基于sc89c55的單工無線叫數(shù)據(jù)傳遞系統(tǒng)

基于sc89c55的單工無線叫數(shù)據(jù)傳遞系統(tǒng)

0單工無線呼叫系統(tǒng)近年來，隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，語音和通信技術(shù)在系統(tǒng)的規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集和控制、移動(dòng)數(shù)據(jù)分布和接收方面得到了廣泛應(yīng)用。本文根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)介紹一種單工無線呼叫系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)主站至多個(gè)從站的單工語音及數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。可選擇對(duì)任一從站的呼叫或廣播功能。短信發(fā)送和接收采用LCD顯示,界面友好。能方便地應(yīng)用于短距離通信,如校園通信或辦公通信或廣播系統(tǒng),具有極好的應(yīng)用前景。1數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)在模擬調(diào)頻與頻移鍵控FSK中引入了頻率合成技術(shù)、兩次混頻方案。語音進(jìn)行了壓擴(kuò)處理,數(shù)據(jù)信號(hào)采用了SPL編解碼和群計(jì)數(shù)差錯(cuò)控制。電路采用了性能優(yōu)良的中大規(guī)模IC。通過這些措施,提高了頻率穩(wěn)定度、增大了調(diào)制范圍、提高了信噪比、降低了誤碼率、方便了安裝調(diào)試,能較好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)全部要求。并在此基礎(chǔ)上,增加了短信存儲(chǔ)、短信查詢、音量步進(jìn)調(diào)節(jié)、信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)和短信接收提示等功能。發(fā)射部分,調(diào)制采用壓控振蕩器方式,利用鎖相環(huán)的特性使載波頻率與基準(zhǔn)頻率保持嚴(yán)格的比例關(guān)系,并得到相同的頻率穩(wěn)定度。數(shù)字信號(hào)和話音信號(hào)加在VCO的變?nèi)荻O管上,對(duì)38.675MHz正弦信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻調(diào)制和頻移鍵控FSK調(diào)制。主振頻率由程控PLL控制,調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)激勵(lì)、功放和天線發(fā)射出去,如圖1所示。接收部分,為提高接收機(jī)的接收靈敏度,設(shè)置了高頻小信號(hào)諧振放大器,為抑制雜散信號(hào)的干擾采用兩次變頻。第一級(jí)本振信號(hào)由程控鎖相環(huán)控制的頻率合成器產(chǎn)生,頻率為接收頻率38.675MHz與第一中頻10.695MHz的和頻49.370MHz。一次混頻的信號(hào)經(jīng)第一中放后進(jìn)入二次混頻,二級(jí)本振頻率為10.24MHz,取自第一本振鎖相環(huán)的基頻?；祛l后得到455kHz的第二中頻信號(hào),再經(jīng)第二中放后進(jìn)行限幅、鑒頻,解調(diào)后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)整形濾波后送入單片機(jī)從系統(tǒng)進(jìn)行處理和顯示,解調(diào)后話音信號(hào)經(jīng)擴(kuò)張?zhí)幚?、低頻放大后輸出,如圖2所示。