无线收发系统范文

无线收发系统范文（精选9篇）

无线收发系统 第1篇

关键词：无线传输,收发系统,传输效率

无线传输光纤收发系统包括发射子系统和接收子系统两部分, 系统为单向传输系统, 光信号从发射子系统到接收子系统的高效空间传输。[1]

发射子系统将光纤送入的光信号由光学天线发射出去。发射子系统可以与固定支架和光学平台连接。接收子系统负责将天线接收到的空间光耦合入单模光纤, 同时保证接收子系统的空间光到光纤的耦合效率。为了保证将入射光耦合进单模光纤, 采用闭环跟踪控制方式。接收子系统可以与固定调整转台和光学平台连接。快速振镜、跟踪传感器、控制器和分束器组成的闭环控制系统动态控制入射到达角的漂移, 保证耦合效率的稳定性和有效性。空间光传输系统采用小型化、轻量化设计。

一、光学系统设计

(一) 发射子系统设计

光纤激光器的激光发散角NA大小为0.14, 光束口径50mm。发射系统主要考虑出射光束的平行性, 及在此前提下的系统小型化问题。综合以上考虑, 设计中前部采用负光焦度以此来压缩系统长度, 后面的镜片光焦度为正。同时考虑到系统的模块化, 将光栏置于镜组最后。后面的光线口径比较大, 所以后面决定进行采用多镜片进行设计[2], 表1为设计参数。

在1550nm波段, 熔石英材料稳定性最强, 虽然折射率相对不高, 设计中对光线的把握能力相对脆弱一些, 但是确是最好的选择。

(二) 缩束支路设计

缩束系统要求对光线口径进行缩小, 同时保证出射光束平行度。前面设计 (发射系统) 中, 光线已近乎平直, 所以在后续设计中无需考虑前面系统所带来的亢余波前差问题。

这里考虑到视场问题, 由于前面光线是平行射入, 所以对于后续系统而言, 入瞳距位于前置无穷远, 固然上下光线的平行距离相距不远, 但这里为了平衡入瞳位置所带来的问题, 决定在折转光线起到主要作用的透镜之间加一片光焦度很小的透镜用来平衡这种不平衡因素。[3]

设计中, 前置正光焦度透镜必须对光线进行准确的汇聚, 否则后续系统难以承受, 所以在这里镜片数大于一片, 中间透镜是用来调节如同无穷远带来的像差问题, 后续透镜主要是将汇聚的光线进行准直, 结合情况, 采用双弯镜组。

设计是在与前置系统拼接后一体化设计得出的。表2为设接收子系统缩束系统设计参数。

基于以上思想, 这里给出设计结果, 设计的结果显示总长小于260mm, 出射的光线平行度很好。材料依旧选择熔石英。

组合以后的缩束系统波中心视场和边缘视场波像差都很小, 且中心与边缘变化很小, 这说明设计中边缘光线相较于中心光线, 光路并没有剧烈的变化, 走向平缓, 实际加工装调都有益处, 中心与边缘的RMS值分别为0.0518波长与0.0536波长。

(三) QD跟踪传感器物镜系统

以前置缩束系统输出光束作为后置跟踪传感器物镜系统综合像差的输入条件, 对跟踪传感器物镜系统进行调整。

设计结果显示成像质量很好, 光斑很小, 其集合光斑半径小于60um, 并且大于20um的探测器沟道宽度, 光斑能量集中。

(四) 耦合透镜系统

以前置缩束系统输出光束作为后置耦合系统综合像差的输入条件, 对耦合系统进行调整。

这里给出设计结果, 设计的结果显示光斑很小很好。材料依旧选择熔石英, 耦合支路组合后的成像质量非常之好, 全部包含在1/20waves范围之内, 如下表所示。

二、机械结构设计

功能组件部分包含了缩束光学系统、PZT振镜、光纤耦合组件、能量探测器、4QD接收支路、近红外探测支路、粗对准支路等部分, 这些组件高度集成在一个箱体内, 共同完成对1550nm激光通信光束的实时接收和耦合, 保证在振动和大气湍流环境下通信激光束具有较高的动态耦合效率。

三、主要参数复合

(一) 发射子系统光学效率

发射子系统光学效率测试采用实际测量与公式计算结合的进行复算测试, 发射子系统光学元件单面透过率实测为99%, 所选取光学材料在1550nm的吸收损耗每10mm皆优于0.992, 系统中光学玻璃总长为39.5mm。发射子系统的光能量损失:

