無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)畢業(yè)論文資料

無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)畢業(yè)論文資料,無(wú)線數(shù)據(jù),收發(fā),系統(tǒng),畢業(yè)論文,資料 1 引言 伴隨著短距離、低功率無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的成熟，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸被越來(lái)越多地應(yīng)用到新的領(lǐng)域。與有線通信方式相比，無(wú)線通信以其不需鋪設(shè)明線，使用便捷等一系列優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代通信領(lǐng)域占重要地位。 但以往的無(wú)線產(chǎn)品存在范圍和方向上的局限。例如，一些無(wú)線產(chǎn)品在使用時(shí)，無(wú)法將信息反饋給控制者；還有一些無(wú)線產(chǎn)品不能很好地顯示參數(shù)或狀態(tài)信息，如果能在系統(tǒng)中增加一塊小型液晶顯示電路，產(chǎn)品不僅能向用戶顯示其狀態(tài)或狀態(tài)的改變，而且可以大大降低成本。正如人們所發(fā)現(xiàn)的，只要建立雙向無(wú)線通信-雙工通信并且選擇成本低的收發(fā)芯片，就會(huì)出現(xiàn)許多新應(yīng)用。 本次設(shè)計(jì)主要是利用無(wú)線收發(fā)電路，加上單片機(jī)控制與液晶顯示制成一套完整的數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)。考慮到目前市場(chǎng)上的一些需求，設(shè)計(jì)的主要要求是方案成本低，體積小，低功耗，集成度高，盡量無(wú)需調(diào)外部元件，傳輸時(shí)間短，接口簡(jiǎn)單。nRF401是國(guó)外最新推出的單片無(wú)線收發(fā)一體芯片，它在一個(gè)20腳的芯片中包括了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制、多頻道切換等功能，并且外圍元件少，便于設(shè)計(jì)生產(chǎn)，功耗極低，集成度高，是目前集成度較高的無(wú)線數(shù)傳產(chǎn)品，它為低速率低成本的無(wú)線技術(shù)提出了解決方案。 2 無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng) 2.1 系統(tǒng)組成 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)三種。本系統(tǒng)由于實(shí)際應(yīng)用的需要，接收器和數(shù)據(jù)終端之間的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)nRF401進(jìn)行，構(gòu)成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)中，兩數(shù)據(jù)終端之間的無(wú)線通信采用433MHz的頻段作為載波頻率，收發(fā)通過(guò)串口通信。 無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)可以分為無(wú)線收發(fā)控制電路、單片機(jī)控制電路、顯示電路和按鍵電路四部分組成，系統(tǒng)原理如圖2-1所示： 液晶 顯示屏 單片機(jī)系統(tǒng) 無(wú)線收發(fā)器 按鍵 單片機(jī)系統(tǒng) 無(wú)線收發(fā)器 圖2-1 無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)原理圖 2.2 實(shí)現(xiàn)過(guò)程 當(dāng)我們需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，使用按鍵來(lái)輸入所需發(fā)送的信息。按鍵與單片機(jī)AT89S52的P3.2-P3.5口相接，單片機(jī)的 P1.0口控制信息的發(fā)送與接收，并且TXD端與收發(fā)器輸入端相連，通過(guò)TXD將數(shù)據(jù)傳入收發(fā)器，收發(fā)器接收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)FSK調(diào)制，將信號(hào)發(fā)送出去；接收端的收發(fā)器通過(guò)解調(diào)，將載波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，完成信息傳輸過(guò)程；收發(fā)器的輸出端通過(guò)RXD端將數(shù)字信號(hào)輸入到單片機(jī)；單片機(jī)將數(shù)據(jù)傳送到顯示器，這樣就完成了一次數(shù)據(jù)發(fā)送與接收并顯示的過(guò)程。 本系統(tǒng)采用的是半雙工傳送方式。 所謂半雙工就是通信的雙方均具有發(fā)送和接收信息的能力，信道也具有雙向傳輸性能，但是，通信的任何一方都不能同時(shí)既發(fā)送信息又接收信息，即在指定的時(shí)刻，只能沿某一個(gè)方向傳送信息。所以上述實(shí)現(xiàn)過(guò)程只介紹了由一方傳送到另一方的過(guò)程，而相反方向與其原理相同。無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)的電路圖見附錄3。 3 收發(fā)部分原理與設(shè)計(jì) nRF401是一種基于短程無(wú)線通信技術(shù)的芯片。收發(fā)部分采用nRF401芯片，其引腳DIN與單片機(jī)的TXD相連，需要發(fā)射的數(shù)字信號(hào)通過(guò)DIN輸入；引腳DOUT與單片機(jī)的RXD相連，解調(diào)出來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)DOUT輸出進(jìn)入單片機(jī)。 