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1、 本科课程设计报告课 程 设 计 报 告学 院：专业名称：学生姓名：指导教师：时 间：25课程设计任务书题目：基于单片机的计算机之间无线通信的实现一、设计内容1.制作实物实现计算机之间的无线通信。2.设计硬件PCB电路板，并焊接，编写程序，调试以实现指定的功能；编写上位机界面，使得使用简单，可操作性强。3.要求系统可靠、稳定。 二、进度要求1了解设计内容2天2方案设计3天3系统设计4天4结果分析 2天6撰写设计报告2天7汇报 1天学 生指导教师 目录摘 要2引言31.课程设计目的32.方案设计42.1系统组成及功能概述42.2系统硬件设计62.2.1供电部分62.2.2 USB转串口模块72.
2、2.3 单片机系统92.2.4无线模块102.3软件设计112.3.1 SPI初始化程序设计112.3.2发送子程序设计122.3.3接收子程序设计122.3.4上位机程序设计133.实验结果及分析134.结束语145.参考文献156.致谢157.附录16摘 要本文给出了一种基于STM8系列单片机的无线通信系统的设计与实现方案，介绍了系统的结构组成，介绍了单片机作为核心控制器是如何连接PC机和无线收发器的。单片机通过串口接收PC机发来的信息，通过校验数据接收是否丢包，然后通过SPI与无线模块通信将数据发送出去。接收端接收到信息后再通过串口发给另外的PC机从而实现计算机之间的通信。实验结果表明，
3、该方案运行稳定，对实际的无线通信有参考价值。关键词： 无线通信；STM8；NEF24L01基于单片机的计算机之间无线通信的实现引言无线通信在科学技术发展的今天已经变得越来越重要，并且已渗透到社会的各个角落，有着广阔的市场和业务需要。 目前主要的无线技术有：蓝牙(Bluetooth)，红外数据 传输(IrDA)，无线局域网(WiFi)等 。Bluetooth是无线数据和语音传输的开放式标准，它将各种通信设备、计算机及其终端设备、各种数字数据系统、甚至家用电器采用无线方式联接起来。由于蓝牙采用无线接口来代替有线电缆连接，具有很强的移植性，并且适用于多种场合，加上该技术功耗低、对人体危害小，而且应用
4、简单、容易实现，所以易于推广。但同时其应用成本升高，普及难度增大，且通信速率较慢；IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是第一个实现无线个人局域网(PAN)的技术，但它对于点对多点的通信显得无能为力，且红外技术只能在视线可以达到的范围内定向传输，中间不能有任何阻挡，同时要求通信设备的位置相对固定，这样就无法应用于移动设备；WiFi是以太网的一种无线扩展，主要目的是提供WLAN接人，但由于其硬件实现需要很大的容纳空间，且往往在商用计算机系统中实现，这就限制了其在工业领域，尤其是在某些不依赖通用计算机的特殊工业场合的应用。针对这些问题提出了一种功耗低、成本低且利于在嵌入式系统中实现的通用无
5、线通信系统，它基于无需申请就可使用的2.4G ISM频段，可广泛适用于消费类电子、无线遥控玩具、汽车用自动化、家庭自动化控制及建筑安全装置等领域。1. 课程设计目的掌握了解单片机硬件的设计方法、单片机编程和SCI、SPI的通信原理。课程设计主要以制作实物为主，设计、制作、焊接和调试PCB电路板，编写单片机程序和上位机程序，最后再综合调试，完成基于单片机的计算机之间无线通信的整个设计。2. 方案设计2.1、系统组成及功能概述系统主要包括两个分别具有收发功能的无线通信模块，每个模块均由单片机和无线收发模块组成。系统的原理框图如图1所示，发送时，单片机接收到来自计算机的串口信息，经过校验后，通过SP
6、I总线向RF写入控制命令及所需发送的数据，RF通过天线发送出去；接收时，单片机通过SPI总线读取RF的工作状态，获取芯片相关信息及接收到的数据，再通过串口发送给计算机。两个收发模块之间相互通信，从而实现数据的无线传输。图1.通信系统结构图在系统结构中，单片机作为主控制器，需要完成数据的处理和对系统的控制。选用意法半导体公司的8位单片机STM8S103F3P6。STM8S103系列单片机具有高级STM8内核，具有3级流水线的哈佛结构，内核为扩展指令集。具有更低的系统成本，高性能和高可靠性，16MHz CPU时钟频率，完善的文档和多种开发工具选择。其外设丰富，和本文中相关的外设有，带有32个中断的
7、嵌套中断控制器 ，6个外部中断向量，最多27个外部中断；16位通用定时器，带有3个捕获/ 比较通道(IC、OC 或 PWM)；带有8位预分频器的8位基本定时器；带有同步时钟输出的UART；SPI接口最高到8Mbit/s；32脚封装芯片上最多有28个I/O ，包括21个高吸收电流输出非常强健的I/O 设计，对倒灌电流有非强的承受能力等。另外其使用简单，2.95到5.5V工作电压，灵活的时钟控制，4个主时钟源，带有时钟监控的时钟安全保障系统，永远打开的低功耗上电和掉电复位等等。其完全能够满足本系统的设计需要。2.4G无线模块用以实现无线通信的功能，通信的可靠性需要满足要求。我们直接使用一种2.4G
8、无线收发模块，其使用的是NRF24L01芯片。NRF24L01是一款工作在2.4-2.5GHz世界通用ISM频段的单片收发芯片，无线收发器包括：频率发生器 增强型 SchockBurstTM 模式控制器 功率放大器 晶体放大器 调制器 解调器 输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置极低的电流消耗，当工作在发射模式下发射功率为6dBm时电流消耗为9.0mA 接受模式为12.3mA掉电模式和待机模式下电流消耗模式更低。其具有以下优点：1、支持六路通道的数据接收，低工作电压：1.93.6V低电压工作；2、高速率：2Mbps，由于空中传输时间很短，极大的降低了无线传输中的碰撞现象（软件
