基于C8051F系列單片機的無線收發(fā)電路設(shè)計

     摘要：基于幅移鍵控技術(shù)ASK（Amplitude-Shift Keying），以C8051F340單片機作為監(jiān)測終端控制器，C8051F330D單片機作為探測節(jié)點控制器，采用半雙工的通信方式，通過監(jiān)控終端和探測節(jié)點的無線收發(fā)電路，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向無線傳輸。收發(fā)電路采用直徑為0.8 mm的漆包線自行繞制成圓形空心線圈天線，天線直徑為（3.4±0.3）cm。試驗表明，探測節(jié)點與監(jiān)測終端的通信距離為24 cm，通過橋接方式，節(jié)點收發(fā)功率為102 mW時，節(jié)點間的通信距離可達20 cm。與傳統(tǒng)無線收發(fā)模塊相比，該無線收發(fā)電路在受體積、功耗、成本限制的場合有廣闊的應用前景。

　　0 引言

　　數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)是現(xiàn)代測量儀器的基礎(chǔ)。在工業(yè)測控、醫(yī)療監(jiān)護和實驗研究中得到廣泛應用。當數(shù)據(jù)采集點處于非固定位置或運動狀態(tài)時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須與主機分離。同時還需利用電池供電。因此，由無線收發(fā)電路或模塊組成的數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)是有效的解決方式。比較典型的無線收發(fā)電路或模塊有采用2.4 GHz通信頻率的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點，433／868／915 MHz通信頻率的遙控模塊及數(shù)傳模塊、900／1 800 MHz通信頻率的GSM模塊，但現(xiàn)有的無線收發(fā)電路或模塊易造成系統(tǒng)體積過大、功耗偏高，不能完全滿足采用電池供電的便攜式監(jiān)測系統(tǒng)的需要，尤其是需要大規(guī)模、密集型部署，僅需要近距離通信的場合，傳統(tǒng)的無線通信模塊容易造成網(wǎng)絡(luò)通信的阻塞、縮小網(wǎng)絡(luò)的容量、增加節(jié)點的功耗、縮短節(jié)點的壽命。

　　這里給出以C8051F340單片機作為監(jiān)測終端控制器，C8051F330D單片機作為探測節(jié)點控制器，通過漆包線自行繞制圓形空心天線，分別構(gòu)成監(jiān)控終端和探測節(jié)點的無線收發(fā)電路，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸功能。

　　1 硬件電路設(shè)計

　　該系統(tǒng)主要由監(jiān)測終端、探測節(jié)點和天線等組成，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1中，液晶顯示器是處于調(diào)試需要，連接至監(jiān)測終端，用以顯示探測節(jié)點的編號、所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)等信息。收發(fā)電路均采用直徑為0.8mm的漆包線自行繞制成圓形空心線圈天線，直徑為(3.4±0.3)cm。

圖1 無線收發(fā)電路硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　1．1 發(fā)射電路

　　監(jiān)測終端與探測節(jié)點的硬件電路相似，監(jiān)測終端通過液晶顯示探測節(jié)點的編號、所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)等信息并通過5 V開關(guān)電源供電。而探測節(jié)點則沒有液晶顯示器，通過2節(jié)普通干電池構(gòu)成3 V電源供電。發(fā)射電路使用單片機PCA寄存器產(chǎn)生3 MHz的振蕩頻率，直接控制LC諧振線圈進行振蕩。C8051F330D單片機具有睡眠模式，可降低節(jié)點電路的功耗，其內(nèi)部的編程計數(shù)器陣列(PCA0)提供增強的定時器功能，與標準8051的計數(shù)器／定時器相比，不占用額外的CPU資源。使用PCA0產(chǎn)生3 MHz的載波頻率，以推挽方式輸出，增大后級諧振回路的發(fā)射功率。

　　1．2 接收放大電路設(shè)計

　　使用AD8656雙運放芯片組成接收放大電路。該運放適合+2．7～+5．5 V電源電壓供電，是具有低噪聲性能的精密雙運算放大器。AD8656型CMOS放大器在滿共模電壓(VCM)范圍內(nèi)提供250 mV精密失調(diào)電壓最大值，且在10 kHz處提供低電壓噪聲譜密度和0．008％的低真，無需外部三極管增益級或多個并行的放大器以減小系統(tǒng)噪聲。通過干電池提供3V單電源供電，接收放大電路如圖2所示。放大電路由AD8656進行兩級放大，抵消線圈所感應到的信號電壓幅值因距離的增加而產(chǎn)生的衰減，放大所接收到的微弱信號，增加無線傳輸距離。系統(tǒng)接收電路經(jīng)D8656放大后的輸出電壓輸至單片機進行A／D轉(zhuǎn)換，對數(shù)據(jù)進行編解碼，而未采用檢波解調(diào)電路，可有效簡化電路結(jié)構(gòu)。

