qǐng)等特點(diǎn)，近期的發(fā)展情況表明，該領(lǐng)域?qū)⑿纬梢粋€(gè)巨大的新興產(chǎn)業(yè)。時(shí)至今日，無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用己經(jīng)滲透到各行各業(yè)的角角落落。</p&

27、gt;<p>　　現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)大致可分為兩大類：一是基于蜂窩的接入技術(shù)，如蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)(CDPD)、通用分組無(wú)線傳輸技術(shù)(GPRS)、EDGE等。二是基于局域網(wǎng)的技術(shù)，如IEEE802.11、WLAN、Bluetooth、IrDA、Home-RF、微功率短距離無(wú)線通信技術(shù)等。主要介紹如下：</p><p>　　⑴ 紅外通信技術(shù)（IrDA）</p><p>　　紅外無(wú)線

28、技術(shù)是以紅外線作為傳輸工具的一種無(wú)線通訊方式，自1974年發(fā)明以來(lái)，得到了很普遍的應(yīng)用。但是由于紅外線的固有特性，紅外傳輸方式在大信息量的數(shù)據(jù)傳輸中使用得比較少。紅外傳輸是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸，而且距離不能太遠(yuǎn)，其傳輸距離只有l(wèi)～2 m，并且對(duì)發(fā)射和接收器要求對(duì)準(zhǔn)，并且中間不能有阻隔，且無(wú)法控制信息傳輸?shù)倪M(jìn)度。目前紅外傳輸技術(shù)已經(jīng)漸漸退出市場(chǎng)，逐漸被藍(lán)牙技術(shù)取代。系統(tǒng)構(gòu)成上，采用紅外無(wú)線接入技術(shù)的系統(tǒng)需要將MPU與紅外模塊進(jìn)行連接，傳輸采用

29、串行通訊模式。 </p><p>　?、?藍(lán)牙技術(shù)（Bluetooth）</p><p>　　藍(lán)牙實(shí)際上是一種短距離無(wú)線電技術(shù)利用“藍(lán)牙”技術(shù)，能夠有效地簡(jiǎn)化掌上電腦、筆記本電腦和移動(dòng)電話手機(jī)等移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡(jiǎn)化以上這些設(shè)備與因特網(wǎng)Internet之間的通信，從而使這些現(xiàn)代通信設(shè)備與因特網(wǎng)之問(wèn)的數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無(wú)線通信拓寬道路。藍(lán)牙采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)

30、構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM( 即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)) 頻段。其數(shù)據(jù)速率為lMbPS。采用時(shí)分雙傳輸方案實(shí)現(xiàn)全雙1傳輸。其協(xié)議層區(qū)別于OSI，TCP/IP或者是802中的任何種模型。其底層為無(wú)線電層，負(fù)責(zé)無(wú)線電中的位信息傳輸。第二層為帶層，負(fù)責(zé)將位信息流轉(zhuǎn)化成可以識(shí)別的幀。第三層為L(zhǎng)2CAP( 邏輯鏈路控制適應(yīng)層)負(fù)責(zé)存設(shè)備間建立邏輯信道，包括電源管理、認(rèn)證和服務(wù)質(zhì)量等等。更高的幾

31、層即是協(xié)議層，由各種不同的通信協(xié)議組成，并且為應(yīng)用程序服務(wù)。其最常用的Class B版本傳輸距離為8～30 m，速率約為700--800kbps。 </p><p>　　⑶ IEEE802.l1b(Wi-Fi)</p><p>　　IEEE802.11b技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是無(wú)線局域網(wǎng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，使用2.4GHz的ISM頻段，采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)（DSSS）進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，從而增強(qiáng)了抗干擾能力，提高

32、了傳輸速度。802.l1b無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點(diǎn)是兼容性，只要在原有網(wǎng)絡(luò)上裝上AP(Access Point)，就可以提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，終端設(shè)備只要裝上無(wú)線網(wǎng)卡，就可以訪問(wèn)所有網(wǎng)絡(luò)資源，像使用有線局域網(wǎng)一樣方便，卻免除了布線的麻煩。802.l1b具有有線等價(jià)保密機(jī)制WEP(Wired Equivalent Privacy)確保數(shù)據(jù)安全，并具有穿透能力、全方位傳送、建網(wǎng)速度快、可用來(lái)組建大型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)營(yíng)成本低、投資回報(bào)快等特點(diǎn)，因而受到電信

33、制造商和運(yùn)營(yíng)商的青睞。由于該設(shè)備比較昂貴，進(jìn)而妨礙了其推廣和應(yīng)用，目前更多新的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)正在制定之中。速度更快的802.l1g使用與802.l1b相同的正交頻分多路復(fù)用（OFDM）調(diào)制技術(shù)，它同樣工作在2.4GHz頻段，速率達(dá)54Mbit/s，比目前通用的802.l1b快了5倍，</p><p>　　并且完全向后兼容802.l1b。802.l1g將有可能被大多數(shù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品制造商選擇作為產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，下一代的Wi

34、-Fi標(biāo)準(zhǔn)802.l1n可望達(dá)到100Mbit/s。</p><p>　　⑷ 微功率近距離無(wú)線通信技術(shù)</p><p>　　近年來(lái)，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，近距離無(wú)線通信系統(tǒng)的大部分功能都可以集成到一塊芯片內(nèi)部，一般使用單片數(shù)字信號(hào)射頻收發(fā)芯片，加上微控制器和少量外圍器件構(gòu)成專用或通用無(wú)線通信模塊，所有高頻元件包括電感、振蕩器等己經(jīng)全部集成在芯片內(nèi)部，一致性良好，性能穩(wěn)定且不受外界影

35、響。射頻芯片一般采用FSK調(diào)制方式，工作于ISM頻段，通信模塊一般包含簡(jiǎn)單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或使用簡(jiǎn)單的加密協(xié)議，發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過(guò)軟件設(shè)置完成，用戶不用對(duì)無(wú)線通信原理和工作機(jī)制有較深的了解，只要依據(jù)命令字進(jìn)行操作即可實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸功能。新一代近距離無(wú)線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)具有體積小、功耗低、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單快速，可以方便地嵌入到各種設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的無(wú)線連接，因此，較適合搭建小型網(wǎng)絡(luò)，

