簡單實用型無線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)研究與設計

簡單實用型無線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)研究與設計PAGE４８畢業(yè)設計題目:簡單實用型無線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)研究與設計院系：應用技術(shù)學院專業(yè)：電子信息工程指導教師：

畢業(yè)設計（論文）任務書題目：簡單實用型無線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)研究與設計基本任務及要求：基本任務=1\*GB3①設計一個簡單的無線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)系統(tǒng)；=2\*GB3②使用PROTEL畫出系統(tǒng)硬件圖，并用Proteus軟件對單片機控制部分進行仿真2．系統(tǒng)要求=1\*GB3①無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x不低于80米；=2\*GB3②工作頻率在430MHz；進度安排及完成時間：第1周布置任務、下達設計任務書第2周熟悉課題，了解無線通信技術(shù)的分類及其發(fā)展歷程第3周～第4周畢業(yè)實習，撰寫實習報告第5周撰寫文獻綜述、開題報告第6周～第8周學習通信系統(tǒng)中調(diào)制解調(diào)部分知識選擇適當無線收發(fā)芯片選擇合適的單片機第9周～第10周熟悉阻抗匹配部分知識，設計一個單端天線學習PROTEL軟件，畫出整體電路圖，學習使用KEILC51第11周～第12周用C語言進行程序編寫第13周～第14周學習使用Proteus仿真軟件用Proteus軟件對單片機的數(shù)據(jù)鍵入以及顯示進行仿真第15周~第16周撰寫畢業(yè)論文第16周畢業(yè)設計答辯目錄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無線數(shù)據(jù)傳送的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 155171.3本課題研究的主要內(nèi)容和主要工作 411926第2章無線通信系統(tǒng)基本理論 589452.1數(shù)字通信系統(tǒng)基本組成 5121512.2無線數(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)硬件設計 13104423.1系統(tǒng)整體設計 13163083.2無線收發(fā)芯片的選擇 14190433.3nRF401無線模塊 159003.3.1內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳功能 15138933.3.2應用電路及設計應注意問題 1716693.3.3工作原理 1949693.3.4天線的設計 1936503.4單片機控制模塊的選擇 20107143.5AT89C51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳功能 2183453.6鍵盤接口技術(shù) 24220053.7顯示器接口技術(shù) 2518056第4章系統(tǒng)軟件設計 28272764.1主程序設計 28261664.2從機點菜程序設計 298514總結(jié) 3330323致謝 3429333參考文獻 357937附錄 36簡單實用型無線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)研究與設計摘要：文章介紹了基于AT89C51以及nRF401芯片的實用型無線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)的研究與設計。系統(tǒng)通過無線方式進行數(shù)據(jù)雙向傳輸，采用半雙工方式通信、主機-從機體系結(jié)構(gòu)。主機可同時接收多個從機發(fā)送的數(shù)據(jù)。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的應用領(lǐng)域不斷擴大，基于射頻技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)應運而生，是無線數(shù)據(jù)傳輸在通信領(lǐng)域的重要應用典型實例，為各個行業(yè)帶來了嶄新的管理理念與服務手段，優(yōu)化了業(yè)務流程，為客戶提供了更好的服務，實現(xiàn)企業(yè)價值最大化同時又使成本最低化，是現(xiàn)代生活步入信息化時代的一個重要標志。它有效地利用了計算機應用、無線通信等先進的現(xiàn)代化科學技術(shù)，是一套集先進性、實用性、簡易性、嚴密性于一體的應用系統(tǒng)。論文詳細介紹了無線數(shù)據(jù)傳輸平臺硬件模塊的功能及其實現(xiàn)原理、單片機間的數(shù)據(jù)傳輸及其輸入與顯示的實現(xiàn)原理?；跓o線數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)平臺同時可以廣泛的應用于工業(yè)控制領(lǐng)域，具有廣泛的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：AT89C51；nRF401；無線數(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簡單實用型無線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)研究與設計第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，其需要在單片機之間或單片機與微機之間實現(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，往往需要通過上位機對接收到的下位機的數(shù)據(jù)進行處理。一般在傳輸距離比較短的情況是，可以采用有線連接的數(shù)據(jù)通信方式。如并行傳送、串行傳送、CAN總線和Lonworks總線等等。在這些有線傳輸?shù)姆绞街?，?shù)據(jù)的傳輸載體是雙絞線、同軸電纜或是光纖。但是在許多比較特殊的環(huán)境有線連接則往往不能滿足需求。對于傳輸范圍比較廣的情況采用有線數(shù)據(jù)傳輸方式通信需要較高的代價。再如高腐蝕環(huán)境、現(xiàn)場無法實現(xiàn)明線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)傳輸信道即通過有線傳輸采集的數(shù)據(jù)已經(jīng)不能滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，這時采用無線數(shù)據(jù)傳輸就顯示出巨大的優(yōu)勢，無線數(shù)據(jù)傳輸與有線相比有成本低，通信距離遠，沒有鑿墻鉆孔布線的煩惱等優(yōu)點。其不受地理環(huán)境、氣候、時間等條件的限制，通過真空或空氣實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，可以不考慮傳輸線纜的安裝問題，從而節(jié)省大量線纜，并且降低施工難度和系統(tǒng)成本，具有廣闊的應用前景。目前應用在許多領(lǐng)域，比如：RFID，無線餐飲點菜系統(tǒng)，無線抄表，水文監(jiān)測，低功率遙感勘測，住宅和建筑自動控制等。1.2無線數(shù)據(jù)傳送的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢無線技術(shù)是通過無線電波在自由空間(包括空氣和真空)傳播信息的技術(shù)，它利用導體中電流強弱的改變會產(chǎn)生無線電波這一原理，將信息加載于無線電波之上，當電波通過空間傳播到達接收端，電波引起的電磁場變化又會在導體中產(chǎn)生電流，通過一定的方法將信息從電流變化中提取出來，就達到了信息與數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。隨著無線技術(shù)的快速發(fā)展，無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)呈現(xiàn)出強勁的發(fā)展后勁。無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶軓V，在一般意義上，只要收發(fā)雙方通過無線電波傳輸信息，并且可以根據(jù)自己的需要控制傳輸距離。其中短距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)具有應用廣泛、種類多樣、頻段豐富、免執(zhí)照申請等特點，近期的發(fā)展情況表明，該領(lǐng)域?qū)⑿纬梢粋€巨大的新興產(chǎn)業(yè)。時至今日，無線技術(shù)的應用己經(jīng)滲透到各行各業(yè)的角角落落?，F(xiàn)代無線通信技術(shù)大致可分為兩大類：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)、通用分組無線傳輸技術(shù)(GPRS)、EDGE等。二是基于局域網(wǎng)的技術(shù)，如IEEE802.11、WLAN、Bluetooth、IrDA、Home-RF、微功率短距離無線通信技術(shù)等。主要介紹如下：⑴紅外通信技術(shù)（IrDA）紅外無線技術(shù)是以紅外線作為傳輸工具的一種無線通訊方式，自1974年發(fā)明以來，得到了很普遍的應用。但是由于紅外線的固有特性，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。紅外傳輸是一種點對點的傳輸，而且距離不能太遠，其傳輸距離只有l(wèi)～2m，并且對發(fā)射和接收器要求對準，并且中間不能有阻隔，且無法控制信息傳輸?shù)倪M度。