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1、 . 1 引言伴随着短距离、低功率无线数据传输技术的成熟，无线数据传输被越来越多地应用到新的领域。与有线通信方式相比，无线通信以其不需铺设明线，使用便捷等一系列优点，在现代通信领域占重要地位。但以往的无线产品存在围和方向上的局限。例如，一些无线产品在使用时，无法将信息反应给控制者；还有一些无线产品不能很好地显示参数或状态信息，如果能在系统中增加一块小型液晶显示电路，产品不仅能向用户显示其状态或状态的改变，而且可以大大降低本钱。正如人们所发现的，只要建立双向无线通信-双工通信并且选择本钱低的收发芯片，就会出现许多新应用。本次设计主要是利用无线收发电路，加上单片机控制与液晶显示制成一套完整的数据收
2、发系统。考虑到目前市场上的一些需求，设计的主要要方案本钱低，体积小，低功耗，集成度高，尽量无需调外部元件，传输时间短，接口简单。nRF401是国外最新推出的单片无线收发一体芯片，它在一个20脚的芯片中包括了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制、多频道切换等功能，并且外围元件少，便于设计生产，功耗极低，集成度高，是目前集成度较高的无线数传产品，它为低速率低本钱的无线技术提出了解决方案。2 无线数据收发系统2.1 系统组成无线数据传输系统有点对点，点对多点和多点对多点三种。本系统由于实际应用的需要，接收器和数据终端之间的数据传输通过nRF401进展，构成点对点无线数据传输系统。整个系统中，两
3、数据终端之间的无线通信采用433MHz的频段作为载波频率，收发通过串口通信。无线数据收发系统可以分为无线收发控制电路、单片机控制电路、显示电路和按键电路四局部组成，系统原理如图2-1所示：液晶显示屏单片机系统无线收发器按键单片机系统无线收发器图2-1 无线数据收发系统原理图2.2 实现过程当我们需要发送数据时，使用按键来输入所需发送的信息。按键与单片机AT89S52的P3.2-P3.5口相接，单片机的 P1.0口控制信息的发送与接收，并且TXD端与收发器输入端相连，通过TXD将数据传入收发器，收发器接收到数据后，通过FSK调制，将信号发送出去；接收端的收发器通过解调，将载波信号转换为数字信号，
4、完成信息传输过程；收发器的输出端通过RXD端将数字信号输入到单片机；单片机将数据传送到显示器，这样就完成了一次数据发送与接收并显示的过程。本系统采用的是半双工传送方式。 所谓半双工就是通信的双方均具有发送和接收信息的能力，信道也具有双向传输性能，但是，通信的任何一方都不能同时既发送信息又接收信息，即在指定的时刻，只能沿某一个方向传送信息。所以上述实现过程只介绍了由一方传送到另一方的过程，而相反方向与其原理一样。无线数据收发系统的电路图见附录3。3 收发局部原理与设计nRF401是一种基于短程无线通信技术的芯片。收发局部采用nRF401芯片，其引脚DIN与单片机的TXD相连，需要发射的数字信号通
5、过DIN输入；引脚DOUT与单片机的RXD相连，解调出来的信号经过DOUT输出进入单片机。3.1 无线收发芯片nRF401介绍1图3-1 nRF401引脚图(1) 9脚与10脚分别是DIN输入数字信号和DOUT输出数字信号均为标准的逻辑电平信号，需要发射的数字信号通过DIN输入，解调出来的信号经过DOUT输出。(2) 12脚为通道选择，FREQ =“0为通道#1433.92MHz，FREQ =“1为通道#2434.33MHz。(3) 18脚为电源开关，PWR_UP=“1为工作模式，PWR_UP=“0为待机模式。(4) 19脚TXEN：高电平允许发送数据，低电平允许接收数据。(5) ANT1、A
6、NT2：天线接入端。nRF401无线收发芯片的结构框图如图3-2所示：芯片包含有发射功率放大器PA、低噪声接收放大器LNA，晶体振荡器OSC，锁相环PLL，压控振荡器VCO，混频器MIXER等电路2。图3-2 部结构方框图在接收模式中，RF输入信号被低噪声放大器LNA放大，经由混频器MIXER变换，这个被变换的信号在送入解调器DEM之前被放大和滤波，经解调器解调，解调后的数字信号在DOUT端输出。在发射模式中，压控振荡器VCO的输出信号是直接送入到功率放大器PA，DIN端输入的数字信号被频移键控后馈送到功率放大器输出。由于采用了晶体振荡器和PLL合成技术，频率稳定性极好。nRF401是一个单片
7、RF收发芯片，工作频率为国际通用的数传频率433MHz；具有FSK调制和解调能力，抗干扰能力强，特别适合工业控制应用；采用PLL频率合成技术，频率稳定性好；最大发射功率达+10dBm，数据速率可达20kb/s；具有2个信号通道，适合需要多信道工作的特殊场合；工作电压在+35V之间，最低工作电压为2.7V；它还提供进一步降低电流消耗的待机模式，接收待机状态仅为8A；仅需外接一个晶体和几个阻容、电感元件，即可构成一个完整的射频收发器。nRF401接收机使用频移键控(FSK)调制方式，改善了噪声环境下的系统性能。与幅移键控(ASK)方式相比，这种方式的通信围更广，特别是在附近有类似设备工作的场合。3
