簡(jiǎn)單實(shí)用型無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)單實(shí)用型無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)PAGE４８畢業(yè)設(shè)計(jì)題目:簡(jiǎn)單實(shí)用型無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)院系：應(yīng)用技術(shù)學(xué)院專(zhuān)業(yè)：電子信息工程指導(dǎo)教師：

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)題目：簡(jiǎn)單實(shí)用型無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)基本任務(wù)及要求：基本任務(wù)=1\*GB3①設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)系統(tǒng)；=2\*GB3②使用PROTEL畫(huà)出系統(tǒng)硬件圖，并用Proteus軟件對(duì)單片機(jī)控制部分進(jìn)行仿真2．系統(tǒng)要求=1\*GB3①無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x不低于80米；=2\*GB3②工作頻率在430MHz；進(jìn)度安排及完成時(shí)間：第1周布置任務(wù)、下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)第2周熟悉課題，了解無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的分類(lèi)及其發(fā)展歷程第3周～第4周畢業(yè)實(shí)習(xí)，撰寫(xiě)實(shí)習(xí)報(bào)告第5周撰寫(xiě)文獻(xiàn)綜述、開(kāi)題報(bào)告第6周～第8周學(xué)習(xí)通信系統(tǒng)中調(diào)制解調(diào)部分知識(shí)選擇適當(dāng)無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片選擇合適的單片機(jī)第9周～第10周熟悉阻抗匹配部分知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)單端天線(xiàn)學(xué)習(xí)PROTEL軟件，畫(huà)出整體電路圖，學(xué)習(xí)使用KEILC51第11周～第12周用C語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫(xiě)第13周～第14周學(xué)習(xí)使用Proteus仿真軟件用Proteus軟件對(duì)單片機(jī)的數(shù)據(jù)鍵入以及顯示進(jìn)行仿真第15周~第16周撰寫(xiě)畢業(yè)論文第16周畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯目錄TOC\o"1-3"\h\u21426摘要 I19039Abstract II826第1章緒論 １239271.1課題研究背景 1281621.2無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 155171.3本課題研究的主要內(nèi)容和主要工作 411926第2章無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)基本理論 589452.1數(shù)字通信系統(tǒng)基本組成 5121512.2無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸原理 5293862.2.1調(diào)制與解調(diào) 523912.2.2編碼與解碼 982512.2.3PLL鎖相環(huán) 924436第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 13104423.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 13163083.2無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片的選擇 14190433.3nRF401無(wú)線(xiàn)模塊 159003.3.1內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳功能 15138933.3.2應(yīng)用電路及設(shè)計(jì)應(yīng)注意問(wèn)題 1716693.3.3工作原理 1949693.3.4天線(xiàn)的設(shè)計(jì) 1936503.4單片機(jī)控制模塊的選擇 20107143.5AT89C51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳功能 2183453.6鍵盤(pán)接口技術(shù) 24220053.7顯示器接口技術(shù) 2518056第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 28272764.1主程序設(shè)計(jì) 28261664.2從機(jī)點(diǎn)菜程序設(shè)計(jì) 298514總結(jié) 3330323致謝 3429333參考文獻(xiàn) 357937附錄 36簡(jiǎn)單實(shí)用型無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)摘要：文章介紹了基于AT89C51以及nRF401芯片的實(shí)用型無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸，采用半雙工方式通信、主機(jī)-從機(jī)體系結(jié)構(gòu)。主機(jī)可同時(shí)接收多個(gè)從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，基于射頻技術(shù)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，是無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸在通信領(lǐng)域的重要應(yīng)用典型實(shí)例，為各個(gè)行業(yè)帶來(lái)了嶄新的管理理念與服務(wù)手段，優(yōu)化了業(yè)務(wù)流程，為客戶(hù)提供了更好的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)價(jià)值最大化同時(shí)又使成本最低化，是現(xiàn)代生活步入信息化時(shí)代的一個(gè)重要標(biāo)志。它有效地利用了計(jì)算機(jī)應(yīng)用、無(wú)線(xiàn)通信等先進(jìn)的現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)，是一套集先進(jìn)性、實(shí)用性、簡(jiǎn)易性、嚴(yán)密性于一體的應(yīng)用系統(tǒng)。論文詳細(xì)介紹了無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)硬件模塊的功能及其實(shí)現(xiàn)原理、單片機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸及其輸入與顯示的實(shí)現(xiàn)原理?；跓o(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)平臺(tái)同時(shí)可以廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，具有廣泛的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：AT89C51；nRF401；無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸

