基于單片機的無線數據傳輸模塊畢業(yè)設計

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1、編號： 畢業(yè)設計說明書 題 目： 基于單片機的無線數 據傳輸模塊 院 （系）： ************ 專 業(yè)： ************ 學生姓名： ****** 學 號： ********** 指導教師： ****** 職 稱： ******

2、 題目類型： 理論研究 實驗研究 R工程設計 工程技術研究 軟件開發(fā) 摘 要 隨著社會的發(fā)展,人們期望能隨時隨地、不受時空限制地進行信息交互。當今的各種智能化控制系統也離不開數據信息的傳輸。其中，無線數據傳輸是區(qū)別于傳統的有線傳輸的新型傳輸方式，系統不需要傳輸線纜、成本低廉、施工簡單。無線數據傳輸如下的優(yōu)點使其日益得到廣泛的應用:1)省去了通信設備之間連線,特別是在不易接線或接線費用較高區(qū)域(如有歷史意義的建筑物、河流、山脈等障礙)更具優(yōu)勢,甚至某些場合只能采用無線數據傳輸方式(如民航飛機的導航);2)設備的可移動性、安裝的方便性、組網的靈活性

3、等。目前，藍牙(Bluetooth)、IEEE802.11等無線局域網協議及其技術的研究、開發(fā)和應用正如火如荼地進行,也預示著無線通信在未來的信息交互中將發(fā)揮出更大的作用?，F在，有很多的電器產品(如一些家用電器)的操作控制也都采用了無線數據傳輸方式，一些無線數據傳輸功能相對簡單的電器產品，無線數據傳輸信號的接收識別往往采用與編碼調制芯片配套的譯碼芯片。而無線數據傳輸功能比較復雜的一些電器產品，無線數據傳輸信號的識別與譯碼多采用單片機，其編碼調制方法也有多種。下面介紹一種常用的無線數據傳輸信號的編碼方法，以及用單片機對其進行識別的程序設計方法，以供參考。設計了一種基于AT89S51單片機的無線數

4、據傳輸方案,并簡要介紹了無線數據傳輸抗干擾措施并給出軟件設計實例。 關鍵詞：無線數據傳輸; 單片機; 編碼; 解碼 Abstract With the development of society, people look forward to anytime, anywhere, without time limit to conduct information exchange. Todays all kinds of intelligent control system is also inseparable from the data information tra

5、nsmission. The wireless data transmission is different from the traditional cable transmission of a new transmission, the system does not require transmission cable, low-cost, simple construction. Wireless data transmission are the advantages of its increasingly wide range of applications: 1) elimin

6、ating the connection between the communications equipment, particularly in the hard wiring or higher cost of wiring the region (if any historical significance of buildings, rivers, mountains, etc. Obstructions) a better position, even some occasions, can only use wireless data transfer method (such

7、as civil aircraft navigation); 2) mobile equipment, the installation of convenience, flexibility, and other network. Currently Bluetooth (Bluetooth), IEEE802.11 wireless local area network (WLAN, Wireless Local Area Network) agreement and technology research, development and application are carried

8、out in full swing, but also indicates that wireless communications in the future Internet will play a bigger role. Now, a lot of electrical products (such as some household appliances) have the operational control of the use of wireless data transmission, wireless data transmission functions of some

9、 relatively simple electrical products, wireless data transmission signals are often used to receive recognition and supporting chips code modulation The decoding chips. And wireless data transmission functions of some of the more complex electrical products, wireless data transmission signals in th

10、e identification and decoding use of SCM, its code modulation also have a variety of ways. Here are a commonly used wireless data transmission signal coding methods, and use them to identify the MCU programming methods, for reference. AT89S51 design of a microcontroller-based wireless data transmiss

11、ion programme and gave a briefing on wireless data transmission anti-jamming measures and gives examples of the software design. Key words:Wireless data transmission; single-chip microcomputer; coding; decoder 目 錄 引言 1 1 單片機無線數據傳輸系統設計的原理 1 1.1 單片機無線數據傳輸原理概述 1 1.1.1 無線數據傳輸編碼原理 2 1.1.

12、2 無線數據傳輸信號的解碼 5 1.1.3 無線數據傳輸協議 6 1.1.4 無線數據傳輸系統的調制和解調 7 1.2 AT89S51單片機的原理 7 1.3 QwikRadio射頻發(fā)射模塊（Transmitter Module） 11 1.4 QwikRadio射頻接收模塊（Receiver Module） 22 2 基于單片機的無線數據傳輸系統的實現 29 2.1 硬件電路設計 29 2.1.1概述 29 2.1.2發(fā)射部分 30 2.1.3接收部分 31 2.2 軟件設計 33 2.2.1概述 33 2.2.2發(fā)射電路的軟件流程設計 33 2.2.3

13、接收電路的軟件流程設計 37 3 調試 42 4 總結 44 5 結束語 45 謝 辭 46 參考文獻 47 附 錄 48 第48頁 共48頁 引言 　　當今的各種智能化控制系統 ,比如智能化小區(qū)內部的無線抄表系統、門禁系統、防盜報警系統和安全防火系統等 ,工業(yè)數據采集系統 ,水文氣象控制系統,機器人控制系統、數字圖像傳輸系統等等 ,都離不開數據信息的傳輸?？梢哉f ,數據信息傳輸系統是各種智能化控制系統的重要組成部分。而數據送的方式大部分采用有線的數據傳送方式,例如并行傳送、串行傳送、CAN總線和Lonworks總線等等。在有線數據傳輸