8、.2 FSK调制3本系统中的nRF401是具备FSK调制的无线收发芯片。所谓FSK调制，就是频移键控，又称数字频率调制，是数字通信调制方式的一种，由于其方法简单、易于实现、抗噪声和抗衰落性能较强以与解调不须恢复本地载波等优点而在现代数字通信系统的低、中速数据传输中得到广泛得应用。频率键控法就是利用矩形脉冲序列控制的开关电路，对于两个不同的独立频率源进展选通。它有两个独立的振荡器，数字基带信号控制开关，选择不同频率的高频振荡信号实现FSK调制。图3-3为频率键控法原理框图。图33 频率键控法原理框图以二进制数字频率调制为例，当数字信号为“1时，正脉冲是控制门 1 接通，门 2 断开，输出频率 f
9、1 ；数字信号为“0时，门 1 断开，门 2 接通，输出频率 f2 。如果产生 f1，f2 的两个震荡器是互相独立的，那么输出 2FSK 信号的相位是不连续的。震荡器的频率 f1，f2 可以直接是所需的载频，也可以是低频围通过混频、倍频方式搬移到载频围。FSK信号波形图已调信号的时域表达式为3.1图3-4 2FSK信号的波形3.3 时序参数nRF401有3种工作模式：接收模式RX、发射模式TX和等待模式Standby。工作模式可由2个引脚设定，分别是TXEN和PWR_UP。因此通过单片机控制nRF401的工作模式，使其在接收、发射、等待任一种状态之间转换。(1)TXRX之间的切换当从RXTX模
10、式时，数据输入脚DIN必须保持为高至少1ms才能发送数据，时序如图3-5a。当从TXRX模式时，数据输出脚DOUT至少3ms以后有数据输出，如图3-5b。PWR-UPPWR-UPDINTXEN4RX to TXDOUT4RX to TXVDD02msTX to RXVDDTXEN02ms(b)(a)图3-5 TX与RX转换的时序图(2) StandbyRX 、StandbyTX的切换从待机模式到接收模式，当PWR_UP输入设成1时，经过tSR时间后，DOUT脚输出数据才有效。对nRF401来说，tSR最长的时间是3ms，如图a。从待机模式到发射模式，所需稳定的最大时间是tST，如b。Std.
11、by to TXTXENStd. by to RX40242msmsDINDOUTPWR-UPPWR-UPVDDVDD0(b)(a)图3-6 StandbyRX 、StandbyTX的时序图(3) Power UpTX 、Power UpRX的切换从上电到发射模式过程中，为了防止开机时产生干扰和辐射，在上电过程中TXEN的输入脚必须保持为低，以便于频率合成器进入稳定工作状态。当由上电进入发射模式时，TXEN必须保持1ms以后才可以往DIN发送数据。从上电到接收模式过程中，芯片将不会接收数据，DOUT也不会有数据输出，直到电压稳定到达2.7V以上，并且至少保持5ms。VDD=0 to RXVDD
12、=0 to TXVDDPWR-UPDIN(a)024ms0246ms(b)DOUTPWR-UPVDD图3-7 Power UpTX 、Power UpRX时序图3.4 应用电路设计nRF401无线收发芯片的应用电路5，如图3-8所示： 图3-8 nRF401的433Mhz应用电路(1) 输入输出当nRF401是接收模式时，ANT1和ANT2引脚端提供射频输入到低噪声放大器LNA；当nRF401为发射模式时，从功率放大器提供射频输出到天线。(2) PLL环路滤波器PLL环路滤波器，是一个单端二阶滤波器，滤波器元件参数值：C3=820pF，C4=15nF，R2=4.7kW(3) VCO电感芯片的V
13、CO电路需要外接一个VCO电感，这个电感是非常关键的，需要一个高质量的片式电感，Q值大于45，最大误差2%。(4) 晶振电路晶体振荡器需要外接晶振，晶振的特性要：并联谐振频率f=4MHz，并联等效电容C05pF，晶振等效串联电阻RESR150W，全部负载电容，包括印制板电容CL14pF。负载电容CL如下式所示： 3.2 式中和， 和是电路板的寄生电容。(5) RF输出功率连接在RF_PWR端和VSS之间的电阻R3可以设置输出功率，最大发射功率可以调整到+10dBm。(1) nRF401电路的PCB板设计过程9利用 Protel DXP 软件设计制作nRF401无线收发电路局部，按本论文中的图3
14、-8所示。 在Protel DXP 软件中按照设计电路制作连接电路，并封装电路。制作PCB板，设置布局围，加载网络表和元件库，自动布局并做好调整电路，自动布线过程，最后调整整个电路板，将其实现 3D 功能。 查看模拟的 PCB 板后，实现制作10。首先生成报表和网络表，设置电路图中已有的仿真模型的器件。在Protel DXP软件中运行电路仿真。并观察记录有关电路仿真过程中的波形图。再进展对电路板 1：1的打印。最后，将加工成形的 PCB 电路板打孔，并焊接元器件，实现nRF401应用电路，检测并调试其电路使之正常工作。nRF401应用电路印刷电路板，如下列图所示：图3-9 应用电路印制电路板图(2) PCB板设计要求印刷电路板PCB的设计直接关系到射频性能，为了获得较好的RF性能，PCB设计至少需要两层板来实现，PCB分成射频电路和控制电路两局部布置。nRF401采用PCB天线，在天线的下面没有接地层。射频局部的电源与数字电路局部的电源别离。为了减少分布参数的影响，在PCB应该防止长的电源走线，所有元件地线，VDD连接线必须离nRF401尽可能的近。nRF401的电源必须经过很好的滤波,并且与数字电路供电别