3.1 無(wú)線收發(fā)芯片nRF401介紹[1] 3.1.1 主要引腳功能 圖3-1 nRF401引腳圖 (1) 9腳及10腳分別是DIN輸入數(shù)字信號(hào)和DOUT輸出數(shù)字信號(hào)均為標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平信號(hào)，需要發(fā)射的數(shù)字信號(hào)通過(guò)DIN輸入，解調(diào)出來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)DOUT輸出。 (2) 12腳為通道選擇，F(xiàn)REQ =“0”為通道#1（433.92MHz），F(xiàn)REQ =“1”為通道#2（434.33MHz）。 (3) 18腳為電源開關(guān)，PWR_UP =“1”為工作模式，PWR_UP =“0”為待機(jī)模式。 (4) 19腳TXEN：高電平允許發(fā)送數(shù)據(jù)，低電平允許接收數(shù)據(jù)。 (5) ANT1、ANT2：天線接入端。 3.1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理 nRF401無(wú)線收發(fā)芯片的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-2所示：芯片內(nèi)包含有發(fā)射功率放大器（PA）、低噪聲接收放大器（LNA），晶體振蕩器（OSC），鎖相環(huán)（PLL），壓控振蕩器（VCO），混頻器（MIXER）等電路[2]。 圖3-2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖 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）變換，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)，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。由于采用了晶體振蕩器和PLL合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好。 3.1.3 特點(diǎn) nRF401是一個(gè)單片RF收發(fā)芯片，工作頻率為國(guó)際通用的數(shù)傳頻率433MHz；具有FSK調(diào)制和解調(diào)能力，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制應(yīng)用；采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好；最大發(fā)射功率達(dá)+10dBm，數(shù)據(jù)速率可達(dá)20kb/s；具有2個(gè)信號(hào)通道，適合需要多信道工作的特殊場(chǎng)合；工作電壓在+3～5V之間，最低工作電壓為2.7V；它還提供進(jìn)一步降低電流消耗的待機(jī)模式，接收待機(jī)狀態(tài)僅為8μA；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。nRF401接收機(jī)使用頻移鍵控(FSK)調(diào)制方式，改善了噪聲環(huán)境下的系統(tǒng)性能。與幅移鍵控(ASK)方式相比，這種方式的通信范圍更廣，特別是在附近有類似設(shè)備工作的場(chǎng)合。 3.2 FSK調(diào)制[3] 本系統(tǒng)中的nRF401是具備FSK調(diào)制的無(wú)線收發(fā)芯片。所謂FSK調(diào)制，就是頻移鍵控，又稱數(shù)字頻率調(diào)制，是數(shù)字通信調(diào)制方式的一種，由于其方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、抗噪聲和抗衰落性能較強(qiáng)以及解調(diào)不須恢復(fù)本地載波等優(yōu)點(diǎn)而在現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)的低、中速數(shù)據(jù)傳輸中得到廣泛得應(yīng)用。 3.2.1 產(chǎn)生原理 頻率鍵控法就是利用矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路，對(duì)于兩個(gè)不同的獨(dú)立頻率源進(jìn)行選通。它有兩個(gè)獨(dú)立的振蕩器，數(shù)字基帶信號(hào)控制開關(guān)，選擇不同頻率的高頻振蕩信號(hào)實(shí)現(xiàn)FSK調(diào)制。圖3-3為頻率鍵控法原理框圖。 圖3－3 頻率鍵控法原理框圖 以二進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制為例，當(dāng)數(shù)字信號(hào)為“1”時(shí)，正脈沖是控制門 1 接通，門 2 斷開，輸出頻率 f1 ；數(shù)字信號(hào)為“0”時(shí)，門 1 斷開，門 2 接通，輸出頻率 f2 。如果產(chǎn)生 f1，f2 的兩個(gè)震蕩器是互相獨(dú)立的，則輸出 2FSK 信號(hào)的相位是不連續(xù)的。震蕩器的頻率 f1，f2 可以直接是所需的載頻，也可以是低頻范圍通過(guò)混頻、倍頻方式搬移到載頻范圍。 3.2.2 FSK信號(hào)波形圖 已調(diào)信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為 （3.1） 圖3-4 2FSK信號(hào)的波形 3.3 時(shí)序參數(shù) nRF401有3種工作模式：接收模式（RX）、發(fā)射模式（TX）和等待模式（Standby）。工作模式可由2個(gè)引腳設(shè)定，分別是TXEN和PWR_UP。