无线数据收发（共7篇）
无线数据收发 篇1
摘要：针对某小型监视系统, 介绍了一种用于短距离图像数据的无线收发组件的设计, 电路及天线设计简洁明了。实践证明该系统传输可靠、图像清晰。
关键词：接收机,检波,AGC,PIFA天线
引言
近年来无线短距离、微功率通讯成为一个发展热点, 由于其具有灵活的接入性能, 因而在各行业都引起了广泛关注, 如蓝牙技术和未来交通的智能化、信息化都用到了大量的DSRC (专用短距离通信) 技术。所设计收发组件用于某监视系统图像数据的无线传输, 收发间的距离小于20米, 工作频率在700~900MHz, 外界无线电波在该频段相对较少, 因此该系统设计的相对简单, 采用类似电视信号的传输方式进行低功率传输, 先对数据流 (9.6kbps) 进行FSK调制, 调制频率为6.6MHz和6.7MHz, 即电视伴音所在频带, 然后将FSK信号同图像信号频分复用之后在射频上进行双边带调幅, 经过放大发射;接收组件完成信号的接收解调, 恢复图像和数据信息。
1 系统分析
本系统所设计的收发组件采用双边带调幅和包络检波, 大大降低系统的复杂度, 各部分功能电路相对简单成熟, 现就收发组件设计的几个关键问题进行一些分析。
1.1 系统链路预算
收发天线增益:GT=GR=0dB
自由空间衰减:LS=92.44+201gf (GHz) +201g[d (km) ]≈50dB
其中, f=0.7GHz, d=0.01km。
热噪声电平:PN=-114+101g (NF) +101gB (MHz) =-92dBm
其中, Nf=10dB, B=14MHz。
解调器输入最低信噪比: (C/N) min=42dB
系统要求解调输出视频信噪比大于40dB (该信噪比满足FSK信号的解调所需信噪比) , 对于双边带包络检波理想状态输出信噪比等于输入信噪比, 但实际解调器会使输入信噪比恶化一些, 根据经验取解调器输入最低信噪比为42dB。
接收机灵敏度:Smin=PN+ (C+N) min=-47dBm
发射电平:PT=Smin-GT-GR+LS+Fm=5dBm
考虑实际传输过程中会有电平衰落起伏, 留有一定的裕量Fm=5dBm来保证通信的可靠性。
自动增益控制范围:考虑收发距离在0~10m变化, 根据自由空间衰减公式, 取20dB的变化范围应该可以满足系统正常工作。
1.2 收发天线的设计。
本系统应用于便携式个人终端, 要求体积小, 平面化, 实现电路和天线的一体化和平面化, 如果采用传统的微带贴片天线, 在该频段显得尺寸过大, 近年来随着个人无线终端的广泛应用和蓝牙技术的迅速发展, 极大地推动了微带天线小型化, 本系统所采用电容加载PI-FA (倒F型) 微带天线, 大量应用在手机等无线小型化终端, 便于和电路集成, 通过电容加载等手段可以将尺寸减小到λ/8以下, 同时具有很好的辐射特性, 易于匹配, 本系统所采用的天线结构如下, 通过ANSOFT建模仿真和优化, 试验结果可以满足设计要求。
另外, 对于批量较大可以专门订制陶瓷天线, 该类天线具有更小的体积和优良的辐射特性, 可以进一步减小系统体积。
2 具体设计
2.1 发射组件设计。
。发射组件的原理框图如图2所示, 主要有FSK调制器、锁频源、双边带调制器、功放和天线组成。
2.1.1 FSK调制器的设计。
由6.7MHz和6.8MHz石英晶体分别和与非门组成两个多谐振荡器, 用输入的数据控制数据选择器, 完成FSK调制。
2.1.2 锁频源的设计。
为了满足图像传输所要求的稳定度, 选用锁频源, 另外由于系统小型化、低功耗和今后的多信道应用, 选用SYNERGY公司的集成频率合成器, 外围用一个贴片晶振提供参考信号, 选用ATMEL的8引脚的微型单片机通过SPI口对频率合成器进行初始化控制, 即可完成频率的设置。
2.1.3 双边带调幅器。
选用双平衡混频器实现双边带调幅, 它和用作调幅的乘法器有相似的地方, 使用中应注意其对载波抑制过大, 通常包络检波要求载波信号应比边带信号功率大7dB, 否则会使包络检波变的困难, 甚至不可行。本方案采用降低视频信号输入功率的方法来提高载波相对信号边带的幅度差。此外, 还可以通过将载波信号同调幅输出信号相加来提高载波幅度。
2.2 接收组件设计。
接收组件的原理框图如图3所示, 主要有FSK调制器、锁频源、双边带调制器、功放和天线组成。
2.2.1 检波器的设计。
对视频检波器的性能要求有:检波效率高、波形失真小、输入阻抗大、滤波性能好、通带足够宽等要求, 该检波器有两个作用, 一是检出视频全电视信号;二是检出FSK信号, 两个信号通过滤波器进行分离, 分别进行放大输出和解调输出;另外, 本系统工作频率较高, 普通电视的检波管不能使用, 为此选用微波检波管, 通过对输入端进行匹配, 合理地设计检波电路RC参数, 实际检波效率和检波灵敏度相对较高, 可以满足系统设计要求。
2.2.2 AGC电路的设计。
由于通信距离变化等因素引起高频接收信号强弱变化, 为了保证信号相对恒定, 选用峰值型AGC电路, 通过设定检波电路充放电时间常数来检出射频信号的同步头的幅度, 用它作为信号强弱变化的指示, 将该信号经过放大加到前级的可变增益放大器的增益控制端构成AGC电路, 可变增益放大器选用Agilent公司的IVA-05208, 另外, IVA-05208的1dB压缩点较低, 为了不使其饱和而影响系统工作, 将该放大器放到了第一级。