14、方式當中,數據的傳輸載體是雙絞線、同軸電纜或光纖。在一些單片機監(jiān)測系統中,數據采集裝置是安裝在環(huán)境條件惡劣的現場或野外。采集到的數據通信傳輸到手持終端, 然后通過手持終端送到后臺機(PC 機) 進行數據分析、處理。這樣,數據采集裝置與手持終端之間的數據傳輸需解決通信問題。若采用有線數據傳輸方式顯然是不合適的。其實,數據傳輸還可以有無線傳輸方式,即通過空氣或真空實現數據傳送。相比于傳統的有線數據傳輸方式,無線數據傳輸方式可以不考慮傳輸線纜的安裝問題,從而節(jié)省大量電線電纜,并且降低施工難度和系統成本,是一個很有發(fā)展?jié)摿Φ难芯空n題。無線數據傳輸因其傳輸距離遠和受障礙影響小而得到廣泛應用，隨著各種專用

15、無線數據傳輸集成電路和無線數據傳輸發(fā)射和接收專用集成電路的不斷涌現，使許多復雜的無線數據傳輸系統的設計變得愈來愈簡單，而且工作穩(wěn)定性可靠。隨著計算機、通信和無線技術的逐步融合,在傳統的有線通信的基礎上,無線通信技術因具有體積小、抗干擾能力強、快捷、方便、可移動、可靠、無需布線、維護方便和數據安全等優(yōu)勢,所以廣泛應用到遙控玩具、汽車電子、安全防火、生物信號采集、環(huán)境監(jiān)測和電氣自動化等領域。本文介紹利用單片機以及發(fā)射/接收模塊電路實現的一種無線數據傳輸系統的設計思想。給出了無線數據傳輸系統的工作原理、硬件設計方案和軟件設計方案。討論了數據傳輸格式，給出了數據通信協議的數據幀結構,以適應于無線通信環(huán)

16、境,可確保在案較差的無線環(huán)境下實現數據無差錯傳輸。該方法安全可靠,實時性強,占用內存極少,可廣泛應用于高中低檔單片機. 特別對于存儲容量小的低檔單片機,該方法是理想的選擇。主控芯片采用AT89S51 單片機,發(fā)射電路采用無線數據傳輸模塊QwikRadio射頻發(fā)射模塊，接收部分采用無線數據傳輸模塊QwikRadio射頻接收模塊。該系統通過發(fā)射接收無線電波實現數據的無線傳輸。其裝置具有體積小、功耗低、成本低的特點，傳輸距離可達100m以上。 1 單片機無線數據傳輸系統設計的原理 1.1 單片機無線數據傳輸原理概述 無線數據傳輸有發(fā)送和接收兩個組成部分。發(fā)送端采用單片機將待發(fā)送的二進制信號編

17、碼調制為一系列的脈沖串信號,通過無線數據傳輸模塊中的發(fā)射模塊發(fā)射信號。無線數據傳輸接收端普遍采用價格便宜,性能可靠的一體化無線數據傳輸接收模塊(如QwikRadio射頻接收模塊,它接收無線數據傳輸信號頻率為433.92 MHz，數據速率為10Kbps) 接收無線數據傳輸信號,它同時對信號進行放大、檢波、整形,得到TTL 電平的編碼信號,再送給單片機,經單片機解碼并執(zhí)行,去控制相關對象,如圖1-1所示。 單片機 編碼調制 無線發(fā)送模塊 發(fā)送 無線接收模塊 接收 單片機 解碼 圖 1-1 　單片機無線數據傳輸的過程 無線數據傳輸發(fā)射部分,一般由一個能產生等幅振蕩的高頻載

18、頻振蕩器和一個產生低頻調制信號的低頻振蕩器組成。用來產生載頻振蕩的電路一般有多諧振蕩器、互補振蕩器和石英晶體振蕩器等由低頻振蕩器產生的低頻調制波,一般為寬度一定的方法。如果是多路控制可以采用每一路寬度不同的方波,或是頻率不同的方法去調制高頻載波,組成一組組的已調制波,作為控制信號向空中發(fā)射。 接收電路從工作方式分,可以分成超外差接收方式和超再生接收方式。超外差原理利用本地產生的振蕩波與輸入信號混頻,將輸入信號頻率變換為某個預定的頻率的電路。其優(yōu)點是: ①容易得到足夠大而且比較穩(wěn)定的放大量。②具有較高的選擇性和較好的頻率特性。③容易調整。缺點是電路比較復雜 ,同時也存在著一些特殊的干擾 ,如相

19、頻干擾、組合頻率干擾和中頻干擾等。超再生電路實際上是一個受控間歇振蕩的高頻振蕩器,這個高頻振蕩器采用電容三點式振蕩器,振蕩頻率和發(fā)射器的發(fā)射頻率相一致。而間歇振蕩又是在高頻振蕩過程中產生的,反過來又控制著高頻振蕩器的振蕩和間歇。間歇振蕩的頻率是由電路的參數決定的。這個頻率選低了,電路的抗干擾性能較好,接收靈敏度降低;反之亦然。超再生式接收方式具有電路簡單、性能適中、成本低廉的優(yōu)點所以在實際應用中被廣泛采用。 1.1.1 無線數據傳輸編碼原理 無線數據傳輸按編碼產生方式分為專用芯片編碼方式和自定義編碼方式兩種。 (1) 專用芯片編碼方式: 有固定的調制方式和幀結構,可用硬件、也可以用軟件來

