以C8051F340單片機(jī)為監(jiān)測(cè)終端控制器的無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路設(shè)計(jì)

引言

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(xiàn)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(xiàn)收發(fā)電路或模塊有采用2.4 GHz通信頻率的無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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(mǎn)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(xiàn)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(xiàn)自行繞制圓形空心天線(xiàn)，分別構(gòu)成監(jiān)控終端和探測(cè)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)自行繞制成圓形空心線(xiàn)圈天線(xiàn)，直徑為（3.4±0.3）cm。

圖1 無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路硬件結(jié)構(gòu)框圖

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(xiàn)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(mǎn)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(xiàn)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(xiàn)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)。

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(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(xiàn)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。

圖3 通信協(xié)議時(shí)序圖

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。

圖4 發(fā)射流程圖

圖5 接收流程圖

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(xiàn)圈與終端線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)收發(fā)電路有廣閼的應(yīng)用前景。