單工無線呼叫及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

摘要：本文基于ATMEGA16L單片機實現(xiàn)一個具有單工語音和數(shù)據(jù)傳輸功能的無線呼叫系統(tǒng)。通過編碼電路、單片調(diào)頻發(fā)射電路和高頻功放電路實現(xiàn)主站的語音及數(shù)據(jù)發(fā)送；通過解碼電路、調(diào)頻解調(diào)和語音功放電路實現(xiàn)從站的語音及數(shù)據(jù)接收。編碼和解碼用MSK調(diào)制方式的調(diào)制解調(diào)芯片MSM6882實現(xiàn)；主從機的顯示電路采用LCD液晶顯示，輸入電路則采用PS2鍵盤掃描。

一、概述

目前，無線語音和數(shù)據(jù)通信的應用領域不斷擴大，應用形式也趨于多樣化。如移動通信系統(tǒng)、智能交通系統(tǒng)、遠程控制網(wǎng)絡等。本設計完成了一個單工無線呼叫系統(tǒng)，實現(xiàn)主站至多個從站的單工語音及數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務。主站傳送一路語音信號或短信，其發(fā)射頻率為36MHz,發(fā)射峰值功率可調(diào)，實現(xiàn)小功率遠距離發(fā)射，可選擇對任一從站的呼叫或廣播功能。短信發(fā)送和接收采用黑白屏LCD顯示，支持中文字符顯示，支持圖形方式顯示，支持高速率自動屏幕刷新，帶有冷背光功能，可以在黑暗中查看屏幕，界面友好。

能方便的應用于短距離通信，如小區(qū)通信或辦公通信或廣播系統(tǒng)。稍加改進即可完成半雙工和雙工通信，擴大其應用范圍。

二、系統(tǒng)設計

本設計分為數(shù)據(jù)編碼與解碼模塊、無線發(fā)射模塊、無線接收模塊和控制模塊。數(shù)據(jù)編碼與解碼模塊采用最小頻移鍵控（MSK）調(diào)制方式，數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器芯片MSM6882與控制部分串口通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在數(shù)字信號與模擬信號之間的相互轉(zhuǎn)換。無線發(fā)射模塊采用MC2833單片調(diào)頻電路。無線接收模塊由MC3362二次變頻解調(diào)電路完成?？刂撇糠植捎脝纹瑱CATmega16L完成，進行數(shù)據(jù)通道的選擇控制、呼叫地址和方式的控制、鍵盤的輸入控制和數(shù)據(jù)的顯示和存儲功能。系統(tǒng)框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)整體框圖

三、系統(tǒng)硬件設計

1、無線發(fā)射模塊的設計

本設計的發(fā)射部分以MOTOROLA公司生產(chǎn)的MC2833單片調(diào)頻發(fā)射集成電路為核心，它由話筒放大器、可變電抗器、射頻振蕩器、輸出緩沖器以及兩個輔助晶體管構成。具體電路如圖2所示：

由于本系統(tǒng)工作在36MHz的頻率點， 我們用12MHz晶體作為基波晶體，L1用于補償調(diào)制器的電抗和對輸出頻率進行微調(diào)，取4.7uH.調(diào)制信號從3腳加入進行頻率調(diào)制。振蕩器輸出頻率經(jīng)緩沖放大和外部選頻網(wǎng)絡三次倍頻后，再經(jīng)內(nèi)部Q1、Q2放大器由9腳輸出。即輸出射頻為36MHz.LC選頻網(wǎng)絡的參數(shù)可由計算求得。

如果要加大發(fā)射功率，可選用AD公司研制的低噪聲，高頻帶寬度，穩(wěn)定性好的可變增益運放AD603.

2、無線接收模塊的設計

無線接收機的功能是能成功解調(diào)出所需的信號。

同時接收機的設計還要考慮把成本降到最低和功耗降到最小。Motorola 公司推出的單片集成調(diào)頻接收芯片MC3362,具有噪聲低、功耗小、鏡像選擇性好、動態(tài)范圍寬的特點。MC3362芯片含有二次變頻的所有電路，其工作電壓可在2.0V-6.0V較寬范圍內(nèi)。工作原理是天線接收到的RF信號經(jīng)輸入匹配回路放大輸出后，再和第一本振信號在片內(nèi)第一混頻器中混頻，變頻到10.7 MHz,并經(jīng)接于19端的陶瓷濾波器濾波，送至第二混頻器的輸入端（18端）， 第一混頻器輸出的10.7MHz和第二本振的10.245 MHz信號，在片內(nèi)進行第二混頻，得到455 kHz的第二中頻信號，并經(jīng)接于5端的455 kHz陶瓷濾波器選頻后接到限幅器，經(jīng)限幅和和移相乘積鑒頻后得到的音頻信號在13端上輸出。14、15端中間接有一個比較器，用以檢測FSK調(diào)制的過零點。解調(diào)以后的數(shù)據(jù)信號在l5端輸出。