為保證較寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的語音信號(hào)的高質(zhì)量傳輸,語音進(jìn)行了壓擴(kuò)處理;為降低信令和短信的誤碼率,數(shù)據(jù)信號(hào)采用了SPL編解碼和群計(jì)數(shù)差錯(cuò)控制;為便于調(diào)節(jié)音量大小,設(shè)置了步進(jìn)調(diào)節(jié)器;為便于接收多條短信,設(shè)置了短信存儲(chǔ)和查閱功能;為了判斷信號(hào)的強(qiáng)弱,設(shè)置了信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)功能;為簡(jiǎn)化電路、方便安裝調(diào)試,采用了綜合化程度較高、性價(jià)比優(yōu)良的通信常用集成電路MC13111A和MC2833,單片機(jī)采用功能較強(qiáng)的89C55,顯示部分采用HY12232液晶顯示器。2發(fā)射裝置發(fā)射電路主要由語音放大器、調(diào)制振蕩器、程控鎖相環(huán)和高頻功率放大器等組成。2.1雜散輻射抑制放大器由于設(shè)計(jì)任務(wù)要求功率小于20mW,發(fā)射機(jī)功率較小,因此本設(shè)計(jì)采用甲類調(diào)諧放大器。雖然甲類功放的效率較低,但放大器工作在線性放大區(qū),增益大,產(chǎn)生的諧波分量小,再加上調(diào)諧回路的選頻作用,可令雜散輻射抑制性能得到提高。放大器由R30、C49、C50、C70、L6、L7、L9和MC2833內(nèi)置三極管T1、T2組成,如圖3所示,L9和C70構(gòu)成天線阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。在該放大器中,只要偏置選擇合適,就可使振蕩器工作在線性區(qū)。2.2mc3033電路設(shè)計(jì)調(diào)制振蕩器是1個(gè)壓控振蕩器,實(shí)質(zhì)上是在電容反饋3點(diǎn)振蕩器中的諧振回路上加入變?nèi)荻O管及控制信號(hào)。變?nèi)荻O管在正常工作時(shí)可看作是受控制信號(hào)電壓控制的電容,其結(jié)電容的容量隨控制電壓的變化而變化。壓控振蕩器的核心部分是用調(diào)頻發(fā)射組件芯片MC2833中的RF振蕩器與外接變?nèi)荻O管D1、電感L3、電容C37、C61、C62、C59、C60等元件構(gòu)成,如圖4所示,信號(hào)通過MC2833緩沖輸出。變?nèi)荻O管選用ISV2687,屬于超突變結(jié)調(diào)諧二極管,電容變化范圍較寬。振蕩器的中心頻率為38.675MHz,變?nèi)荻O管的電容量約為80pF,則由下式可算出所需電感量,f01=12πL1C01√L1=1(2πf01)2C01=1(2π×30×106)2×80×10?12=0.2μHf01=12πL1C01L1=1(2πf01)2C01=1(2π×30×106)2×80×10-12=0.2μΗ壓控振蕩器的元件參數(shù)將會(huì)隨溫度的變化而變化,頻率不穩(wěn)定。為了提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度,系統(tǒng)采用了鎖相技術(shù),使之構(gòu)成1個(gè)鎖相頻率合成器。2.3語音信號(hào)的壓縮及擴(kuò)張器工作原理由于話筒輸入的話音信號(hào)電平變化范圍很大,為了保證在較寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)聲音信號(hào)的高質(zhì)量傳輸,尤其是為確保微弱聲音的信噪比,在發(fā)送前先經(jīng)過壓縮器將語音信號(hào)的變換范圍進(jìn)行壓縮,然后再調(diào)制發(fā)送。在接收時(shí),對(duì)解調(diào)出的語音信號(hào)需先經(jīng)過擴(kuò)張器擴(kuò)張,恢復(fù)原電平動(dòng)態(tài)范圍。壓縮器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃?其增益受話音信號(hào)的電平控制,電平越高增益越小。擴(kuò)張器也是可變?cè)鲆娣糯笃?其增益與壓縮器相反,隨著話音信號(hào)的增大而增大。壓擴(kuò)器由MC13111A內(nèi)置電路組成。3所處的頻率及信號(hào)條件接收電路主要由高頻放大器、高頻振蕩器、混頻器、鑒頻器、擴(kuò)張器、濾波整形電路等組成。