36、在工業(yè)、民用領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用。</p><p><b>　?、?UWB技術(shù)</b></p><p>　　UWB(Ultra Wide Band)是一種新發(fā)展起來(lái)的無(wú)線通信技術(shù)，通過(guò)基帶脈沖作用于天線的方式發(fā)送數(shù)據(jù)。窄脈沖(小于1ns)產(chǎn)生極大帶寬的信號(hào)，采用脈位調(diào)制(Pulse Position Modulation, PPM)或二進(jìn)制移相鍵控(Bi-Phase

37、 Shift Keying, BPSK)調(diào)制。UWB被允許在3.1～10.6GHz的波段內(nèi)工作，主要應(yīng)用在小范圍、高分辨率、能夠穿透墻壁、地面和身體的雷達(dá)和圖像系統(tǒng)中。其中，最具特色的應(yīng)用將是視頻消費(fèi)娛樂(lè)方面的無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)(PANs)。UWB有可能在10m范圍內(nèi)，支持高達(dá)110Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，且不需要壓縮數(shù)據(jù)，可以快速、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)地完成視頻數(shù)據(jù)處理。從以上介紹可以看出，各種不同的近距離無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)都是根據(jù)不同的使用場(chǎng)合、不同的用

38、戶需求而制定的。有的是為了增加帶寬和傳輸距離，有的則是考慮移動(dòng)性和經(jīng)濟(jì)性。因此，應(yīng)用者可視實(shí)際需求考慮采用性價(jià)比最高的解決方案。</p><p>　　近些年信息通信領(lǐng)域中，發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的就是無(wú)線通信技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，通信技術(shù)、集成電子技術(shù)的飛速發(fā)展，在國(guó)內(nèi)射頻（RF）技術(shù)也趨于成熟，開(kāi)發(fā)出了種類齊全的射頻無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸芯片。這些射頻芯片不僅傳輸速率快而且有相對(duì)較高的靈敏度。如今這些芯片正向集成化，小型化的

39、方向發(fā)展，使用成本也大大降低，采用射頻芯片來(lái)開(kāi)發(fā)嵌入式產(chǎn)品有非常廣闊的應(yīng)用前景。目前，國(guó)內(nèi)外知名廠商都非常重視射頻傳輸芯片開(kāi)發(fā)研究以及應(yīng)用射頻芯片的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。隨著現(xiàn)代射頻技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線傳輸芯片尺寸越來(lái)越小，功能越來(lái)越齊全，再加上輔助原件后在性能上更加優(yōu)越，傳輸距離更遠(yuǎn)，信號(hào)的穩(wěn)定性更高，傳輸速率更快，抗干擾性更強(qiáng)，特別是用于工業(yè)控制場(chǎng)合，現(xiàn)在市場(chǎng)上的無(wú)線傳輸芯片主要為 FSK 調(diào)制方式，其頻率發(fā)生器種類繁多，但基本上可分為三大

40、類：一、采用LC振蕩器，可靠性低但價(jià)格便宜；二、采用聲表振蕩器，頻率穩(wěn)定性高于LC振蕩器；三、采用鎖相環(huán)技術(shù)，穩(wěn)定性很高但價(jià)格較貴。在國(guó)內(nèi)，這些高集成度芯片廣泛應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中：如無(wú)線數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，車輛監(jiān)控，小型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線抄表，工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，水文氣象監(jiān)控，機(jī)器人制造等等。</p><p>　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的信息化，人們要通信息化開(kāi)創(chuàng)新的工作方式、管理方式、商貿(mào)方式、金融方式、思想交

41、流方式、文化教育方式、醫(yī)療保健方式以及消費(fèi)與生活方式。總之，無(wú)線通信技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)表現(xiàn)為：各種無(wú)線技術(shù)互補(bǔ)發(fā)展，各盡所長(zhǎng)，向接入多元化、網(wǎng)絡(luò)一體化、應(yīng)用綜合化的寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，并逐步實(shí)現(xiàn)和寬帶固定網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)融合。</p><p>　　1.3本課題研究的主要內(nèi)容和主要工作</p><p>　　本課題研究的主要內(nèi)容是基于一種簡(jiǎn)單的無(wú)線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)，主要應(yīng)用AT89C51單片機(jī)控制Nord

42、ic公司的無(wú)線數(shù)字收發(fā)芯片nRF401，通過(guò)無(wú)線方式進(jìn)行雙向傳輸，采用半雙工方式通信，在手持機(jī)站點(diǎn)和主控站點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)，主控器與主站PC之間通過(guò)串口進(jìn)行通信。</p><p>　　本人在前人的基礎(chǔ)上，通過(guò)翻閱大量的圖書(shū)資料以及檢索很多網(wǎng)絡(luò)信息，論述了基于51單片機(jī)以及單片無(wú)線收發(fā)芯片的無(wú)線點(diǎn)菜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和總體方案，重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，綜合全文，所做的主要工作如下：</p>&l

43、t;p>　　（1）根據(jù)課題的研究背景，了解當(dāng)前無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)比選擇適合無(wú)線點(diǎn)菜系統(tǒng)的無(wú)線通信技術(shù)。</p><p>　　（2）分析了無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕驹砑案髂K的功能和主要的性能指標(biāo)。</p><p>　?。?）針對(duì)任務(wù)書(shū)給出的數(shù)據(jù)要求，確定了無(wú)線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　（4）通過(guò)分析nRF401的應(yīng)用電路以及所

44、給出的頻率要求最終確定外圍電路以及其各部分元器件參數(shù)。</p><p>　?。?）確定無(wú)線數(shù)據(jù)傳送單片機(jī)部分的硬件設(shè)計(jì)，主要包括鍵盤(pán)輸入、LED顯示、單片機(jī)串口發(fā)送。</p><p>　?。?）分析了單片機(jī)仿真時(shí)出現(xiàn)的各種問(wèn)題，并及時(shí)解決問(wèn)題。</p><p>　　第2章 無(wú)線通信系統(tǒng)基本理論</p><p>　　2.1 數(shù)字通信系統(tǒng)基本組

45、成</p><p>　　通信既是人類社會(huì)的重要組成部分，又是社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步的重要因素。廣義的講，通信就是從一地向另一地傳遞和交換信息。實(shí)現(xiàn)信息傳遞所需的一切技術(shù)、設(shè)備和傳輸煤質(zhì)的總和稱為通信系統(tǒng)。其基本的組成框圖如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 通信系統(tǒng)基本組成</p><p>　　信源是消息的來(lái)源，它的作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)即基帶信號(hào)。&l