因此通過(guò)單片機(jī)控制nRF401的工作模式，使其在接收、發(fā)射、等待任一種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。 (1) TX?RX之間的切換 當(dāng)從RX?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（a）。當(dāng)從TX?RX模式時(shí)，數(shù)據(jù)輸出腳（DOUT）至少3ms以后有數(shù)據(jù)輸出，如圖3-5（b）。 PWR-UP PWR-UP DIN TXEN 4 RX to TX DOUT 4 RX to TX VDD 0 2 ms TX to RX VDD TXEN 0 2 ms (b) (a) 圖3-5 TX與RX轉(zhuǎn)換的時(shí)序圖 (2) Standby?RX 、Standby?TX的切換 從待機(jī)模式到接收模式，當(dāng)PWR_UP輸入設(shè)成1時(shí)，經(jīng)過(guò)tSR時(shí)間后，DOUT腳輸出數(shù)據(jù)才有效。對(duì)nRF401來(lái)說(shuō)，tSR最長(zhǎng)的時(shí)間是3ms，如圖（a）。 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，如（b）。 Std. by to TX TXEN Std. by to RX 4 0 2 4 2 ms ms DIN DOUT PWR-UP PWR-UP VDD VDD 0 (b) (a) 圖3-6 Standby?RX 、Standby?TX的時(shí)序圖 (3) Power Up?TX 、Power Up?RX的切換 從上電到發(fā)射模式過(guò)程中，為了避免開機(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)。 從上電到接收模式過(guò)程中，芯片將不會(huì)接收數(shù)據(jù)，DOUT也不會(huì)有數(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。 VDD=0 to RX VDD=0 to TX VDD PWR-UP DIN (a) 0 2 4 ms 0 2 4 6 ms (b) DOUT PWR-UP VDD 圖3-7 Power Up?TX 、Power Up?RX時(shí)序圖 3.4 應(yīng)用電路設(shè)計(jì) 3.4.1 電路組成 nRF401無(wú)線收發(fā)芯片的應(yīng)用電路[5]，如圖3-8所示： 圖3-8 nRF401的433Mhz應(yīng)用電路 (1) 輸入輸出 當(dāng)nRF401是接收模式時(shí)，ANT1和ANT2引腳端提供射頻輸入到低噪聲放大器（LNA）；當(dāng)nRF401為發(fā)射模式時(shí)，從功率放大器提供射頻輸出到天線。 (2) PLL環(huán)路濾波器 PLL環(huán)路濾波器，是一個(gè)單端二階濾波器，濾波器元件參數(shù)值：C3=820pF，C4=15nF，R2=4.7kW (3) VCO電感 芯片的VCO電路需要外接一個(gè)VCO電感，這個(gè)電感是非常關(guān)鍵的，需要一個(gè)高質(zhì)量的片式電感，Q值大于45，最大誤差±2%。 (4) 晶振電路 晶體振蕩器需要外接晶振，晶振的特性要求是：并聯(lián)諧振頻率f=4MHz，并聯(lián)等效電容C0<5pF，晶振等效串聯(lián)電阻RESR<150W，全部負(fù)載電容，包括印制板電容CL<14pF。負(fù)載電容CL如下式所示： （3.2） 式中和， 和是電路板的寄生電容。 (5) RF輸出功率 連接在RF_PWR端和VSS之間的電阻R3可以設(shè)置輸出功率，最大發(fā)射功率可以調(diào)整到+10dBm。 3.4.2 印刷電路板設(shè)計(jì) (1) nRF401電路的PCB板設(shè)計(jì)過(guò)程[9] 利用 Protel DXP 軟件設(shè)計(jì)制作nRF401無(wú)線收發(fā)電路部分，按本論文中的圖3-8所示。 ① 在Protel DXP 軟件中按照設(shè)計(jì)電路制作連接電路，并封裝電路。制作PCB板，設(shè)置布局范圍，加載網(wǎng)絡(luò)表和元件庫(kù)，自動(dòng)布局并做好調(diào)整電路，自動(dòng)布線過(guò)程，最后調(diào)整整個(gè)電路板，將其實(shí)現(xiàn) 3D 功能。 ② 查看模擬的 PCB 板后，實(shí)現(xiàn)制作[10]。 首先生成報(bào)表和網(wǎng)絡(luò)表，設(shè)置電路圖中已有的仿真模型的器件。在Protel DXP軟件中運(yùn)行電路仿真。并觀察記錄有關(guān)電路仿真過(guò)程中的波形圖。 再進(jìn)行對(duì)電路板 1：1的打印。 最后，將加工成形的 PCB 電路板打孔，并焊接元器件，實(shí)現(xiàn)nRF401應(yīng)用電路，檢測(cè)并調(diào)試其電路使之正常工作。nRF401應(yīng)用電路印刷電路板，如下圖所示： 圖3-9 應(yīng)用電路印制電路板圖 (2) PCB板設(shè)計(jì)要求 印刷電路板（PCB）的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到射頻性能，為了獲得較好的RF性能，PCB設(shè)計(jì)至少需要兩層板來(lái)實(shí)現(xiàn)，PCB分成射頻電路和控制電路兩部分布置。nRF401采用PCB天線，在天線的下面沒(méi)有接地層。射頻部分的電源與數(shù)字電路部分的電源分離。為了減少分布參數(shù)的影響，在PCB應(yīng)該避免長(zhǎng)的電源走線，所有元件地線，VDD連接線必須離nRF401盡可能的近。nRF401的電源必須經(jīng)過(guò)很好的濾波,并且與數(shù)字電路供電分離，在離電源腳VDD盡可能近的地方用高性能的電容去耦。