目前紅外傳輸技術(shù)已經(jīng)漸漸退出市場，逐漸被藍牙技術(shù)取代。系統(tǒng)構(gòu)成上，采用紅外無線接入技術(shù)的系統(tǒng)需要將MPU與紅外模塊進行連接，傳輸采用串行通訊模式。⑵藍牙技術(shù)（Bluetooth）藍牙實際上是一種短距離無線電技術(shù)利用“藍牙”技術(shù)，能夠有效地簡化掌上電腦、筆記本電腦和移動電話手機等移動通信終端設備之間的通信，也能夠成功地簡化以上這些設備與因特網(wǎng)Internet之間的通信，從而使這些現(xiàn)代通信設備與因特網(wǎng)之問的數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路。藍牙采用分散式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，支持點對點及點對多點通信，工作在全球通用的2.4GHzISM(即工業(yè)、科學、醫(yī)學)頻段。其數(shù)據(jù)速率為lMbPS。采用時分雙傳輸方案實現(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。其底層為無線電層，負責無線電中的位信息傳輸。第二層為帶層，負責將位信息流轉(zhuǎn)化成可以識別的幀。第三層為L2CAP(邏輯鏈路控制適應層)負責存設備間建立邏輯信道，包括電源管理、認證和服務質(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，并且為應用程序服務。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)標準是無線局域網(wǎng)的國際標準，使用2.4GHz的ISM頻段，采用直接序列擴頻技術(shù)（DSSS）進行調(diào)制解調(diào)，從而增強了抗干擾能力，提高了傳輸速度。802.l1b無線網(wǎng)絡的最大優(yōu)點是兼容性，只要在原有網(wǎng)絡上裝上AP(AccessPoint)，就可以提供無線網(wǎng)絡服務，終端設備只要裝上無線網(wǎng)卡，就可以訪問所有網(wǎng)絡資源，像使用有線局域網(wǎng)一樣方便，卻免除了布線的麻煩。802.l1b具有有線等價保密機制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、可用來組建大型無線網(wǎng)絡、運營成本低、投資回報快等特點，因而受到電信制造商和運營商的青睞。由于該設備比較昂貴，進而妨礙了其推廣和應用，目前更多新的Wi-Fi標準正在制定之中。速度更快的802.l1g使用與802.l1b相同的正交頻分多路復用（OFDM）調(diào)制技術(shù)，它同樣工作在2.4GHz頻段，速率達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)無線網(wǎng)絡產(chǎn)品制造商選擇作為產(chǎn)品標準，下一代的Wi-Fi標準802.l1n可望達到100Mbit/s。⑷微功率近距離無線通信技術(shù)近年來，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，近距離無線通信系統(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)字信號射頻收發(fā)芯片，加上微控制器和少量外圍器件構(gòu)成專用或通用無線通信模塊，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單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或使用簡單的加密協(xié)議，發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過軟件設置完成，用戶不用對無線通信原理和工作機制有較深的了解，只要依據(jù)命令字進行操作即可實現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)無線傳輸功能。新一代近距離無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)具有體積小、功耗低、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強等優(yōu)點，而且開發(fā)簡單快速，可以方便地嵌入到各種設備中，實現(xiàn)設備間的無線連接，因此，較適合搭建小型網(wǎng)絡，在工業(yè)、民用領(lǐng)域得到較為廣泛的應用。⑸UWB技術(shù)UWB(UltraWideBand)是一種新發(fā)展起來的無線通信技術(shù)，通過基帶脈沖作用于天線的方式發(fā)送數(shù)據(jù)。窄脈沖(小于1ns)產(chǎn)生極大帶寬的信號，采用脈位調(diào)制(PulsePositionModulation,PPM)或二進制移相鍵控(Bi-PhaseShiftKeying,BPSK)調(diào)制。UWB被允許在3.1～10.6GHz的波段內(nèi)工作，主要應用在小范圍、高分辨率、能夠穿透墻壁、地面和身體的雷達和圖像系統(tǒng)中。其中，最具特色的應用將是視頻消費娛樂方面的無線個人局域網(wǎng)(PANs)。UWB有可能在10m范圍內(nèi)，支持高達110Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，且不需要壓縮數(shù)據(jù)，可以快速、簡單、經(jīng)濟地完成視頻數(shù)據(jù)處理。從以上介紹可以看出，各種不同的近距離無線通信標準都是根據(jù)不同的使用場合、不同的用戶需求而制定的。有的是為了增加帶寬和傳輸距離，有的則是考慮移動性和經(jīng)濟性。因此，應用者可視實際需求考慮采用性價比最高的解決方案。近些年信息通信領(lǐng)域中，發(fā)展最快、應用最廣的就是無線通信技術(shù)。隨著計算機技術(shù)，通信技術(shù)、集成電子技術(shù)的飛速發(fā)展，在國內(nèi)射頻（RF）技術(shù)也趨于成熟，開發(fā)出了種類齊全的射頻無線數(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，采用射頻芯片來開發(fā)嵌入式產(chǎn)品有非常廣闊的應用前景。目前，國內(nèi)外知名廠商都非常重視射頻傳輸芯片開發(fā)研究以及應用射頻芯片的嵌入式系統(tǒng)的設計。隨著現(xiàn)代射頻技術(shù)的發(fā)展，無線傳輸芯片尺寸越來越小，功能越來越齊全，再加上輔助原件后在性能上更加優(yōu)越，傳輸距離更遠，信號的穩(wěn)定性更高，傳輸速率更快，抗干擾性更強，特別是用于工業(yè)控制場合，現(xiàn)在市場上的無線傳輸芯片主要為FSK調(diào)制方式，其頻率發(fā)生器種類繁多，但基本上可分為三大類：一、采用LC振蕩器，可靠性低但價格便宜；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)定性很高但價格較貴。在國內(nèi)，這些高集成度芯片廣泛應用到國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域中：如無線數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，車輛監(jiān)控，小型無線網(wǎng)絡，無線抄表，工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，水文氣象監(jiān)控，機器人制造等等。這些應用使我們的現(xiàn)代辦公和生活更加方便安全。隨著國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的信息化，人們要通信息化開創(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與生活方式?？傊瑹o線通信技術(shù)未來的發(fā)展趨勢表現(xiàn)為：各種無線技術(shù)互補發(fā)展，各盡所長，向接入多元化、網(wǎng)絡一體化、應用綜合化的寬帶無線網(wǎng)絡發(fā)展，并逐步實現(xiàn)和寬帶固定網(wǎng)絡的有機融合。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)容是基于一種簡單的無線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)，主要應用AT89C51單片機控制Nordic公司的無線數(shù)字收發(fā)芯片nRF401，通過無線方式進行雙向傳輸，采用半雙工方式通信，在手持機站點和主控站點之間傳輸數(shù)據(jù)，主控器與主站PC之間通過串口進行通信。本人在前人的基礎(chǔ)上，通過翻閱大量的圖書資料以及檢索很多網(wǎng)絡信息，論述了基于51單片機以及單片無線收發(fā)芯片的無線點菜系統(tǒng)的設計原理和總體方案，重點闡述了系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計，綜合全文，所做的主要工作如下：（1）根據(jù)課題的研究背景，了解當前無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，通過對比選擇適合無線點菜系統(tǒng)的無線通信技術(shù)。（2）分析了無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕驹砑案髂K的功能和主要的性能指標。（3）針對任務書給出的數(shù)據(jù)要求，確定了無線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)的總體設計方案。（4）通過分析nRF401的應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）確定無線數(shù)據(jù)傳送單片機部分的硬件設計，主要包括鍵盤輸入、LED顯示、單片機串口發(fā)送。（6）分析了單片機仿真時出現(xiàn)的各種問題，并及時解決問題。