進(jìn)入接收機(jī)的接收信號(hào),經(jīng)過射頻放大器放大后進(jìn)入第一混頻器,第一本振由程控鎖相環(huán)控制,鎖相環(huán)的參考頻率振蕩器為10.24MHz的晶體振蕩器。CPU通過預(yù)置PLL內(nèi)部的分頻計(jì)數(shù)器值,選擇第一本振的頻率為49.370MHz。對(duì)應(yīng)于接收機(jī)的接收頻率38.675MHz,所以第一中頻的頻率為10.695MHz。第一中頻集中濾波器采用10.7MHz的陶瓷濾波器,其通頻帶寬于180kHz,所以10.695MHz的信號(hào)可以順利通過,進(jìn)入第二混頻器。第二混頻器取PLL的10.24MHz參考頻率振蕩器的信號(hào)作本振信號(hào),與10.695MHz的輸入信號(hào)混頻后,產(chǎn)生455kHz的第二中頻信號(hào),放大后進(jìn)入調(diào)頻解調(diào)電路。調(diào)頻解調(diào)電路主要由限幅電路和鑒頻器構(gòu)成,455kHz的中頻調(diào)制信號(hào)首先進(jìn)入限幅放大電路,去除寄生調(diào)幅,將等幅的調(diào)頻信號(hào)送入鑒頻器解調(diào)。同時(shí),限幅器還產(chǎn)生與輸入信號(hào)強(qiáng)度變化一致的電流信號(hào),送入載波檢測(cè)電路,最終產(chǎn)生反映當(dāng)時(shí)RF信號(hào)強(qiáng)度的直流電壓,供單片機(jī)裁決。鑒頻器將調(diào)頻信號(hào)解調(diào)出來,輸出信號(hào)可能是被壓縮的話音信號(hào),也可能是數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)發(fā)送與話音信號(hào)的發(fā)送是分時(shí)進(jìn)行的,這樣有利于數(shù)字信令接收,并能提高話音信號(hào)的質(zhì)量。話音信號(hào)進(jìn)入擴(kuò)張解壓,恢復(fù)原話音。數(shù)字信號(hào)再經(jīng)過濾波整形,成為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào),供單片機(jī)接收。3.1高頻電源電路高放處于接收機(jī)最前端,其作用是將接收到的微弱信號(hào)放大,同時(shí),最大限度地抑制噪聲的增強(qiáng)。高放性能的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)接收機(jī)的靈敏度有至關(guān)重要的影響。高放級(jí)的主要指標(biāo)是高頻功率增益和噪聲系數(shù)。增益越大,噪聲系數(shù)越低則接收電路的信噪比就能得到改善,整個(gè)接收系統(tǒng)的靈敏度就會(huì)提高。因輸入的是高頻微弱信號(hào),為獲得較高的增益,高放工作在線性小信號(hào)放大區(qū),為獲得對(duì)有用信號(hào)較好的選擇性,采用調(diào)諧放大。因此,本機(jī)高放設(shè)計(jì)成小信號(hào)調(diào)諧放大器。高頻放大器的具體電路如圖5所示。C1、T1和C5、L1分別是輸入選頻回路和輸出選頻回路,分別調(diào)諧在38.675MHz。上偏置電阻R1阻值選為47kΩ,使放大器工作在線性放大區(qū)。為降低放大器本身的噪音,選用集電極反向電流ICB0小、電流放大系數(shù)β大、截止頻率fT高的三極管9018。3.2壓控振蕩和鎖相環(huán)在接收機(jī)中,第一本振為受鎖相環(huán)控制的高頻壓控振蕩器,振蕩頻率由L4、C47、C48等決定,壓控振蕩器和鎖相環(huán)集成在MC13111內(nèi)部,其原理與發(fā)射部分的調(diào)制振蕩器類似,不再贅述。第二本振與瑣相環(huán)共用1個(gè)晶體振蕩器。3.3混合高頻設(shè)備接收機(jī)有2次變頻過程,都是由集成電路內(nèi)的模擬乘法混頻器完成的。3.4大信號(hào)的頻率鑒頻器的作用是從已調(diào)頻輸入信號(hào)中恢復(fù)話音或數(shù)字信號(hào)的調(diào)制信號(hào)。MC13111A采用乘積型相位鑒頻器,其原理圖如圖6所示。