2.2.3 FSK解调器的设计。
本组件的FSK解调器利用NE564集成锁相环实现的, 用PLL对FSK信号中的一个频率锁定, 而对另一个频率则是失锁的, 这样, 在解调FSK信号时, 锁定指示器的指示即为解调输出。
3 结论
实践证明, 通过以上方法设计的电路基本达到设计需求, 采用调幅体制进行短距离通讯有可行性, 传输、接收可靠, 接收图像效果清晰。
参考文献
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无线数据收发 篇2
随着无线网络的不断兴起,由于无线网络技术极大的优越性,使得越来越多的行业有线产品和技术被无线替代,在我国,自动无线抄表技术(AMR)作为一种新型的抄表技术,具有易操作,成本低,不入户等优点, ZigBee作为一种新兴的无线网络技术,具有功耗低、速率低、可靠性高、保密性强等特点,同时工作于国际免费频段,相比其他无线技术的较高网络费用,大大降低了成本,很适合应用于自动无线抄表系统中。本文所设计终端是无线抄表中的重要一部分,数据收集主要采用RS 485总线和MCU控制模块,无线发送部分采用ZigBee无线通信模块。
1 ZigBee协议分析
ZigBee协议栈依次从最底层开始由物理层、数据链路层、网络层和应用层组成,其中物理层和数据链路层由IEEE 802.15.4工作组制定,网络层和应用层(APL)由ZigBee联盟制定。物理层定义了3种流量等级:当频率采用868 MHz时,提供20 Kb/s的传输速率;当采用915 MHz时,提供40 Kb/s的传输速率;当采用2.4 GHz时,能够提供250 Kb/s的传输速率,在我国采用的是这种免费频段。数据链路层可分为逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层(MAC),其功能包括数据包的分段与重组,数据包的顺序传输,无线链路的建立、维护和拆除,确认模式的帧传送和接收,信道接入控制、帧校验、预留时隙管理和广播信息管理等。网络层的功能包括拓扑管理、MAC管理、路由管理和安全管理。应用层是协议栈的最上层定义了各种类型的应用业务。该系统中主要涉及ZigBee网路中数据采集终端节点的设计,也可作为网络路由器应用。
2 无线抄表数据收发终端总体设计
RS 485总线具有很强的抗共模干扰能力,可以进行多点和双向通信,允许在一对双绞线上驱动一个或多个设备,这样就可以实现一个收发器管理多个用户电表。基于RS 485总线电表简单易操作,成本低,市场上很多都是采用RS 485智能电表,该系统可以广泛应用。无线ZigBee模块通过SPI接口接收来自微控制器系统的数据信号,将数据信号发送出去。
无线抄表数据收发终端在整个抄表系统中扮演的是路由和终端的角色,是一种全功能设备FFD(Full-Function Device)。该系统总体设计思路是:通过RS 485总线将电表数据收集,然后通过MCU电路处理,通过RS 232,SPI接口发送到ZigBee无线通信模块,最后利用无线通信模块发送到路由器节点或网络协调器。系统的总体结构如图1所示。
3 收发终端硬件设计
该终端系统主要包括:电表数据收集电路、无线发送电路和电源电路3部分。
(1) 电表数据收集电路主要是MCU控制电路,处理RS 485发送过来的数据。主要有MCU芯片,RS 485控制芯片、光耦隔离器、时钟电路、稳压电路等构成。
(2) 无线发送电路主要是通过SPI接口接收MCU的处理数据,通过RF射频天线发送。
(3) 电源电路主要是完成将交流220 V电压转化成直流电压,再通过稳压等完成对系统的供电。主要由小型变压器、热敏电阻、压敏电阻器、稳压芯片等构成。
系统主要器件选型:
MCU:选用Ateml公司的ATmega64L芯片,是一款基于支持实时仿真的高性能、低功耗的8位RISC结构的AVR微控制器。带有64 KB系统内可编程FLASH,4 KB的片内SRAM,64 KB可选外部存储空间,32个通用寄存器,实时计数器(RTC),4个具有比较模式与PWM的灵活定时器/计数器(T/C),2个USART,面向字节的两线串行接口,8路10位具有可选查分输入级可编程增益的ADC,看门狗定时器,一个SPI接口,JTAG接口,以及6个可以通过软件进行选择的省电模式,满足无线抄表系统中对可靠性和功耗的要求。