第2章無線通信系統(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社會的重要組成部分，又是社會發(fā)展和進步的重要因素。廣義的講，通信就是從一地向另一地傳遞和交換信息。實現(xiàn)信息傳遞所需的一切技術(shù)、設備和傳輸煤質(zhì)的總和稱為通信系統(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源，它的作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號即基帶信號。圖中編碼、調(diào)制、功放，實際上還有濾波、發(fā)射等都是作為發(fā)送端的發(fā)送設備模塊。其作用是將信息源產(chǎn)生的消息信號變換成適合在信道傳輸?shù)男盘?，使信息源與信道匹配起來。由發(fā)信源發(fā)出的基帶信號的特點是頻譜從零頻附近開始延伸到幾兆赫的有限值?；鶐盘柨梢灾苯釉谛诺乐袀鬏敚蠖鄶?shù)通信系統(tǒng)需要通過調(diào)制將基帶信號變換為更適合在信道中傳輸?shù)男问?。信道是指傳輸信號的物理煤質(zhì)，在無線信道中，信道可以是大氣。作為接受設備的基本功能是完成發(fā)送設備的反變換。它主要包括低噪聲放大、解調(diào)、解碼等模塊。主要任務是對帶有干擾的接收信號進行一系列處理，以便正確恢復出相應的原始基帶信號來。信宿是傳輸信息的歸宿點，其作用是將復原的原始信號轉(zhuǎn)換成相應的消息。2.2無線數(shù)據(jù)傳輸原理2.2.1調(diào)制與解調(diào)無線數(shù)據(jù)傳輸是以電信號的形式進行的，最基本的的無線通信系統(tǒng)由發(fā)射機、接收機和通常作為無線連接的信道組成。信道就是電磁波傳播的途徑。一般來說，信號源的信息(也稱為信源)含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基帶信號。由于無線電不能直接使用如人類語音那樣的低頻所以基帶信號往往不能作為傳輸信號，因此必須把基帶信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€相對基帶頻率而言頻率非常高的信號以適合于信道傳輸，這個信號叫做已調(diào)信號，而基帶信號叫做調(diào)制信號，這個過程叫做調(diào)制。調(diào)制的逆過程叫做解調(diào)，它是在接收機中進行的。調(diào)制是通過改變高頻載波的幅度、相位或者頻率，使其隨著基帶信號幅度的變化而變化來實現(xiàn)的，調(diào)制的類型根據(jù)調(diào)制信號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性調(diào)制和非線性調(diào)制。線性調(diào)制是指輸出已調(diào)信號的頻譜和調(diào)制信號的頻譜之間呈線性搬移關(guān)系。線性調(diào)制的已調(diào)信號種類有幅度調(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。非線性調(diào)制又稱角度調(diào)制。其已調(diào)信號的頻譜和調(diào)制信號的頻譜結(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。非線性調(diào)制包括調(diào)頻（FM）和調(diào)相（PM）兩大類。本文詳細介紹線性調(diào)制中的幅度調(diào)制、非線性調(diào)制中的調(diào)頻和調(diào)相。線性調(diào)制主要有幅度調(diào)制（AM），是指用調(diào)制信號去控制高頻載波的幅度，使其隨調(diào)制信號呈線性變化的過程。AM信號的時域和頻域表達式（2-1）（2-2）圖2.2AM的波形和相應的頻譜圖（2）AM信號的帶寬（2-3）式中，為調(diào)制信號的最高頻率。AM信號的功率與調(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)點是可用包絡檢波法解調(diào)，不需要本地同步載波信號，設備簡單。AM調(diào)制的最大缺點是調(diào)制效率低。線性調(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。1、相干解調(diào)所謂相干解調(diào)是為了從接收的已調(diào)信號中，不失真地恢復原調(diào)制信號，要求本地載波和接收信號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)信號時不需要本地載波，而是利用已調(diào)信號中的包絡信息來恢復原基帶信號。因此，非相干解調(diào)一般只適用幅度調(diào)制（AM）系統(tǒng)。非線性分為頻率調(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)制信號控制載波的瞬時相位偏移，使按的規(guī)律變化，則稱之為相位調(diào)制（PM）。令，其中為調(diào)相器靈敏度，其含義是單位調(diào)制信號幅度引起PM信號的相位偏移量，單位是弧度/伏（rad/V）。所以，調(diào)相波的表達式為（2-6）對于調(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)制信號控制載波的瞬時角頻率偏移，使載波的瞬時角頻率偏移按的規(guī)律變化，則稱之為頻率調(diào)制（FM）。令，即，其中為調(diào)頻器靈敏度，其含義是單位調(diào)制信號幅度引起FM信號的頻率偏移量，單位是赫茲/伏（Hz/V）。所以，調(diào)頻波的表達式為（2-8）其最大角頻率偏移為（2-9）非線性解調(diào)中調(diào)頻信號的解調(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，且需同步信號；而非相干解調(diào)適用于窄帶和寬帶調(diào)頻信號，而且不需同步信號，因而是FM系統(tǒng)的主要解調(diào)方式。對應于模擬調(diào)制的數(shù)字調(diào)制是指數(shù)字信號對載波的調(diào)制。與模擬信號對載波的調(diào)制類似，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)字信號的特點——時間和取值的離散性，使受控參數(shù)離散化而出現(xiàn)“開關(guān)控制”，稱為“鍵控法”。數(shù)字信號對載波振幅調(diào)制稱為振幅鍵控，即ASK。對載波頻率調(diào)制稱為頻移鍵控，即FSK。對載波相位調(diào)制稱為相移鍵控即PSK。數(shù)字信號可以是二進制的，也可以是多進制的。若數(shù)字信號u(t)是二進制，則ASK、FSK、PSK實現(xiàn)原理框圖及鍵控信號的輸出波形可由圖2.3表示。圖2.3二進制數(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傳送數(shù)字信號，用數(shù)字基帶信號控制載波信號的頻率。二進制頻移鍵控是用兩個不同頻率的載波來代表數(shù)字信號的兩種電平。接收端收到不同的載波信號再進行逆變換成數(shù)字信號，完成信息傳輸過程。FSK信號的產(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)頻信號是相位連續(xù)的。直接調(diào)頻法還有許多實現(xiàn)電路，雖然實現(xiàn)方法簡單，但頻率穩(wěn)定度不高，同時頻率轉(zhuǎn)換速度不能做得太快。頻率鍵控法也稱頻率選擇法，它有兩個獨立的振蕩器，數(shù)字基帶信號控制轉(zhuǎn)換開關(guān)，選擇不同頻率的高頻振蕩信號實現(xiàn)FSK調(diào)制。鍵控法產(chǎn)生的FSK信號頻率穩(wěn)定度可以做得很高并且沒有過渡頻率，它的轉(zhuǎn)換速度快，波型好。鍵控法也常常利用數(shù)字基帶信號去控制可變分頻器的分頻比來改變輸出載波頻率，從而實現(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、過零檢測法和差分檢波法等。在同步解調(diào)中,FSK信號的同步解調(diào)器分為上、下兩個支路，輸入的FSK信號經(jīng)過f1和f2兩個帶通濾波器后變成了上、下兩路ASK信號，之后其解調(diào)原理與ASK類似，但判決需對上、下兩支路比較來進行。