累加高斯光束边缘截取损失3.5%, 发射系统的透过率为87.8%。

(二) 发射子系统波像差

利用哈特曼波前传感器配合1550nm准直光源来测量空间光耦合测试系统发射端的波像差。首先将哈特曼波前传感器与辅助装调组件及发射镜组对准, 使从发射镜组出射的光束波前倾斜量很小, 测量由于辅助装调组件和平面发射镜引起的波像差, 保存测量结果作为参考波前;然后将望远镜机构放置在平面反射镜与辅助装调组件之间, 调整望远镜的姿态, 使自准直回去的波前倾斜量很小, 然后由哈特曼波前传感器来检测望远镜机构的波像差。由于标准平面波两次经过望远镜机构, 所以系统的波像差是所测结果的值的一半。

(三) 接收子系统波像差

利用哈特曼波前传感器配合1550nm准直光源来测量空间光耦合测试系统接收端的波像差。首先将哈特曼波前传感器以及辅助装调组件与平面反射镜对准, 使从平面反射镜自准直回来的光束波前倾斜量很小, 测量由于辅助装调组件和平面发射镜引起的波像差, 保存测量结果作为参考波前;然后将望远镜机构放置在平面反射镜与辅助装调组件之间, 调整望远镜的姿态, 使自准直回去的波前倾斜量很小, 然后由哈特曼波前传感器来检测望远镜机构的波像差。由于标准平面波两次经过望远镜机构, 所以系统的波像差是所测结果的值的一半。实际测量结果为1/10.9波长。

(四) 接收子系统光学效率测试

接收子系统光学效率按照实测透过率计算, 到达耦合支路前端透镜数目为5片, 共计10个表面, 透过率为99%。光学长度为42.6mm。因此, 接收子系统光学效率为:

(五) 光纤耦合效率测试

空间光耦合测试设备具备光纤耦合效率的测试功能, 在该设备的空间光能量探测支路装备有空间光能量探测器, 可以实时地对输入耦合支路的能量进行等比探测。实测接收子系统光纤耦合效率为:48.43%、48.511%、49.765%。

四、结论

本文所研究的无线传输光纤收发系统, 从光学设计、结构设计的结论来看, 发射系统的光传输效率达到87.8%, 接收系统的87.4%, 光纤耦合效率优于48%, 结构设计紧凑、合理。

参考文献

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[2]蔡燕民, 周畅, 刘国淦.上海微电子装备有限公司.一种对称式双远心投影光学系统:中国, 200710038508.0[P].2009-01-28.

收发货系统培训心得 第2篇

第二周（12.19-12.24）

根据培训计划的安排，这一周我接受了收发货系统流程与收发货系统软件操作的培训。该收发货系统是我公司委托浙江某某科技有限公司结合我公司的现场情况量身开发的罐区管控一体化解决方案。整个培训共分三个模块：书面讲解，临岗观摩与实际操作。以下为总结内容：

首先在书面讲解中，凌工首先就收发货系统正常流程对我进行了讲解。其中涉及货车司机、物流、门卫、磅房、罐区、品管等多个部门及相关人员。让我对收发货系统流程怎么走、从开始到结束有了清晰的认识。然后在临岗观摩与实际操作结束之后，又就收发货系统特殊操作流程对我进行了讲解，其中涉及了很多在未来工作中有可能遇到的突发情况及应对方法。让我知道在出现问题之后各部门相互协调配合在工作中的重要性。

其次在临岗观摩中，走入各流程的工作岗位，熟悉收发货系统流程中各岗位系统操作内容，从物流到门卫，再从磅房到灌区，最后还跟随货车司机将整个流程走了下来，体会了各个部门各个岗位的工作职能。进一步加深了我对收发货系统流程的认识。

最后在实际操作中，凌工就各个岗位的具体操作对我进行了上机培训，让我了解了整个系统的使用方法。一开始有些生涩，随即我又去了各岗位强化了学习该系统的基本操作。较之前有了很大提高。

因我在之前的工作中对收发货流程方面的知识涉及较少，所以在此次培训中我深入了解到作为公司的网络管理员未来所肩负的工作职责，不光只是保证公司

网络通畅，还应与各部门做好协调配合工作，保证公司各流程正常持续运转。对我自己还需要在那些方面提升有了较为清楚的认识。为以后的工作打下了基础。

低功耗无线收发电路系统设计 第3篇

无线通信网摆脱了密密麻麻的连线制约, 这是它的一个重要优势。它是由微小的传感器、微控制单元和无线通信模块通过组网形成的无线网络, 利用数据处理单元来检测感知到的信息并经过有效处理后发送给对方。无线收发电路系统是无线通信网络的基本组成部分, 其在不同应用中有不同的设计, 但基本原则一致, 都是尽可能采用低功耗的器件和尽可能使用节省的信号处理。其中核心处理器应当采用功耗相对较低的电路。无线通信模块负责两点之间的无线通信, 是整个结构中最耗能的部分, 无线通信模块可配合核心处理器根据不同功能切换不同工作模式, 从而降低功耗。所以, 对低功耗无线通信模块的选取与编程控制是一个非常值得注意的方向。