TheStudyandDesignofSystemaboutSimpleandPracticalWirelessDataTransmissionAbstract:ThearticledescribesthestudyanddesignofpracticalwirelessdatatransmissionsystemwhichisbasedonchipsofAT89C51andnRF401.Systemtransmitsdatatwo-waythroughwirelessmeans,anduseshalf-duplexcommunicationandthemaster-slavestructure.Thehostcansimultaneouslyreceivemultipledatafromtheslaves.Asthewirelesscommunicationtechnologydevelopscontinuously,thefieldofapplicationsofwirelessdatatransmissionsystemisexpanding.Wirelessdatatransmissionsystemthatbasedonradiofrequencytechnologycomesintobeing,anditisthetypicalexampleontheimportantapplicationsofcommunications.Itbringsnewideasandservicemanagementforeveryfield,optimizesbusinessprocesses,andprovidesbetterserviceforcustomers.Itachievesmaximumbusinessvaluewhilekeepingthelowestcostreally,anditisanimportantsignsthatourlifestyledevelopstowardtheinformation.Itusesadvancedmodernscienceandtechnologyaboutcomputerapplications,wirelesscommunications,andsooneffectively.Itisasetofadvanced,practical,simplicity,rigorinoneapplication.Paperintroduceshardwaremodule'sfunctionsoftheplatformforwirelessdatatransmissionandhowtorealizethesefunctions.Alsoitdescribestheprincipleofdatatransmissionbetweenthemicrocontrollerandtheprincipleofinputanddisplay.Systemplatformwhichisbasedonwirelessdatatransmissioncanbewidelyusedinthefieldofindustrialcontrolandhasbroadprospectsfordevelopment.Keywords:AT89C51;NRF401;WirelessDataTransmission簡(jiǎn)單實(shí)用型無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)第1章緒論1.1課題研究背景在現(xiàn)代通信中，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是各種智能化控制系統(tǒng)的重要組成部分，其需要在單片機(jī)之間或單片機(jī)與微機(jī)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，而且在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，往往需要通過(guò)上位機(jī)對(duì)接收到的下位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。一般在傳輸距離比較短的情況是，可以采用有線(xiàn)連接的數(shù)據(jù)通信方式。如并行傳送、串行傳送、CAN總線(xiàn)和Lonworks總線(xiàn)等等。在這些有線(xiàn)傳輸?shù)姆绞街?，?shù)據(jù)的傳輸載體是雙絞線(xiàn)、同軸電纜或是光纖。但是在許多比較特殊的環(huán)境有線(xiàn)連接則往往不能滿(mǎn)足需求。對(duì)于傳輸范圍比較廣的情況采用有線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸方式通信需要較高的代價(jià)。再如高腐蝕環(huán)境、現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)明線(xiàn)連接或者為了保證安全等許多條件下，采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸信道即通過(guò)有線(xiàn)傳輸采集的數(shù)據(jù)已經(jīng)不能滿(mǎn)足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，這時(shí)采用無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸就顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)，無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與有線(xiàn)相比有成本低，通信距離遠(yuǎn)，沒(méi)有鑿墻鉆孔布線(xiàn)的煩惱等優(yōu)點(diǎn)。其不受地理環(huán)境、氣候、時(shí)間等條件的限制，通過(guò)真空或空氣實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，可以不考慮傳輸線(xiàn)纜的安裝問(wèn)題，從而節(jié)省大量線(xiàn)纜，并且降低施工難度和系統(tǒng)成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前應(yīng)用在許多領(lǐng)域，比如：RFID，無(wú)線(xiàn)餐飲點(diǎn)菜系統(tǒng)，無(wú)線(xiàn)抄表，水文監(jiān)測(cè)，低功率遙感勘測(cè)，住宅和建筑自動(dòng)控制等。1.2無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)無(wú)線(xiàn)技術(shù)是通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波在自由空間(包括空氣和真空)傳播信息的技術(shù)，它利用導(dǎo)體中電流強(qiáng)弱的改變會(huì)產(chǎn)生無(wú)線(xiàn)電波這一原理，將信息加載于無(wú)線(xiàn)電波之上，當(dāng)電波通過(guò)空間傳播到達(dá)接收端，電波引起的電磁場(chǎng)變化又會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流，通過(guò)一定的方法將信息從電流變化中提取出來(lái)，就達(dá)到了信息與數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。隨著無(wú)線(xiàn)技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展后勁。無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶軓V，在一般意義上，只要收發(fā)雙方通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波傳輸信息，并且可以根據(jù)自己的需要控制傳輸距離。其中短距離無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)具有應(yīng)用廣泛、種類(lèi)多樣、頻段豐富、免執(zhí)照申請(qǐng)等特點(diǎn)，近期的發(fā)展情況表明，該領(lǐng)域?qū)⑿纬梢粋€(gè)巨大的新興產(chǎn)業(yè)。時(shí)至今日，無(wú)線(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用己經(jīng)滲透到各行各業(yè)的角角落落?，F(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)大致可分為兩大類(lèi)：一是基于蜂窩的接入技術(shù)，如蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)(CDPD)、通用分組無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)(GPRS)、EDGE等。二是基于局域網(wǎng)的技術(shù)，如IEEE802.11、WLAN、Bluetooth、IrDA、Home-RF、微功率短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)等。主要介紹如下：⑴紅外通信技術(shù)（IrDA）紅外無(wú)線(xiàn)技術(shù)是以紅外線(xiàn)作為傳輸工具的一種無(wú)線(xiàn)通訊方式，自1974年發(fā)明以來(lái)，得到了很普遍的應(yīng)用。但是由于紅外線(xiàn)的固有特性，紅外傳輸方式在大信息量的數(shù)據(jù)傳輸中使用得比較少。紅外傳輸是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸，而且距離不能太遠(yuǎn)，其傳輸距離只有l(wèi)～2m，并且對(duì)發(fā)射和接收器要求對(duì)準(zhǔn)，并且中間不能有阻隔，且無(wú)法控制信息傳輸?shù)倪M(jìn)度。目前紅外傳輸技術(shù)已經(jīng)漸漸退出市場(chǎng)，逐漸被藍(lán)牙技術(shù)取代。系統(tǒng)構(gòu)成上，采用紅外無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)的系統(tǒng)需要將MPU與紅外模塊進(jìn)行連接，傳輸采用串行通訊模式。⑵藍(lán)牙技術(shù)（Bluetooth）藍(lán)牙實(shí)際上是一種短距離無(wú)線(xiàn)電技術(shù)利用“藍(lán)牙”技術(shù)，能夠有效地簡(jiǎn)化掌上電腦、筆記本電腦和移動(dòng)電話(huà)手機(jī)等移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡(jiǎn)化以上這些設(shè)備與因特網(wǎng)Internet之間的通信，從而使這些現(xiàn)代通信設(shè)備與因特網(wǎng)之問(wèn)的數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無(wú)線(xiàn)通信拓寬道路。藍(lán)牙采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，工作在全球通用的2.4GHzISM(即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué))頻段。其數(shù)據(jù)速率為lMbPS。采用時(shí)分雙傳輸方案實(shí)現(xiàn)全雙1傳輸。其協(xié)議層區(qū)別于OSI，TCP/IP或者是802中的任何種模型。其底層為無(wú)線(xiàn)電層，負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)電中的位信息傳輸。第二層為帶層，負(fù)責(zé)將位信息流轉(zhuǎn)化成可以識(shí)別的幀。第三層為L(zhǎng)2CAP(邏輯鏈路控制適應(yīng)層)負(fù)責(zé)存設(shè)備間建立邏輯信道，包括電源管理、認(rèn)證和服務(wù)質(zhì)量等等。更高的幾層即是協(xié)議層，由各種不同的通信協(xié)議組成，并且為應(yīng)用程序服務(wù)。其最常用的ClassB版本傳輸距離為8～30m，速率約為700--800kbps。⑶IEEE802.l1b(Wi-Fi)IEEE802.11b技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，使用2.4GHz的ISM頻段，采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)（DSSS）進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，從而增強(qiáng)了抗干擾能力，提高了傳輸速度。802.l1b無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點(diǎn)是兼容性，只要在原有網(wǎng)絡(luò)上裝上AP(AccessPoint)，就可以提供無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，終端設(shè)備只要裝上無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡，就可以訪問(wèn)所有網(wǎng)絡(luò)資源，像使用有線(xiàn)局域網(wǎng)一樣方便，卻免除了布線(xiàn)的麻煩。802.l1b具有有線(xiàn)等價(jià)保密機(jī)制WEP(WiredEquivalentPrivacy)確保數(shù)據(jù)安全，并具有穿透能力、全方位傳送、建網(wǎng)速度快、可用來(lái)組建大型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)營(yíng)成本低、投資回報(bào)快等特點(diǎn)，因而受到電信制造商和運(yùn)營(yíng)商的青睞。由于該設(shè)備比較昂貴，進(jìn)而妨礙了其推廣和應(yīng)用，目前更多新的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)正在制定之中。速度更快的802.l1g使用與802.l1b相同的正交頻分多路復(fù)用（OFDM）調(diào)制技術(shù)，它同樣工作在2.4GHz頻段，速率達(dá)54Mbit/s，比目前通用的802.l1b快了5倍，并且完全向后兼容802.l1b。802.l1g將有可能被大多數(shù)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品制造商選擇作為產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，下一代的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)802.l1n可望達(dá)到100Mbit/s。⑷微功率近距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)近年來(lái)，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，近距離無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的大部分功能都可以集成到一塊芯片內(nèi)部，一般使用單片數(shù)字信號(hào)射頻收發(fā)芯片，加上微控制器和少量外圍器件構(gòu)成專(zhuān)用或通用無(wú)線(xiàn)通信模塊，所有高頻元件包括電感、振蕩器等己經(jīng)全部集成在芯片內(nèi)部，一致性良好，性能穩(wěn)定且不受外界影響。射頻芯片一般采用FSK調(diào)制方式，工作于ISM頻段，通信模塊一般包含簡(jiǎn)單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或使用簡(jiǎn)單的加密協(xié)議，發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過(guò)軟件設(shè)置完成，用戶(hù)不用對(duì)無(wú)線(xiàn)通信原理和工作機(jī)制有較深的了解，只要依據(jù)命令字進(jìn)行操作即可實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸功能。新一代近距離無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)具有體積小、功耗低、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單快速，可以方便地嵌入到各種設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的無(wú)線(xiàn)連接，因此，較適合搭建小型網(wǎng)絡(luò)，在工業(yè)、民用領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用。⑸UWB技術(shù)UWB(UltraWideBand)是一種新發(fā)展起來(lái)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，通過(guò)基帶脈沖作用于天線(xiàn)的方式發(fā)送數(shù)據(jù)。窄脈沖(小于1ns)產(chǎn)生極大帶寬的信號(hào)，采用脈位調(diào)制(PulsePositionModulation,PPM)或二進(jìn)制移相鍵控(Bi-PhaseShiftKeying,BPSK)調(diào)制。UWB被允許在3.1～10.6GHz的波段內(nèi)工作，主要應(yīng)用在小范圍、高分辨率、能夠穿透墻壁、地面和身體的雷達(dá)和圖像系統(tǒng)中。其中，最具特色的應(yīng)用將是視頻消費(fèi)娛樂(lè)方面的無(wú)線(xiàn)個(gè)人局域網(wǎng)(PANs)。UWB有可能在10m范圍內(nèi)，支持高達(dá)110Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，且不需要壓縮數(shù)據(jù)，可以快速、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)地完成視頻數(shù)據(jù)處理。從以上介紹可以看出，各種不同的近距離無(wú)線(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)都是根據(jù)不同的使用場(chǎng)合、不同的用戶(hù)需求而制定的。有的是為了增加帶寬和傳輸距離，有的則是考慮移動(dòng)性和經(jīng)濟(jì)性。因此，應(yīng)用者可視實(shí)際需求考慮采用性?xún)r(jià)比最高的解決方案。近些年信息通信領(lǐng)域中，發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的就是無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，通信技術(shù)、集成電子技術(shù)的飛速發(fā)展，在國(guó)內(nèi)射頻（RF）技術(shù)也趨于成熟，開(kāi)發(fā)出了種類(lèi)齊全的射頻無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸芯片。這些射頻芯片不僅傳輸速率快而且有相對(duì)較高的靈敏度。如今這些芯片正向集成化，小型化的方向發(fā)展，使用成本也大大降低，采用射頻芯片來(lái)開(kāi)發(fā)嵌入式產(chǎn)品有非常廣闊的應(yīng)用前景。目前，國(guó)內(nèi)外知名廠商都非常重視射頻傳輸芯片開(kāi)發(fā)研究以及應(yīng)用射頻芯片的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。隨著現(xiàn)代射頻技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)傳輸芯片尺寸越來(lái)越小，功能越來(lái)越齊全，再加上輔助原件后在性能上更加優(yōu)越，傳輸距離更遠(yuǎn)，信號(hào)的穩(wěn)定性更高，傳輸速率更快，抗干擾性更強(qiáng)，特別是用于工業(yè)控制場(chǎng)合，現(xiàn)在市場(chǎng)上的無(wú)線(xiàn)傳輸芯片主要為FSK調(diào)制方式，其頻率發(fā)生器種類(lèi)繁多，但基本上可分為三大類(lèi)：一、采用LC振蕩器，可靠性低但價(jià)格便宜；二、采用聲表振蕩器，頻率穩(wěn)定性高于LC振蕩器；三、采用鎖相環(huán)技術(shù)，穩(wěn)定性很高但價(jià)格較貴。在國(guó)內(nèi)，這些高集成度芯片廣泛應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中：如無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，車(chē)輛監(jiān)控，小型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線(xiàn)抄表，工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，水文氣象監(jiān)控，機(jī)器人制造等等。這些應(yīng)用使我們的現(xiàn)代辦公和生活更加方便安全。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的信息化，人們要通信息化開(kāi)創(chuàng)新的工作方式、管理方式、商貿(mào)方式、金融方式、思想交流方式、文化教育方式、醫(yī)療保健方式以及消費(fèi)與生活方式。總之，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)表現(xiàn)為：各種無(wú)線(xiàn)技術(shù)互補(bǔ)發(fā)展，各盡所長(zhǎng)，向接入多元化、網(wǎng)絡(luò)一體化、應(yīng)用綜合化的寬帶無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，并逐步實(shí)現(xiàn)和寬帶固定網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)融合。1.3本課題研究的主要內(nèi)容和主要工作本課題研究的主要內(nèi)容是基于一種簡(jiǎn)單的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)，主要應(yīng)用AT89C51單片機(jī)控制Nordic公司的無(wú)線(xiàn)數(shù)字收發(fā)芯片nRF401，通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行雙向傳輸，采用半雙工方式通信，在手持機(jī)站點(diǎn)和主控站點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)，主控器與主站PC之間通過(guò)串口進(jìn)行通信。本人在前人的基礎(chǔ)上，通過(guò)翻閱大量的圖書(shū)資料以及檢索很多網(wǎng)絡(luò)信息，論述了基于51單片機(jī)以及單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片的無(wú)線(xiàn)點(diǎn)菜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和總體方案，重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，綜合全文，所做的主要工作如下：（1）根據(jù)課題的研究背景，了解當(dāng)前無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)比選擇適合無(wú)線(xiàn)點(diǎn)菜系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。（2）分析了無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕驹砑案髂K的功能和主要的性能指標(biāo)。（3）針對(duì)任務(wù)書(shū)給出的數(shù)據(jù)要求，確定了無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。（4）通過(guò)分析nRF401的應(yīng)用電路以及所給出的頻率要求最終確定外圍電路以及其各部分元器件參數(shù)。（5）確定無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送單片機(jī)部分的硬件設(shè)計(jì)，主要包括鍵盤(pán)輸入、LED顯示、單片機(jī)串口發(fā)送。（6）分析了單片機(jī)仿真時(shí)出現(xiàn)的各種問(wèn)題，并及時(shí)解決問(wèn)題。