FSK信號包絡解調(diào)相當于兩路ASK信號包絡解調(diào)。用兩個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)包絡檢波后分別取出它們的包絡。過零檢測法則是利用信號波形在單位時間內(nèi)與零電平軸交叉的次數(shù)來測定信號頻率。2.2.2編碼與解碼如通信系統(tǒng)組成圖2.1所示，在調(diào)制之前要先進行信源編碼和信道編碼。信源編碼的作用之一是設法減少碼元數(shù)目和降低碼元速率，即通常所說的數(shù)據(jù)壓縮；作用之二是當信息源給出的是模擬信號時，信源編碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化傳輸。信道編碼的任務是提高數(shù)字信號傳輸?shù)目煽啃?。為了減少差錯，信道編碼器對傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則加入保護成分，組成所謂“抗干擾編碼”。相應的，接收端在解調(diào)后要進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程，接收端信道譯碼是信道編碼的你逆過程。一種比較常見的編碼形式--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區(qū)分1和0，即用正的電壓跳變表示0，用負的電壓跳變表示1，因此這種編碼又稱雙相編碼，由于跳變都發(fā)生在每一個碼元的中間，接收端可以方便地利用它作為同步時鐘，因此這種編碼還稱為自同步編碼。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)沒有時鐘的問題。其實質(zhì)是將普通NRZ二進制數(shù)據(jù)與其位率時鐘相異或而得。根據(jù)這種編碼方式的特點可以推出有兩種解碼方法，包括間隔讀取法和連續(xù)檢測法。所謂間隔讀取法是指通過定時器控制每隔一段時間對數(shù)據(jù)進行一次讀取。所謂連續(xù)檢測法則是一直監(jiān)視著電平的變化，然后通過波形維持高電平和低電平的時間長度以及高低電平的有序組合來判斷當前的數(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，常常需考慮同步問題，特別是涉及數(shù)字信號時更是如此。在一個數(shù)字通信系統(tǒng)中包含多種同步問題。例如，PSK信號在相干解調(diào)時，接收端需要產(chǎn)生一個和接收信號同頻、同相本地載波，用以和接收的PSK信號相乘。因此，這個本地載波的頻率和相位信息必須來自接收信號，或者說是需要從接收信號中提取載波同步信息。本地載波和接收信號載頻的同步問題稱為載波同步。載波同步的方法可以分為兩大類，第一類是在發(fā)送端的發(fā)送信號中插入一個專門的導頻用于載波同步。第二類是在接收端設法從有用信號中直接提取出載波，而不需要傳送專門的導頻。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)代替窄帶濾波器來濾出載頻分量。由于鎖相環(huán)的輸出信號具有更好的穩(wěn)定性，并且不必須有連續(xù)的輸入信號所以它的應用較為廣泛。鎖相環(huán)是指一種電路或者模塊，在現(xiàn)代無線電通信系統(tǒng)中，鎖相環(huán)路可說是無所不在。它用于在通信的接收機中，其作用是對接收到的信號進行處理，并從其中提取某個時鐘的相位信息?；蛘哒f，對于接收到的信號，仿制一個時鐘信號，使得這兩個信號從某種角度來看是同步或相干的。鎖相環(huán)可使某一特定系統(tǒng)的信號頻率，能隨另一系統(tǒng)追蹤而行。PLL基本上是一個閉環(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)三個基本電路組成。其基本原理是壓控振蕩器的輸出經(jīng)過采集和基準信號同時輸入鑒相器，鑒相器通過比較上述兩個信號的頻率差，然后輸出一個直流脈沖電壓控制VCO，使它的頻率改變。這樣經(jīng)過一個很短的時間，VCO的輸出就會穩(wěn)定于某一期望值。鎖相環(huán)中的鑒相器又稱為相位比較器，它的作用是檢測輸入信號和輸出信號的相位差，并將檢測出的相位差信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，該信號經(jīng)低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓uc(t)，對振蕩器輸出信號的頻率實施控制。鎖相環(huán)中的環(huán)路濾波器用于對鑒相器的輸出信號進行濾波和平滑，大多數(shù)情形下是一個低通濾波器，用于濾除由于數(shù)據(jù)的變化和其他不穩(wěn)定因素對整個模塊的影響。由于鎖相環(huán)路具有一些特殊的性能，被廣泛地應用于電子技術(shù)的各個領(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。其原理框圖如圖2.4所示。實現(xiàn)鎖相調(diào)頻的條件是，調(diào)制信號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)制信號不能通過低通濾波器，因而在環(huán)路內(nèi)不能形成交流反饋，調(diào)制頻率對環(huán)路無影響。鎖相環(huán)路只對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。設計頻率合成器的鎖相環(huán)路時要設定一些必要的參數(shù)如所需的最高輸出信號頻率、最低輸出信號頻率、分頻器的輸出信號頻率、中心頻率、參考信號頻率、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輸入誤差信號控制信號輸出信號誤差相位圖2.4鎖相調(diào)頻電路原理方框圖下面分別介紹鎖相環(huán)路的三個模塊：鑒相器是相位比較裝置，用來比較參考信號與壓控震蕩器輸出信號的相位，產(chǎn)生對應于這兩個信號相位差的誤差電壓。表示其間關(guān)系的函數(shù)稱為鑒相特性。鑒相器是鎖相環(huán)的基本部件之一，也用于調(diào)頻和調(diào)相信號的解調(diào)。常見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，工作特性猶如一般的鑒相器，惟當環(huán)路脫鎖時，將會提供頻率判定信號，以求重新鎖定。任何一個理想的乘法器都可以做鑒相器。設輸入信號為（2-9）壓控振蕩器輸出信號為（2-10）經(jīng)乘法器相乘后，其輸出通過環(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輸入信號的相位差轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭?Acp圖2.5鑒相器的數(shù)學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的頻率靠攏，兩者的差拍頻率越來越低，直至兩者的頻率相同、保持一個較小的剩余相差為止。所以，鎖相就是壓控振蕩器被一個外來基準信號控制，使得壓控振蕩器輸出信號的相位和外來基準的相位保持某種特定關(guān)系，達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。由(2--12)可求出瞬時相位為(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為(2--14)由此可見，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的頻率靠攏，直至兩者的頻率相同，使得VCO輸出信號相位和輸入信號相位保持某種特定的關(guān)系，從而達到相位鎖定的目的。圖2.6壓控振蕩器的數(shù)學模型環(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，一般是線性電路，由線性元件電阻，電感、電容及運算放大器組成。常用的濾波器形式有RC積分濾波器、無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)行微分方程來描述。在鎖相環(huán)路中的主要功能，是過濾誤差信號的高頻分量。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頻率外，抑制噪聲的干擾也是其功能之一。