46、t;/p><p>　　圖中編碼、調(diào)制、功放，實(shí)際上還有濾波、發(fā)射等都是作為發(fā)送端的發(fā)送設(shè)備模塊。其作用是將信息源產(chǎn)生的消息信號(hào)變換成適合在信道傳輸?shù)男盘?hào)，使信息源與信道匹配起來(lái)。由發(fā)信源發(fā)出的基帶信號(hào)的特點(diǎn)是頻譜從零頻附近開(kāi)始延伸到幾兆赫的有限值?；鶐盘?hào)可以直接在信道中傳輸，大多數(shù)通信系統(tǒng)需要通過(guò)調(diào)制將基帶信號(hào)變換為更適合在信道中傳輸?shù)男问健?lt;/p><p>　　信道是指?jìng)鬏斝盘?hào)的物理煤質(zhì)，

47、在無(wú)線信道中，信道可以是大氣。</p><p>　　作為接受設(shè)備的基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換。它主要包括低噪聲放大、解調(diào)、解碼等模塊。主要任務(wù)是對(duì)帶有干擾的接收信號(hào)進(jìn)行一系列處理，以便正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始基帶信號(hào)來(lái)。</p><p>　　信宿是傳輸信息的歸宿點(diǎn)，其作用是將復(fù)原的原始信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。</p><p>　　2.2 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸原理</p&

48、gt;<p>　　2.2.1調(diào)制與解調(diào)</p><p>　　無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸是以電信號(hào)的形式進(jìn)行的，最基本的的無(wú)線通信系統(tǒng)由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和通常作為無(wú)線連接的信道組成。信道就是電磁波傳播的途徑。一般來(lái)說(shuō)，信號(hào)源的信息(也稱為信源)含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基帶信號(hào)。由于無(wú)線電不能直接使用如人類語(yǔ)音那樣的低頻所以基帶信號(hào)往往不能作為傳輸信號(hào)，因此必須把基帶信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)相對(duì)基帶頻率而言頻率非常

49、高的信號(hào)以適合于信道傳輸，這個(gè)信號(hào)叫做已調(diào)信號(hào)，而基帶信號(hào)叫做調(diào)制信號(hào)，這個(gè)過(guò)程叫做調(diào)制。調(diào)制的逆過(guò)程叫做解調(diào)，它是在接收機(jī)中進(jìn)行的。</p><p>　　調(diào)制是通過(guò)改變高頻載波的幅度、相位或者頻率，使其隨著基帶信號(hào)幅度的變化而變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，調(diào)制的類型根據(jù)調(diào)制信號(hào)的形式可分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制；根據(jù)載波的不同可分為以正弦波作為載波的連續(xù)載波調(diào)制和以脈沖串作為載波的脈沖調(diào)制；根據(jù)調(diào)制器頻譜搬移特性的不同可分為線性調(diào)

50、制和非線性調(diào)制。線性調(diào)制是指輸出已調(diào)信號(hào)的頻譜和調(diào)制信號(hào)的頻譜之間呈線性搬移關(guān)系。線性調(diào)制的已調(diào)信號(hào)種類有幅度調(diào)制（AM）、抑制載波雙邊帶調(diào)幅（DSB）、單邊帶調(diào)幅（SSB）和殘留邊帶調(diào)幅（VSB）等。非線性調(diào)制又稱角度調(diào)制。其已調(diào)信號(hào)的頻譜和調(diào)制信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)有很大的不同，除了頻譜搬移外，還增加了許多新的頻率成分。非線性調(diào)制包括調(diào)頻（FM）和調(diào)相（PM）兩大類。本文詳細(xì)介紹線性調(diào)制中的幅度調(diào)制、非線性調(diào)制中的調(diào)頻和調(diào)相。</p&

51、gt;<p>　　線性調(diào)制主要有幅度調(diào)制（AM），是指用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的幅度，使其隨調(diào)制信號(hào)呈線性變化的過(guò)程。</p><p>　　AM信號(hào)的時(shí)域和頻域表達(dá)式</p><p>　?。?-1） （ 2-2） </p><p>　　圖2.2 AM的波形和相應(yīng)的

52、頻譜圖</p><p>　　（2）AM信號(hào)的帶寬</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中，為調(diào)制信號(hào)的最高頻率。</p><p>　　AM信號(hào)的功率與調(diào)制效率</p><p>　　（2-4）

53、 </p><p>　　式中， 為不攜帶信息的載波功率；為攜帶信息的邊帶功率。</p><p><b>　　（2-5）</b></p><p>　　AM調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是可用包絡(luò)檢波法解調(diào)，不需要本地同步載波信號(hào)，設(shè)備簡(jiǎn)單。AM調(diào)制的最大缺點(diǎn)是調(diào)制效率低。&l

54、t;/p><p>　　線性調(diào)制系統(tǒng)的解調(diào)方式有兩種：相干解調(diào)與非相干解調(diào)。相干解調(diào)適用于各種線性調(diào)制系統(tǒng)，非相干解調(diào)一般只適用幅度調(diào)制（AM）信號(hào)。</p><p><b>　　1、相干解調(diào)</b></p><p>　　所謂相干解調(diào)是為了從接收的已調(diào)信號(hào)中，不失真地恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)，要求本地載波和接收信號(hào)的載波保證同頻同相。</p>&

55、lt;p><b>　　2、非相干解調(diào) </b></p><p>　　所謂非相干解調(diào)就是在接收端解調(diào)信號(hào)時(shí)不需要本地載波，而是利用已調(diào)信號(hào)中的包絡(luò)信息來(lái)恢復(fù)原基帶信號(hào)。因此，非相干解調(diào)一般只適用幅度調(diào)制（AM）系統(tǒng)。 </p><p>　　非線性分為頻率調(diào)制（FM）和相位調(diào)制（PM），它們之間可相互轉(zhuǎn)換。</p><p>　　1、相位調(diào)制（

56、PM）</p><p>　　載波的幅度不變，調(diào)制信號(hào)控制載波的瞬時(shí)相位偏移，使按的規(guī)律變化，則稱之為相位調(diào)制（PM）。</p><p>　　令 ，其中為調(diào)相器靈敏度，其含義是單位調(diào)制信號(hào)幅度引起PM信號(hào)的相位偏移量，單位是弧度/伏（rad/V）。</p><p>　　所以，調(diào)相波的表達(dá)式為 </p><p><b>　?。?-6）

57、</b></p><p>　　對(duì)于調(diào)相波，其最大相位偏移為</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　2、頻率調(diào)制（FM）</p><p>　　載波的振幅不變，調(diào)制信號(hào)控制載波的瞬時(shí)角頻率偏移，使載波的瞬時(shí)角頻率偏移按的規(guī)律變化，則稱之為頻率調(diào)制（FM）。</p>&l