PCB板頂層和底層最好敷銅接地，把這兩層的敷銅用較多的過(guò)孔緊密相連,再將VSS腳連接到敷銅面。所有開關(guān)信號(hào)和控制信號(hào)都不能經(jīng)過(guò)PLL環(huán)路濾波器元件和VCO電感附近。 4 控制部分原理 控制電路主要組成部分為單片機(jī)AT89S52，通過(guò)AT89S52與nRF401進(jìn)行串行通信，并用其控制nRF401的TXEN端，來(lái)調(diào)整收發(fā)狀態(tài)。AT89S52還控制液晶屏的顯示和按鍵等一些工作。 4.1 AT89S52功能介紹 AT89S52是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，片內(nèi)含8k bytes的可重復(fù)編程的Flash存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，1個(gè)全雙工串行通信口，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)。AT89S52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。 4.1.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu) AT89S52單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、并行I/O口、串行I/O口和中斷系統(tǒng)等幾大單元以及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線三大總線構(gòu)成。圖4-1為單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖[13]。 (1) 中央處理器 中央處理器(CPU)是整個(gè)單片機(jī)的核心部件，能處理8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。 (2) 程序存儲(chǔ)器 AT89S52共有8KB個(gè)E2PROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。 (3) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM） AT89S52內(nèi)部有128個(gè)8位用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和128個(gè)專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問(wèn)，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的RAM只有128個(gè)，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。 圖4-1內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 (4) 并行輸入輸出口 AT89S52共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于對(duì)外部數(shù)據(jù)的傳輸。 (5) 串行輸入輸出口 AT89S52內(nèi)置一個(gè)全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用。 (6) 定時(shí)/計(jì)數(shù)器 AT89S52有三個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)功能，并以其定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制。 (7) 中斷系統(tǒng) AT89S52具備較完善的中斷功能，有兩個(gè)外中斷、三個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有兩級(jí)的優(yōu)先級(jí)別選擇。 4.1.2 引腳功能 圖4-2 AT89S52芯片引腳圖 (1) 電源和晶振 VCC：供電電壓。 GND：接地。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。 (2) I/O口 ① P0口 P0口的字節(jié)地址為80H，位地址為80H～87H。P0口既可以作為通用I/O口使用，也可以作為單片機(jī)系統(tǒng)的地址/數(shù)據(jù)線使用。當(dāng)作為輸出口使用時(shí)，由于輸出電路是漏極開路，必須外接上拉電阻才能有高電平輸出。 ② P1口 P1口的字節(jié)地址為90H，位地址為90H～97H。P1口只能作為通用I/O口使用。當(dāng)作為輸出口使用時(shí)，已能對(duì)外提供推拉電流負(fù)載，外電路無(wú)需再接上拉電阻；當(dāng)作為輸入口使用時(shí)，應(yīng)先向其鎖存器寫入“1”，使輸出驅(qū)動(dòng)電路的FET截止。 ③ P2口 P2口的字節(jié)地址為0A0H，位地址為0A0H～0A7H。P2口用于為系統(tǒng)提供高位地址，但只作為地址線使用而不作為數(shù)據(jù)線使用。此外，P2口也可作為通用I/O口使用。 ④ P3口 P3口的字節(jié)地址為0B0H，位地址為0B0H～0B7H。P3口可以作為通用I/O口使用，但在實(shí)際應(yīng)用中它的第二功能信號(hào)更為重要。 P3口引腳的第二功能，如下所示： P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 T0（計(jì)時(shí)器0外部輸入） P3.5 T1（計(jì)時(shí)器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） (3) 4根控制線 ① RST：復(fù)位信號(hào)。