系統(tǒng)硬件設計3.1系統(tǒng)整體設計本文介紹的無線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)，應用AT89C51單片機控制無線數(shù)字傳輸芯片nRF401。通過無線方式進行數(shù)據(jù)雙向傳輸，采用半雙工方式通信，在從單片機和主單片機之間傳輸數(shù)據(jù)，之間通過串口通信。系統(tǒng)框圖如圖3.1。從單片機3無線收發(fā)n從單片機1從單片機2無線收發(fā)2無線收發(fā)1無線收發(fā)主單片機從單片機3無線收發(fā)n從單片機1從單片機2無線收發(fā)2無線收發(fā)1無線收發(fā)主單片機圖3.1系統(tǒng)框圖本無線傳送系統(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、AT89C51單片機控制、nRF401無線收發(fā)芯片以及LED數(shù)碼顯示器組成。接收部分由AT89C51單片機控制、nRF401無線收發(fā)芯片以及LED數(shù)碼顯示器組成。在本系統(tǒng)中，需對對每個從單片機定義一個地址。當其中一個從單片機通過鍵盤輸入數(shù)值并且通過LED顯示器顯示出數(shù)據(jù)后，向主單機發(fā)送數(shù)據(jù)時，框圖如圖3.2所示，電路圖見附錄1，主單片機接收到數(shù)據(jù)并把接收到的信息通過LED顯示器顯示出來。LED顯示器LED顯示器濾波器解調(diào)器濾波器解調(diào)器單片機控制單片機控制鎖相環(huán)振蕩器壓控振蕩器4*4矩陣鍵盤鎖相環(huán)振蕩器壓控振蕩器4*4矩陣鍵盤無線收發(fā)模塊圖3.2從單片機發(fā)送數(shù)據(jù)框圖3.2無線收發(fā)芯片的選擇由于無線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比較多，如何在設計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有較高的要求，需要更多的內(nèi)存和空間，并且會大大降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，一般僅能達到標稱速率的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，以及整個系統(tǒng)的復雜性，因此應該選擇所需外圍元件少的芯片。（3）功耗。由于無線收發(fā)芯片是應用在測控系統(tǒng)上，因此功耗非常重要，應該根據(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)上述標準，本人選擇無線收發(fā)nRF401。nRF401是一個為433MHzISM頻段設計的真正單片機UHF無線收發(fā)芯片。在數(shù)據(jù)編碼方面，nRF401采用串口傳輸，無需對數(shù)據(jù)進行曼徹斯特編碼，應用及編程非常簡單，傳送的效率很高，標稱速率就是實際速率。在控制芯片外圍元件的數(shù)量方面，nRF401也是一個較為理想的選擇，它的外圍元件僅需10個左右，無需聲表面濾波器、變?nèi)莨艿劝嘿F的元件，只需使用4MHz的晶體，收發(fā)天線合一，減少了系統(tǒng)開發(fā)的難度。當然除了上述的優(yōu)點外，nRF401還具有以下幾點優(yōu)點：采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，抗干擾性能力強。在芯片內(nèi)同時集成了發(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。通過控制芯片外部引腳，可以使芯片隨時在發(fā)送模式和接收模式之間切換，無需進行任何初始化設置。nRF401的最高工作速率可達20k,發(fā)射功率可以調(diào)整，最大為+10dBm。具備434.32MH和433.92MHz兩個不同的數(shù)據(jù)頻段，可以在兩個頻率之間自由切換。nRF401的電壓工作范圍在2.7--5.2V之間，可以適用不同的設計需要。芯片使用低功耗設計，最低工作電壓2.7V，支持待機模式，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，待機狀態(tài)下的功耗僅為8uA。在目前較為流行的無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片中，無論是從使用的方面性、傳輸速率還是輸出功率等各個方面的考慮，nRF401都是一種特別理想的選擇。3.3nRF401無線模塊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，很多的短距離無線數(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個工作頻道:434.33MHz和433.92MHz，適合需要多信道工作的特殊場合。工作電壓范圍為2.7V一5.25V，低功耗，具有待機模式，從而可以更省電、更高效。工作溫度為一25℃一85℃，能夠滿足大多數(shù)工作場合的需要。芯片可以直接與微控制器接口，僅需外接一個晶體和幾個阻容、電感元件，即可構(gòu)成一個完整的射頻收發(fā)器，電路模塊尺寸較小，可方便地嵌入各種測量和控制系統(tǒng)中，廣泛應用于報警和安全系統(tǒng)、無線通信、遙控裝置、工業(yè)控制和自動測試系統(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。應用電路如圖3.4。圖3.4nRF401應用電路其引腳功能描述如下：XC1、XC2(引腳1、20）：這兩個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，該引腳將無線接收到的數(shù)據(jù)送入單片機。RF-PWR(引腳11）：發(fā)射功率設置。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）：天線接口。PWR（引腳18）：低功耗控制。PWR=1時，芯片處于正常工作狀態(tài)；PWR=0時，芯片為待機微功耗狀態(tài)。TXEN（引腳19):工作模式切換。TXEN=1時，芯片為數(shù)據(jù)發(fā)射狀態(tài)；TEEN=0時，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--待機表3.1nRF401工作模式設置3.3.2應用電路及設計應注意問題在實際應用中，微控制器采用Atmel公司的AT89C51，分別用單片機的P1口各管腳控制nRF401的DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS這五個腳即可。