第2章無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)基本理論2.1數(shù)字通信系統(tǒng)基本組成通信既是人類(lèi)社會(huì)的重要組成部分，又是社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步的重要因素。廣義的講，通信就是從一地向另一地傳遞和交換信息。實(shí)現(xiàn)信息傳遞所需的一切技術(shù)、設(shè)備和傳輸煤質(zhì)的總和稱(chēng)為通信系統(tǒng)。其基本的組成框圖如圖2.1所示。低噪聲放大信源低噪聲放大信源解調(diào)信宿解碼信道功放調(diào)制編碼解調(diào)信宿解碼信道功放調(diào)制編碼圖2.1通信系統(tǒng)基本組成信源是消息的來(lái)源，它的作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)即基帶信號(hào)。圖中編碼、調(diào)制、功放，實(shí)際上還有濾波、發(fā)射等都是作為發(fā)送端的發(fā)送設(shè)備模塊。其作用是將信息源產(chǎn)生的消息信號(hào)變換成適合在信道傳輸?shù)男盘?hào)，使信息源與信道匹配起來(lái)。由發(fā)信源發(fā)出的基帶信號(hào)的特點(diǎn)是頻譜從零頻附近開(kāi)始延伸到幾兆赫的有限值?；鶐盘?hào)可以直接在信道中傳輸，大多數(shù)通信系統(tǒng)需要通過(guò)調(diào)制將基帶信號(hào)變換為更適合在信道中傳輸?shù)男问?。信道是指?jìng)鬏斝盘?hào)的物理煤質(zhì)，在無(wú)線(xiàn)信道中，信道可以是大氣。作為接受設(shè)備的基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換。它主要包括低噪聲放大、解調(diào)、解碼等模塊。主要任務(wù)是對(duì)帶有干擾的接收信號(hào)進(jìn)行一系列處理，以便正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始基帶信號(hào)來(lái)。信宿是傳輸信息的歸宿點(diǎn)，其作用是將復(fù)原的原始信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。2.2無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸原理2.2.1調(diào)制與解調(diào)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸是以電信號(hào)的形式進(jìn)行的，最基本的的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和通常作為無(wú)線(xiàn)連接的信道組成。信道就是電磁波傳播的途徑。一般來(lái)說(shuō)，信號(hào)源的信息(也稱(chēng)為信源)含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱(chēng)為基帶信號(hào)。由于無(wú)線(xiàn)電不能直接使用如人類(lèi)語(yǔ)音那樣的低頻所以基帶信號(hào)往往不能作為傳輸信號(hào)，因此必須把基帶信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)相對(duì)基帶頻率而言頻率非常高的信號(hào)以適合于信道傳輸，這個(gè)信號(hào)叫做已調(diào)信號(hào)，而基帶信號(hào)叫做調(diào)制信號(hào)，這個(gè)過(guò)程叫做調(diào)制。調(diào)制的逆過(guò)程叫做解調(diào)，它是在接收機(jī)中進(jìn)行的。調(diào)制是通過(guò)改變高頻載波的幅度、相位或者頻率，使其隨著基帶信號(hào)幅度的變化而變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，調(diào)制的類(lèi)型根據(jù)調(diào)制信號(hào)的形式可分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制；根據(jù)載波的不同可分為以正弦波作為載波的連續(xù)載波調(diào)制和以脈沖串作為載波的脈沖調(diào)制；根據(jù)調(diào)制器頻譜搬移特性的不同可分為線(xiàn)性調(diào)制和非線(xiàn)性調(diào)制。線(xiàn)性調(diào)制是指輸出已調(diào)信號(hào)的頻譜和調(diào)制信號(hào)的頻譜之間呈線(xiàn)性搬移關(guān)系。線(xiàn)性調(diào)制的已調(diào)信號(hào)種類(lèi)有幅度調(diào)制（AM）、抑制載波雙邊帶調(diào)幅（DSB）、單邊帶調(diào)幅（SSB）和殘留邊帶調(diào)幅（VSB）等。非線(xiàn)性調(diào)制又稱(chēng)角度調(diào)制。其已調(diào)信號(hào)的頻譜和調(diào)制信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)有很大的不同，除了頻譜搬移外，還增加了許多新的頻率成分。非線(xiàn)性調(diào)制包括調(diào)頻（FM）和調(diào)相（PM）兩大類(lèi)。本文詳細(xì)介紹線(xiàn)性調(diào)制中的幅度調(diào)制、非線(xiàn)性調(diào)制中的調(diào)頻和調(diào)相。線(xiàn)性調(diào)制主要有幅度調(diào)制（AM），是指用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的幅度，使其隨調(diào)制信號(hào)呈線(xiàn)性變化的過(guò)程。AM信號(hào)的時(shí)域和頻域表達(dá)式（2-1）（2-2）圖2.2AM的波形和相應(yīng)的頻譜圖（2）AM信號(hào)的帶寬（2-3）式中，為調(diào)制信號(hào)的最高頻率。AM信號(hào)的功率與調(diào)制效率（2-4）式中，為不攜帶信息的載波功率；為攜帶信息的邊帶功率。（2-5）AM調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是可用包絡(luò)檢波法解調(diào)，不需要本地同步載波信號(hào)，設(shè)備簡(jiǎn)單。AM調(diào)制的最大缺點(diǎn)是調(diào)制效率低。線(xiàn)性調(diào)制系統(tǒng)的解調(diào)方式有兩種：相干解調(diào)與非相干解調(diào)。相干解調(diào)適用于各種線(xiàn)性調(diào)制系統(tǒng)，非相干解調(diào)一般只適用幅度調(diào)制（AM）信號(hào)。1、相干解調(diào)所謂相干解調(diào)是為了從接收的已調(diào)信號(hào)中，不失真地恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)，要求本地載波和接收信號(hào)的載波保證同頻同相。2、非相干解調(diào)所謂非相干解調(diào)就是在接收端解調(diào)信號(hào)時(shí)不需要本地載波，而是利用已調(diào)信號(hào)中的包絡(luò)信息來(lái)恢復(fù)原基帶信號(hào)。因此，非相干解調(diào)一般只適用幅度調(diào)制（AM）系統(tǒng)。非線(xiàn)性分為頻率調(diào)制（FM）和相位調(diào)制（PM），它們之間可相互轉(zhuǎn)換。1、相位調(diào)制（PM）載波的幅度不變，調(diào)制信號(hào)控制載波的瞬時(shí)相位偏移，使按的規(guī)律變化，則稱(chēng)之為相位調(diào)制（PM）。令，其中為調(diào)相器靈敏度，其含義是單位調(diào)制信號(hào)幅度引起PM信號(hào)的相位偏移量，單位是弧度/伏（rad/V）。所以，調(diào)相波的表達(dá)式為（2-6）對(duì)于調(diào)相波，其最大相位偏移為（2-7）2、頻率調(diào)制（FM）載波的振幅不變，調(diào)制信號(hào)控制載波的瞬時(shí)角頻率偏移，使載波的瞬時(shí)角頻率偏移按的規(guī)律變化，則稱(chēng)之為頻率調(diào)制（FM）。令，即，其中為調(diào)頻器靈敏度，其含義是單位調(diào)制信號(hào)幅度引起FM信號(hào)的頻率偏移量，單位是赫茲/伏（Hz/V）。所以，調(diào)頻波的表達(dá)式為（2-8）其最大角頻率偏移為（2-9）非線(xiàn)性解調(diào)中調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)也分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種。相干解調(diào)僅適用于窄帶調(diào)頻信號(hào)，且需同步信號(hào)；而非相干解調(diào)適用于窄帶和寬帶調(diào)頻信號(hào)，而且不需同步信號(hào)，因而是FM系統(tǒng)的主要解調(diào)方式。對(duì)應(yīng)于模擬調(diào)制的數(shù)字調(diào)制是指數(shù)字信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制。與模擬信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制類(lèi)似，它同樣可以去控制正弦振蕩的振幅、頻率或相位的變化。但由于數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)——時(shí)間和取值的離散性，使受控參數(shù)離散化而出現(xiàn)“開(kāi)關(guān)控制”，稱(chēng)為“鍵控法”。數(shù)字信號(hào)對(duì)載波振幅調(diào)制稱(chēng)為振幅鍵控，即ASK。對(duì)載波頻率調(diào)制稱(chēng)為頻移鍵控，即FSK。對(duì)載波相位調(diào)制稱(chēng)為相移鍵控即PSK。數(shù)字信號(hào)可以是二進(jìn)制的，也可以是多進(jìn)制的。若數(shù)字信號(hào)u(t)是二進(jìn)制，則ASK、FSK、PSK實(shí)現(xiàn)原理框圖及鍵控信號(hào)的輸出波形可由圖2.3表示。圖2.3二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制的波形和方框圖本文主要介紹頻移鍵控調(diào)制方式，該調(diào)制方式是用不同頻率的載波來(lái)傳送數(shù)字信號(hào)，用數(shù)字基帶信號(hào)控制載波信號(hào)的頻率。二進(jìn)制頻移鍵控是用兩個(gè)不同頻率的載波來(lái)代表數(shù)字信號(hào)的兩種電平。接收端收到不同的載波信號(hào)再進(jìn)行逆變換成數(shù)字信號(hào)，完成信息傳輸過(guò)程。FSK信號(hào)的產(chǎn)生有兩種方法：直接調(diào)頻法和頻率鍵控法。直接調(diào)頻法是用數(shù)字基帶信號(hào)直接控制載頻振蕩器的振蕩頻率。這種方法產(chǎn)生的調(diào)頻信號(hào)是相位連續(xù)的。直接調(diào)頻法還有許多實(shí)現(xiàn)電路，雖然實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，但頻率穩(wěn)定度不高，同時(shí)頻率轉(zhuǎn)換速度不能做得太快。