基于C8051F系列單片機(jī)的無(wú)線收發(fā)電路設(shè)計(jì)
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數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)是現(xiàn)代測(cè)量?jī)x器的基礎(chǔ)。在工業(yè)測(cè)控、醫(yī)療監(jiān)護(hù)和實(shí)驗(yàn)研究中得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)處于非固定位置或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須與主機(jī)分離。同時(shí)還需利用電池供電。因此,由無(wú)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(wú)線收發(fā)電路或模塊有采用2.4 GHz通信頻率的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn),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(wú)線收發(fā)電路或模塊易造成系統(tǒng)體積過(guò)大、功耗偏高,不能完全滿足采用電池供電的便攜式監(jiān)測(cè)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(chǎng)合,傳統(tǒng)的無(wú)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(diǎn)的功耗、縮短節(jié)點(diǎn)的壽命。
這里給出以C8051F340單片機(jī)作為監(jiān)測(cè)終端控制器,C8051F330D單片機(jī)作為探測(cè)節(jié)點(diǎn)控制器,通過(guò)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(cè)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線收發(fā)電路,實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能。
1 硬件電路設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)終端、探測(cè)節(jié)點(diǎn)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(cè)終端,用以顯示探測(cè)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)、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。
1.1 發(fā)射電路
監(jiān)測(cè)終端與探測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件電路相似,監(jiān)測(cè)終端通過(guò)液晶顯示探測(cè)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)、所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)等信息并通過(guò)5 V開(kāi)關(guān)電源供電。而探測(cè)節(jié)點(diǎn)則沒(méi)有液晶顯示器,通過(guò)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(jī)PCA寄存器產(chǎn)生3 MHz的振蕩頻率,直接控制LC諧振線圈進(jìn)行振蕩。C8051F330D單片機(jī)具有睡眠模式,可降低節(jié)點(diǎn)電路的功耗,其內(nèi)部的編程計(jì)數(shù)器陣列(PCA0)提供增強(qiáng)的定時(shí)器功能,與標(biāo)準(zhǔn)8051的計(jì)數(shù)器/定時(shí)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(jí)諧振回路的發(fā)射功率。
1.2 接收放大電路設(shè)計(jì)
使用AD8656雙運(yùn)放芯片組成接收放大電路。該運(yùn)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(yùn)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(wú)需外部三極管增益級(jí)或多個(gè)并行的放大器以減小系統(tǒng)噪聲。通過(guò)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(jìn)行兩級(jí)放大,抵消線圈所感應(yīng)到的信號(hào)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(hào),增加無(wú)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(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編解碼,而未采用檢波解調(diào)電路,可有效簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)。
2 電路參數(shù)確定
2.1 發(fā)射電路設(shè)計(jì)計(jì)算
發(fā)射電路通過(guò)單片機(jī)片內(nèi)PCA進(jìn)行控制,采用單片機(jī)內(nèi)部12 MHz晶振,使用頻率輸出方式在單片機(jī)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(jì)算得PCA0CPHn=0x02,對(duì)單片機(jī)頻率進(jìn)行四分頻,因此可通過(guò)單片機(jī)軟件設(shè)置寄存器PCA0的值在PCA0口產(chǎn)生3 MHz載波信號(hào)。
2.2 接收電路設(shè)計(jì)計(jì)算
接收放大電路如圖2所示,通過(guò)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(guò)儀器測(cè)量為1.8~1.85 μH,通過(guò)式(2)計(jì)算所需的諧振電容
計(jì)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(duì)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(guò)式(3)計(jì)算。
R3、R4控制電路的放大倍數(shù),令R3=1 kΩ,R4=10 kΩ,則第一級(jí)對(duì)交流信號(hào)的放大倍數(shù)Av=R4/R3=10。為了防止信號(hào)被濾除,第二級(jí)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(jì)算可知,接收信號(hào)通過(guò)運(yùn)放后,總增益達(dá)到50倍,信號(hào)最大峰峰值達(dá)到2.8 V,最小峰峰值達(dá)到0.3 V,通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,判斷信號(hào)的有無(wú)。
3 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換功能直接對(duì)經(jīng)過(guò)放大后的正弦信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。連續(xù)檢測(cè)100次,取得峰值和谷值,然后計(jì)算信號(hào)的峰峰值。由于測(cè)得噪聲電平在0.15 V左右。所以當(dāng)信號(hào)峰峰值大于0.3 V時(shí),可看作已接收到信號(hào),并通過(guò)均值濾波的方法降低誤碼率。
發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),先發(fā)一個(gè)脈沖,隨后在1.2ms內(nèi)發(fā)送一個(gè)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(gè)字節(jié)后,再保持約18 ms的低電平,準(zhǔn)備發(fā)送下一個(gè)字節(jié)。
接收信號(hào)時(shí),通過(guò)判斷低電平的時(shí)間確定是否準(zhǔn)備發(fā)送有效數(shù)據(jù),當(dāng)?shù)碗娖匠^(guò)9 ms時(shí),啟動(dòng)接收程序。檢測(cè)到脈沖后,延遲1.2 ms開(kāi)始讀取數(shù)據(jù),連續(xù)讀8次后,把一個(gè)字節(jié)保存起來(lái)。時(shí)序圖如圖3所示。
采用軟件編程實(shí)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。
4 結(jié)論
通過(guò)探測(cè)節(jié)點(diǎn)向監(jiān)測(cè)終端發(fā)送數(shù)據(jù),當(dāng)監(jiān)測(cè)終端液晶屏指示“接收成功”時(shí),表明在該距離下可以進(jìn)行通信,不斷增大節(jié)點(diǎn)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(cè)試表明,有效通信距離可以達(dá)到24 cm。在探測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)橋接的方式與監(jiān)測(cè)終端正常通信時(shí),測(cè)得橋接節(jié)點(diǎn)的平均功耗約為102 mW,而探測(cè)節(jié)點(diǎn)間的平均橋接距離約為20 cm。
與傳統(tǒng)無(wú)線收發(fā)模塊相比。在需要大規(guī)模、密集型部署、近距離無(wú)線通信,并且電路體積、功耗、成本受限制的場(chǎng)合,基于C8051F系列單片機(jī)的無(wú)線收發(fā)電路有廣閼的應(yīng)用前景。