鑒頻器之前設(shè)計(jì)有限幅器,鑒頻器的輸入信號(hào)是限幅器輸出的大信號(hào)調(diào)頻方波,一路直接輸入乘法器,一路輸入移相網(wǎng)絡(luò)。移相網(wǎng)絡(luò)的作用是將已調(diào)頻波的頻率變化轉(zhuǎn)化為相位變化,且輸出的相位變化在一定范圍內(nèi)與輸入信號(hào)的頻率變化成線性關(guān)系。移相網(wǎng)絡(luò)輸出的信號(hào)輸入乘法器與原已調(diào)頻波相乘。乘法器使U2與U1之間的相位變化轉(zhuǎn)為輸出脈沖信號(hào)占空比的變化。乘法器的輸出脈沖信號(hào)通過低通濾波器(LPF)又將其脈沖占空比的變化轉(zhuǎn)化為輸出信號(hào)的電平變化。經(jīng)過頻率變化、相位變化、脈沖占空比變化電平變化后,輸出信號(hào)的電平變化在一定范圍內(nèi)與輸入信號(hào)的頻率變化滿足線性關(guān)系,則最后LPF的輸出信號(hào)即為要解調(diào)的調(diào)制信號(hào)。3.5語音信號(hào)和數(shù)字信號(hào)濾波整形電路由濾波電路和整形電路組成,從鑒頻器解調(diào)出的信號(hào)有話音信號(hào),也有數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)需經(jīng)過濾波整形,成為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)才能提供給單片機(jī)數(shù)據(jù)接收端,接收濾波整形電路由濾波電路和整形電路組成,如圖7所示。4頻率合成器的整體結(jié)構(gòu)接收機(jī)的第一本振頻率以及發(fā)射機(jī)的調(diào)制振蕩器的載波頻率都是由頻率合成器合成的。鎖相頻率合成是利用鎖相環(huán)路的特性,使壓控振蕩器的壓控頻率與基準(zhǔn)頻率保持嚴(yán)格的比例關(guān)系,并得到相同的頻率穩(wěn)定度。第一本振和調(diào)制振蕩器中頻率合成器所用鎖相環(huán)部分的核心器件是MC13111A。由MC13111A組成的程控鎖相環(huán)和環(huán)路濾波器如圖8所示。LC振蕩器輸出的信號(hào)送入程控分頻器輸入端(TXVCO),其分頻次數(shù)由單片機(jī)以串行方式送入Data端對(duì)分頻比進(jìn)行控制,分頻器輸出的相位信號(hào)θ1(t)與內(nèi)部產(chǎn)生的相位信號(hào)θ2(t)進(jìn)行比較,輸出1個(gè)與相差θ(t)=θ2(t)-θ1(t)成函數(shù)關(guān)系的誤差信號(hào)ud(t)。誤差信號(hào)ud(t)從6腳輸出送至環(huán)路濾波器。該環(huán)路濾波器由無源比例濾波器和RC積分濾波器級(jí)聯(lián)構(gòu)成,具有低通特性。濾波器輸出的直流誤差信號(hào)送至壓控LC振蕩器。5單元制系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)由主站的單片機(jī)主系統(tǒng)和從站的單片機(jī)從系統(tǒng)2部分構(gòu)成。5.1顯示模塊單片機(jī)主系統(tǒng)電路如圖9所示,由89C55單片機(jī)、HY12232B液晶顯示模塊、輸入鍵盤和復(fù)位電路等組成。其主要功能是:鎖相環(huán)控制、話音/數(shù)字信號(hào)通路控制、數(shù)據(jù)傳送、從機(jī)呼叫、英文短信輸入、編輯與發(fā)送、顯示功能。5.2顯示電路組成單片機(jī)從系統(tǒng)電路如圖10所示,由89C55單片機(jī)、HY12232B液晶顯示模塊、24C01和復(fù)位電路等組成。其主要功能是:鎖相控制、等待呼叫、電源管理、顯示功能、短信存儲(chǔ)功能。6通信協(xié)議和軟件設(shè)計(jì)6.1通信協(xié)議6.1.1包長(zhǎng)度和包內(nèi)容本系統(tǒng)的信令和英文短信數(shù)據(jù)包由同步碼WS、功能碼FC、數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度碼SIG、數(shù)據(jù)包內(nèi)容DIGI和校驗(yàn)碼CHECK5部分組成。