頻率鍵控法也稱(chēng)頻率選擇法，它有兩個(gè)獨(dú)立的振蕩器，數(shù)字基帶信號(hào)控制轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，選擇不同頻率的高頻振蕩信號(hào)實(shí)現(xiàn)FSK調(diào)制。鍵控法產(chǎn)生的FSK信號(hào)頻率穩(wěn)定度可以做得很高并且沒(méi)有過(guò)渡頻率，它的轉(zhuǎn)換速度快，波型好。鍵控法也常常利用數(shù)字基帶信號(hào)去控制可變分頻器的分頻比來(lái)改變輸出載波頻率，從而實(shí)現(xiàn)FSK調(diào)制。數(shù)字頻率解調(diào)的方法常用的有同步相干解調(diào)法、過(guò)零檢測(cè)法和差分檢波法等。在同步解調(diào)中,FSK信號(hào)的同步解調(diào)器分為上、下兩個(gè)支路，輸入的FSK信號(hào)經(jīng)過(guò)f1和f2兩個(gè)帶通濾波器后變成了上、下兩路ASK信號(hào)，之后其解調(diào)原理與ASK類(lèi)似，但判決需對(duì)上、下兩支路比較來(lái)進(jìn)行。FSK信號(hào)包絡(luò)解調(diào)相當(dāng)于兩路ASK信號(hào)包絡(luò)解調(diào)。用兩個(gè)窄帶的分路濾波器分別濾出頻率為f1和f2的高頻脈沖，經(jīng)包絡(luò)檢波后分別取出它們的包絡(luò)。過(guò)零檢測(cè)法則是利用信號(hào)波形在單位時(shí)間內(nèi)與零電平軸交叉的次數(shù)來(lái)測(cè)定信號(hào)頻率。2.2.2編碼與解碼如通信系統(tǒng)組成圖2.1所示，在調(diào)制之前要先進(jìn)行信源編碼和信道編碼。信源編碼的作用之一是設(shè)法減少碼元數(shù)目和降低碼元速率，即通常所說(shuō)的數(shù)據(jù)壓縮；作用之二是當(dāng)信息源給出的是模擬信號(hào)時(shí)，信源編碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸。信道編碼的任務(wù)是提高數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?。為了減少差錯(cuò)，信道編碼器對(duì)傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則加入保護(hù)成分，組成所謂“抗干擾編碼”。相應(yīng)的，接收端在解調(diào)后要進(jìn)行信道譯碼和信源譯碼。接收端信源譯碼是信源編碼的逆過(guò)程，接收端信道譯碼是信道編碼的你逆過(guò)程。一種比較常見(jiàn)的編碼形式--曼徹斯特編碼。在曼徹斯特編碼中，用電壓跳變的電位不同來(lái)區(qū)分1和0，即用正的電壓跳變表示0，用負(fù)的電壓跳變表示1，因此這種編碼又稱(chēng)雙相編碼，由于跳變都發(fā)生在每一個(gè)碼元的中間，接收端可以方便地利用它作為同步時(shí)鐘，因此這種編碼還稱(chēng)為自同步編碼。這種編碼是一種超越傳統(tǒng)數(shù)字傳輸極限并且抗干擾能力較強(qiáng)的編碼方式，這使得它更適合于信道傳輸，解決了傳輸數(shù)據(jù)沒(méi)有時(shí)鐘的問(wèn)題。其實(shí)質(zhì)是將普通NRZ二進(jìn)制數(shù)據(jù)與其位率時(shí)鐘相異或而得。根據(jù)這種編碼方式的特點(diǎn)可以推出有兩種解碼方法，包括間隔讀取法和連續(xù)檢測(cè)法。所謂間隔讀取法是指通過(guò)定時(shí)器控制每隔一段時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次讀取。所謂連續(xù)檢測(cè)法則是一直監(jiān)視著電平的變化，然后通過(guò)波形維持高電平和低電平的時(shí)間長(zhǎng)度以及高低電平的有序組合來(lái)判斷當(dāng)前的數(shù)據(jù)是“1”還是“0”。2.2.3PLL鎖相環(huán)在通信系統(tǒng)的接收或者解調(diào)時(shí)，常常需考慮同步問(wèn)題，特別是涉及數(shù)字信號(hào)時(shí)更是如此。在一個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)中包含多種同步問(wèn)題。例如，PSK信號(hào)在相干解調(diào)時(shí)，接收端需要產(chǎn)生一個(gè)和接收信號(hào)同頻、同相本地載波，用以和接收的PSK信號(hào)相乘。因此，這個(gè)本地載波的頻率和相位信息必須來(lái)自接收信號(hào)，或者說(shuō)是需要從接收信號(hào)中提取載波同步信息。本地載波和接收信號(hào)載頻的同步問(wèn)題稱(chēng)為載波同步。載波同步的方法可以分為兩大類(lèi)，第一類(lèi)是在發(fā)送端的發(fā)送信號(hào)中插入一個(gè)專(zhuān)門(mén)的導(dǎo)頻用于載波同步。第二類(lèi)是在接收端設(shè)法從有用信號(hào)中直接提取出載波，而不需要傳送專(zhuān)門(mén)的導(dǎo)頻。在直接提取法中可用平方法提取載頻、其中可以使用鎖相環(huán)(PLL)代替窄帶濾波器來(lái)濾出載頻分量。由于鎖相環(huán)的輸出信號(hào)具有更好的穩(wěn)定性，并且不必須有連續(xù)的輸入信號(hào)所以它的應(yīng)用較為廣泛。鎖相環(huán)是指一種電路或者模塊，在現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)電通信系統(tǒng)中，鎖相環(huán)路可說(shuō)是無(wú)所不在。它用于在通信的接收機(jī)中，其作用是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，并從其中提取某個(gè)時(shí)鐘的相位信息?；蛘哒f(shuō)，對(duì)于接收到的信號(hào)，仿制一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，使得這兩個(gè)信號(hào)從某種角度來(lái)看是同步或相干的。鎖相環(huán)可使某一特定系統(tǒng)的信號(hào)頻率，能隨另一系統(tǒng)追蹤而行。PLL基本上是一個(gè)閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，一般是由鑒相器，環(huán)路濾波器和壓控蕩器(VCO)三個(gè)基本電路組成。其基本原理是壓控振蕩器的輸出經(jīng)過(guò)采集和基準(zhǔn)信號(hào)同時(shí)輸入鑒相器，鑒相器通過(guò)比較上述兩個(gè)信號(hào)的頻率差，然后輸出一個(gè)直流脈沖電壓控制VCO，使它的頻率改變。這樣經(jīng)過(guò)一個(gè)很短的時(shí)間，VCO的輸出就會(huì)穩(wěn)定于某一期望值。鎖相環(huán)中的鑒相器又稱(chēng)為相位比較器，它的作用是檢測(cè)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的相位差，并將檢測(cè)出的相位差信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，該信號(hào)經(jīng)低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓uc(t)，對(duì)振蕩器輸出信號(hào)的頻率實(shí)施控制。鎖相環(huán)中的環(huán)路濾波器用于對(duì)鑒相器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波和平滑，大多數(shù)情形下是一個(gè)低通濾波器，用于濾除由于數(shù)據(jù)的變化和其他不穩(wěn)定因素對(duì)整個(gè)模塊的影響。由于鎖相環(huán)路具有一些特殊的性能，被廣泛地應(yīng)用于電子技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。鎖相調(diào)頻電路就是其在調(diào)制解調(diào)技術(shù)中的應(yīng)用之一。鎖相調(diào)頻電路能夠得到中心頻率穩(wěn)定度很高的調(diào)頻信號(hào)。其原理框圖如圖2.4所示。實(shí)現(xiàn)鎖相調(diào)頻的條件是，調(diào)制信號(hào)的頻譜要處于低通濾波器通帶之外，并且調(diào)制指數(shù)不能太大。這樣，調(diào)制信號(hào)不能通過(guò)低通濾波器，因而在環(huán)路內(nèi)不能形成交流反饋，調(diào)制頻率對(duì)環(huán)路無(wú)影響。鎖相環(huán)路只對(duì)VCO平均中心頻率不穩(wěn)定所引起的分量（處于低通濾波器通帶之內(nèi)）起作用，使其中心頻率鎖在晶振頻率上。因此，輸出調(diào)頻波的中心頻率穩(wěn)定度很高。這樣，鎖相調(diào)頻能克服直接調(diào)頻中心頻率穩(wěn)定度不高的缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)頻率合成器的鎖相環(huán)路時(shí)要設(shè)定一些必要的參數(shù)如所需的最高輸出信號(hào)頻率、最低輸出信號(hào)頻率、分頻器的輸出信號(hào)頻率、中心頻率、參考信號(hào)頻率、環(huán)路低通濾波器的截止頻率、VCO的靈敏度、增流器的增益、環(huán)路濾波器的相位界限、分頻器的除數(shù)、頻道間距等等。調(diào)制信號(hào)鑒相器環(huán)路濾波器壓控振蕩器鑒相器環(huán)路濾波器壓控振蕩器信號(hào)輸入誤差信號(hào)控制信號(hào)輸出信號(hào)誤差相位圖2.4鎖相調(diào)頻電路原理方框圖下面分別介紹鎖相環(huán)路的三個(gè)模塊：鑒相器是相位比較裝置，用來(lái)比較參考信號(hào)與壓控震蕩器輸出信號(hào)的相位，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于這兩個(gè)信號(hào)相位差的誤差電壓。表示其間關(guān)系的函數(shù)稱(chēng)為鑒相特性。鑒相器是鎖相環(huán)的基本部件之一，也用于調(diào)頻和調(diào)相信號(hào)的解調(diào)。常見(jiàn)的鑒相特性有余弦型、鋸齒型與三角型等。鑒相器可以分為模擬鑒相器和數(shù)字鑒相器兩種。鑒相器的特性，在鎖定狀態(tài)時(shí)，工作特性猶如一般的鑒相器，惟當(dāng)環(huán)路脫鎖時(shí)，將會(huì)提供頻率判定信號(hào)，以求重新鎖定。任何一個(gè)理想的乘法器都可以做鑒相器。設(shè)輸入信號(hào)為（2-9）壓控振蕩器輸出信號(hào)為（2-10）經(jīng)乘法器相乘后，其輸出通過(guò)環(huán)路濾波器濾波，將其中高頻分量濾除，則鑒相器的輸出為（2-11）式中，其中，為乘法器的增益系數(shù)，。鑒相器的作用是將兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭?Acp圖2.5鑒相器的數(shù)學(xué)模型壓控振蕩器受環(huán)路濾波器輸出電壓的控制，使振蕩頻率向參考信號(hào)的頻率靠攏，兩者的差拍頻率越來(lái)越低，直至兩者的頻率相同、保持一個(gè)較小的剩余相差為止。所以，鎖相就是壓控振蕩器被一個(gè)外來(lái)基準(zhǔn)信號(hào)控制，使得壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位和外來(lái)基準(zhǔn)的相位保持某種特定關(guān)系，達(dá)到相位同步或相位鎖定的目的。壓控振蕩器是一種電壓/頻率變換器，它在鎖相環(huán)路中起著電壓--相位變化作用。