20、實現解碼。 (2) 自定義編碼方式: 調制方式和幀結構都由自己定義,采用這種編碼方式時一般都需要采用軟件解碼。 有許多專用的無線數據傳輸發(fā)射芯片把按鍵識別、編碼、調制功能集成在一塊芯片中, 輸出發(fā)射信號, 只要經過驅動即可通過芯片把無線數據傳輸信號發(fā)射出去。這種發(fā)射方式簡單可靠、基本不用調試即可使用,。大多數發(fā)射芯片采用低功耗設計, 特別適用于手持式遙控器中。雖然專用芯片使用簡便, 但對于某些場合卻并不適用。最簡單的例子就是空調遙控器, 用戶必須從遙控發(fā)射端知道空調當前的設置狀態(tài), 而遙控器的按鍵數目又不可能太多, 在這種情況下, 我們發(fā)射出去的溫度調節(jié)信號就不能只是簡單的“加”和“減”和

21、“開”和“關”, 還應該把設置的溫度值一起發(fā)射出去。這時就要使用以MCU 為核心的無線數據傳輸發(fā)射電路。在以MCU 為核心的無線數據傳輸發(fā)射電路中,MCU 完成按鍵的識別、編碼工作, 調制既可由硬件電路完成也可以由軟件模擬完成。因為如前所述, 無線數據傳輸的載波頻率比較低, MCU 的速度完全可以滿足要求。產生出來的發(fā)射信號同樣只要經過驅動即可發(fā)射出去。 二進制信號的編碼: 傳統通訊傳送的信息以模擬信號出現，表現為一種連續(xù)的信號, 而現代通訊系統傳送的方式是采用數字信號的方式。無線數據傳輸采用不同的脈寬寬度來實現二進制信號的編碼,可由發(fā)送單片機來完成。 為了滿足上述對無線數據傳輸的要求

22、, 傳輸指令的傳送可以通過改變光學載體 （紅外線）的編碼來傳輸 ,其字長可以變化 ,即一個字可以包括不同的二進制位數.在傳輸系統中有3 種“二進制位”的表示方法 ,即通常所說的“0”,“1”的表示方法。 第一種:FSK式（移頻鍵控方式Frequency Shift Keying）, 又稱數字調頻。如果用改變載波頻率的方法來傳送二進制符號，就是移頻鍵控（FSK）的方法。這時其頻譜可以看成碼列對低頻載波的開關鍵控加上碼列的反碼對高頻載波的開關鍵控。移頻鍵控方式用兩種不同的脈沖頻率分別表示二進制數的“0”和“1”。用2個頻率傳輸1“位”二進制 ,這是最安全的方法,缺點是成本高、功耗大。所以 ,在電

23、器的遙控器中極少應用。圖1-2是表示用2個頻率對“二進制位”的“0”和“1”進行編碼的示意圖。在FSK方式中，相鄰碼元的頻率不變或者跳變一個固定值。在兩個相鄰的頻率跳變的碼元之間，其相位通常是不連續(xù)的。 圖1-2 　FSK編碼“二進制位”的方式 第二種:曼徹斯特編碼方式 又稱雙相調制編碼方式 ,常用于局域網傳輸。在曼徹斯特編碼中，每一位的中間有一跳變，位中間的跳變既作時鐘信號，又作數據信號；從高到低跳變表示"1"，從低到高跳變表示"0"。,在長虹、創(chuàng)維等彩電的控制器中,就采用了這種雙相調制方式。還有一種是差分曼徹斯特編碼，每位中間的跳變僅提供時鐘定時，而用每位開始時有無跳變表示"0

24、"或"1"，有跳變?yōu)?0"，無跳變?yōu)?1"。兩種曼徹斯特編碼是將時鐘和數據包含在數據流中，在傳輸代碼信息的同時，也將時鐘同步信號一起傳輸到對方，每位編碼中有一跳變，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干擾性能。但每一個碼元都被調成兩個電平，所以數據傳輸速率只有調制速率的1/2。曼徹斯特編碼“二進制位”的表示方法如圖1-3所示。 圖1-3 　傳輸“二進制位”的曼徹斯特編碼方式 第三種:脈寬調制編碼方式 ,是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。這種編碼方式根據脈沖上升沿之間的距離決定“二進制位”是“

25、0”還是“1”,兩脈沖上升沿之間距離短為“0”,距離長為“1”。如圖1-4 所示 ,脈寬編碼用在載波或脈沖調制方式中.家用錄像機 ,VCD,DVD的遙控器多采用脈寬編碼方式。 圖1-4 　傳輸“二進制位”的脈沖調制方式 脈寬調制編碼方式的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統信號都是數字形式的，無需進行數模轉換。讓信號保持為數字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或將邏輯0改變?yōu)檫壿?時，也才能對數字信號產生影響。 對噪聲抵抗能力的增強是脈寬調制編碼方式相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候將脈寬調制編碼方式用于通信的主要原因。從模擬信號轉向脈寬

26、調制編碼方式可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當的RC或LC網絡可以濾除調制高頻方波并將信號還原為模擬形式。 本文采用不同的脈寬寬度來實現二進制信號的編碼 ,這種編碼調制方法類似于脈寬調制編碼方式，編碼過程可由發(fā)送單片機來完成。用圖1-5（a）表示二進制信號中的高電平‘1’,其特征是脈沖中低電平與高電平的寬度均相等，即由一個脈沖的高電平和一個脈沖的低電平組成;用圖1-5（b）表示二進制信號中的低電平‘0’,其特征是脈沖中高電平的寬度和低電平的寬度不相等,低電平的寬度是高電平的二倍 ,相當于一個脈沖的高電平加上兩個脈沖的低電平。上述的脈沖寬度可以適當地調整 ,以適應不同數據傳輸速度的需要