ZigBee芯片:选用TI公司的CC2430 RF,其是一颗真正的系统芯片,提倡CMOS解决方案,这种解决方案能够提高性能并能满足以ZigBee为基础的2.4 GHz ISM免费波段的应用,同时满足低成本,低功耗的要求。它结合一个高性能2.4 GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器,收发波特率250 Kb/s。CC2430在接收和发射模式下,电流损耗分别为27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性,特别适合无线抄表这种要求电池寿命比较长的应用。接收数据时,当CC2430全部收到帧开始定界符SFD后,IRQ_SFD(中断标志位寄存器)置1;当RXFIFO中有数据时,RFSTATUS.FIFO置1,数据为空时,置0;当RXFIFO中未读过的字节超过编程设置在IOCFG0.FIFOP_THRRF_P的阈值时,RFSTATUS.FIFOP置1,反之,置0。 RF_N两个引脚显示接收和发送数据状态,RF_P引脚:接收时,正RF(射频)输入信号到LNA(低噪声放大器);发送时,接收来自PA(功率放大器)的正RF(射频)信号。RF_N引脚:接收时,负RF(射频)输入信号到LNA(低噪声放大器);发送时,接收来自PA(功率放大器)的负RF(射频)信号。CC2430通过SPI接口接收ATmega64L的时钟信号和片选信号,由内部集成的8051核完成数据信号的处理和输入/输出操作,从而完成电表数据的传输。
片外FLASH:用来存储电表数据,选用金士顿1 GB SD卡,由于电源电路的输出电压为5 V,而SD卡需3.3 V供电,所以要将电压转换,用SE8117T33输出3.3 V电压,接到SD卡VDD引脚上。
时钟芯片:选用Philips公司的实时时钟芯片PCF8563T,是一种低功耗CMOS时钟芯片,提供一个可编程输出、终端输出和掉电检测器,所有地址和数据都通过I2C总线接口串行传输,得到最大的总线传输速度。
光电耦合器:选用本系统选用3个PC817光电耦合器,用来隔离上下级电路,减小电路干扰,简化电路设计。PC817是一种单通道线性光耦,能够传输连续变化的模拟电压和电流信号。
稳压芯片:选用L7805CV,是电源电路设计中常用的性能很好的稳压芯片。该设计中MCU控制电路和电源电路都用到稳压芯片,是电路能得到稳定的5 V电压。电源电路原理图如图2所示。
图2中R1电阻选用MYG 10K471压敏电阻器,主要做保护电路器件。
4 软件设计流程
该系统软件主要是MCU控制电路的初始化程序设计,ZigBee无线模块的初始化、接收和发送程序设计,初始化程序主要是对单片机、RF芯片、SPI等进行初始化;SPI初始化程序如下:
MCU系统所采集电表数据将通过单片机RS232接口、SPI接口送至射频发送模块,然后输出。路由设备或协调器设备接收数据并处理。收发终端软件总体设计流程如图3所示。
ZigBee无线节点软件流程如图4所示。
5 结 语
本文采用MCU和RF射频模块设计出在ZigBee无线抄表中的电表数据采集发送终端系统,安装方便,抗干扰能力强,具有很强的实用性,可作为一个整体功能模块应用于其他无线数据传输系统中,如家用水表,智能家居等方面,在试验使用过程中抄表数据可靠,无丢数据现象,现在的无线数据传输系统都有一定的距离要求,在此模块上加上RF放大模块,可增大传输距离,但效果不明显,利用无线路由器和定向增益天线可解决这一问题,可完全满足局域距离要求,且可作为集成模块应用到其他无线传输系统中,通用性和可移植性增强。
参考文献
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无线收发系统的抗干扰研究 篇3
关键词：抗干扰,冗余技术,软件陷阱技术,中值滤波算法
对于检测系统而言, 可靠性是一个重要标准。可靠性即是系统最终显示的结果是否能够正确反应被测对象的真实性。工业系统中的干扰是指在设备工作过程中出现的并不代表有用信号且对设备性能或信号传输有害的电气变化现象。这些电气变化现象迫使有用信号的数据发生变化, 增大误差, 甚至使系统发生失误和故障。因此为提高系统的稳定性以及信号传输的可靠性, 必须从硬件和软件上提高系统的抗干扰性。在这里主要研究无线收发系统的软件抗干扰措施。
1 冗余技术
1.1 指令冗余指令技术
CPU执行程序的过程也就是逐条执行指令的过程, 而执行指令的过程又分为取操作码, 取操作数和执行三个阶段。当CPU受到干扰后, 会脱离预定的顺序而出现“跑飞”, 此时程序执行就会产生混乱。为了避免这种现象发生, 常在程序的一些关键部位插入几个NOP指令, 或将有效单字节指令重复书写, 这就称指令冗余。
最常用的做法是在双字节或三字节指令之前插入2条NOP指令, 则这条指令就不会被前面的失控程序拆散, 并将被完整执行, 从而使程序的执行走上正轨。也常在一些对程序走向起决定作用的指令之前插入2条NOP指令, 以保证CPU“跑飞”后能迅速走上正轨。此类指令有:RET, RETI, LCALL, SJMP, CJNE等。但须注意的是, 不宜加入太多的冗余指令, 否则会降低程序的运行效率。
1.2 循环冗余码差错控制技术——CRC
无线传输过程中, 数字信号完全暴露在环境中, 传输过程中的误码是不可避免的, 因此, 在接收端必须进行差错检测。鉴于通讯双方PC机和电脑均具有很强的软件编程功能, 这就为实施软件差错检测提供了前提条件。软件差错检测具有经济实用不增加硬件开销的优点, 这里订介绍一种软件差错检测方案--循环冗余码差错检测法 (CRC) 。
1.2.1 CRC法的原理
CRC的计算通常是采用多段移位寄存器实施的, 每个移位寄存器的输出送入异或门, 其中有一个异或门的输出反馈送入位于各段移位寄存器之间的异或门。
1.2.2 CRC法的数学模型