在一定范圍內(nèi)，與之間為線(xiàn)性關(guān)系，可用下式表示，即(2--12)式中，為壓控振蕩器的中心頻率；是一個(gè)常數(shù)。它表示單位控制電壓所引起的震蕩角頻率變化的大小。但在鎖相環(huán)路中，需要的是它的相位變化，即把由控制電壓所引起的相位變化作為輸出信號(hào)。由(2--12)可求出瞬時(shí)相位為(2--13)所以由控制電壓所引起的相位變化，即壓控振蕩器的輸出信號(hào)為(2--14)由此可見(jiàn)，壓控振蕩器在環(huán)路中起了一次理想積分作用，因此壓控振蕩器是一個(gè)固有積分環(huán)節(jié)。VCO受環(huán)路濾波器輸出電壓的控制，使振蕩器向輸入信號(hào)的頻率靠攏，直至兩者的頻率相同，使得VCO輸出信號(hào)相位和輸入信號(hào)相位保持某種特定的關(guān)系，從而達(dá)到相位鎖定的目的。圖2.6壓控振蕩器的數(shù)學(xué)模型環(huán)路濾波器的作用是將中的高頻分量濾除掉，得到控制電壓,以保證環(huán)路所要求的性能。環(huán)路濾波器是低通濾波器，一般是線(xiàn)性電路，由線(xiàn)性元件電阻，電感、電容及運(yùn)算放大器組成。常用的濾波器形式有RC積分濾波器、無(wú)緣比例積分濾波器和有源比例濾波器。環(huán)路濾波器的輸出電壓和輸入電壓之間可用現(xiàn)行微分方程來(lái)描述。在鎖相環(huán)路中的主要功能，是過(guò)濾誤差信號(hào)的高頻分量。環(huán)路的工作穩(wěn)定性，以及鎖定頻率的快慢與范圍，都與環(huán)路濾波器的特性有關(guān)。環(huán)路濾波器除了抑制參考信號(hào)頻率外，抑制噪聲的干擾也是其功能之一。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)本文介紹的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)，應(yīng)用AT89C51單片機(jī)控制無(wú)線(xiàn)數(shù)字傳輸芯片nRF401。通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸，采用半雙工方式通信，在從單片機(jī)和主單片機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)，之間通過(guò)串口通信。系統(tǒng)框圖如圖3.1。從單片機(jī)3無(wú)線(xiàn)收發(fā)n從單片機(jī)1從單片機(jī)2無(wú)線(xiàn)收發(fā)2無(wú)線(xiàn)收發(fā)1無(wú)線(xiàn)收發(fā)主單片機(jī)從單片機(jī)3無(wú)線(xiàn)收發(fā)n從單片機(jī)1從單片機(jī)2無(wú)線(xiàn)收發(fā)2無(wú)線(xiàn)收發(fā)1無(wú)線(xiàn)收發(fā)主單片機(jī)圖3.1系統(tǒng)框圖本無(wú)線(xiàn)傳送系統(tǒng)中，把AT89C51作為控制部分，這將使系統(tǒng)功能更加靈活。系統(tǒng)包括發(fā)射和接收兩部分。發(fā)射部分由鍵盤(pán)、AT89C51單片機(jī)控制、nRF401無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片以及LED數(shù)碼顯示器組成。接收部分由AT89C51單片機(jī)控制、nRF401無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片以及LED數(shù)碼顯示器組成。在本系統(tǒng)中，需對(duì)對(duì)每個(gè)從單片機(jī)定義一個(gè)地址。當(dāng)其中一個(gè)從單片機(jī)通過(guò)鍵盤(pán)輸入數(shù)值并且通過(guò)LED顯示器顯示出數(shù)據(jù)后，向主單機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，框圖如圖3.2所示，電路圖見(jiàn)附錄1，主單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)并把接收到的信息通過(guò)LED顯示器顯示出來(lái)。LED顯示器LED顯示器濾波器解調(diào)器濾波器解調(diào)器單片機(jī)控制單片機(jī)控制鎖相環(huán)振蕩器壓控振蕩器4*4矩陣鍵盤(pán)鎖相環(huán)振蕩器壓控振蕩器4*4矩陣鍵盤(pán)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊圖3.2從單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)框圖3.2無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片的選擇由于無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片的種類(lèi)和數(shù)量比較多，如何在設(shè)計(jì)中選擇所需要的芯片非常關(guān)鍵。正確選擇所需要的芯片可以使開(kāi)發(fā)工作少走彎路，提高工作效率。（1）數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a方式。如果采用曼徹斯特編碼的芯片則在編程上會(huì)有較高的要求，需要更多的內(nèi)存和空間，并且會(huì)大大降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩话銉H能達(dá)到標(biāo)稱(chēng)速率的1/3。（2）外圍元件數(shù)量。芯片外圍元件的數(shù)量決定了模塊的體積和重量，以及整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性，因此應(yīng)該選擇所需外圍元件少的芯片。（3）功耗。由于無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片是應(yīng)用在測(cè)控系統(tǒng)上，因此功耗非常重要，應(yīng)該根據(jù)需要選擇綜合功耗較小的模塊。（4）發(fā)射功率。在同等條件下，為了保證有效和可靠的通信，應(yīng)該選用發(fā)射功率較高的產(chǎn)品。（5）收發(fā)芯片的封裝和管腳數(shù)。較少的引腳和較小的封裝，有利于減少印制電路的面積。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，本人選擇無(wú)線(xiàn)收發(fā)nRF401。nRF401是一個(gè)為433MHzISM頻段設(shè)計(jì)的真正單片機(jī)UHF無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片。在數(shù)據(jù)編碼方面，nRF401采用串口傳輸，無(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，應(yīng)用及編程非常簡(jiǎn)單，傳送的效率很高，標(biāo)稱(chēng)速率就是實(shí)際速率。在控制芯片外圍元件的數(shù)量方面，nRF401也是一個(gè)較為理想的選擇，它的外圍元件僅需10個(gè)左右，無(wú)需聲表面濾波器、變?nèi)莨艿劝嘿F的元件，只需使用4MHz的晶體，收發(fā)天線(xiàn)合一，減少了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的難度。當(dāng)然除了上述的優(yōu)點(diǎn)外，nRF401還具有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，抗干擾性能力強(qiáng)。在芯片內(nèi)同時(shí)集成了發(fā)射功率放大器、低噪聲放大器、晶體振蕩器、鎖相環(huán)、壓控振蕩器、混頻器等電路。其采用的是PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定度高。通過(guò)控制芯片外部引腳，可以使芯片隨時(shí)在發(fā)送模式和接收模式之間切換，無(wú)需進(jìn)行任何初始化設(shè)置。nRF401的最高工作速率可達(dá)20k,發(fā)射功率可以調(diào)整，最大為+10dBm。具備434.32MH和433.92MHz兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)頻段，可以在兩個(gè)頻率之間自由切換。nRF401的電壓工作范圍在2.7--5.2V之間，可以適用不同的設(shè)計(jì)需要。芯片使用低功耗設(shè)計(jì)，最低工作電壓2.7V，支持待機(jī)模式，正常接收狀態(tài)下的功耗為250uA，發(fā)射狀態(tài)下的功耗為8mA，待機(jī)狀態(tài)下的功耗僅為8uA。在目前較為流行的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)芯片中，無(wú)論是從使用的方面性、傳輸速率還是輸出功率等各個(gè)方面的考慮，nRF401都是一種特別理想的選擇。3.3nRF401無(wú)線(xiàn)模塊3.3.1內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳功能由于大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，很多的短距離無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)種的大部分功能都集成到一塊芯片內(nèi)部。本文所選的nRF401便是如此:所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經(jīng)全部集成在芯片內(nèi)部，芯片內(nèi)包含有發(fā)射功率放大器、低噪聲接收放大器、晶體振蕩器、鎖相環(huán)、壓控振蕩器、混頻器等電路。采用晶體振蕩和PLL頻率合成技術(shù)，一致性良好，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如下圖3.3所示。濾波器解調(diào)器DOUT混頻器濾波器解調(diào)器TXEB低噪聲放大器ANT1FREQANT2壓控振蕩器鎖相環(huán)振蕩器DIN壓控振蕩器鎖相環(huán)振蕩器PWR-UPxc1xc2FILT1VCO1VCO2RF-PWR圖3.3nRF401內(nèi)部框圖芯片有2個(gè)工作頻道:434.33MHz和433.92MHz，適合需要多信道工作的特殊場(chǎng)合。工作電壓范圍為2.7V一5.25V，低功耗，具有待機(jī)模式，從而可以更省電、更高效。工作溫度為一25℃一85℃，能夠滿(mǎn)足大多數(shù)工作場(chǎng)合的需要。芯片可以直接與微控制器接口，僅需外接一個(gè)晶體和幾個(gè)阻容、電感元件，即可構(gòu)成一個(gè)完整的射頻收發(fā)器，電路模塊尺寸較小，可方便地嵌入各種測(cè)量和控制系統(tǒng)中，廣泛應(yīng)用于報(bào)警和安全系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)通信、遙控裝置、工業(yè)控制和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。nRF401芯片采用20腳SSOP小型貼片封裝，外形尺寸為7.40mm*5.00mm，引腳寬度為0.38mm，引腳中心間距僅為0.65mm。應(yīng)用電路如圖3.4。