27、。 表示“1” 表示“0” 1個脈沖 1個脈沖 1個脈沖 2個脈沖 (a)“1”的二進制編碼表示 (b) “0”的二進制編碼表示 圖1-5 二進制信號的編碼 1.1.2 無線數據傳輸信號的解碼 硬件解碼可分為專用解碼集成電路和自行設計的解碼電路兩種。專用解碼芯片一般與專用編碼芯片配對設計制造。按其編碼與解碼功能可分為以下三類: (1) 控制數據的地址加密編碼與解碼器: 這類電路的特點是在地址加密編碼的同時還可以進行控制數據的編解碼。其編碼容量大,保密性好。適用于安防、工業(yè)控制等對可靠性要求較高的場合。 (2) 地址加密編碼與

28、解碼器: 這一類電路無控制數據編碼僅有加密地址編解碼功能。適用于可靠性要求較高,但只進行簡單的開關或增減控制的場合。 (3) 控制數據編碼與解碼器: 這類電路無加密地址編碼僅有控制數據的編解碼。適用于群控或者應用環(huán)境本身就保證了其他信號發(fā)射源不會同時出現的場合,如在一個密閉的設備內部。使用專用的硬件編碼解碼對芯片,簡便可靠,使用廣泛,不再多述。一般來說硬件解碼相對軟件解碼成本較高,并且當系統因更改或升級改變了編碼方式時, 接收的硬件就要做相應的更改,缺乏一定的靈活性。當MCU 的任務不是很繁重時,可以考慮使用軟件解碼。對于頻率調制方式, 只要測出每次脈沖的周期就可以解碼出對應的二進制信息。方

29、法有很多種,中斷、查詢都可以實現,具體方法因實際情況而定。對于脈寬調制(PWM),只要識別出每個脈沖的高(或低)電平寬度即可完成解碼。對于2 脈位調制(2PPM),需要判斷出每個周期內高低電平出現的先后次序,從而實現解碼。單片機無線數據傳輸軟件解碼要保證正確無誤地還原無線數據傳輸信息碼,其主要功能包括以下幾部分: (1) 過濾附加信息,得到有效信息位。(2)排除系統內外各種干擾信號。(3)丟棄接收到的不完整信息幀。(4)檢驗接收信息的正確性。 為了能夠達到上述要求，本系統使用的解碼方式是無線數據傳輸信號的解碼由接收單片機來完成,它把無線數據傳輸接收模塊送來的無線數據傳輸編碼波形通過解碼,還原

30、出發(fā)送端發(fā)送的數據。當接收到起始幀后,進入解碼部分,接收完一幀后,處理收到的數據并進入下一次接收。解碼采用軟件解碼, 如果從一個脈沖的高電平和一個脈沖的低電平過后, 若讀到的電平為低, 說明該位為“0”, 反之即可判定為編碼“1”。解碼一位后,需等到下一位的高電平到來,再讀到一個低電平后，判斷讀得的電平是高還是低,進行解碼。按照這種方法判斷八次，從而還原出發(fā)送端發(fā)送的信號。這樣,根據事先約定代碼所代表的功能，單片機就可以去執(zhí)行各種控制動作,從而達到無線數據傳輸的目的。 1.1.3 無線數據傳輸協議 通訊中幾個重要的方面包括傳輸速度、數據準確度、數據的完整性等,也就是要求解碼能盡可能準確。為

31、了達到這些要求,需在一定脈沖頻率下按照一定的時間約定進行數據傳送,也就是一種簡單的協議。為了保證數據的正確性,盡量采 用大于的脈沖,并經過多次的反復測定,對脈沖進行多次采樣,選用幾種延時程序等。無線數據傳輸協議除了規(guī)定無線數據傳輸信號的載波頻率、編碼方式、脈沖寬度等信息外，還對無線數據傳輸的格式進行了嚴格的規(guī)定，以確保發(fā)送端和接收端之間無線數據傳輸的準確無誤。無線數據傳輸協議是為了進行無線數據傳輸所制定的標準。幾乎所有的無線數據傳輸系統都是按照特定的無線數據傳輸協議來進行信號傳輸的。因此，要設計制作無線數據傳輸系統，首先要制定無線數據傳輸協議，以及了解與之相關的無線數據傳輸發(fā)射和接收模塊。

32、 基于字節(jié)傳輸的無線數據傳輸數據格式 本系統的傳輸數據格式是：在發(fā)送字節(jié)的開始先通過單片機發(fā)送5個脈沖寬度的高電平和5個脈沖寬度的低電平作為傳輸開始,接著發(fā)送8 位數據(字節(jié)高位在前,低位在后),如下圖所示。 5個脈沖高電平 5個脈沖低電平 高位在前，低位在后 起始位 8位數據 圖1-6 基于字節(jié)傳輸的無線數據傳輸數據格式 1.1.4 無線數據傳輸系統的調制和解調 為了使數據傳送的距離較長，在發(fā)射信號前要對信號進行調制，調制的方法是將原信號與一個載波相與。QwikRadio射頻接收模塊，DATA是信號輸出端。QwikRadio射頻接收模塊接收發(fā)射的已調制信號，并對信號進行