同步碼占2byte,功能碼占1byte,數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度占1byte,校驗(yàn)碼占1byte。數(shù)據(jù)包格式如表1所示。6.1.2spl編碼校驗(yàn)碼數(shù)據(jù)包WS、FC、SIG、DIGI、DHECK的發(fā)送是由單片機(jī)的通用輸出端口從高位到低位串行逐位發(fā)送的,發(fā)送完WS以后,發(fā)真正的信令碼FC、SIG、DIGI、DHECK時(shí),將進(jìn)行SPL編碼,按照1變?yōu)?1,0變?yōu)?0的原則,FC由原15位變成30位,發(fā)送的波特率為1000bit/s,而數(shù)據(jù)傳輸率則為其一半,即為500bit/s。數(shù)據(jù)包的接收是發(fā)送的逆過程,是由單片機(jī)的通用接收端串行接收的,當(dāng)單片機(jī)串行接收到WS后,即著手接收已經(jīng)過SPL編碼的FC、SIG、DIGI、DHECK。如果按照01→1,10→0的原則進(jìn)行SPL解碼,若出現(xiàn)00或11的情況,認(rèn)為接收端出錯(cuò),若出錯(cuò)2次,則信令無效,若只有1次,則暫時(shí)按00→0,11→1處理,留待下一步校驗(yàn)碼糾錯(cuò)。SPL編碼的主要功能是實(shí)現(xiàn)信令串行傳輸?shù)奈煌?。接收端?00μs的周期抽樣接收數(shù)據(jù),抽樣率是數(shù)碼發(fā)送波特率的5倍。單片機(jī)自設(shè)模5計(jì)數(shù)器,每遇接收端有上升沿或下降沿出現(xiàn),計(jì)數(shù)器強(qiáng)制為零。抽樣1次,計(jì)數(shù)器加1,在計(jì)數(shù)器為2時(shí)的抽樣值作為接收到的數(shù)碼值。由于進(jìn)行SPL編碼后,最長(zhǎng)2位數(shù)碼后就必須出現(xiàn)01或10,這就保證了中間抽樣的正確性。差錯(cuò)控制的基本思路是,在發(fā)送端根據(jù)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)系列加入多余碼元,使原來不相干的變?yōu)橄喔傻臄?shù)據(jù),即編碼。傳輸時(shí)將多余碼元和信息碼元一并傳送。接收端根據(jù)信息碼元和多余碼元間的規(guī)則進(jìn)行檢驗(yàn),即譯碼。根據(jù)譯碼結(jié)果進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)時(shí),由譯碼器自動(dòng)將錯(cuò)誤糾錯(cuò)。這種多余碼元就是校驗(yàn)碼。本設(shè)計(jì)中采用群計(jì)數(shù)碼進(jìn)行校驗(yàn)。通過SPL解碼排錯(cuò)和群計(jì)數(shù)碼的糾錯(cuò),基本上可保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。群計(jì)數(shù)碼首先將信息碼分組,而后計(jì)算每一組中1碼的個(gè)數(shù),并用二進(jìn)制數(shù)表示。此二進(jìn)制數(shù)作為校驗(yàn)元附加信息元后傳輸。如111010共有4個(gè)1,用100表示,則傳輸?shù)拇a組為111010100。這種編碼方法可以發(fā)現(xiàn)大量的錯(cuò)誤圖樣,有很高的檢錯(cuò)能力。但群計(jì)數(shù)法的編碼效率較低,盡管如此,由于本設(shè)計(jì)傳送的數(shù)據(jù)僅為信令和短信,采用此糾錯(cuò)方法是比較合適的。6.2軟件方案的設(shè)計(jì)主系統(tǒng)和從系統(tǒng)分別都有1個(gè)單片機(jī)小系統(tǒng),每個(gè)小系統(tǒng)都有各自的軟件系統(tǒng)。6.2.1系統(tǒng)控制程序主站軟件系統(tǒng)主要有由主程序、鍵盤掃描子程序、通信協(xié)議管理程序、控制管理子程序、顯示子程序等構(gòu)成。主程序主要完成程序初始化、鎖相控制、檢測(cè)功能鍵(選呼通話、群呼通話、選發(fā)短信、群發(fā)短信)狀態(tài),當(dāng)某