圖3.4nRF401應(yīng)用電路其引腳功能描述如下：XC1、XC2(引腳1、20）：這兩個(gè)引腳用于連接外部參考晶振，其中，XC1為晶振輸入，XC2為晶振輸出。VDD(引腳2、8、13）：電源輸入腳，電壓范圍為2.7--5.25V。VSS（引腳3、7、14、17）：電源地。FILT1(引腳4）：濾波器接入端。VCO1、VCO2(引腳5、6）：外接壓控振蕩電感。DIN（引腳9）：發(fā)射數(shù)據(jù)輸入端，該引腳用于從單片機(jī)接收要發(fā)送的數(shù)據(jù)。DOUT（引腳10）：接收數(shù)據(jù)輸出端，該引腳將無(wú)線(xiàn)接收到的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)。RF-PWR(引腳11）：發(fā)射功率設(shè)置。CS（引腳12）：頻道選擇端。CS=0，芯片工作在頻道1，即433.92MHz頻道；CS=1，芯片工作頻道2，即434.33MHz。ANT1、ANT2(引腳16、15）：天線(xiàn)接口。PWR（引腳18）：低功耗控制。PWR=1時(shí)，芯片處于正常工作狀態(tài)；PWR=0時(shí)，芯片為待機(jī)微功耗狀態(tài)。TXEN（引腳19):工作模式切換。TXEN=1時(shí)，芯片為數(shù)據(jù)發(fā)射狀態(tài)；TEEN=0時(shí)，芯片為數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。芯片具體工作狀態(tài)與控制引腳關(guān)系如表3.1所示。引腳電平工作模式TXENCSPWR工作頻道工作狀態(tài)0011接收0112接收1011發(fā)射1112發(fā)射0--待機(jī)表3.1nRF401工作模式設(shè)置3.3.2應(yīng)用電路及設(shè)計(jì)應(yīng)注意問(wèn)題在實(shí)際應(yīng)用中，微控制器采用Atmel公司的AT89C51，分別用單片機(jī)的P1口各管腳控制nRF401的DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS這五個(gè)腳即可。在nRF401芯片使用時(shí)，設(shè)定好工作頻率，進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，通過(guò)單片機(jī)根據(jù)需要進(jìn)行收發(fā)轉(zhuǎn)換控制，發(fā)送／接收數(shù)據(jù)或進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。nRF401芯片所需擴(kuò)展的外圍器件較少，僅需外接一個(gè)晶體和幾個(gè)阻容、電感元件，即可構(gòu)成一個(gè)完整的射頻發(fā)生器。由于采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設(shè)計(jì)，使用無(wú)需申請(qǐng)?jiān)S可證，其開(kāi)闊地的理想使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000米，具體傳輸距離與使用環(huán)境及元件參數(shù)有關(guān)。由圖3.4可見(jiàn)，nRF401芯片可以直接把DIN、DOUT接單片機(jī)串口發(fā)送接收數(shù)據(jù)，而無(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，其他的單片RF收發(fā)芯片一般都需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼后才能發(fā)送，不僅增加了編程的復(fù)雜性，而且傳輸效率低，實(shí)際速率僅為標(biāo)稱(chēng)的一半，不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枰?。nRF401的電源開(kāi)關(guān)腳PWRUP、發(fā)射允許腳TXEN和通道選擇腳CS可以直接接至單片機(jī)I/O口進(jìn)行控制，具體工作狀態(tài)如表3.1所示。其不需要進(jìn)行設(shè)置，應(yīng)用及編程非常簡(jiǎn)單，可直接傳輸串口數(shù)據(jù)，傳送的效率很高，是一種能方便地與各種單片機(jī)配合使用的方案。在實(shí)際的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，需要注意NRF401狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)序問(wèn)題。TXRX的切換當(dāng)從RX轉(zhuǎn)到TX模式時(shí)，數(shù)據(jù)輸入腳（DIN）必須保持為高至少1ms才能發(fā)送數(shù)據(jù)，時(shí)序如圖3.5所示。當(dāng)從TX轉(zhuǎn)到RX模式時(shí)，數(shù)據(jù)輸出腳（DOUT）要至少3ms以后又?jǐn)?shù)據(jù)輸出。如圖3.5所示。Standby->RX的切換從待機(jī)模式到接收模式，當(dāng)PWR_UP輸入設(shè)成1時(shí)，經(jīng)過(guò)tST時(shí)間后，DOUT腳輸出數(shù)據(jù)才有效。對(duì)nRF401來(lái)說(shuō)，tST最長(zhǎng)時(shí)間是3ms,如圖3.6所示。Standby->TX的切換從待機(jī)模式到發(fā)射模式，所需穩(wěn)定的最大時(shí)間是tST，即2ms.。如圖3.7所示。PowerUp->TX的切換從加電到發(fā)射模式過(guò)程中，為了避免開(kāi)機(jī)時(shí)產(chǎn)生干擾和輻射，在上電過(guò)程中TXEN的輸入腳必須保持為低，以便于頻率合成器進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。當(dāng)由上電進(jìn)入發(fā)射模式時(shí)，TXEN必須保持1ms以后才可以往DIN發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖3.8所示。PowerUp->RX的切換從上電到接收模式過(guò)程中，芯片將不會(huì)接收數(shù)據(jù)，DOUT也不會(huì)有有效數(shù)據(jù)輸出，直到電壓穩(wěn)定達(dá)到2.7V以上，并且至少保持5ms。如果采用外部振蕩器，這個(gè)時(shí)間可以縮短到3ms，如圖3.9。圖3.5TXRX的切換圖3.6Standby->TX的切換圖3.7Standby->RX的切換圖3.8PowerUp->TX的切換圖3.9PowerUp->RX的切換3.3.3工作原理在接收模式中，RF輸入信號(hào)被低噪聲放大器(LNA)放大，經(jīng)由混頻器(MIXER)變化，這個(gè)被變換的信號(hào)在送入解調(diào)器(DEM)之前被放大和濾波，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)，解調(diào)后的數(shù)字信號(hào)在DOUT端輸出。在發(fā)射模式中，壓控振蕩器(VCO)的輸出信號(hào)是直接送入到功率放大器(PA)，DIN端輸入的數(shù)字信號(hào)被頻移鍵控后饋送到功率放大器輸出。由于們RF401采用了晶體振蕩和PLL合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好。3.3.4天線(xiàn)的設(shè)計(jì)一般而言，決定通信距離的因素有兩個(gè)：系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和電磁波的傳輸損耗。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍與兩個(gè)因素有關(guān)：發(fā)射功率和接受靈敏度。動(dòng)態(tài)范圍=發(fā)射功率-接受靈敏度。回波損耗主要由阻抗失真造成。高回波損耗有兩種負(fù)面效應(yīng)：一是信號(hào)反射回信號(hào)源會(huì)增加系統(tǒng)噪聲；二是因?yàn)檩斎胄盘?hào)的形狀發(fā)生了變化，任何反射信號(hào)基本上都會(huì)使信號(hào)質(zhì)量降低。因此，在射頻電路中需要做到良好的阻抗匹配，這樣可以減小功率損耗及系統(tǒng)發(fā)射干擾。天線(xiàn)是電磁波沿傳輸線(xiàn)路和在空間中進(jìn)行傳輸?shù)慕涌?，在通信路徑中非常重要。天線(xiàn)是無(wú)源器件，也是互易器件，同一種設(shè)計(jì)既可以用作發(fā)射天線(xiàn)，也可以用作接收天線(xiàn)。在射頻電路中需要做到良好的阻抗匹配，這樣可以減小功率損耗及系統(tǒng)發(fā)射干擾。因此無(wú)線(xiàn)接口設(shè)計(jì)為差分天線(xiàn)，ANT1和ANT2時(shí)接收時(shí)LNA的輸入，以及發(fā)送時(shí)功率放大器的輸出。在天線(xiàn)端推薦的負(fù)載阻抗是400歐姆。本文通過(guò)一個(gè)差分轉(zhuǎn)換匹配網(wǎng)絡(luò)連接到nRF401來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)50歐姆的單端天線(xiàn)。如圖3.10所示。圖中，180nH電感，要求自諧振頻率大于433MHz。圖3.10采用單端天線(xiàn)時(shí)匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)3.4單片機(jī)控制模塊的選擇單片機(jī)的選擇標(biāo)準(zhǔn)：（1）性能。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的復(fù)雜程度來(lái)決定選擇什么樣的單片機(jī)。（2）存儲(chǔ)器。研發(fā)階段，推薦使用Flash單片機(jī)，它有電寫(xiě)入、電擦除的優(yōu)點(diǎn)，使得修改程序很方便，可以提高開(kāi)發(fā)速度。（3）運(yùn)行速度。單片機(jī)的運(yùn)行速度首先看時(shí)鐘頻率，指令集，幾個(gè)時(shí)鐘為一個(gè)機(jī)器周期。在選用單片機(jī)時(shí)要根據(jù)需要選擇速度，不要片面追求高速度，單片機(jī)的穩(wěn)定性、抗干擾性等參數(shù)基本上是跟速度成反比。（4）I/O口。I/O口的數(shù)量和功能是選用單片機(jī)時(shí)首先要考慮的問(wèn)題之一，根據(jù)實(shí)際需要確定數(shù)量，I/O多余不僅芯片的體積增大，也增加了成本。（5）驅(qū)動(dòng)能力。驅(qū)動(dòng)電流大的單片機(jī)可以簡(jiǎn)化外圍電路。（6）定時(shí)／計(jì)數(shù)器。多數(shù)單片機(jī)提供2--3個(gè)定時(shí)／計(jì)數(shù)器，有些定時(shí)／計(jì)數(shù)器還具有輸入捕獲、輸出比較和PWM(脈沖寬度調(diào)制)功能，利用這些模塊不僅可以簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)，而且能少占用CPU的資源?，F(xiàn)在還有不少單片機(jī)提供了看門(mén)狗定時(shí)器(WDT)，當(dāng)單片機(jī)“死機(jī)”后可以自動(dòng)復(fù)位。（7）串行接口。單片機(jī)常見(jiàn)的串行接口有：標(biāo)準(zhǔn)UART接口、增強(qiáng)型UART接口、I2C總線(xiàn)接口、CAN總線(xiàn)接口、SPI接口、USB接口等。大部分單片機(jī)都提供了UART接口，也有部分單片機(jī)沒(méi)有串行接口。