33、解調恢復原來的調制信號。解調過的信號經過放大后送入單片機中進行解碼。 對移動通信的數字調制和解調器技術的要求如下： （1）在信道衰落條件下，誤碼率要盡可能低； （2）發(fā)射頻譜窄，對相鄰信道干擾?。? （3）高效率的解調，以降低移動臺功耗，進一步縮小體積和成本； （4）能提供較高的傳輸速率； （5）易于集成。 1.2 AT89S51單片機的原理 AT89S51單片機是美國ATMEL公司生產的低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含4K bytes的可系統編程的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存儲技術生產，兼容標準8051指令系統及引腳。它

34、集Flash程序存儲器，既可在線編程（ISP）也可用傳統方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，ATMEL公司的功能強大，低價at89s51單片機可提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。AT89S51提供以標準功能:4K字節(jié)Flash閃速存儲器,128字節(jié)內部RAM,32個I/O口線,看門狗(WDT),兩個數據指針,兩個16位定時/計數器,一個5向量兩級中斷結構,一個全雙工串行通信口,片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89S51可降至0HZ的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數器，串行通信口及中斷系統繼續(xù)工作。掉電

35、方式保存RAM中的內容，但振蕩器停止工作直到下一個硬件復位。 主要性能參數 與MCS-51產品指令系統完全兼容 4K字節(jié)在系統編程（ISP）Flash閃速存儲器 1000次擦寫周期 4.0-5.5V的工作電壓范圍 全靜態(tài)工作模式：0HZ-33MHZ 三級程序加密鎖 128*8字節(jié)內部RAM 32個可編程I/O口線 2個16位定時/計數器 6個中斷源 全雙工串行UART通道 低功耗空閑和掉電模式 中斷可從空閑模式喚醒系統 看門狗（WDT）及雙數據指針 掉電標識和快速編程特性 靈活的在系統編程（ISP-字節(jié)或頁寫模式） 圖1-7 單片機的引腳 引腳功

36、能說明 VCC：電源電壓 GND：地 P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數據總線復用口。作為輸出口用時，每位能驅動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端使用。在訪問外部存儲器或程序存儲器時，這組I/O口線分時轉換地址（低8位）和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。在Flash編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。 P1口：P1口是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可以作為輸

37、入口。作為輸入口時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。Flash編程和程序校驗期間，P1接收8位地址。 P2口：P2口是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口，作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數據存儲器時，P2口送出高8位地址數據。在訪問8位地址的外部數據存儲器時，P2口線上的內容（也即特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中P2寄存器的內容），在整個訪問期間不改

38、變。Flash編程或校驗時，P2亦接收高位地址和其他控制信號。 P3口：P3口是一組帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可以作為輸入端口。作為輸入端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示： 表1-1 P3口的第二功能列表 P3口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序效驗的控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。WDT溢出將使該引腳輸出高

39、電平，設置SFR AUXR的DISRTO位（地址8EH）可打開或關閉該功能。DISRTO位缺省為RESET輸出高電平打開狀態(tài)。 ALE/PROG:當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，因此它可以對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可以通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置，可以禁止ALE操作。該位置后，只有一條MOVX和MO

40、VC指令ALE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應該設置ALE無效。 PSEN:程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲區(qū)的讀選通信號，當AT89S51由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每當機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。當訪問外部數據存儲器，沒有兩次有效的PSEN信號。 EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接VCC端），CPU則執(zhí)行內部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時，該引

41、腳加上+12V的編程電壓Vpp。 XTAL1：振蕩器反相放大器及內部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 中斷寄存器：各中斷允許控制位于IE寄存器，5個中斷源優(yōu)先級控制于IP寄存器。 雙時鐘指針寄存器：為了更方便地訪問內部和外部數據存儲器，提供了兩個16位數據指針寄存器：DP0位于SFR（特殊功能寄存器）區(qū)塊中的地址82H、83H和DP1位于地址84H、85H，當SFR中的位DPS=0選擇DP0 ，而DPS=1則選擇DP1。用戶應該在訪問相應的數據指針寄存器前初始化DPS位。 電源空閑標志：電源空閑標志（POF）在特殊功能寄存器SFR中PCON的第4位，電源打

42、開時POF置“1”，它可以由軟件設置睡眠狀態(tài)并不為復位所影響。 存儲器結構：MCS-51單片機內核采用程序存儲器和數據存儲器空間分開的結構，均具有64KB外部程序和數據的尋址空間。 程序存儲器：如果EA引腳接地（GND），全部程序均執(zhí)行外部存儲器。在AT89S51,假如EA接至VCC(電源正)，程序首先執(zhí)行地址從0000H-0FFFH內部程序存儲器，再執(zhí)行地址為1000H-FFFFH的外部程序存儲器。 數據存儲器：AT89S51的具有128字節(jié)的內部RAM，這128字節(jié)可利用直接或間接尋址方式訪問，堆棧操作可以利用間接尋址方式進行，128直接均可以設置為堆棧區(qū)空間。 看門狗定時器：看門