在nRF401芯片使用時，設定好工作頻率，進入正常工作狀態(tài)后，通過單片機根據(jù)需要進行收發(fā)轉(zhuǎn)換控制，發(fā)送／接收數(shù)據(jù)或進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。nRF401芯片所需擴展的外圍器件較少，僅需外接一個晶體和幾個阻容、電感元件，即可構(gòu)成一個完整的射頻發(fā)生器。由于采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設計，使用無需申請許可證，其開闊地的理想使用距離最遠可達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，nRF401芯片可以直接把DIN、DOUT接單片機串口發(fā)送接收數(shù)據(jù)，而無需對數(shù)據(jù)進行曼徹斯特編碼，其他的單片RF收發(fā)芯片一般都需要對數(shù)據(jù)進行曼徹斯特編碼后才能發(fā)送，不僅增加了編程的復雜性，而且傳輸效率低，實際速率僅為標稱的一半，不能滿足實時傳輸?shù)男枰?。nRF401的電源開關(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I/O口進行控制，具體工作狀態(tài)如表3.1所示。其不需要進行設置，應用及編程非常簡單，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配合使用的方案。在實際的設計應用中，需要注意NRF401狀態(tài)轉(zhuǎn)換時序問題。TXRX的切換當從RX轉(zhuǎn)到TX模式時，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)，時序如圖3.5所示。當從TX轉(zhuǎn)到RX模式時，數(shù)據(jù)輸出腳（DOUT）要至少3ms以后又數(shù)據(jù)輸出。如圖3.5所示。Standby->RX的切換從待機模式到接收模式，當PWR_UP輸入設成1時，經(jīng)過tST時間后，DOUT腳輸出數(shù)據(jù)才有效。對nRF401來說，tST最長時間是3ms,如圖3.6所示。Standby->TX的切換從待機模式到發(fā)射模式，所需穩(wěn)定的最大時間是tST，即2ms.。如圖3.7所示。PowerUp->TX的切換從加電到發(fā)射模式過程中，為了避免開機時產(chǎn)生干擾和輻射，在上電過程中TXEN的輸入腳必須保持為低，以便于頻率合成器進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。當由上電進入發(fā)射模式時，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程中，芯片將不會接收數(shù)據(jù)，DOUT也不會有有效數(shù)據(jù)輸出，直到電壓穩(wěn)定達到2.7V以上，并且至少保持5ms。如果采用外部振蕩器，這個時間可以縮短到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輸入信號被低噪聲放大器(LNA)放大，經(jīng)由混頻器(MIXER)變化，這個被變換的信號在送入解調(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)字信號在DOUT端輸出。在發(fā)射模式中，壓控振蕩器(VCO)的輸出信號是直接送入到功率放大器(PA)，DIN端輸入的數(shù)字信號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天線的設計一般而言，決定通信距離的因素有兩個：系統(tǒng)的動態(tài)范圍和電磁波的傳輸損耗。系統(tǒng)的動態(tài)范圍與兩個因素有關(guān)：發(fā)射功率和接受靈敏度。動態(tài)范圍=發(fā)射功率-接受靈敏度?；夭〒p耗主要由阻抗失真造成。高回波損耗有兩種負面效應：一是信號反射回信號源會增加系統(tǒng)噪聲；二是因為輸入信號的形狀發(fā)生了變化，任何反射信號基本上都會使信號質(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。天線是電磁波沿傳輸線路和在空間中進行傳輸?shù)慕涌?，在通信路徑中非常重要。天線是無源器件，也是互易器件，同一種設計既可以用作發(fā)射天線，也可以用作接收天線。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。因此無線接口設計為差分天線，ANT1和ANT2時接收時LNA的輸入，以及發(fā)送時功率放大器的輸出。在天線端推薦的負載阻抗是400歐姆。本文通過一個差分轉(zhuǎn)換匹配網(wǎng)絡連接到nRF401來設計一個50歐姆的單端天線。如圖3.10所示。圖中，180nH電感，要求自諧振頻率大于433MHz。圖3.10采用單端天線時匹配網(wǎng)絡的設計3.4單片機控制模塊的選擇單片機的選擇標準：（1）性能。根據(jù)設計任務的復雜程度來決定選擇什么樣的單片機。（2）存儲器。研發(fā)階段，推薦使用Flash單片機，它有電寫入、電擦除的優(yōu)點，使得修改程序很方便，可以提高開發(fā)速度。（3）運行速度。單片機的運行速度首先看時鐘頻率，指令集，幾個時鐘為一個機器周期。在選用單片機時要根據(jù)需要選擇速度，不要片面追求高速度，單片機的穩(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時首先要考慮的問題之一，根據(jù)實際需要確定數(shù)量，I/O多余不僅芯片的體積增大，也增加了成本。（5）驅(qū)動能力。驅(qū)動電流大的單片機可以簡化外圍電路。（6）定時／計數(shù)器。多數(shù)單片機提供2--3個定時／計數(shù)器，有些定時／計數(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化軟件設計，而且能少占用CPU的資源?，F(xiàn)在還有不少單片機提供了看門狗定時器(WDT)，當單片機“死機”后可以自動復位。（7）串行接口。單片機常見的串行接口有：標準UART接口、增強型UART接口、I2C總線接口、CAN總線接口、SPI接口、USB接口等。大部分單片機都提供了UART接口，也有部分單片機沒有串行接口。