保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，就可以完成CPU系統(tǒng)復(fù)位操作，使系統(tǒng)的一些單元內(nèi)容回到規(guī)定值。 ② /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。在讀外部ROM時(shí)，/PSEN有效（低電平），以實(shí)現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。 ③ /EA/VPP：訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。當(dāng)/EA信號(hào)為低電平時(shí)，對(duì)ROM的讀操作限定在外部程序存儲(chǔ)器；而當(dāng)/EA為高電平時(shí)，則對(duì)ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開始，并可延續(xù)至外部程序存儲(chǔ)器。 ④ ALE/PROG：地址鎖存控制信號(hào)。在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ALE用于控制P0口輸出的低8位地址送入鎖存器鎖存起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的分時(shí)傳送。此外由于ALE是以六分之一晶振頻率的固定頻率輸出的正脈沖，因此也可作為外部時(shí)鐘或外部定時(shí)脈沖使用。 4.2 串口通信 通信主要有兩種方式：并行通信和串行通信。并行通信是在傳送數(shù)據(jù)過(guò)程中每個(gè)字節(jié)的各位同時(shí)進(jìn)行傳送的通信方式，而串行通信[14]是指每個(gè)字節(jié)的各位分別進(jìn)行傳送的通信方式。 4.2.1 串口通信方式 AT89S52串行口可設(shè)置四種工作方式，可有8位、10位和11位幀格式。本系統(tǒng)中，AT89S52采用串行口工作于方式1，即每幀10位的異步通信格式：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位（低位在前），1位停止位。當(dāng)SM0=0，SM1=1時(shí)，串行口選擇方式1。其幀格式為： 停止 起始 D6 D7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 圖4-3 幀格式圖 4.2.2 串行通信控制寄存器 (1) 串行控制寄存器(SCON) SCON的地址為98H，用于選擇串行口的工作方式和指示串行口的工作狀態(tài)。 各位含義如下： ① SM0、SM1：串行口工作方式選擇位。 ② SM2：多機(jī)通信選擇位。 ③ REN：串行口允許接收位。‘1’時(shí)允許接收，‘0’時(shí)禁止接收。 ④ TI： 串行口發(fā)送中斷標(biāo)志位。在方式1中，于發(fā)送停止位之前，由硬件置位。因此TI=1，表示幀發(fā)送結(jié)束。 ⑤ RI： 串行口接收中斷標(biāo)志位。在方式1中，當(dāng)接收到停止位時(shí)，該位由硬件置位。RI=1，表示幀接收結(jié)束。 (2) 串行數(shù)據(jù)緩沖器(SBUF) 串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF的地址為99 H，用來(lái)存放需發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，它由兩個(gè)獨(dú)立的寄存器組成，一個(gè)是發(fā)送緩沖器，另一個(gè)是接收緩沖器，它們占用同一地址（99H）。當(dāng)執(zhí)行寫SBUF指令時(shí)，數(shù)據(jù)寫入到串行口發(fā)送緩沖器中，讀SBUF就是讀串行口接收緩沖器。 (3) 電源控制寄存器(PCON) PCON的地址為87H，該寄存器的最高位（SMOD）是串行口波特率的倍增位，當(dāng)SMOD=1時(shí)，串行口波特率加倍。系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，SMOD=0。 (4) 中斷允許寄存器（IE） 在IE中，ES位為串行中斷允許控制位。ES=0時(shí)禁止串行中斷，ES=1時(shí)允許串行中斷。 4.2.3 數(shù)據(jù)發(fā)送與接收 (1) 數(shù)據(jù)發(fā)送 在不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，TXD端保持高電平。當(dāng)執(zhí)行寫SBUF的指令時(shí)，便啟動(dòng)一次發(fā)送過(guò)程；發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先發(fā)送一個(gè)起始位，該位通知接收端開始接收，也使發(fā)送和接收過(guò)程同步。接下來(lái)發(fā)送8位數(shù)據(jù)，先發(fā)送低位，最后發(fā)送的是高電平的停止位。 (2) 數(shù)據(jù)接收 REN=1，CPU允許串行口接收數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)開始于檢測(cè)到RXD（P3.0）端發(fā)生一個(gè)“1”到“0”的跳變。先接收起始位，然后依次將采樣RXD端并將數(shù)據(jù)移入移位寄存器中。 若滿足條件RI=0且SM2=0或接收到停止位，則將前8位數(shù)據(jù)送入SBUF并置位RI；如果上述條件不滿足，則數(shù)據(jù)丟失。 (3) 波特率的設(shè)定 串口方式1的波特率是可變的，由定時(shí)器T1的溢出率決定： （4.1） 其中，SMOD為PCON寄存器最高位的值。 溢出率為溢出周期的倒數(shù)，假定計(jì)數(shù)初值為X，則計(jì)數(shù)溢出周期為 （4.2） 　　　　　　　　　　　　　 其中，fosc為晶振頻率。 