（8）工作電壓、功耗。單片機(jī)的工作電壓最低可以達(dá)到1.8V，最高為6V，常見(jiàn)的是3V和5V單片機(jī)的功耗參數(shù)主要是指正常模式、空閑模式、掉電模式下的工作電流，用電池供電的系統(tǒng)要選用電流小的產(chǎn)品，同時(shí)要考慮是否要用到單片機(jī)的掉電模式，如果要用的話(huà)必須選擇有相應(yīng)功能的單片機(jī)。（9）抗千擾性能、保密性。選用單片機(jī)要選擇抗干擾性能好的，特別是用在干擾比較大的工業(yè)環(huán)境中的尤應(yīng)如此。單片機(jī)加密后的保密性能也要好，這樣可保證你的知識(shí)產(chǎn)權(quán)不容易被侵犯。

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)我們選用AT89C51單片機(jī)。AT89C51單片機(jī)片內(nèi)帶有一個(gè)4k字節(jié)的Flash可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種低電壓、高性能CMOS8位微處理器。這就決定了在某些方面其自身的優(yōu)越性。眾所周知，編寫(xiě)程序絕大多數(shù)需要反復(fù)調(diào)試，數(shù)次修改，AT89C51的可擦除可編程特性極大地方便了編程者的調(diào)試修改工作，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。其主要特性包括：與MCS-51兼容，壽命是1000寫(xiě)/擦循環(huán)，數(shù)據(jù)保留時(shí)間為10年，具有三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定、128*8位內(nèi)部RAM、32可編程I/O線(xiàn)、兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、5個(gè)中斷源。擁有可編程串行通道、低功耗的閑置和掉電模式、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。3.5AT89C51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳功能AT89C51擁有40個(gè)引腳，4kBytesFlash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。此外，AT89C51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。AT89C51單片機(jī)是采用40引腳雙列直插形式，如圖3.11所示。圖3.11AT89C51單片機(jī)各引腳功能如下：VCC：供電電壓,運(yùn)行和程序校驗(yàn)時(shí)加+5V。電路圖如圖3.12所示。本電路是采用小型直流穩(wěn)壓電源供電，輸出的9V直流電源加入到電源電路中，通過(guò)LM7805穩(wěn)壓芯片的降壓作用，提供工作所需的5V電源。GND：接地。