（8）工作電壓、功耗。單片機的工作電壓最低可以達到1.8V，最高為6V，常見的是3V和5V單片機的功耗參數(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，同時要考慮是否要用到單片機的掉電模式，如果要用的話必須選擇有相應功能的單片機。（9）抗千擾性能、保密性。選用單片機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)境中的尤應如此。單片機加密后的保密性能也要好，這樣可保證你的知識產(chǎn)權(quán)不容易被侵犯。

根據(jù)上述標準我們選用AT89C51單片機。AT89C51單片機片內(nèi)帶有一個4k字節(jié)的Flash可編程可擦除只讀存儲器。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，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，編寫程序絕大多數(shù)需要反復調(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廉的方案。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的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/擦循環(huán)，數(shù)據(jù)保留時間為10年，具有三級程序存儲器鎖定、128*8位內(nèi)部RAM、32可編程I/O線、兩個16位定時器/計數(shù)器、5個中斷源。擁有可編程串行通道、低功耗的閑置和掉電模式、片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。3.5AT89C51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳功能AT89C51擁有40個引腳，4kBytesFlash片內(nèi)程序存儲器，128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，片內(nèi)時鐘振蕩器。此外，AT89C51設計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(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位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求。AT89C51單片機是采用40引腳雙列直插形式，如圖3.11所示。圖3.11AT89C51單片機各引腳功能如下：VCC：供電電壓,運行和程序校驗時加+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8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。