則波特率計(jì)算公式為： （4.3） 由波特率算出計(jì)數(shù)初值，以便進(jìn)行定時(shí)器的初始化。初值X確定如下： （4.4） 5 顯示部分 HY-12864[12]是使用HD61202作為列驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)使用HD61203作為行驅(qū)動(dòng)器的液晶模塊，共有兩片HD61202和一片HD61203。由于HD61203不與MPU發(fā)生聯(lián)系，只要提供電源就能產(chǎn)生行驅(qū)動(dòng)信號(hào)和各種同步信號(hào)，比較簡(jiǎn)單，所以不做介紹。 HD61202是一種帶有列驅(qū)動(dòng)輸出的液晶顯示控制器，它可與行驅(qū)動(dòng)器HD61203配合使用，組成液晶顯示驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。 5.1 HD61202功能簡(jiǎn)介 5.1.1 特點(diǎn) (1) 內(nèi)藏64×64=4096位顯示RAM，RAM中每位數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)LCD屏上一個(gè)點(diǎn)的亮、暗狀態(tài)； (2) HD61202是列驅(qū)動(dòng)器，具有64路列驅(qū)動(dòng)輸出； (3) HD61202的占空比為1/32--1/64。 5.1.2 引腳功能 CS1,CS2：芯片片選端，CS1和CS2低電平選通； E：讀寫使能信號(hào)，在E下降沿，數(shù)據(jù)被鎖存（寫）入HD61202；在E高電平期間，數(shù)據(jù)被讀出； R/W: 讀寫選擇信號(hào)，R/W=1為讀選通，R/W=0為寫選通； RS：數(shù)據(jù)、指令選擇信號(hào)，RS=1為數(shù)據(jù)操作，RS=0為寫指令或讀狀態(tài)； DB0-DB7：數(shù)據(jù)總線； RST：復(fù)位信號(hào)，復(fù)位信號(hào)有效時(shí)，關(guān)閉液晶顯示，使顯示起始行為0，RST可跟MPU相連，由MPU控制；也可直接接VDD，使之不起作用。 5.2 HD61202的指令系統(tǒng) (1) 顯示開/關(guān)指令 R/W RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1/0 當(dāng)DBO=1時(shí)，LCD顯示RAM中的內(nèi)容；DBO=0時(shí)，關(guān)閉顯示。 (2) 顯示起始行（ROW）設(shè)置指令 R/W RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 1 1 顯示起始行（0-63） 該指令設(shè)置了對(duì)應(yīng)液晶屏最上一行的顯示RAM的行號(hào)，有規(guī)律的改變顯示起始行，可以使LCD實(shí)現(xiàn)顯示滾屏的效果。 (3) 頁(yè)（RAGE）設(shè)置指令 R/W RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 1 0 1 1 1 頁(yè)號(hào)（0-7） 顯示RAM共64行，分8頁(yè)，每頁(yè)8行。 (4) 地址（Y Address）設(shè)置指令 R/W RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 0 1 顯示列地址（0-63） 設(shè)置了頁(yè)地址和列地址，就唯一確定了顯示RAM中的一個(gè)單元，這樣MPU就可以用讀、寫指令讀出該單元中的內(nèi)容或向該單元寫進(jìn)一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。 (5) 狀態(tài)指令 R/W RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 1 0 BUSY 0 ON/OFF REST 0 0 0 0 該指令用來(lái)查詢HD61202的狀態(tài)，各參量含義如下： BUSY： 1-內(nèi)部在工作 0-正常狀態(tài) ON/OFF：1-顯示關(guān)閉 0-顯示打開 REST： 1-復(fù)位狀態(tài) 0-正常狀態(tài) 在BUSY和REST狀態(tài)時(shí)，除讀狀態(tài)指令外，其它指令均不對(duì)HD61202產(chǎn)生作用。 在對(duì)HD61202操作之前要查詢BUSY狀態(tài)，以確定是否可以對(duì)HD61202進(jìn)行操作。 (6) 數(shù)據(jù)指令 R/W RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 1 寫 數(shù) 據(jù) (7) 讀數(shù)據(jù)指令 R/W RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 1 1 讀 顯 示 數(shù) 據(jù) 讀、寫數(shù)據(jù)指令每執(zhí)行完一次讀、寫操作，列地址就自動(dòng)增1，必須注意進(jìn)行讀操作之前，必須有一次空讀操作，緊接著再讀才會(huì)讀出所要讀的單元中的數(shù)據(jù)。 5.3 顯示電路 在AT89S52的P3.6和P3.7口接入四-二輸入與非門芯片74LS00來(lái)控制顯示器的讀寫使能信號(hào)端；顯示器的8根數(shù)據(jù)總線接在AT89S52的P0口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；在顯示器的V0口接一電位器，由于液晶的對(duì)比度會(huì)隨著溫度的變化而相應(yīng)變化，所以加電位器可以調(diào)節(jié)液晶的對(duì)比度。 