58、t;p>　　令 ，即，其中為調(diào)頻器靈敏度，其含義是單位調(diào)制信號(hào)幅度引起FM信號(hào)的頻率偏移量，單位是赫茲/伏（Hz/V）。</p><p>　　所以，調(diào)頻波的表達(dá)式為</p><p><b>　　（2-8）</b></p><p><b>　　其最大角頻率偏移為</b></p><p><

59、b>　?。?-9）</b></p><p>　　非線性解調(diào)中調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)也分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種。相干解調(diào)僅適用于窄帶調(diào)頻信號(hào)，且需同步信號(hào)；而非相干解調(diào)適用于窄帶和寬帶調(diào)頻信號(hào)，而且不需同步信號(hào)，因而是FM系統(tǒng)的主要解調(diào)方式。</p><p>　　對(duì)應(yīng)于模擬調(diào)制的數(shù)字調(diào)制是指數(shù)字信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制。與模擬信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制類似，它同樣可以去控制正弦振蕩的振幅、頻率或

60、相位的變化。但由于數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)——時(shí)間和取值的離散性，使受控參數(shù)離散化而出現(xiàn)“開(kāi)關(guān)控制”，稱為“鍵控法”。數(shù)字信號(hào)對(duì)載波振幅調(diào)制稱為振幅鍵控，即ASK。對(duì)載波頻率調(diào)制稱為頻移鍵控，即FSK。對(duì)載波相位調(diào)制稱為相移鍵控即PSK。數(shù)字信號(hào)可以是二進(jìn)制的，也可以是多進(jìn)制的。若數(shù)字信號(hào)u(t)是二進(jìn)制，則ASK、FSK、PSK實(shí)現(xiàn)原理框圖及鍵控信號(hào)的輸出波形可由圖2.3表示。</p><p>　　圖2.3 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)

61、制的波形和方框圖</p><p>　　本文主要介紹頻移鍵控調(diào)制方式，該調(diào)制方式是用不同頻率的載波來(lái)傳送數(shù)字信號(hào)，用數(shù)字基帶信號(hào)控制載波信號(hào)的頻率。二進(jìn)制頻移鍵控是用兩個(gè)不同頻率的載波來(lái)代表數(shù)字信號(hào)的兩種電平。接收端收到不同的載波信號(hào)再進(jìn)行逆變換成數(shù)字信號(hào)，完成信息傳輸過(guò)程。FSK信號(hào)的產(chǎn)生有兩種方法：直接調(diào)頻法和頻率鍵控法。直接調(diào)頻法是用數(shù)字基帶信號(hào)直接控制載頻振蕩器的振蕩頻率。這種方法產(chǎn)生的調(diào)頻信號(hào)是相位連續(xù)的

62、。直接調(diào)頻法還有許多實(shí)現(xiàn)電路，雖然實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，但頻率穩(wěn)定度不高，同時(shí)頻率轉(zhuǎn)換速度不能做得太快。頻率鍵控法也稱頻率選擇法，它有兩個(gè)獨(dú)立的振蕩器，數(shù)字基帶信號(hào)控制轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，選擇不同頻率的高頻振蕩信號(hào)實(shí)現(xiàn)FSK調(diào)制。鍵控法產(chǎn)生的FSK信號(hào)頻率穩(wěn)定度可以做得很高并且沒(méi)有過(guò)渡頻率，它的轉(zhuǎn)換速度快，波型好。鍵控法也常常利用數(shù)字基帶信號(hào)去控制可變分頻器的分頻比來(lái)改變輸出載波頻率，從而實(shí)現(xiàn)FSK調(diào)制。 </p><p>　

63、　數(shù)字頻率解調(diào)的方法常用的有同步相干解調(diào)法、過(guò)零檢測(cè)法和差分檢波法等。在同步解調(diào)中,FSK信號(hào)的同步解調(diào)器分為上、下兩個(gè)支路，輸入的FSK信號(hào)經(jīng)過(guò)f1和f2兩個(gè)帶通濾波器后變成了上、下兩路ASK信號(hào)，之后其解調(diào)原理與ASK類似，但判決需對(duì)上、下兩支路比較來(lái)進(jìn)行。FSK信號(hào)包絡(luò)解調(diào)相當(dāng)于兩路ASK信號(hào)包絡(luò)解調(diào)。用兩個(gè)窄帶的分路濾波器分別濾出頻率為f1和f2的高頻脈沖，經(jīng)包絡(luò)檢波后分別取出它們的包絡(luò)。過(guò)零檢測(cè)法則是利用信號(hào)波形在單位時(shí)間內(nèi)與

64、零電平軸交叉的次數(shù)來(lái)測(cè)定信號(hào)頻率。</p><p>　　2.2.2編碼與解碼</p><p>　　如通信系統(tǒng)組成圖2.1所示，在調(diào)制之前要先進(jìn)行信源編碼和信道編碼。信源編碼的作用之一是設(shè)法減少碼元數(shù)目和降低碼元速率，即通常所說(shuō)的數(shù)據(jù)壓縮；作用之二是當(dāng)信息源給出的是模擬信號(hào)時(shí)，信源編碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸。信道編碼的任務(wù)是提高數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?。為了減少差錯(cuò)，信

65、道編碼器對(duì)傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則加入保護(hù)成分，組成所謂“抗干擾編碼”。 相應(yīng)的，接收端在解調(diào)后要進(jìn)行信道譯碼和信源譯碼。接收端信源譯碼是信源編碼的逆過(guò)程，接收端信道譯碼是信道編碼的你逆過(guò)程。一種比較常見(jiàn)的編碼形式--曼徹斯特編碼。在曼徹斯特編碼中，用電壓跳變的電位不同來(lái)區(qū)分1和0，即用正的電壓跳變表示0，用負(fù)的電壓跳變表示1，因此這種編碼又稱雙相編碼，由于跳變都發(fā)生在每一個(gè)碼元的中間，接收端可以方便地利用它作為同步時(shí)鐘，因此這種編碼