第一本振頻率為36M-10.7M=25.3M,由LC振蕩回路組成，在精度要求高的情況下采用鎖相環(huán)電路；第二本振頻率為10.7M-0.455M=10.245M,由外接晶體和振蕩電容構成，通過改變振蕩電容可調(diào)節(jié)第二本振頻率。

12腳接的中周進行調(diào)諧。具體電路如圖3所示。

3、編碼與譯碼模塊的設計

調(diào)制解調(diào)器的調(diào)制方式主要有頻移鍵控（ FSK）、相對相移鍵控（DPSK）等，其中最小頻移鍵控（MSK）調(diào)制方式是FSK方式中較好的一種。我們采用了日本OKI公司生產(chǎn)的MSK（最小頻移鍵控）編碼調(diào)制解調(diào)芯MSM6882.該器件內(nèi)含接收、發(fā)送和時鐘產(chǎn)生電路，且數(shù)據(jù)傳輸波特率可在1200bps和2400bps中選擇。芯片集成了調(diào)制解調(diào)兩種功能，且采用模擬串口的數(shù)據(jù)傳送方式，內(nèi)部自帶時鐘，單片機資源占用少，接口設計容易，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。

在本次設計中，使用3.6864MHz的晶振，考慮到數(shù)據(jù)傳輸量較小，無線信道易受到干擾，為了保證正確傳輸所以數(shù)據(jù)傳輸波特率選用1200bps.在這個模式下MSM6882的ST引腳產(chǎn)生1.2kHz的方波，在上升沿鎖存SD引腳的數(shù)據(jù)，并進行調(diào)制。將1調(diào)制為1.2kHz的正弦波，將0調(diào)制為1.8kHz的正弦波。在接收從站，我們使用與主站相對應的模式以使數(shù)據(jù)能夠正確接收，從Ai引腳輸入調(diào)制信號，數(shù)據(jù)從RD輸出，引腳RT輸出。

1.2kHz的方波作為接收同步時鐘，在下降沿輸出數(shù)據(jù)。MSM6882的應用接線圖和原理圖如圖4、5所示。

四、軟件設計

本設計采用Atmel公司的mega16L單片微處理器，內(nèi)部集成了十位的A/D轉(zhuǎn)換器，1KB的片內(nèi)RAM.流水線工作方式，指令執(zhí)行速率快。內(nèi)部資源豐富，方便輸入輸出數(shù)據(jù)。算術運算功能強、軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制。使用8MHz時鐘頻率能夠滿足本次1.2kbs的數(shù)據(jù)傳輸和處理的要求。軟件開發(fā)平臺采用CodeVisionAVR ,使用C語言，用AVR Studio 4進行軟件調(diào)試。程序主要包括鍵盤和液晶的驅(qū)動，EEPROM的存儲，發(fā)送和接收，校驗和防干擾。

程序框圖如下所示：

圖6 發(fā)射機流程圖

圖7 接收機流程圖

發(fā)送端啟動模擬通道后， 將液晶復位并初始化MSM6882.語音業(yè)務則關閉數(shù)字調(diào)制器，若為數(shù)據(jù)短信，則啟動數(shù)字調(diào)制和鍵盤解碼，通過液晶可顯示編輯的信息和發(fā)送模式，既可選擇任一從站， 也可進行廣播， 確認后經(jīng)發(fā)送鍵發(fā)送。為了方便應用， 短信內(nèi)容將寫入ATMEGA16L的EEPROM中進行保存，每次上電復位后都可以調(diào)出EEPROM中的數(shù)據(jù)。

接收端與發(fā)射端以相同模式進行接收， 初始化后， 經(jīng)地址識別判斷業(yè)務后， 若為語音則打開揚聲器， 若為短信則進入接收中斷服務程序： 在接收同步時鐘的下降沿接收數(shù)據(jù)， 從同步碼后一位開始接收并保存， 當接受完一幀數(shù)據(jù)經(jīng)校驗無誤后進行顯示。若校驗有誤則跳出該子程序， 繼續(xù)執(zhí)行其它程序。

五、結果分析

本設計采用ATMEGA16單片機實現(xiàn)外圍電路簡單實用，抗干擾性能強，能準確傳輸語音和數(shù)據(jù)信號的系統(tǒng)。經(jīng)測試后語音和數(shù)據(jù)可在發(fā)射功率為3mW時能準確的傳輸10米以上，可尋呼任意從站或廣播，且本設計掉電后仍有記憶存儲功能，并可實現(xiàn)功率在20mW范圍內(nèi)可調(diào)。本設計的創(chuàng)新點在于用單片數(shù)字調(diào)制解調(diào)芯片完成了數(shù)據(jù)傳輸，并實現(xiàn)了語音小功率遠距離傳輸。