43、狗定時器是為了解決CPU程序運行時可能進入混亂或死循環(huán)而設置的，它由一個14比特的計數器和看門狗復位SFR構成。外部復位時，看門狗定時器默認為關閉狀態(tài)，要打開看門狗定時器，用戶必須按順序將01EH和0E1H寫到WDTRST寄存器，當啟動了看門狗定時器，它會隨晶體振蕩器在每個機器周期計數，除硬件復位或看門狗定時器溢出復位外沒有其它方法關閉看門狗定時器，當看門狗定時器溢出，將會使RST引腳輸出高電平的復位脈沖。 UART：通用異步通信口。 定時器0和定時器1：在單片機中有兩個特殊功能寄存器與定時/計數有關,這就是TMOD 和TCON。TMOD 和TCON 是名稱,在寫程序時就可以直接用這個名稱

44、來指定它們,當然也可以直接用它們的地址89H 和88H 來指定它們。TMOD 被分成兩部份,T1 和T0 每部份4 位.分別用于控制T1 和T0, TCON也被分成兩部份,高4 位用于定時/計數器,低4 位則用于中斷。 中斷：中斷由特殊功能寄存器、中斷入口、順序查詢邏輯電路等組成,包括5個中斷請求源,4個用于中斷控制的寄存器IE、IP、ECON 和SCON 來控制中斷類弄、中斷的開、關和各種中斷源的優(yōu)先順序確定。 晶體振蕩器的選擇 AT89S51中有一個用語構成內部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或

45、陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器，振蕩電路如下圖。 外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容C1、C2接在放大器的反饋賄賂中構成并聯振蕩電路。對外接電容C1、C2雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩器頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。如果使用石英晶體，我們推薦電容使用30pF10Pf,而如使用陶瓷諧振器建議選擇40pF10Pf。 用戶也可以采用外部時鐘。采用外部時鐘的電路如圖所示。這種情況下，外部時鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2則懸空。 由于外部時鐘信號是通過一個2分頻觸發(fā)器后作為內部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時間

46、和最大的地電平持續(xù)時間應符合產品技術條件的要求。 因為本系統為無線數據傳輸系統，為了減小外部干擾對整個系統傳輸性能的影響以及符合無線數據傳輸模塊的要求。本系統單片機的晶振采用6MHZ的晶振。因為晶振頻率高時，容易對傳輸系統進行干擾。 圖1-8 晶振振蕩電路 1.3 QwikRadio射頻發(fā)射模塊（Transmitter Module） 無線數據傳輸系統的核心是無線收發(fā)控制電路．我們可以采用無線數據傳輸模塊來構成無線收發(fā)電路。在本系統中，我們采用的收發(fā)模塊是QwikRadio射頻發(fā)射模塊和QwikRadio射頻接收模塊。 QwikRadio射頻發(fā)射模塊有以下特點： ◆支持幅移鍵控

47、(ASK)/鍵控通斷(OOK)調制方式 ◆數據傳輸速率可達 20Kbps ◆可與各種超再生和超外差接收器配合使用 ◆與QwikRatio系列接收器配合使用，能在實現可靠鏈接的同時，大大的降低系統成本 ◆待機電流極小，小于0.04uA ◆通過改變PC端電壓可調節(jié)發(fā)射功率 ◆輸出消隱是保證MICRF102符合FCC等發(fā)射規(guī)定的關鍵 ◆天線自動調諧功能,消除了模塊生產過程中的手工調諧工序.也能自動適應阻抗變化和觸摸效應 表1-2 射頻發(fā)射模塊參數表 模塊型號 RFIC 發(fā)射功率 工作電流 數據速率 發(fā)射頻率 模塊尺寸(mm) 外圍元件 TX-2-F3-A MICR

48、F102BM 0dbm 8mA 20Kbps 315MHz 22.6 X 10.2 16只 無線數據傳輸發(fā)射芯片MICRF102的應用說明 概述 MICRF102 是Micrel 公司 QwikRatioTM 系列發(fā)射器（Transmitter）的成員之一，工作在 300~470MHz ISM頻段，適用于各種無線遙控/數傳領域。它是一款真正的單片“數據入，天線出”發(fā)射器，天線調諧在芯片內部完成，無需手工調節(jié)；發(fā)射功率自動控制；高度集成，外圍元件極少，應用非常簡單；穩(wěn)定性好，性價比優(yōu)異。 MICRF102支持幅移鍵控（ASK ）/鍵控通斷（OOK）調制方式，可與各種

49、超再生和超外差接收器配合使用。數據傳輸速率可達20kbps。MICRF102與QwikRatioTM系列接收器配合使用，能在實現可靠鏈接的同時，大大的縮短產品研發(fā)周期和降低系統成本。 特征 完整的單片UHF 發(fā)射器 300MHz~440MHz ISM 頻段 數據速率可達20kbps 自動天線調諧，無需手工調節(jié) 外圍元件極少 待機電流極小，小于0.04 μA FCC 認證，安全可靠 應用 遙控門鎖（RKE/GDO ） 家電遙控 汽車防盜 家居安防系統 無線數據鏈接 無線傳感 玩具 表1-3 MICRF102BM應用參數 型號 工作溫度范

50、圍 封裝形式 MICRF102BM 0~+85℃ 8-Pin SOIC 典型應用電路 圖1-9 典型應用電路 引腳定義 圖1-10 SOP-8 引腳封裝 表1-4 引腳功能 序號 名稱 功能 1 PC 功率控制輸入。該腳電壓通常置為0.15~0.35V 2 VDD 電源輸入正端。通過去耦電容接VSS 端 3 VSS 電源輸入負端 4 REFOSC 時鐘基準輸入。通過晶振接VSS，或以AC 耦合方式輸入峰峰值為0.5V 的時鐘信號?；鶞暑l率等于發(fā)射頻率的1/