66、還稱為自同步編碼。這種編碼是一種超越傳統(tǒng)數(shù)字傳輸極限并且抗干擾能力較強(qiáng)的編碼方式，這使得它更適合于信道傳輸，解決了傳輸數(shù)據(jù)沒(méi)有時(shí)鐘的問(wèn)題。其實(shí)質(zhì)是將普通NRZ二進(jìn)制數(shù)據(jù)與其位率時(shí)鐘相異或而得。根據(jù)這種編碼方式的特點(diǎn)可以推出有兩種解碼方法，包括間隔讀取法和連續(xù)檢測(cè)法。</p><p>　　2.2.3 PLL鎖相環(huán)</p><p>　　在通信系統(tǒng)的接收或者解調(diào)時(shí)，常常需考慮同步問(wèn)題，特別是涉及

67、數(shù)字信號(hào)時(shí)更是如此。在一個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)中包含多種同步問(wèn)題。例如，PSK信號(hào)在相干解調(diào)時(shí)，接收端需要產(chǎn)生一個(gè)和接收信號(hào)同頻、同相本地載波，用以和接收的PSK信號(hào)相乘。因此，這個(gè)本地載波的頻率和相位信息必須來(lái)自接收信號(hào)，或者說(shuō)是需要從接收信號(hào)中提取載波同步信息。本地載波和接收信號(hào)載頻的同步問(wèn)題稱為載波同步。載波同步的方法可以分為兩大類，第一類是在發(fā)送端的發(fā)送信號(hào)中插入一個(gè)專門(mén)的導(dǎo)頻用于載波同步。第二類是在接收端設(shè)法從有用信號(hào)中直接提取出載波

68、，而不需要傳送專門(mén)的導(dǎo)頻。在直接提取法中可用平方法提取載頻、其中可以使用鎖相環(huán)(PLL)代替窄帶濾波器來(lái)濾出載頻分量。由于鎖相環(huán)的輸出信號(hào)具有更好的穩(wěn)定性，并且不必須有連續(xù)的輸入信號(hào)所以它的應(yīng)用較為廣泛。</p><p>　　鎖相環(huán)是指一種電路或者模塊，在現(xiàn)代無(wú)線電通信系統(tǒng)中，鎖相環(huán)路可說(shuō)是無(wú)所不在。它用于在通信的接收機(jī)中，其作用是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，并從其中提取某個(gè)時(shí)鐘的相位信息。或者說(shuō)，對(duì)于接收到的信號(hào)，

69、仿制一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，使得這兩個(gè)信號(hào)從某種角度來(lái)看是同步或相干的。鎖相環(huán)可使某一特定系統(tǒng)的信號(hào)頻率，能隨另一系統(tǒng)追蹤而行。PLL基本上是一個(gè)閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，一般是由鑒相器，環(huán)路濾波器和壓控蕩器(VCO)三個(gè)基本電路組成。其基本原理是壓控振蕩器的輸出經(jīng)過(guò)采集和基準(zhǔn)信號(hào)同時(shí)輸入鑒相器，鑒相器通過(guò)比較上述兩個(gè)信號(hào)的頻率差，然后輸出一個(gè)直流脈沖電壓控制VCO，使它的頻率改變。這樣經(jīng)過(guò)一個(gè)很短的時(shí)間，VCO 的輸出就會(huì)穩(wěn)定于某一期望值。鎖相環(huán)中的

70、鑒相器又稱為相位比較器，它的作用是檢測(cè)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的相位差，并將檢測(cè)出的相位差信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，該信號(hào)經(jīng)低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓uc(t)，對(duì)振蕩器輸出信號(hào)的頻率實(shí)施控制。鎖相環(huán)中的環(huán)路濾波器用于對(duì)鑒相器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波和平滑，大多數(shù)情形下是一個(gè)低通濾波器，用于濾除由于數(shù)據(jù)的變化和其他不穩(wěn)定因素對(duì)整個(gè)模塊的影響。</p><p>　　由于鎖相環(huán)路具有一些特殊的性能，被廣泛地應(yīng)用于電子

71、技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。鎖相調(diào)頻電路就是其在調(diào)制解調(diào)技術(shù)中的應(yīng)用之一。鎖相調(diào)頻電路能夠得到中心頻率穩(wěn)定度很高的調(diào)頻信號(hào)。其原理框圖如圖2.4所示。實(shí)現(xiàn)鎖相調(diào)頻的條件是，調(diào)制信號(hào)的頻譜要處于低通濾波器通帶之外，并且調(diào)制指數(shù)不能太大。這樣，調(diào)制信號(hào)不能通過(guò)低通濾波器，因而在環(huán)路內(nèi)不能形成交流反饋，調(diào)制頻率對(duì)環(huán)路無(wú)影響。鎖相環(huán)路只對(duì)VCO平均中心頻率不穩(wěn)定所引起的分量（處于低通濾波器通帶之內(nèi)）起作用，使其中心頻率鎖在晶振頻率上。因此，輸出調(diào)頻波的中心

72、頻率穩(wěn)定度很高。這樣，鎖相調(diào)頻能克服直接調(diào)頻中心頻率穩(wěn)定度不高的缺點(diǎn)。</p><p>　　設(shè)計(jì)頻率合成器的鎖相環(huán)路時(shí)要設(shè)定一些必要的參數(shù)如所需的最高輸出信號(hào)頻率、最低輸出信號(hào)頻率、分頻器的輸出信號(hào)頻率、中心頻率、參考信號(hào)頻率、環(huán)路低通濾波器的截止頻率、VCO的靈敏度、增流器的增益、環(huán)路濾波器的相位界限、分頻器的除數(shù)、頻道間距等等。</p><p><b>　　調(diào)制信號(hào)</

73、b></p><p>　　信號(hào)輸入 誤差信號(hào) 控制信號(hào) 輸出信號(hào)</p><p><b>　　誤差相位</b></p><p>　　圖2.4 鎖相調(diào)頻電路原理方框圖</p><p>　　下面分別介紹鎖相環(huán)路的三個(gè)模塊：</p>&

74、lt;p>　　鑒相器是相位比較裝置，用來(lái)比較參考信號(hào)與壓控震蕩器輸出信號(hào)的相位，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于這兩個(gè)信號(hào)相位差的誤差電壓。表示其間關(guān)系的函數(shù)稱為鑒相特性。鑒相器是鎖相環(huán)的基本部件之一，也用于調(diào)頻和調(diào)相信號(hào)的解調(diào)。常見(jiàn)的鑒相特性有余弦型、鋸齒型與三角型等。鑒相器可以分為模擬鑒相器和數(shù)字鑒相器兩種。鑒相器的特性，在鎖定狀態(tài)時(shí)，工作特性猶如一般的鑒相器，惟當(dāng)環(huán)路脫鎖時(shí)，將會(huì)提供頻率判定信號(hào)，以求重新鎖定。任何一個(gè)理想的乘法器都可以做鑒相器。