假设有一个 (n, k) 循环码, 它有2k个码字, 根据循环码的特点, 它的任一个码字的每一次移位得到的是本空间的另一个码字, 从中取一个前k-1位为零的码字以g (x) 表示。则g (x) , xg (x) , ……xk-1g (x) 都是码字, 且这k个码字显然都是独立的, 故可作为码的一组生成基底。除全是零的码字外, 其它码字中不可能找到连续k位均为零的码字, 即连续为零的长度只有k-1位, 至少g (x) 的首项和常数项的这两项系数必定为1。也就是说, g (x) 是常数项不为零的n-k次式项式。更为重要的是, g (x) 是码中次数为n-k的唯一的一个多项式。因为如果有两个的话, 则把这两个码字相加也应是一个码字, 而此码字的多项式的次数将小于n-k次。一旦确定了g (x) , 则整个 (n, k) 循环码就被确定了。码的生成矩阵G (x) 的k行可以用g (x) 的循环移位构成, 即:
因此, 所有用G (x) 生成的码字都是g (x) 的倍式。换言之, 凡是码多项式都可被g (x) 除尽。这些码等效于如下编码, 若用多项式m (x) 表示信息组, 次数小于k, 则xn-km (x) 的次数就小于n。用g (x) 去除xn-kk (x) , 得到余式r (x) , 其次数小于n-k, 把此余式作为校验码元附加在信息组后面, 就得到一个必能被g (x) 除尽的多项式, 故必是码字多项式。这可由下式表示:
用这种方法所编出的码字, 前面是原来未变的k个信息码元, 后面为r个检验码元。
1.2.3 CRC法在收/发双方的软件实现
根据前面所得的数学模型, 可以编制CRC程序, 需要发送的数据信息为8位 (即信息组m (x) 为8位) , 选用CRC多项式g (x) =x5+x2+1。实际上CRC程序的关键在于求余式r (x) (即求冗余校验码元) 。
假设需发送的数据为1 1 1 0 1 1 1 0, 则m (x) =m (x) =x7+x6+x5+x3+x2+x
则数据和校验码的完整的多项式为:
先将校验码均设为零, 则与xn-km (x) 对应的二进制数为1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0, 相当于将数据信息左移了n-k位, (n-k=r就是校验位数, 这里g (x) 是5次幂, 故r=5) , 根据上式将数据代入得:
则实际要发送的整个信息为:
G (x) =x5+r (x) →1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1, 如果在传输过程中没有发生差错, G (x) 一定能被接收方的g (x) 整除。若不能除尽, 则表示发生差错。
用CRC法进行差错检测的问题, 接收方如果发现错误, 则回一信息, 通知发送端该数据以前的信息均正确收到, 要求重发该数据及其之后的信息;若没有发现错误, 则不回送信息。由此可以提高收发效率。实践证明CRC法在无线通讯的差错检测中应用是非常有效的。
2 软件陷阱技术
指令冗余不能完全解决程序“跑飞”的问题。若“跑飞”后产生的新执行点没有落到程序区时, 指令冗余就无法再使程序的执行步入正规。对于这种情况, 可以用设置软件陷阱的方法来解决。所谓“软件陷阱”, 就是一段引导程序, 该程序能将捕获的程序引向错误处理程序或复位地址0OOOH, 使CPU能提示错误或重新执行任务。例如:把错误处理程序的入口地址记为ERROR, 则“软件陷阱”程序段为:
软件陷阱通常安排在程序中以下位置:
2.1 系统中空的ROM区。
将未用的ROM区域都写上软件陷阱程序, 只要程序执行点落入该区域, CPU就会被引入正轨或自动重新运行。
2.2 表格的头、尾处。
由于表格数据是无序的“指令”代码, 在其头、尾设置软件陷阱可以使程序执行点落入数据表格区后也能被引入正轨。
2.3 程序中没有使用的中断向量处。
“跑飞”的程序可能意外地开启了已关闭的中断, 若在未用的中断向量处设置软件陷阱可以控制这种现象发生。
2.4 程序体内的“断裂处”。
所谓“断裂处”是指程序中跳转指令之后, 下一新的程序段之前的位置。在此设置软件陷阱, 可以保证程序不顺序向下执行。
3 数据格式的抗干扰措施
由于在无信号输出时, 串口输出是随机数据, 所以在所发送的数据前加“0x FF00”, 后面加“dddd”作为标识符, 在接收数据时, 控制机首先检测数据前后是否有“0x FF00”、“dddd”的标识符, 若含有则认为所接收的数据为正确数据, 否则认为此组数据无效, 舍弃数据, 继续接收下组数据。
4 中值滤波算法
中值滤波方法对缓慢变化的信号中由于偶然因素引起的脉冲干扰具有良好的滤波效果。其原理是:对信号连续进行次采样, 然后对采样值排序, 并取序列中位值作为采样有效值, 采样次数一般取为大于3的奇数。在实际应用中可编制中值滤波程序, 把干扰滤掉。例如:连续三次采样, 并对这三次采样值进行比较, 去掉最大的和最小的, 留中间值作为采样值, 这样就把许多干扰和偶然因素滤掉。
无线收发系统的软件抗干扰措施很多, 这里只介绍几种, 通过这些措施, 能提高系统的抗干扰能力, 增加了系统的可靠性。
参考文献
[1]王幸之, 王雷等.单片机应用系统抗干扰技术[J].