51、32 5 STBY 待機模式控制。接VDD 為發(fā)射狀態(tài)；接VSS 為待機狀態(tài) 6 ANTM 射頻功率輸出負端。驅動環(huán)路天線低端 7 ANTP 射頻功率輸出正端。驅動環(huán)路天線高端 8 ASK ASK （幅移鍵控）信號輸入 技術參數 極限工作條件（說明1） 最大電源電壓（VDD ）……………………………………………………+6V 輸入/輸出端電壓………………………………………Vss-0.3V ~V +0.3V

52、 儲存溫度范圍…………………………………………………-65℃~+150℃ 焊接溫度（焊接時間10s） …………………………………………+300℃ ESD 額定值見說明3 額定工作條件(說明2) 電源電壓（VDD ）………………………………………………+4.75~+5.5V 最大電源紋波……………………………………………………………10mV PC 端電壓范圍(VPC)……………………………………………150mV~350mV 工作環(huán)境溫度（TA ）………………………………………………0~+85℃ 工作頻率范圍…………………………………………………300MHz

53、~470MHz 特性參數 表中參數如無特別聲明，均在以下條件測得 4.75V≤VDD ≤5.5V，VPC=0.35V， TA=25℃，fREFOSC=12.1875MHz，STBY＝VDD 。 表1-5特性參數 符號 參數 測試條件 最小值 典型值 最大值 單位 電源 IQ 待機電流 VSTBY<0.5V , VASK<0.5V 或VASK>VDD-0.5V 0.04 μA ION 高電平電流 315MHz，見說明4 6 10.5 mA 433MHz，見說明4 8 12 mA IOFF 低電平電流 315MHz

54、 4 6 mA 433MHz 6 8.5 mA 平均工作電流 315MHz，33% 占空比 4.7 mA 433MHz，33% 占空比 6.7 mA 射頻/ 中頻部分 POUT 射頻輸出功率 見說明4 0 dBm E 場強(3m 處) 見說明5 67dB 80dB μV/m H 諧波輸出，見說明10 315MHz 二次諧波 三次諧波 -46 -45 dBc 433MHz 二次諧波 三次諧波 -50 -41 dBc ASK 消光比

55、 40 52 dBc 變容調節(jié)范圍 見說明7 3 5 7 pF 參考振蕩器部分 參考振蕩器輸入阻抗 300 k Ω 參考振蕩器源電流 6 μA 參考振蕩器輸入電壓 0.2 0.5 VPP 數據/控制部分 校準時間 見說明8，ASK=High 25 ms 功放待機/ 啟動延遲 見說明9， STBY 電壓由低至高轉換，晶振ESR<20 Ω 6 ms 待機/ 發(fā)射穩(wěn)定時間 外部時鐘輸入（500mVPP ） 10 ms 晶振，ESR

56、<20 Ω 19 ms 最大數據速率 ASK 調制，占空比為50% 20k bps VSTBY 使動電壓 0.75 VDD V ASK 輸入電平 高電平 0.75 VDD V 低電平 0.25 VDD V ASK 輸入電流 ASK 為0V 和5V 時電流 -10 0.1 10 V 說明： 1. 超出極限工作條件可能會損壞器件。 2. 超出額定工作條件時器件性能不能保證 3. 本產品屬靜電敏感器件，請采取合理的靜電防護措施。不要在強靜電場附近使用和貯存。 4. 工作電流和發(fā)射功

57、率均為PC（功率控制）端控制電壓的函數。提高PC 端電壓可以提高發(fā)射功率，但工作電流也會增大。見圖3 5. 發(fā)射功率為在50 歐等效負載電路下測得。 6. 場強為在距發(fā)射模塊TX102-2A 天線3 米處測得。 7. 可變電容調節(jié)范圍表征芯片在保證標稱發(fā)射頻率狀況下天線元件離散的容忍度。 8. 芯片第一次上電或掉電時，芯片會進入校準模式自動調整天線參數。 9. 脫離待機狀態(tài)后，芯片需要一段時間初始化參考時鐘REFOSC 和鎖相環(huán)PLL。第一個高電平應比初始化時間長，緊接著的低電平到高電平的躍變才被視為數據調制。 10.基于MICRF102 的發(fā)射模塊TX102-2A 符

58、合FCC 15.231 部分有關最高發(fā)射強度的規(guī)定。 典型特性曲線 圖1-11a. 輸出功率-控制電壓 圖1-11b. 邏輯1 耗電流-控制電壓 原理與結構 圖1-12. MICRF102 內部結構 MICRF102的基本結構如圖4所示，它由以下幾個功能模塊組成： UHF頻率合成器（1,2,3,4,5）、緩沖器（6a/b）、天線調諧器（7）、功率放大器（8）、發(fā)射功率偏置控制（9）、待機控制（10）、可變電容（11）。 頻率合成器產生正交輸出的射頻載波，其中同向信號（I）用于驅動功放，正交信號（Q） 用于比較天線信號相位以實行天線自動調諧。 天線調諧模塊檢測

59、天線端發(fā)射信號的相位，控制可變電容進行天線調諧。 功率控制單元檢測天線信號，控制功放偏置電流，以校正發(fā)射功率。 內置差分可變電容作為調諧元件，保證發(fā)射頻率在電源和溫度變化時保持穩(wěn)定。 一個PCB 環(huán)形天線，一個諧振元件和一個電阻分壓網絡，這就是用MICRF102 組成一個完整的遙控發(fā)射器所需的所有外圍元件。 應用信息 設計步驟 MICRF102 發(fā)射器設計步驟如下： 1）根據發(fā)射頻率選擇適當的參考振蕩器。 2）設計PCB 環(huán)形天線 3）計算天線總的匹配電容 4）計算串聯和并聯電容。 5）設置PC 端電壓來控制發(fā)射功率。 參考振蕩器選擇