75、設(shè)輸入信號(hào)為</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　壓控振蕩器輸出信號(hào)為</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　經(jīng)乘法器相乘后，其輸出通過(guò)環(huán)路濾波器濾波，將其中高頻分量濾除，則鑒相器的輸出為</p><p><

76、;b>　　（2-11）</b></p><p>　　式中，其中，為乘法器的增益系數(shù)，。</p><p>　　鑒相器的作用是將兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭?</p><p>　　) </p><p><b>　　Acp</b></p><p

77、>　　圖2.5 鑒相器的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　壓控振蕩器受環(huán)路濾波器輸出電壓的控制，使振蕩頻率向參考信號(hào)的頻率靠攏，兩者的差拍頻率越來(lái)越低，直至兩者的頻率相同、保持一個(gè)較小的剩余相差為止。所以，鎖相就是壓控振蕩器被一個(gè)外來(lái)基準(zhǔn)信號(hào)控制，使得壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位和外來(lái)基準(zhǔn)的相位保持某種特定關(guān)系，達(dá)到相位同步或相位鎖定的目的。壓控振蕩器是一種電壓/頻率變換器，它在鎖相環(huán)路中起著電壓--相位變化作用。

78、在一定范圍內(nèi)，與之間為線性關(guān)系，可用下式表示，即 </p><p><b>　　(2--12)</b></p><p>　　式中，為壓控振蕩器的中心頻率；是一個(gè)常數(shù)。它表示單位控制電壓所引起的震蕩角頻率變化的大小。但在鎖相環(huán)路中，需要的是它的相位變化，即把由控制電壓所引起的相位變化作為輸出信號(hào)。由(2--12)可求出瞬時(shí)相位為 </p><p>

79、;<b>　　(2--13)</b></p><p>　　所以由控制電壓所引起的相位變化，即壓控振蕩器的輸出信號(hào)為</p><p><b>　　(2--14)</b></p><p>　　由此可見(jiàn)，壓控振蕩器在環(huán)路中起了一次理想積分作用，因此壓控振蕩器是一個(gè)固有積分環(huán)節(jié)。VCO受環(huán)路濾波器輸出電壓的控制，使振蕩器向輸入信號(hào)

80、的頻率靠攏，直至兩者的頻率相同，使得VCO輸出信號(hào)相位和輸入信號(hào)相位保持某種特定的關(guān)系，從而達(dá)到相位鎖定的目的。</p><p>　　圖2.6壓控振蕩器的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　環(huán)路濾波器的作用是將中的高頻分量濾除掉，得到控制電壓,以保證環(huán)路所要求的性能。環(huán)路濾波器是低通濾波器，一般是線性電路，由線性元件電阻，電感、電容及運(yùn)算放大器組成。常用的濾波器形式有RC積分濾波器、無(wú)緣比例積分

81、濾波器和有源比例濾波器。環(huán)路濾波器的輸出電壓和輸入電壓之間可用現(xiàn)行微分方程來(lái)描述。在鎖相環(huán)路中的主要功能，是過(guò)濾誤差信號(hào)的高頻分量。環(huán)路的工作穩(wěn)定性，以及鎖定頻率的快慢與范圍，都與環(huán)路濾波器的特性有關(guān)。環(huán)路濾波器除了抑制參考信號(hào)頻率外，抑制噪聲的干擾也是其功能之一。</p><p><b>　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　3.1系統(tǒng)整體

82、設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本文介紹的無(wú)線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)，應(yīng)用AT89C51單片機(jī)控制無(wú)線數(shù)字傳輸芯片nRF401。通過(guò)無(wú)線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸，采用半雙工方式通信，在從單片機(jī)和主單片機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)，之間通過(guò)串口通信。系統(tǒng)框圖如圖3.1。</p><p><b>　　圖3.1 系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　本無(wú)線傳送系統(tǒng)

83、中，把AT89C51作為控制部分，這將使系統(tǒng)功能更加靈活。系統(tǒng)包括發(fā)射和接收兩部分。發(fā)射部分由鍵盤(pán)、AT89C51單片機(jī)控制、nRF401無(wú)線收發(fā)芯片以及LED數(shù)碼顯示器組成。接收部分由AT89C51單片機(jī)控制、nRF401無(wú)線收發(fā)芯片以及LED數(shù)碼顯示器組成。在本系統(tǒng)中，需對(duì)對(duì)每個(gè)從單片機(jī)定義一個(gè)地址。當(dāng)其中一個(gè)從單片機(jī)通過(guò)鍵盤(pán)輸入數(shù)值并且通過(guò)LED顯示器顯示出數(shù)據(jù)后，向主單機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，框圖如圖3.2所示，電路圖見(jiàn)附錄1，主單片機(jī)接

84、收到數(shù)據(jù)并把接收到的信息通過(guò)LED顯示器顯示出來(lái)。</p><p><b>　　無(wú)線收發(fā)模塊</b></p><p>　　圖3.2 從單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)框圖</p><p>　　3.2 無(wú)線收發(fā)芯片的選擇</p><p>　　由于無(wú)線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比較多，如何在設(shè)計(jì)中選擇所需要的芯片非常關(guān)鍵。正確選擇所需要的芯片可以使

85、開(kāi)發(fā)工作少走彎路，提高工作效率。</p><p>　?。?）數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a方式。如果采用曼徹斯特編碼的芯片則在編程上會(huì)有較高的要求，需要更多的內(nèi)存和空間，并且會(huì)大大降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，一般僅能達(dá)到標(biāo)稱速率的1/3。</p><p>　　（2）外圍元件數(shù)量。芯片外圍元件的數(shù)量決定了模塊的體積和重量，以及整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性，因此應(yīng)該選擇所需外圍元件少的芯片。</p><p&

86、gt;　?。?）功耗。由于無(wú)線收發(fā)芯片是應(yīng)用在測(cè)控系統(tǒng)上，因此功耗非常重要，應(yīng)該根據(jù)需要選擇綜合功耗較小的模塊。</p><p>　?。?）發(fā)射功率。在同等條件下，為了保證有效和可靠的通信，應(yīng)該選用發(fā)射功率較高的產(chǎn)品。</p><p>　　（5）收發(fā)芯片的封裝和管腳數(shù)。較少的引腳和較小的封裝，有利于減少印制電路的面積。</p><p>　　根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，本人選擇無(wú)線