9、设置1Mbps或者2Mbps的空中传输速率）；3、多频点：125频点，满足多点通信和跳频通信需要；4、超小型：内置2.4GHz天线，体积小巧，15x29mm（包括天线）；5、低功耗：当工作在应答模式通信时，快速的空中传输及启动时间，极大的降低了电流消耗；6、低应用成本：NRF24L01集成了所有与RF协议相关的高速信号处理部分，比如：自动重发丢失数据包和自动产生应答信号等，NRF24L01的SPI接口可以利用单片机的硬件SPI口连接或用单片机I/O口进行模拟，内部有FIFO可以与各种高低速微处理器接口，便于使用低成本单片机。单片机与无线收发模块之间是通过SPI通信实现通信的。SPI，是一种高速
10、的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便。SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入）、SDO（数据输出）、SCLK（时钟）、CS（片选）。其中，CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI
11、是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCLK时钟线存在的原因，由SCLK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。2.2、系统硬件设计本系统硬件部分主要由供电部分，USB转串口，单片机系统，无线模块4部分构成。2.2.1、供电部分本模块需要通过USB与计算机连接，并直接由计算机的USB口供电。再通过线性稳压芯片提供3.3V电压供单片机工作。原理图如图2。图2.供电
12、部分原理图LM1117是一个低压差电压调节器系列。其压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V。它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列。LM1117有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现1.2513.8V输出电压范围。另外还有5个固定电压输出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型号。LM1117提供电流限制和热保护。电路包含1个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在1%以内。LM1117系列具有LLP、TO-263、SOT-223、TO-220和TO-252D-PAK封装。输出端需要一个至少10uF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。其特性如下：提
13、供1.8V、2.5V、2.85V、3.3V、5V和可调电压的型号；节省空间的SOT-223和LLP封装；电流限制和热保护功能；输出电流可达800mA；线性调整率：0.2%(Max)；负载调整率：0.4%(Max)；温度范围：0125。2.2.2、USB转串口模块本系统通过USB口与计算机通信，但是单片机外设中不支持USB通信，因此需要将usb转换成串口再与单片机通信。选择CH340G可将USB转成TTL电平与单片机直接相连，原理图如图3。CH340是一个USB总线的转接芯片，实现USB转串口、USB转IrDA红外或者USB转打印口。在串口方式下，CH340提供常用的MODEM联络信号，用于为计
14、算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级到USB总线。图3.USB转串口模块原理图其有如下特点：全速USB设备接口，兼容USBV2.0，外围元器件只需要晶体和电容。仿真标准串口，用于升级原串口外围设备，或者通过USB增加额外串口。计算机端Windows操作系统下的串口应用程序完全兼容，无需修改。硬件全双工串口，内置收发缓冲区，支持通讯波特率50bps2Mbps。支持常用的MODEM联络信号RTS、DTR、DCD、RI、DSR、CTS。通过外加电平转换器件，提供RS232、RS485、RS422等接口。支持IrDA规范SIR红外线通讯，支持波特率2400bps到115200bps。软件兼容
15、CH341，可以直接使用CH341的驱动程序。支持5V电源电压和3.3V电源电压。提供SSOP-20和SOP-16无铅封装，兼容RoHS。CH340芯片正常工作时需要外部向XI引脚提供12MHz的时钟信号。一般情况下，时钟信号由CH340内置的反相器通过晶体稳频振荡产生。外围电路只需要在XI和XO引脚之间连接一个12MHz的晶体，并且分别为XI和XO引脚对地连接振荡电容。CH340芯片支持5V电源电压或者3.3V电源电压。当使用5V工作电压时，CH340芯片的VCC引脚输入外部5V电源，并且V3引脚应该外接容量为4700pF或者0.01uF的电源退耦电容。当使用3.3V工作电压时，CH340芯片的V3引脚应该与VCC引脚相连接，同时输入外部的3.3V电源，并且与CH3