圖2 AD8656接收放大電路圖

　　2 電路參數(shù)確定

　　2．1 發(fā)射電路設(shè)計計算

　　發(fā)射電路通過單片機片內(nèi)PCA進行控制，采用單片機內(nèi)部12 MHz晶振，使用頻率輸出方式在單片機CEXn引腳產(chǎn)生頻率可編程的方波，所產(chǎn)生的方波的頻率由式(1)確定。

　　為產(chǎn)生3 MHz頻率，計算得PCA0CPHn=0x02，對單片機頻率進行四分頻，因此可通過單片機軟件設(shè)置寄存器PCA0的值在PCA0口產(chǎn)生3 MHz載波信號。

　　2．2 接收電路設(shè)計計算

　　接收放大電路如圖2所示，通過調(diào)節(jié)電容VC1調(diào)整接收諧振頻率。發(fā)射電路頻率為3MHz，所繞制的線圈電感值通過儀器測量為1.8～1.85 μH，通過式(2)計算所需的諧振電容

　　計算得C=1 501～1 543 pF，選用瓷片電容152電容和100 pF可調(diào)電容并聯(lián)接入電路。

　　利用R1、R2對正相輸入端加入一偏置電壓Vr，使放大器放大電路工作。其值通過式(3)計算。

　　R3、R4控制電路的放大倍數(shù)，令R3=1 kΩ，R4=10 kΩ，則第一級對交流信號的放大倍數(shù)Av=R4／R3=10。為了防止信號被濾除，第二級使用反相放大電路，偏置電壓不變，而增益為Av=R8／R7=5。由上述計算可知，接收信號通過運放后，總增益達到50倍，信號最大峰峰值達到2．8 V，最小峰峰值達到0．3 V，通過單片機進行A／D轉(zhuǎn)換，判斷信號的有無。

　　3 軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)通過單片機片內(nèi)的A／D轉(zhuǎn)換功能直接對經(jīng)過放大后的正弦信號進行轉(zhuǎn)換。連續(xù)檢測100次，取得峰值和谷值，然后計算信號的峰峰值。由于測得噪聲電平在0．15 V左右。所以當信號峰峰值大于0．3 V時，可看作已接收到信號，并通過均值濾波的方法降低誤碼率。

　　發(fā)送數(shù)據(jù)時，先發(fā)一個脈沖，隨后在1．2ms內(nèi)發(fā)送一個有效位，之后維持3．6 ms的低電平。連續(xù)發(fā)送8次即一個字節(jié)后，再保持約18 ms的低電平，準備發(fā)送下一個字節(jié)。

　　接收信號時，通過判斷低電平的時間確定是否準備發(fā)送有效數(shù)據(jù)，當?shù)碗娖匠^9 ms時，啟動接收程序。檢測到脈沖后，延遲1．2 ms開始讀取數(shù)據(jù)，連續(xù)讀8次后，把一個字節(jié)保存起來。時序圖如圖3所示。

圖3 通信協(xié)議時序圖

　　采用軟件編程實現(xiàn)ASK調(diào)制功能，發(fā)射流程圖和接收流程圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 發(fā)射流程圖

圖5 接收流程圖

　　4 結(jié)論

　　通過探測節(jié)點向監(jiān)測終端發(fā)送數(shù)據(jù)，當監(jiān)測終端液晶屏指示“接收成功”時，表明在該距離下可以進行通信，不斷增大節(jié)點線圈與終端線圈之間的距離直到不能正常接收數(shù)據(jù)為止。測試表明，有效通信距離可以達到24 cm。在探測節(jié)點通過橋接的方式與監(jiān)測終端正常通信時，測得橋接節(jié)點的平均功耗約為102 mW，而探測節(jié)點間的平均橋接距離約為20 cm。

　　與傳統(tǒng)無線收發(fā)模塊相比。在需要大規(guī)模、密集型部署、近距離無線通信，并且電路體積、功耗、成本受限制的場合，基于C8051F系列單片機的無線收發(fā)電路有廣閼的應用前景。