基于单片机的无线收发系统设计 篇4
1 方案的选择和硬件选取
1.1 总体思路
很多实验性质的设备系统并不考虑太多的问题, 例如尺寸大小、成本控制、应用难易、成品维修等等技术之外的问题。但本系统的设计就是以实际产品的应用为目标, 因此在方案的选择和硬件选取工作上要花费更多的时间和精力。高技术和超复杂并不一定是最好的解决方式, 不一定会带来最好的解决方案。对于市场上实际的应用者来说, 成本是非常重要的因素, 另外还有可靠性。所以经过多方面的对比和考虑, 选定单片机与基于PT2262/72的DF无线收发模块组合为本次设计的最终方案, 而在方案选择过程中cc1101无线模块和zigbee模块被否定, 主要原因就是成本和简易性不能满足。
1.2 硬件选择及方案
对于单片机和无线收发模块电路的设计, 可以从零起点进行完全板级设计, 但是可靠性和开发时间周期比较长, 成本较高。所以经过认真分析考虑采用单片机加载通用无线收发模块的方案, 即先以单片机为核心, 做好输入输出接口完成电路板。然后将无线收发模块与单片机模块进行连接, 编写软件程序。总体设计方案如 (图1) 所示。
这种方案的优点在于成熟、稳定、成本低、开发周期短、日后维修方便。以PT2262/72为核心的无线收发射模块在市场上非常普遍的被使用, 价格非常便宜, 应用领域广泛。
本系统采用互锁型的模块。互锁型输出就是任意一路收到信号则该路就能一直保持对应的高电平状态, 接收到任意其它路的数据则恢复到原始状态, 四路互锁只能有一路接通。在通常使用中, 我们一般采用8位地址码和4位数据码, 这时编码电路PT2262和解码PT2272的第1~8脚为地址设定脚, 有三种状态可供选择:悬空、接正电源、接地三种状态, 3的8次方为6561, 所以地址编码不重复度为6561组, 只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同, 才能配对使用。遥控模块的生产厂家为了便于生产管理, 出厂时遥控模块的PT2262和PT2272的八位地址编码端全部悬空, 这样用户可以很方便选择各种编码状态, 用户如果想改变地址编码, 只要将PT2262和PT2272的1~8脚设置相同即可。当两者地址编码完全一致时, 接收机对应的D1~D4端输出约4V互锁高电平控制信号, 同时VT端也输出解码有效高电平信号。
单片机选用AVR系列的ATmega128。ATmega128是ATMEL公司的8位系列单片机的最高配置的一款单片机, 稳定性极高, 应用极其广泛。液晶屏选用1602, 每行可显示16个ASCII码, 共两行。按键选用4行*4列PVC膜开关。
2 设计方法和过程
2.1 设计思路及方法
因为前期选取了互锁型无线收发模块, 并且具备4路通道, 因此设计思路就是利用互锁的特点。单片机与发射模块连接端包括4路通道中的两个, 分别是I2、I3。还包括8位地址端, 实际上只连接5个端口, 其余3个端口状态为悬空。当选取需要接收的模块号码后, 如“001”, 再按键盘A键, 则由单片机提供给发射模块相应的地址号, 然后再通过一路数据端发射控制信号。“001”号的接收模块就能被遥控, 控制相应的发光二极管点亮并且一直保持。其他接收模块操作方法相同。需要熄灭接收模块上的发光二极管时, 就选择相应的接收模块号码, 然后再按下B键, 接收模块上的互锁解除, 发光二极管熄灭。以上的设计方法, 可以非常简便可靠的实现无线收发控制。
接收模块应预先设好地址, 并且为了能够便携的应用于实际项目, 所以着重考虑的是电池供电问题。接收模块需5V供电, 而实际的大容量锂电池标准电压或高或低, 所以如果采用锂电就需要加入升降压模块, 如此既提高了成本, 又增加了复杂度和不稳定性。最终经过分析考虑, 采用4节普通1.2V碱性电池组作为电源。总电压4.8V满足接收模块4.5V~5.5V的供电要求。并且在待机状态下, 其工作电流只有4m A, 长时间的供电得到了保障。
2.2 程序设计及流程图
此系统的主程序设计主要解决响应按键输入和LCD屏显示。按键输入分为两种情况, 数字键和A、B两键。输入数字键为了选择不同的接收模块, A、B键输入目的是控制接收模块的发光二极管亮灭。实际上A、B两键都是使接收端接收信号, 只是不同的通道, 应为采用互锁型, 所以就形成了指示灯的亮灭。在主程序中核心部分就是按键的处理。其中有包含软件处理抖动问题, 数字键和A、B键的检测处理, 发送端发送地址号以及通过不同通道输出数据使发光二极管亮灭。
3 结语
综上, 通过本次设计, 此无线收发系统因其具有的特点和功能可以应用于多个行业和领域, 实现便捷的一对多的无线遥控收发。该系统经调试, 运行稳定, 具有实际应用意义与推广价值。
参考文献
[1]黄继昌等编著.传感器工作原理及应用实例[M].人民邮电出版社, 1998.