P1口：P1口是一個內(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門電流。P1口管腳寫入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，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。

P2口：P2口為一個內(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TTL門電流，當P2口被寫“1”時，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，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口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。

P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“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（記時器0外部輸入）

P3.5:T1（記時器1外部輸入）

P3.6:WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）

P3.7：RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）

P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。

RST：復位輸入。振蕩器復位期間時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。在實際應用系統(tǒng)中，有些外圍芯片也需要復位，如果這些復位端的復位電平要求與單片機的要求一致，則可以與之相連。其電路圖如圖3.13所示。分析復位電路的工作過程可以看出，當系統(tǒng)得到工作電壓的時候，復位電路工作在上電自動復位狀態(tài)，通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)，只要Vcc的上升時間不超過1ms就可以實現(xiàn)自動上電復位功能。在本復位電路中，采用10uF的電容和1kΩ的電阻來實現(xiàn)復位電路。當系統(tǒng)出錯時，直接按開關(guān)實現(xiàn)模擬系統(tǒng)上電復位的功能，從而實現(xiàn)系統(tǒng)重新復位啟動。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，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，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，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，置位無效。PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。

/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。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)部時鐘工作電路的輸入。

XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。圖3.12電源電路圖3.13復位電路3.6鍵盤接口技術(shù)鍵盤是一組開關(guān)的集合，是單片微型計算機系統(tǒng)中最常用的一種輸入設備。一般應用時有兩類鍵盤：編碼鍵盤和非編碼鍵盤。編碼鍵盤能自動提供對應于被按鍵的編碼信息，如ASCII碼，并能同時產(chǎn)生一個選通脈沖通知微處理器，還具有處理抖動和多鍵串鍵的保護電路。非編碼鍵盤所需要的硬件較少，其中按鍵的識別、按鍵代碼的產(chǎn)生、防止串鍵和消去抖動等問題，都靠程序來實現(xiàn)。不同的組合方式可構(gòu)成很多種不同的鍵盤接口方式。當按鍵較少時，一般采用獨立方式，而當按鍵較多時采用矩陣（行列）方式。本論文設計的是無線點菜系統(tǒng)所以需要用鍵盤輸入桌號、菜號以及其它的控制信號，所按鍵較多故采用的是4*4的16鍵矩陣鍵盤。如圖3.14所示。鍵盤狀態(tài)的監(jiān)測方法包括有中斷方式和查詢方式。從按一個鍵到鍵的功能被執(zhí)行主要包括兩項工作：鍵的識別，鍵功能的實現(xiàn)。因為常用鍵盤的鍵實際上就是一個機械開關(guān)結(jié)構(gòu)，被按下時，由于機械觸點的彈性及電壓突跳等原因，在觸點閉合或斷開的瞬間會出現(xiàn)電壓抖動。當鍵按下，按鍵從開始接上至接觸穩(wěn)定要經(jīng)過數(shù)毫秒的彈跳時間。鍵松開時也有同樣的問題。彈跳會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)較多時常用軟件反彈跳，當檢測出閉合后，執(zhí)行一個延時程序產(chǎn)生數(shù)毫秒的延時，讓前沿彈跳消失后在檢測下一個間的閉合。除了要用一定的方法消除按鍵抖動外，對于非編碼鍵盤還應包含怎樣識別鍵盤中梭按鍵的含義主要是解決以下問題：檢測是否有鍵按下，若有鍵按下則判斷是哪一個鍵，再確定被按鍵的含義。4*4的矩陣鍵盤需要8條線與單片機相連。鍵盤接口一般采用掃描讀入方式工作，掃描式鍵盤接口是一個輸入、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)輸入的緩沖問題，而輸出接口主要功能是進行數(shù)據(jù)保持能力。圖3.144*4矩陣式鍵盤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)的運行狀態(tài)和工作數(shù)據(jù)，單片機應用系統(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，當外加電壓加在發(fā)光二極管上可產(chǎn)生可見光。其具有體積小、重量輕、工作電壓低、穩(wěn)定、壽命長、響應時間短、發(fā)光均勻、清晰、亮度高等優(yōu)點。與液晶顯示器相比，它更適于在光線暗的環(huán)境中使用。顯示器接口按驅(qū)動方式可分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種顯示方式，本文選用的是動態(tài)顯示，掃描可由單片機軟件或?qū)ｉT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。通過7個發(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。LED顯示器中的發(fā)光二極管共有兩種連接方法：共陽極接法和共陰極法。為了顯示數(shù)字或符號，要為LED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現(xiàn)。使用LED顯示器時要注意區(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應關(guān)系如下：代碼位D7D6D5D4D3D2D1D0顯示段dpgfedcbaLED顯示器十六進制數(shù)的字形代碼見表3.2。在程序設計時，表3.2作為表格存入存儲單元，通過改變表格內(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)軟件設計無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)功能的實現(xiàn)離不開軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)的軟件設計與硬件設計相對應，同樣采用模塊化的設計思想，按整體功能分成多個不同的程序模塊，分別進行設計、編程和調(diào)試，最后通過主程序?qū)⒏鞒绦蚰K連接起來。這樣既有利于程序的修改和調(diào)試，又增強了程序的可移植性。本系統(tǒng)的程序主要分為兩部分：單片機控制程序以及單片機錄入與顯示菜單程序。前者主要完成主從機之間的無線數(shù)據(jù)傳輸，后者則為從鍵盤輸入數(shù)據(jù)以及通過LED顯示數(shù)據(jù)。本設計的開發(fā)平臺為KEILC51。4.1主程序設計單片機控制主程序負責完成點菜系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸入、顯示及數(shù)據(jù)的無線傳輸，可分為主單片機和從單片機兩部分，雙方進行的是半雙工通信。數(shù)據(jù)輸入前，利用C語言程序來驅(qū)動無線傳輸模塊nRF401。驅(qū)動程序見附錄2。該系統(tǒng)主程序流程圖見圖4.1。開始開始串口初始化串口初始化是否有信號輸入否是否有信號輸入是否輸入完畢是否是否輸入完畢