P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門(mén)電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。

P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。

P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。

P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。

P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，描述如下：

P3.0：RXD（串行輸入口）

P3.1：TXD（串行輸出口）

P3.2：INT0（外部中斷0）

P3.3：INT1（外部中斷1）

P3.4:T0（記時(shí)器0外部輸入）

P3.5:T1（記時(shí)器1外部輸入）

P3.6:WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）

P3.7：RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）

P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。

RST：復(fù)位輸入。振蕩器復(fù)位期間時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，有些外圍芯片也需要復(fù)位，如果這些復(fù)位端的復(fù)位電平要求與單片機(jī)的要求一致，則可以與之相連。其電路圖如圖3.13所示。分析復(fù)位電路的工作過(guò)程可以看出，當(dāng)系統(tǒng)得到工作電壓的時(shí)候，復(fù)位電路工作在上電自動(dòng)復(fù)位狀態(tài)，通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)，只要Vcc的上升時(shí)間不超過(guò)1ms就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位功能。在本復(fù)位電路中，采用10uF的電容和1kΩ的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)位電路。當(dāng)系統(tǒng)出錯(cuò)時(shí)，直接按開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)上電復(fù)位的功能，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重新復(fù)位啟動(dòng)。ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。

/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。

XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。圖3.12電源電路圖3.13復(fù)位電路3.6鍵盤(pán)接口技術(shù)鍵盤(pán)是一組開(kāi)關(guān)的集合，是單片微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最常用的一種輸入設(shè)備。一般應(yīng)用時(shí)有兩類(lèi)鍵盤(pán)：編碼鍵盤(pán)和非編碼鍵盤(pán)。編碼鍵盤(pán)能自動(dòng)提供對(duì)應(yīng)于被按鍵的編碼信息，如ASCII碼，并能同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)選通脈沖通知微處理器，還具有處理抖動(dòng)和多鍵串鍵的保護(hù)電路。非編碼鍵盤(pán)所需要的硬件較少，其中按鍵的識(shí)別、按鍵代碼的產(chǎn)生、防止串鍵和消去抖動(dòng)等問(wèn)題，都靠程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。不同的組合方式可構(gòu)成很多種不同的鍵盤(pán)接口方式。當(dāng)按鍵較少時(shí)，一般采用獨(dú)立方式，而當(dāng)按鍵較多時(shí)采用矩陣（行列）方式。本論文設(shè)計(jì)的是無(wú)線(xiàn)點(diǎn)菜系統(tǒng)所以需要用鍵盤(pán)輸入桌號(hào)、菜號(hào)以及其它的控制信號(hào)，所按鍵較多故采用的是4*4的16鍵矩陣鍵盤(pán)。如圖3.14所示。鍵盤(pán)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)方法包括有中斷方式和查詢(xún)方式。從按一個(gè)鍵到鍵的功能被執(zhí)行主要包括兩項(xiàng)工作：鍵的識(shí)別，鍵功能的實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槌Ｓ面I盤(pán)的鍵實(shí)際上就是一個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，被按下時(shí)，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性及電壓突跳等原因，在觸點(diǎn)閉合或斷開(kāi)的瞬間會(huì)出現(xiàn)電壓抖動(dòng)。當(dāng)鍵按下，按鍵從開(kāi)始接上至接觸穩(wěn)定要經(jīng)過(guò)數(shù)毫秒的彈跳時(shí)間。鍵松開(kāi)時(shí)也有同樣的問(wèn)題。彈跳會(huì)引起一次按鍵讀入多次的情況。消除彈跳可用硬件或軟件的方法，通常鍵數(shù)較多時(shí)常用軟件反彈跳，當(dāng)檢測(cè)出閉合后，執(zhí)行一個(gè)延時(shí)程序產(chǎn)生數(shù)毫秒的延時(shí)，讓前沿彈跳消失后在檢測(cè)下一個(gè)間的閉合。除了要用一定的方法消除按鍵抖動(dòng)外，對(duì)于非編碼鍵盤(pán)還應(yīng)包含怎樣識(shí)別鍵盤(pán)中梭按鍵的含義主要是解決以下問(wèn)題：檢測(cè)是否有鍵按下，若有鍵按下則判斷是哪一個(gè)鍵，再確定被按鍵的含義。4*4的矩陣鍵盤(pán)需要8條線(xiàn)與單片機(jī)相連。鍵盤(pán)接口一般采用掃描讀入方式工作，掃描式鍵盤(pán)接口是一個(gè)輸入、輸出接口，行是輸入接口，而列是輸出接口。輸入接口主要功能是解決數(shù)據(jù)輸入的緩沖問(wèn)題，而輸出接口主要功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)保持能力。圖3.144*4矩陣式鍵盤(pán)3.7顯示器接口技術(shù)顯示器已普遍用于直接地顯示數(shù)字系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和工作數(shù)據(jù)，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的顯示器，按其材料及生產(chǎn)工藝有LED發(fā)光二極管顯示器、LCD液晶顯示器件。本文將采用四位發(fā)光二極管顯示器，當(dāng)外加電壓加在發(fā)光二極管上可產(chǎn)生可見(jiàn)光。其具有體積小、重量輕、工作電壓低、穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)時(shí)間短、發(fā)光均勻、清晰、亮度高等優(yōu)點(diǎn)。與液晶顯示器相比，它更適于在光線(xiàn)暗的環(huán)境中使用。顯示器接口按驅(qū)動(dòng)方式可分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種顯示方式，本文選用的是動(dòng)態(tài)顯示，掃描可由單片機(jī)軟件或?qū)ｉT(mén)的硬件完成。其接口電路圖如圖3.15所示。圖3.15顯示器接口電路圖常用的LED數(shù)碼顯示器由7個(gè)發(fā)光二極管組成7段LED顯示器，其排列形狀如圖3.16所示。此外，其中的dp用于顯示小數(shù)點(diǎn)。通過(guò)7個(gè)發(fā)光二極管亮暗的不同組合，可以顯示多種數(shù)字、字母以及其他符號(hào)。LED顯示器中的發(fā)光二極管共有兩種連接方法：共陽(yáng)極接法和共陰極法。為了顯示數(shù)字或符號(hào)，要為L(zhǎng)ED顯示器提供顯示字形代碼。字形代碼可用硬件譯碼和軟件查表方法實(shí)現(xiàn)。使用LED顯示器時(shí)要注意區(qū)分這兩種不同的接法所使用的硬件譯碼器件或軟件譯碼的代碼。LED顯示器的字形各代碼位的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：代碼位D7D6D5D4D3D2D1D0顯示段dpgfedcbaLED顯示器十六進(jìn)制數(shù)的字形代碼見(jiàn)表3.2。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，表3.2作為表格存入存儲(chǔ)單元，通過(guò)改變表格內(nèi)容是顯示字形變化。所以，用軟件譯碼字形顯示比較靈活。圖3.16LED顯示器表3.2LED顯示器字形代碼

第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與硬件設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)，同樣采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，按整體功能分成多個(gè)不同的程序模塊，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試，最后通過(guò)主程序?qū)⒏鞒绦蚰K連接起來(lái)。這樣既有利于程序的修改和調(diào)試，又增強(qiáng)了程序的可移植性。本系統(tǒng)的程序主要分為兩部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制程序以及單片機(jī)錄入與顯示菜單程序。前者主要完成主從機(jī)之間的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，后者則為從鍵盤(pán)輸入數(shù)據(jù)以及通過(guò)LED顯示數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)為KEILC51。4.1主程序設(shè)計(jì)單片機(jī)控制主程序負(fù)責(zé)完成點(diǎn)菜系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸入、顯示及數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸，可分為主單片機(jī)和從單片機(jī)兩部分，雙方進(jìn)行的是半雙工通信。數(shù)據(jù)輸入前，利用C語(yǔ)言程序來(lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊nRF401。驅(qū)動(dòng)程序見(jiàn)附錄2。該系統(tǒng)主程序流程圖見(jiàn)圖4.1。開(kāi)始開(kāi)始串口初始化串口初始化是否有信號(hào)輸入否是否有信號(hào)輸入是否輸入完畢是否是否輸入完畢