无线数据收发 篇5
关键词：TGS813,AT89S52,nRF905,气体检测
引言
气体检测在社会中有着广泛的应用, 适用于石油、化工、冶金、等工业现场和家庭、商场、加油站等各种场所。如何快速、准确地对易燃、易爆、有毒、有害气体进行监测预报已成为当前亟待解决的重要问题。但有些场合由于环境复杂, 线路敷设较困难, 给气体的检测带来巨大困难, 增加了事故隐患。
在将气体探测领域引入无线通信技术, 可以解决恶劣环境 (有毒气体、高温、低温等) 的远程监控和无法布线环境下的气体监控难题, 同时可以解决有线传输带来的布线麻烦、出现故障检查困难等缺点, 提高了系统的适应性和检测能力。
1 系统方案设计
本文设计的可燃气体检测装置是以高稳定性、高测量精度, 以及能够实现数据实时传输为目的的。系统结构框图如图1所示。
从机部分主要完成数据的采集和无线发送。系统工作过程如下:可燃气体传感器, 采集气体浓度信号, 经信号调理电路进行放大、稳压, 再通过A/D转换电路送入单片机 (从机) 处理, 处理后的数据通过无线收发芯片n RF905发送。
主机部分主要完成接收数据、显示和报警的功能。首先, 单片机通过无线收发芯片n RF905接收数据, 并用4位LED数码管显示气体浓度, 当气体浓度出现异常时驱动扬声器发出报警信号。
2 信号采集及调理电路
2.1 气敏电阻传感器TGS813
TGS813是一款专门设计成针对于家庭应用的气体泄露报警器、工业用可燃气体报警器以及便携式气体检知器而开发的气敏电阻传感器元件。其内部结构和基础测量电路如图2所示, TGS813共有6个引脚, 其中管脚1、3、4、6为TGS813气敏电阻传感器的内部电阻变化相关管脚, 引脚1和引脚3传感器外部短接, 将短接端接入电桥电压输入端;引脚4和引脚6也在传感器外部短接, 短接后接入负载电阻端, 作为气敏电阻传感器的信号输出端。引脚2和引脚5是气敏电阻传感器加热部分的输入端, 正常使用传感器时, 需要将引脚2和引脚5之间接入加热电压, 用以给气敏传感器加热, 保证传感器检测目标气体时气敏电阻部分处于正常的特定工作温度。
因此, TGS813传感器需要同时施加两个工作电压:加热器电压VH和回路电压VC。VH施加在集成的加热器上, 用于维持敏感素子处于与对象气体相适应的特定温度。VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻RL上的两端电压VRL。
2.2 信号采集及调理电路
TGS813的基本原理是将气敏电阻传感器的电阻比——气敏输出特性转换成可以测量的电压信号, 即通过气敏电阻RS的变化来检测可燃性气体浓度的。本系统中采用R0、R9、R10和TGS813的RS构成一个电桥, 来实现电阻到电压的转换。LM324中的一个运算放大器A接成电压跟随器, 和电阻R 7、稳压管D1组成稳压电路, 为电桥供电, 以提高电桥激励电压的稳定性。电桥转换后的输出电压通过LM324的另外一个运算放大器B进行放大, 放大倍数可通过电阻R11进行调节, 以便于输出合适的电压供A/D转换。
3 A/D转换电路
本次采用的A/D芯片是TI公司的12位串行模数转换器TLC2543。由于89S52的I/O资源不是很丰富, 采用串行输入结构, 可以节省单片机很多I/O资源。
A/D转换接口电路如图4所示。TLC2543的I/O CLOCK、DIN和/CS端由单片机的P1.2、P1.3和P1.5提供。TLC2543转换结果的输出 (DOUT) 数据由P1.4接收。
单片机通过编程产生串行时钟, 即由C L K先高后低的转变提供串行时钟;并按时序发送与接收数据位, 完成通道方式/通道数据的写入和转换结果的读出;用累加器和带进位的左循环移位指令来合成S P I功能。
4 无线通信模块
无线通信模块采用挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器n R F 9 0 5。n RF905工作电压为1.9~3.6V, 32引脚QFN封装, 工作于433/868/915MHz三个ISM (工业、科学和医学) 频道, 频道之间的转换时间小于650us。n RF905可以自动完成处理字头和CRC (循环冗余码校验) 的工作, 可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码, 使用SPI接口与微控制器通信, 配置非常方便。
n RF905与MCU之间通过SPI接口进行数据和命令交互, 为了降低硬件成本同时保证一定的传输距离, 图5为典型的应用原理图, 该电路天线部分使用的是50Ω单端天线我们采用50Q阻抗的天线。本无线射频收发电路是按照433MHz通信频率、工作电压3.3 V来设计的, 根据n RF905芯片的datasheet围配置电路参考表, 来确定芯片外围电路的匹配电阻、电容和电感的取值。应用原理图如图5所示:
5 显示和报警模块
主机部分单片机接收气体浓度信号后通过数码管进行显示, 并且当浓度超过上限时驱动扬声器报警。本系统选用了4位共阴数码管, 采用动态显示。显示数据通过P 0口送到数据锁存器, 送到数码管。P2.0、P2.1、P2.2、P2.3四个口作为控制端, 分时轮流控制各个LED数码管的COM端, 就使各个数码管轮流受控显示。报警电路由单片机P2.5引脚产生报警信号驱动蜂鸣器报警。