1 系统方案

本文设计了由MCU开发板和无线通信模块组成的低功耗无线收发电路系统的方案。该系统由发射方和接收方两组模块组成, 发射方经软件编程控制将数据发送出去, 接收方通过天线接收到数据经处理后在开发板上显示出来, 从而实现该电路系统的近距离低功耗无线通信。

为大幅度降低系统功耗, 本设计采用的两个重要模块均具有低功耗特性。硬件电路基于低功耗微控制器的电路开发板, 此硬件电路自行设计, 通信模块与该开发板通过相关引脚直接相连。软件设计基于Real View MDK软件设计平台, 然后通过编程对整个电路系统进行调试。接收方和发送方所用的芯片开发板相同, 通信模块及其配置也相同, 双方通过无线通信模块的天线进行相互通信。其系统框架如图1所示。

对于本设计, 要实现低功耗, 就必须选用低功耗的硬件模块。并且, 为了最大限度地节约成本和材料, 需要选用的硬件设备体积必须尽可能小。以下给出三种实施方案。

方案一:MCU选用单片机MSP430F135, 无线通信模块选用AT86RF211S收发电路。但是AT86RF211S收发电路需要自行设计, 造成系统电路比较复杂, 影响运行速度[2]。

方案二:MCU选用STM32F103系列芯片, 无线通信模块选用杭州威步公司的UTC4432B1_V6。

方案三:MCU选用STM32L151系列芯片, 无线通信模块的选用与方案二相同。其中STM32L是在STM32F基础上推出的一款超低功耗的芯片。

硬件模块的比较如表1, 表2所示。

通过比较发现, STM32L151芯片功耗最低, 且硬件电路设计简单。无线通信模块UTC4432B1_V6无需自行设计, 其功耗低、传输距离远, 并且易于软件编程。因此本设计采用第三个方案。

2 硬件电路设计

硬件电路是整个系统的支撑, 硬件电路设计并焊接的成功与硬件模块选择的正确是最终软件调试成功的基础。本设计硬件模块主要包括STM32L核心板和无线通信模块。本文主要介绍芯片外围电路的设计以及PCB版图的设计。整个硬件电路原理图使用Altium Designer软件来设计, 如图2所示。

本设计采用输出为5 V的开关电源适配器供电, 通过AMS1117正向低压降稳压器输出3.3 V电压, 为STM32L151芯片提供电压。AMS1117稳压器分为固定电压输出和可调电压输出两个版本, 本设计采用固定电压输出稳压器, 输出电压为3.3 V, 具有1%的精度, 由于内部有限流电路和过热保护, 使得AMS1117稳压器具有很强的稳定性。因此该电源供电电路选用AMS1117-3.3作为稳压器。

晶振可以为整个电路提供基本的时钟信号, 有了它就有了稳定的频率。如果没有晶振, 数字电路就失去了处理数据的节拍, 也就无法正常处理任何数据了。晶振的频率越高, 程序运行的速度就越快, STM32L上电后, 默认使用内部晶振, 外部如果接8 MHz晶振, 就可以通过切换使用外部晶振, 最终通过PLL分频和倍频可以达到72 MHz。

通过了解该模块的特性, 设计出芯片与无线通信模块的接口连线方案, 如图3所示。通过软件编程控制各个引脚使其切换不同的工作模式, 最终实现两模块之间的无线收发功能。

根据设计的PCB图制作的实物板如图4所示。

3 软件设计

硬件电路设计无误并焊接成功后, 便要对整个系统进行软件调试, 调试首先要进行的工作就是软件设计。

图5为发送模块程序流程图。发送模块的工作流程为:首先对系统进行初始化, 初始化包括对时钟、引脚、中断、定时器、串口以及无线通信模块等相关参数进行配置。然后将时间间隔设置为1 s, 打开串口、向串口发送引脚写入数据并在二极管上显示。但是成功接收数据的前提是无线通信模块必须配置正确, 如果配置正确, 无线通信模块将会作出应答并显示在软件调试环境的相关对话框中。最后无线通信模块通过天线向空中信道发送从MCU接收到的数据。