87、收發(fā)nRF401。nRF401是一個(gè)為433MHz ISM頻段設(shè)計(jì)的真正單片機(jī)UHF無(wú)線收發(fā)芯片。在數(shù)據(jù)編碼方面，nRF401采用串口傳輸，無(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，應(yīng)用及編程非常簡(jiǎn)單，傳送的效率很高，標(biāo)稱速率就是實(shí)際速率。在控制芯片外圍元件的數(shù)量方面，nRF401也是一個(gè)較為理想的選擇，它的外圍元件僅需10個(gè)左右，無(wú)需聲表面濾波器、變?nèi)莨艿劝嘿F的元件，只需使用4MHz的晶體，收發(fā)天線合一，減少了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的難度。</p>

88、<p>　　當(dāng)然除了上述的優(yōu)點(diǎn)外，nRF401還具有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，抗干擾性能力強(qiáng)。在芯片內(nèi)同時(shí)集成了發(fā)射功率放大器、低噪聲放大器、晶體振蕩器、鎖相環(huán)、壓控振蕩器、混頻器等電路。其采用的是PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定度高。通過(guò)控制芯片外部引腳，可以使芯片隨時(shí)在發(fā)送模式和接收模式之間切換，無(wú)需進(jìn)行任何初始化設(shè)置。nRF401的最高工作速率可達(dá)20k,發(fā)射功率可以調(diào)整，最大為+10dBm。具備434.32M

89、H和433.92MHz兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)頻段，可以在兩個(gè)頻率之間自由切換。nRF401的電壓工作范圍在2.7--5.2V之間，可以適用不同的設(shè)計(jì)需要。芯片使用低功耗設(shè)計(jì)，最低工作電壓2.7V，支持待機(jī)模式，正常接收狀態(tài)下的功耗為250uA，發(fā)射狀態(tài)下的功耗為8mA，待機(jī)狀態(tài)下的功耗僅為8uA。在目前較為流行的無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片中，無(wú)論是從使用的方面性、傳輸速率還是輸出功率等各個(gè)方面的考慮，nRF401都是一種特別理想的選擇。</p>

90、;<p>　　3.3 nRF401無(wú)線模塊</p><p>　　3.3.1內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳功能</p><p>　　由于大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，很多的短距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)種的大部分功能都集成到一塊芯片內(nèi)部。本文所選的nRF401便是如此:所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經(jīng)全部集成在芯片內(nèi)部，芯片內(nèi)包含有發(fā)射功率放大器、低噪聲接收放大器、晶體振蕩器、鎖相環(huán)、壓控振蕩器、混頻器

91、等電路。采用晶體振蕩和PLL頻率合成技術(shù)，一致性良好，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如下圖3.3所示。</p><p>　　DOUT 混頻器</p><p>　　TXEB 低噪聲放大器 ANT1</p><p&g

92、t;　　FREQ ANT2</p><p><b>　　DIN</b></p><p><b>　　PWR-UP</b></p><p>　　xc1 xc2 FILT1

93、 VCO1 VCO2 RF-PWR</p><p>　　圖3.3 nRF401內(nèi)部框圖</p><p>　　芯片有2個(gè)工作頻道:434.33MHz和433.92MHz，適合需要多信道工作的特殊場(chǎng)合。工作電壓范圍為2.7V一5.25V，低功耗，具有待機(jī)模式，從而可以更省電、更高效。工作溫度為一25℃一85℃，能夠滿足大多數(shù)工作場(chǎng)合的需要。芯片可以直接與微控制器接

94、口，僅需外接一個(gè)晶體和幾個(gè)阻容、電感元件，即可構(gòu)成一個(gè)完整的射頻收發(fā)器，電路模塊尺寸較小，可方便地嵌入各種測(cè)量和控制系統(tǒng)中，廣泛應(yīng)用于報(bào)警和安全系統(tǒng)、無(wú)線通信、遙控裝置、工業(yè)控制和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。</p><p>　　nRF401芯片采用20腳SSOP小型貼片封裝，外形尺寸為7.40mm*5.00mm，引腳寬度為0.38mm，引腳中心間距僅為0.65mm。應(yīng)用電路如圖3.4。</p><p>

95、;　　圖3.4 nRF401應(yīng)用電路</p><p>　　其引腳功能描述如下：</p><p>　　XC1、XC2(引腳1、20）：這兩個(gè)引腳用于連接外部參考晶振，其中，XC1為晶振輸入，XC2為晶振輸出。</p><p>　　VDD(引腳2、8、13）：電源輸入腳，電壓范圍為2.7--5.25V。</p><p>　　VSS（引腳3、7、1

96、4、17）：電源地。</p><p>　　FILT1(引腳4）：濾波器接入端。</p><p>　　VCO1、VCO2(引腳5、6）：外接壓控振蕩電感。</p><p>　　DIN（引腳9）：發(fā)射數(shù)據(jù)輸入端，該引腳用于從單片機(jī)接收要發(fā)送的數(shù)據(jù)。</p><p>　　DOUT（引腳10）：接收數(shù)據(jù)輸出端，該引腳將無(wú)線接收到的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)。&l

97、t;/p><p>　　RF-PWR(引腳11）：發(fā)射功率設(shè)置。</p><p>　　CS（引腳12）：頻道選擇端。CS=0，芯片工作在頻道1，即433.92MHz頻道；CS=1，芯片工作頻道2，即434.33MHz。</p><p>　　ANT1、ANT2(引腳16、15）：天線接口。</p><p>　　PWR（引腳18）：低功耗控制。PWR=

98、1時(shí)，芯片處于正常工作狀態(tài)；PWR=0時(shí)，芯片為待機(jī)微功耗狀態(tài)。</p><p>　　TXEN（引腳19):工作模式切換。TXEN=1時(shí)，芯片為數(shù)據(jù)發(fā)射狀態(tài)；TEEN=0時(shí)，芯片為數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。</p><p>　　芯片具體工作狀態(tài)與控制引腳關(guān)系如表3.1所示。</p><p>　　表3.1 nRF401 工作模式設(shè)置 </p><p>　

99、　3.3.2應(yīng)用電路及設(shè)計(jì)應(yīng)注意問(wèn)題</p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中，微控制器采用Atmel公司的AT89C51，分別用單片機(jī)的P1口各管腳控制nRF401的DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS這五個(gè)腳即可。在nRF401芯片使用時(shí)，設(shè)定好工作頻率，進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，通過(guò)單片機(jī)根據(jù)需要進(jìn)行收發(fā)轉(zhuǎn)換控制，發(fā)送／接收數(shù)據(jù)或進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。nRF401芯片所需擴(kuò)展的外圍器件較少，僅需外接一個(gè)晶體和幾個(gè)阻容、電