60、根據發(fā)射頻率計算外置參考振蕩器頻率。發(fā)射頻率為參考振蕩器頻率的32 倍，即 fTX=32 fREFOSC 參考振蕩器頻率可由晶振或信號發(fā)生器產生。若選擇晶振，則其等效串聯電阻ESR應不大于20 歐姆。若用信號發(fā)生器，則其幅值應在200mV~500mV 之間。 PCB 天線設計 PCB 環(huán)形天線的電感可由下式決定 LANT=0.2Length ln （Length/d-1.6 ）10 -9k 其中， Length 為天線長度，單位mm， d 為銅帶寬度，單位mm， k 為頻率修正因子，

61、 LANT 為天線近似電感，單位H。 由于寄生參數的影響，實際的電感要比計算值要大一些，可在計算值后加2nH修正。上式只是天線電感的近似算法，實際的天線電感會隨PCB 材料、厚度和接地面的不同而有所變化，精確的測定可借助于射頻網絡分析儀。 匹配電容計算 天線匹配電容可由下式計算： CT=1/（4π2f2LANT） 其中， CT為總的匹配電容值，單位F， π值取3.1416， f為載頻，單位Hz， LANT為天線電感，單位H， 串/并聯電容計算 理想情況下，MICRF102的串聯電

62、容和并聯電容具有相同或非常相近的容值，可先給CP賦值，然后由下式進行計算CS，反復計算，直到兩者相等或非常接近，并可選用精度為5%的標準產品為止。 CS=1/（1/Cr-1/(CVAR+CP)） 其中， CVAR 為內置可變電容，單位F（對MICRF102，可取其中間值5pF）， CS 為串聯電容，單位F， CP 為并聯電容，單位F。 天線的尺寸不宜大于參考設計中尺寸，因為天線面積越大，天線環(huán)路負載Q值越高，越難實現電容匹配。另外，流入內部變容器的交流電流均方值不要超過16mA，在天線尺寸不太大的情況下，并聯電容可以吸收掉一部分電流。如果選用更小尺寸的天線，串聯電容可選用1

63、00pF～220pF 的隔直電容器，以保證天線管腳之間沒有直流電流。此時并聯電容可根據下式計算： CT= CP+ CVAR 。 發(fā)射功率控制 發(fā)射場強與天線的效率有關。好的天線設計可在3 米處獲得67～80的場強。PC引腳用來設置發(fā)射功率，功放PA 輸出端的差分電壓隨PC 腳的電壓增加而成比例增加。但在PC端電壓高于0.35V時，由于功放電流受到限制，射頻輸出功率不再增加。PC端電壓較低時，功耗較低，但射頻輸出功率和工作距離也會較小。設計時可根據實際應用均衡考慮。 天線自動調諧 MICRF102 的差分輸出適合驅動呈感性負載的環(huán)路天線。其輸出級含有一個可變電

64、容，標稱值為5.0pF，可在3~7pF 之間調節(jié)。天線調諧單元監(jiān)測功放輸出端信號的相位，將可變電容自動設置在正確的容值上以獲得諧振。MICRF102 的自動調諧功能，消除了模塊生產過程中的手工調諧工序，也能在使用中自動適應阻抗變化和“觸摸”效應。 電源旁路電容 適當的電源旁路是必需的，如果電源紋波過大或去耦電路不合適，發(fā)射器頻譜中會有較明顯的雜波。建議用一個4.7F 和一個 100pF 的電容并聯接在VDD 和VSS 之間，連線應盡量短。 輸出消隱 當器件初次上電或突然斷電時，輸出就會自動消隱（關斷）。輸出消隱是保證MICRF102 符合FCC 等發(fā)射規(guī)定的關

65、鍵，它使發(fā)射只有在頻率合成器完全正常工作時才會進行，避免了無意發(fā)射。 參考設計 該參考設計為TX102-2A。參考設計PCB 如圖1-13。 圖1-13. MICRF102 參考設計 圖1-14 環(huán)路天線輻射模式（315MHz） 天線參數 環(huán)路天線的參數見表1-6 表1-6 天線參數表 Freq. (MHZ) R. (ohms) XL (ohms) Ind (Nh) Q (XL/R) K 300 1.7 84.5 44.8 39.72 0.83 315 2.34 89.3 45.1 39.65 0.85

66、390 3.2 161 47.4 52.00 0.90 434 2.1 136 50.0 78.33 0.96 人們常認為環(huán)路天線方向性較強。實際上小環(huán)路天線可獲得與偶極天線相近的特性。圖15為環(huán)路天線的輻射模式圖。其中，0面圖像為發(fā)射器PCB 所在平面輻射模式，90面圖像為PCB 垂直方向輻射模式。 電源旁路 旁路電容分別選用C3=4.7μF，C4=0.1μF，C5=100pF。 圖1-15 電源旁路 匹配電容計算 315MHz 天線電感計算 Length_mils=2815 dmils=70 k=0.85 Length=(Length_mils25.4)/1000 d=(dmils25.4)/1000 Length=71.501 d=1.778 L=0.2LengthIn(Length/d-1.6) 10-9k L=4410-9 其中，天