圖5-1 收發(fā)系統(tǒng)顯示電路 6 軟件設(shè)計(jì) 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸主要由無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器、AT89S52單片機(jī)、顯示器和按鍵組成，收發(fā)器與AT89S52間用串行口通信。整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)部分都是服務(wù)于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸這個(gè)目的。所以，在整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸是最為重要的。這里使用匯編語(yǔ)言編寫單片機(jī)控制程序。控制系統(tǒng)CPU采用AT89S52單片機(jī)，nRF401芯片發(fā)射/接收模式由程序控制，當(dāng)有控制發(fā)送的按鍵按下時(shí)，nRF401為發(fā)射狀態(tài)，其余的時(shí)候nRF401始終處于接收狀態(tài)。DOUT、DIN分別和單片機(jī)的RXD和TXD端相連，作為發(fā)射和接收時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸。TXEN和P1.0端相連，由單片機(jī)的P1.0端對(duì)其發(fā)射還是接收進(jìn)行程序控制。 6.1 主程序流程圖 當(dāng)單片機(jī)上電開始執(zhí)行之后，對(duì)液晶和單片機(jī)寄存器進(jìn)行初始化，同時(shí)設(shè)置串口控制字及波特率，接著進(jìn)入鍵盤掃描程序和接收程序。若有某個(gè)按鍵按下，則執(zhí)行相應(yīng)的鍵盤子程序；若單片機(jī)判斷接收到數(shù)據(jù)，則開始進(jìn)行CRC校驗(yàn)[14]，如果數(shù)據(jù)正確就通過(guò)液晶顯示傳送的信息。主程序流程圖見圖6-1。 開始 初始化 設(shè)置串口工作方式 N Y N N 判斷是否有按鍵按下 執(zhí)行相應(yīng)的程序 判斷是否接收到數(shù)據(jù) CRC校驗(yàn)是否正確 數(shù)據(jù)處理 送入顯示 掃描鍵盤，同時(shí)判斷是否有數(shù)據(jù)接收 Y Y 圖6-1 主程序流程圖 6.2 液晶顯示子程序流程圖 液晶顯示模塊HY-12864內(nèi)有一個(gè)忙標(biāo)志位ACC.7，它反映了控制器HD61202內(nèi)部運(yùn)行時(shí)序狀態(tài)。當(dāng)ACC.7＝1時(shí)，表示內(nèi)部操作正在運(yùn)行，不能接受外部數(shù)據(jù)；當(dāng)ACC.7＝0時(shí)，表示已準(zhǔn)備好接收，可以隨時(shí)接收單片機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)和命令，這是HY-12864向單片機(jī)發(fā)出的唯一聯(lián)絡(luò)信號(hào)。液晶顯示子程序流程圖見圖6-2。 入口 對(duì)HY-12864初始化 寫入顯示設(shè)置命令 ACC.7=0？ 延時(shí)1ms 獲得顯示RAM地址 Y N 延時(shí)1ms 檢測(cè)忙信號(hào) 寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)顯示完畢 返回主程序 圖6-2 液晶顯示子程序流程圖 6.3 數(shù)據(jù)收發(fā)子程序流程圖 單片機(jī)AT89S52控制nRF401的收發(fā)狀態(tài)、完成編解碼等工作。nRF401芯片 “PWR-UP” 端接高電平,“FREQ” 端接低電平，分別表示系統(tǒng)在上電后始終處于 “正常工作模式”和“工作頻道為通道1”。單片機(jī)AT89S52控制nRF401，使其一直為接收狀態(tài)。當(dāng)按鍵4按下時(shí)，AT89S52接收到輸入的低電平信號(hào)，從腳送出高電平至P1.0腳，使nRF401進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)。數(shù)據(jù)收發(fā)子程序流程圖見圖6-3。 入口 置nRF401為接收狀態(tài) 判斷按鍵4是否按下 置nRF401為發(fā)射狀態(tài) 數(shù)據(jù)發(fā)射 Y N 鍵盤掃描 圖6-3 數(shù)據(jù)收發(fā)子程序流程圖 6.4 鍵盤子程序流程圖 下圖為鍵盤子程序流程圖，此流程圖的含義是：當(dāng)有按鍵按下時(shí)，程序開始進(jìn)行判斷是哪個(gè)按鍵按下，判斷完畢后則轉(zhuǎn)向相應(yīng)的鍵處理子程序，進(jìn)行字符的輸入或命令的處理，并通過(guò)按鍵4把要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)編碼，再把編碼后的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。 有按鍵按下 判斷是哪個(gè)按鍵按下 按鍵1 按鍵4 按鍵3 按鍵2 CRC校驗(yàn)發(fā)送數(shù)據(jù) 清零 選擇要發(fā)送的數(shù)據(jù) 將要顯示的數(shù)據(jù) 移位 圖6-4 鍵盤子程序流程圖 7 測(cè)試結(jié)果及分析 7.1 硬件電路測(cè)試 本設(shè)計(jì)中將控制模塊和無(wú)線射頻模式分開設(shè)計(jì)，控制模塊通過(guò)一只單排7腳的接口控制射頻模塊，測(cè)試的步驟如下： (1) 將控制模塊和無(wú)線射頻模塊焊好，檢查確認(rèn)無(wú)虛焊、粘焊； (2) 先對(duì)控制模塊上電進(jìn)行測(cè)試，主要是測(cè)試控制模塊的串口能否收發(fā)數(shù)據(jù)，測(cè)試方法是將控制模塊的串口與PC機(jī)的串口通過(guò)RS232標(biāo)準(zhǔn)相連接，并將串口的程序?qū)懙紸T89S52上，然后用串口測(cè)試軟件測(cè)試，如果串口能收發(fā)數(shù)據(jù)，便可開始對(duì)無(wú)線射頻模塊進(jìn)行測(cè)試； (3) 將無(wú)線收發(fā)模塊與控制模塊連接起來(lái)，上電進(jìn)行測(cè)試，按照程序，上電時(shí)處于接收狀態(tài)，看是否與程序吻合； (4) 確認(rèn)射頻模塊上電處于接收狀態(tài)后，可測(cè)試nRF401的第4管腳是否為1.1V左右，如果是，則說(shuō)明VCO電感設(shè)計(jì)合理，否則要重新設(shè)計(jì)PCB板，此外，nRF401在沒(méi)有數(shù)據(jù)接收時(shí),仍會(huì)自動(dòng)從DOUT發(fā)送隨機(jī)數(shù)據(jù)，使用萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)試時(shí)，該引腳電壓應(yīng)為2.5V左右。 