100、感元件，即可構(gòu)成一個(gè)完整的射頻發(fā)生器。由于采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設(shè)計(jì)，使用無(wú)需申請(qǐng)?jiān)S可證，其開(kāi)闊地的理想使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000米，具體傳輸距離與使用環(huán)境及元件參數(shù)有關(guān)。</p><p>　　由圖3.4可見(jiàn)，nRF401芯片可以直接把DIN、DOUT接單片機(jī)串口發(fā)送接收數(shù)據(jù)，而無(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，其他的單片RF收發(fā)芯片一般都需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼后才能發(fā)送，不僅增加了編程的復(fù)雜性，而且傳輸效

101、率低，實(shí)際速率僅為標(biāo)稱的一半，不能滿足實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枰?。nRF401的電源開(kāi)關(guān)腳PWRUP、發(fā)射允許腳TXEN和通道選擇腳CS可以直接接至單片機(jī)I/O口進(jìn)行控制，具體工作狀態(tài)如表3.1所示。其不需要進(jìn)行設(shè)置，應(yīng)用及編程非常簡(jiǎn)單，可直接傳輸串口數(shù)據(jù)，傳送的效率很高，是一種能方便地與各種單片機(jī)配合使用的方案。 在實(shí)際的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，需要注意NRF401 狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)序問(wèn)題。</p><p>　　TX RX的切換<

102、;/p><p>　　當(dāng)從 RX轉(zhuǎn)到 TX模式時(shí)，數(shù)據(jù)輸入腳（DIN）必須保持為高至少 1ms 才能發(fā)送數(shù)據(jù)，時(shí)序如圖 3.5所示。當(dāng)從 TX轉(zhuǎn)到 RX 模式時(shí)，數(shù)據(jù)輸出腳（DOUT）要至少 3ms 以后又?jǐn)?shù)據(jù)輸出。如圖 3.5所示。 </p><p>　　Standby->RX的切換 </p><p>　　從待機(jī)模式到接收模式，當(dāng) PWR_UP 輸入設(shè)成 1 時(shí)，

103、經(jīng)過(guò) tST 時(shí)間后，DOUT 腳輸出數(shù)據(jù)才有效。對(duì) nRF401 來(lái)說(shuō)，tST 最長(zhǎng)時(shí)間是 3ms,如圖 3.6 所示。 </p><p>　　Standby->TX的切換 </p><p>　　從待機(jī)模式到發(fā)射模式，所需穩(wěn)定的最大時(shí)間是 tST，即2ms.。如圖 3.7 所示。</p><p>　　Power Up->TX 的切換 </p>

104、;<p>　　從加電到發(fā)射模式過(guò)程中，為了避免開(kāi)機(jī)時(shí)產(chǎn)生干擾和輻射，在上電過(guò)程中 TXEN 的輸入腳必須保持為低，以便于頻率合成器進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。當(dāng)由上電進(jìn)入發(fā)射模式時(shí)，TXEN必須保持 1ms 以后才可以往 DIN發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖 3.8 所示。</p><p>　　Power Up->RX 的切換 </p><p>　　從上電到接收模式過(guò)程中，芯片將不會(huì)接收數(shù)據(jù)，D

105、OUT 也不會(huì)有有效數(shù)據(jù)輸出，直到電壓穩(wěn)定達(dá)到 2.7V 以上，并且至少保持 5ms。如果采用外部振蕩器，這個(gè)時(shí)間可以縮短到3ms，如圖 3.9。</p><p>　　圖3.5 TX RX 的切換</p><p>　　圖3.6 Standby->TX的切換 圖3.7 Standby->RX的切換</p><p>　

106、　圖3.8 Power Up->TX 的切換 圖3.9 Power Up->RX 的切換 </p><p><b>　　3.3.3工作原理</b></p><p>　　在接收模式中，RF輸入信號(hào)被低噪聲放大器(LNA)放大，經(jīng)由混頻器(MIXER)變化，這個(gè)被變換的信號(hào)在送入解調(diào)器 (DEM)之前被放大和濾波，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)，

107、解調(diào)后的數(shù)字信號(hào)在DOUT端輸出。在發(fā)射模式中，壓控振蕩器 (VCO)的輸出信號(hào)是直接送入到功率放大器(PA)，DIN端輸入的數(shù)字信號(hào)被頻移鍵控后饋送到功率放大器輸出。由于們RF401采用了晶體振蕩和PLL合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好。</p><p>　　3.3.4天線的設(shè)計(jì)</p><p>　　一般而言，決定通信距離的因素有兩個(gè)：系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和電磁波的傳輸損耗。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍與兩個(gè)因素有關(guān)

108、：發(fā)射功率和接受靈敏度。動(dòng)態(tài)范圍=發(fā)射功率-接受靈敏度。</p><p>　　回波損耗主要由阻抗失真造成。高回波損耗有兩種負(fù)面效應(yīng)：一是信號(hào)反射回信號(hào)源會(huì)增加系統(tǒng)噪聲；二是因?yàn)檩斎胄盘?hào)的形狀發(fā)生了變化，任何反射信號(hào)基本上都會(huì)使信號(hào)質(zhì)量降低。因此，在射頻電路中需要做到良好的阻抗匹配，這樣可以減小功率損耗及系統(tǒng)發(fā)射干擾。天線是電磁波沿傳輸線路和在空間中進(jìn)行傳輸?shù)慕涌?，在通信路徑中非常重要。天線是無(wú)源器件，也是互易器件

109、，同一種設(shè)計(jì)既可以用作發(fā)射天線，也可以用作接收天線。在射頻電路中需要做到良好的阻抗匹配，這樣可以減小功率損耗及系統(tǒng)發(fā)射干擾。</p><p>　　因此無(wú)線接口設(shè)計(jì)為差分天線，ANT1和ANT2時(shí)接收時(shí)LNA的輸入，以及發(fā)送時(shí)功率放大器的輸出。在天線端推薦的負(fù)載阻抗是400歐姆。本文通過(guò)一個(gè)差分轉(zhuǎn)換匹配網(wǎng)絡(luò)連接到nRF401來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)50歐姆的單端天線。如圖3.10所示。圖中，180nH電感，要求自諧振頻率大于43