6 总结
本文设计的具有无线传输功能的气体检测装置, 采用性能优越的TGS813传感器, 设计了无线收发模块对数据进行开路传输, 并能实时显示测量值, 当气体浓度超标时, 发出报警信号。该系统可以实现可燃气体的远程监控, 而且可以解决无法布线环境下的气体监控难题, 解决了有线传输带来的布线麻烦、出现故障检查困难等缺点, 提高了系统的适应性和检测能力。
参考文献
[1]张红剑, 叶敦范, 倪效勇.可燃气体传感器TGS813在多路数据采集电路中应用.国外电子元器件.2007 (11) :61-63
[2]何立民.MCS51单片机实用接口技术.北京:航空航天大学出版社.2001
[3]赏星耀.射频芯片nRF905在无线测温系统中的应用.机电工程.2005 (10)
无线数据收发 篇6
所以基于无线通信射频收发系统的重要性, 技术人员需依据射频收发系统的工作原理合理进行设计, 有效提高通信质量。
一、射频收发系统工作原理分析
射频收发系统主要包括射频发射机、射频接收机。在射频发射机方面, 其功能主要是以调制功率、变频、滤波为基础, 对低频基带信号进行转换, 形成相应的高频射频。射频发射机由多个部分构成, 包括滤波器、调制器、数模转换器、放大器、天线、混频器等设备。调制器的调制方式主要为数字调制、模拟调制, 主要将低频信号向高频段传播。本振器主要将频率向混频器传送, 由数字分频、锁相环电路及鉴相器组成。滤波器类型较多, 主要分为信道选择滤波器、镜像抑制滤波器、射频滤波器, 其作用是对有效信号和干扰信号进行过滤。
混频器是一种频率调制器, 主要起到变频作用, 其能够维持原载频已调信号的调制方式, 对已调低频基带信号进行转换, 形成相应的高频射频信号。放大器主要包括IF、RF信号幅度放大器、功率放大器, 幅度放大器可对信号进行增大和降低处理, 之后再由功率放大器进行放大处理, 然后传送至天线进行发射。射频发射机相应的指标较多, 包括频率稳定度、输出功率、频率及相位误差、邻道泄露功率比、矢量幅度误差等指标。
在射频接收机方面, 其主要接受由发射机传送而来的射频信号, 通过变频处理形成低频信号, 而且解调相应的有效信息。射频接收机主要处于无线通信射频收发系统前端, 如果射频接收机的性能不足、接收质量差, 将直接影响到无线通信射频收发系统的稳定性和正常运作。
天线在接收到相应的射频信号后, 会将其向LNA进行传送, 进行放大处理, 之后在变频作用下向低频基带信号进行转换, 并对信号进行幅度放大和解调;待ADC向数字信号转变后, 通过DSP进行处理。射频接收机相应的指标主要包括噪声系数、动态范围、接收灵敏度无线通信射频收发系统的信息转换主要通过调制、解调进行, 能够将信号转变为适宜的传输信号, 这样能够对信号占用的带宽进行改变, 实现信道的复用, 进而提高无线通信射频收发系统的性能和稳定性。
二、无线通信射频收发系统的设计分析
在对无线射频收发系统进行设计时, 需以射频发射机、射频接收机的相关原理为基础, 充分发挥出无线通信技术和射频技术的作用, 确保系统具有良好的性能及稳定性, 这样才能更好满足相应的通信需求。我们想要了解无线通信射频收发系统模型。
需对相关设备的工作原理进行分析, 通过分析可知射频接收机属于一种超外差结构, 在两次变频的作用下, 设定信号的RF频段变为3.5GHZ, 射频则为100MHZ。在滤波器的作用下, 低噪声放大器会对信号进行处理, 之后再与经放大处理后的本振混频变频道中频2.5HZ、100MHZ共同由IO解调后进入ADC。
射频发射机属于一种直接变频结构, 相应的调制处理主要由PA完成, 之后在通过天线进行发射。在无线射频收发系统中, 晶振为10MHZ、输入电压为3V、输出电压为0.8V、频率为2.5PPM;本振一级输出频率为PLL1、耳机输出频率为PLL2, 相应的插损为0.54d B。由此可计算出无限射频接收机、发射机增益为GRXmax=93.95d Bm、GRXmin=33.95d Bm;GTXmax=29.2d Bm、GTXmin=31.3d Bm;无线射频接收机的噪声系数为NFRX=3.41d B、IIP3.RX为-14Bm。经发射机增益、泄露等测试, 所设计的无线通信射频收发系统能够稳定运作, 工作性能较为理想。
三、结论
随着信息技术、科学技术的发展, 无线通信技术、射频技术在社会生活中得到了广泛应用, 人们对通信质量也提出了更高的要求, 在这种情况下, 只有不断改进、创新相应设备, 才能更好提高通信质量。
在对无线通信射频收发系统进行设计时, 技术人员需对系统的工作原理、性能进行明确, 做好相应的测试工作, 满足相应的应用标准后才可推广使用。
参考文献
[1]舒浩.新一代无线通信射频收发机系统的研究和实现[D].西安电子科技大学2011
无线传感器网络收发机芯片的设计 篇7