7.2 系統(tǒng)測(cè)試 7.2.1 測(cè)試方法 (1) 首先讓電路正常工作，把接收器放在一定的位置，將發(fā)射器從遠(yuǎn)處逐漸靠近接收器，可測(cè)到傳送的最遠(yuǎn)距離。 (2) 在距離接收器一定的距離時(shí)，間隔一段時(shí)間就發(fā)送數(shù)據(jù)信息，可測(cè)出接收器的接收靈敏度。 (3) 比較發(fā)射器和接收器的數(shù)據(jù)顯示是否相同，以測(cè)試傳輸數(shù)據(jù)的正確性。 7.2.2 功能測(cè)試及分析 由于無(wú)線通信環(huán)境的不確定性，各種環(huán)境下的傳輸效果是不盡相同的，路徑損耗、建筑物影響、人體影響、外界干擾、多徑現(xiàn)象和周圍環(huán)境的吸收等都會(huì)對(duì)傳輸?shù)木嚯x產(chǎn)生一定的影響，只能在一個(gè)給定的條件下進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估。因此，分別選擇了不同的試驗(yàn)場(chǎng)地來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 (1) 當(dāng)建筑物很多的時(shí)候，數(shù)傳模塊兩端均離地面1.5m（2.0m）高時(shí)，能夠達(dá)到的最佳通信距離為5～10m；接收靈敏度為2～3秒；當(dāng)發(fā)送端發(fā)送MESSAGE時(shí)，接收端能準(zhǔn)確顯示MESSAGE這段英文字符。 (2) 在空曠場(chǎng)地，數(shù)傳模塊兩端均離地面1.5m高時(shí)，最遠(yuǎn)的通信距離能夠達(dá)到50m；接收靈敏度為3～5秒；當(dāng)發(fā)送端發(fā)送字母A時(shí)，接收端能準(zhǔn)確顯示。 但測(cè)試中的通信距離與數(shù)據(jù)手冊(cè)上的說(shuō)明相差較大，原因可能源于調(diào)諧天線。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有人員走動(dòng)或其它信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)候，通信的距離會(huì)變得不穩(wěn)定，這是由于天線是一個(gè)輻射器件，任何環(huán)境的改變都會(huì)影響天線的性能。 測(cè)試中還發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)場(chǎng)即使沒(méi)有任何發(fā)送器，在nRF401的DOUT引腳上也會(huì)觀察到微小的連續(xù)數(shù)字“噪聲”。后來(lái)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)接收器打開時(shí)，環(huán)境中的任何信號(hào)（數(shù)據(jù)或噪聲）都會(huì)被天線捕捉到并被解調(diào)。這就是所看到的系統(tǒng)中沒(méi)有工作的發(fā)送器卻存在“噪聲”的原因。 通過(guò)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸能力的測(cè)試，該系統(tǒng)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)正確、可靠，各元件工作正常。在硬件連接正確的基礎(chǔ)上，利用nRF401進(jìn)行串行數(shù)據(jù)接收及發(fā)送，收到了較好效果。 8結(jié)論 此次設(shè)計(jì)將應(yīng)用于無(wú)線通信領(lǐng)域，并且針對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上無(wú)線產(chǎn)品的不足進(jìn)行了改進(jìn)。本文根據(jù)nRF401的特點(diǎn)，提出了一種將其應(yīng)用無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。此方案采用了較完善的軟硬件設(shè)計(jì)和抗干擾措施，保證了系統(tǒng)工作的安全性和可靠性，是一種較好的設(shè)計(jì)思路，具有通用性，便于投入實(shí)際應(yīng)用。并且只要稍作改動(dòng)就可以應(yīng)用到小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)讀表、警報(bào)和安全系統(tǒng)、無(wú)線鍵盤、無(wú)線操縱桿、家庭自動(dòng)化、遙測(cè)和玩具等其他一些短距離無(wú)線通信領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)的雙向傳輸，具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。 參考文獻(xiàn) [1] 黃智偉.無(wú)線數(shù)字收發(fā)電路設(shè)計(jì)，第2版，電子工業(yè)出版社，2004年，253-269. 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