无线传感器网络是融合多种现代化科技如传感器技术、无线通信技术、嵌入式计算技术等于一体的一项前沿科技, 目前在国际上受到广泛的关注与研究。该技术可以利用高度集成化的微型传感器之间的相互配合采集环境信息、实现对监测对象的实时监测。同时能利用嵌入式部分处理所采集的信息, 然后将处理后的信息通过自组织通信网络传输至客户端。无线传感器网络进行工作时能够长时间的处于无人看守的情况下, 随着人工智能化水平的不断提高, 该技术应用前景看好。传感器网络的目标主要是面向应用, 其建立工作涉及面宽, 是较为复杂的系统化工程。从学科角度讲, 主要包括物理和链路层、网络层及数据处理和管理层。按照应用方面的需求, 节点体积、质量应足够小以悬浮在空中完成信息采集, 这就使供给系统能量的电源形式就受到了限制。尤其是在对象所处环境较差时, 自然能源的可靠度会大大降低。收发机是无线传感器网络中产生最大功耗的节点, 而功率消耗在很大程度上限制了该技术的推广应用。显然, 在进行节点设计时应当满足低功耗的需求。
2 无线传感器网络收发机功耗研究
2.1 网络级功耗研究
无线传感器网络从标准参考模型的角度来说, 能耗主要发生在物理层及数据链路层, 其中物理层的主要任务是数据收发、信道选择及收发机的激活及休眠等, 数据链路层主要负责冲突检测、功率控制及功耗管理等。为使其生命周期达到最大化, 应当在允许的通信带宽的条件下, 使通信速率尽量提升以降低系统功率消耗同时使数据传送的内容更加丰富。此外, 需要合理的功率控制及功耗管理策略使无线传感器网络所产生的整体功耗在完成对hop的通信距离及唤醒周期间的折中后实现最优化。
2.2 无线收发机的能量效率
在香农理论的基础上, 假设加性白高斯噪声信道成立, 香农信道容量理论以单位比特信噪比和频谱利用率两者间关系为基础界定了无线通信网络的性能极限。输入信号的功率增加时, 高斯信道容量随之呈指数形式增加, 不过因为SNR及带宽间的依赖作用, 信道容量与带宽并不成线性关系。当信号功率及带宽一定时, 如果信道带宽向无穷大值趋近, 则信道容量不断向某定值趋近。与每单位比特消耗的能量结合, 就可得出理论最小比特信噪比约为-1.6d B。也就是说如果某系统的噪声、信号功率相比, 前者小于后者的1.6d B, 不产生误差的通信在理论上就能够实现。
由于无线收发机系统产生的最小能耗与发生损耗的路径有关, 因此只进行各系统所产生的能量比较并不合理。而能量效率则能较为准确的反映系统的性能, 收发机系统的能量效率为:
式中三项的取值范围均为小于1的正数。其中第一项代表系统整体能量转化到发射机能量的比值, 第二项为接收机噪声系数对链路预算的恶化程度, 第三项则代表因系统使用调制解调机制所产生的比特信噪比的非理性程度。整个系统的能量效率与调制方式、编码方式和链路裕量紧密相关, 这为低功耗无线收发机的设计提供了理论基础和思路。
3 收发机系统架构
IEEE802.15.4协议在物理层定义了868MHz、915MHz及2450MHz三个频段。其中仅有2450MHz为面向世界的通用频段, 其信道宽度及间隔分别为2MHz、5MHz。为扩大协议的共存能力, 规定其发射功率小于10d Bm, 典型功率值是0d Bm。发射机的频谱罩要求在频率超过3.5MHz时, 信号的绝对强度应不大于-30d Bm, 相对抑制不小于20d B。此外, 要求收发间的切换时间需不大于192 。接收机的频率规范可以协议中获取, 较为重要的系统指标为发射功率在-3d Bm至10d Bm之间, 接收机灵敏度为-85d Bm, 邻道隔道抑制比分别为0d B、30d B, 数据速率为250kbps。信号特征为调制信号在频率为零时对直流信号约有40d B的抑制, 信号的大部分能量均集中的主瓣内。基于IEEE802.15.4协议及实现低功耗的设计需求提出接收机的系统架构。接收机的系统架构由超外差、零中频、低中频及数字中频组成。其中超外差有较高的选择性、灵敏度好, 缺点为高功耗、高成本;零中频的特点为成本及功耗较低且支持优化的解调方式, 缺点为直流失调且受到闪烁噪声的干扰;低中频具有高集成度、成本及功耗较低且不受闪烁噪声干扰的优点, 不过需镜像抑制及高AD采样功耗;数字中频具有较强的可编程性, 不过由于采样率高、高精度AD等造成集成困难。发射机的系统架构由直接变换和直接调制组成, 前者具有结构简单、集成容易的优点, 但是需要注入牵引及锁定;而后者功耗及成本较低, 然而设计过程复杂、风险性较高。由上述分析可知, 接收机架构中的零中频及低中频结构更具有竞争力, 而在发射机架构中, 直接调制发送机在功耗上具有明显的优势。
4 结语
在对无线传感网络的发展现状进行分析的基础上, 结合香农理论给出了收发机系统的能量效率, 为收发机的设计提供理论基础。收发系统的架构为后续的电路设计提供了思路, 具有一定的参考价值。同时该架构实现了低功耗的设计需求, 拓展了无线传感器网络的进一步应用。
摘要：无线收发机是传感器网络中产生最大功耗的节点, 而功率消耗在很大程度上限制了无线传感器网络的大规模应用。为在收发机之间达到良好的功耗分配, 在对网络级功耗进行研究的基础上, 分析了影响无线收发机能效的关键因素。然后结合基于IEEE802.15.4协议及实现低功耗的设计需求, 提出了接收机的系统架构, 为以后进行电路设计提供重要的参考价值。
关键词：无线传感器网络,收发机,低功耗
参考文献
[1]李燕.浅谈自组织无线网络技术[J].甘肃科技, 2005 (10) .