图6为接收模块程序流程图。接收模块的工作流程为:首先对系统进行初始化, 包括对引脚、中断、串口以及无线通信模块等相关参数进行配置。然后无线通信模块从空中信道接收数据, 若其配置正确则接收成功, 成功接收后又通过该模块发送引脚向MCU发送数据。最后通过响应中断使MCU接收数据并在二极管上显示出来。发送模块与接收模块的硬件系统上均有3只二极管, 于是3只二极管便可以显示8种状态, 通过观察两模块上二极管的状态是否一致来判断通信是否成功。

需要注意的是, 发送与接收无线通信模块的参数配置应当一致。因为本设计仅仅用到A、B两类总线, 所以软件编程时仅仅可以使这两类总线使能, 其他总线均关闭。

4 功耗测量

本设计使用Agilent34410数字万用表测量系统功耗, 实质是测量系统电流, 因为系统输入电压始终为5 V。测试电路连接如图7所示。

利用软件平台编写不同程序完成对芯片不同工作模式的操作。室温下测量STM32L在不同模式及不同参数下的电流消耗如表3, 表4所示 (说明:测量时发现在不同的发射功率下, 系统只有工作在低功耗运行模式和低功耗睡眠模式时电流消耗不同, 其余均相同) 。

由表3, 表4可以看出, 芯片在不同工作模式下的功耗不同, 处于运行模式时功耗最高, 待机模式时功耗最低。并且可以发现系统的功耗随发射功率的减小而减小, 这是因为无线通信模块在整个系统中是耗能的重要部分。需要说明的是, 发射功率越大, 通信距离越远。

整个系统无论处于何种模式, 供电电压均为5 V, 最大电流消耗不到20 m A, 与其他一些无线通信系统的设计相比较, 功耗已经大大降低。本设计是在用STM32作为微控制器实现通信技术的基础上完成的, 但STM32系统并未考虑如何大幅度降低功耗, 其正常运行时电流消耗最大为38.3 m A, 最小为25.8 m A, 此前, 也有不少有关低功耗无线通信系统的设计, 但其电流消耗大部分都大于20 m A。因此, 在软件编程的控制下, 将STM32L系列芯片作为微控制器并结合UTC4433系列无线通信模块时, 可以使整个系统的功耗大幅度降低。

5 结语

本文详细分析了整个系统的设计方案, 并对设计方案中涉及的两大模块MCU和无线通信模块做重点介绍, 说明了两模块的连接方式以及采用何种工作模式可使系统功耗降到最低, 对STM32L这一新型超低功耗微控制器使用的恰到好处, 同时也凸显出本设计方案的特点所在。实现了基于Real View MDK软件平台的软件程序设计。结合理论知识并熟练掌握软件操作方法, 在μVision4集成开发环境下用C语言编写程序完成软件设计。然后通过与硬件电路系统相连反复调试实现两模块之间的无线通信。最后测量系统功耗, 经比较表明, 本次设计成功完成了对无线接收电路系统的低功耗设计, 对低功耗无线通信模块设计具有借鉴意义。

摘要：目前, 无线通信技术发展极其迅速, 随之引起系统功耗不断上升。因此人们近几年来对无线通信网络中各方面的低功耗技术进行了深入的研究, 使节能成为无线通信发展的一个重要方向。设计了低功耗无线收发电路系统, 采用STM32L151系列超低功耗芯片和UTC4432系列无线通信模块作为核心电路系统, 通过软件设计及调试实现整个低功耗收发电路系统功能。结果表明:采用合适的微控制器和无线通信模块对于控制无线收发电路系统的功耗有着极其重要的作用, 再加上对软件编程的控制, 能够使整个系统的功耗大幅度降低。

关键词：无线收发电路,低功耗,STM32L芯片,通信模块

参考文献

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无线收发系统 第4篇

摘要：介绍了Echelon公司的双绞线收发器FTT-10A的性能特点，给出了将FTT-10A双绞线收发器应用于单片机构成的测控系统中，提高远程通信可靠性的具体应用方法。

关键词：FTT-10A;同步;曼彻斯特编码;拓扑结构

以单片机为主体构成的测控系统，由于其结构简单、工作稳定可靠，而在工业控制、智能测试设备等领域得到了广泛应用。随着计算机、通信、网络、控制技术及微处理器的发展，用户还可以将微处理器嵌入到各种仪器设备中，(本网网收集整理)再利用微处理器的通信端口将现场采集的数据上传给上位机，由上位机对数据进行处理并监控现场的各种智能仪器和设备。

一般的单片机都集成了串行通信口，这些串行通信口可以通过RS485总线或其它的总线方式组成总线型通信网络，从而将多台单片机系统连接在一起，形成分布式测控系统。这种结构具有简单灵活且易于控制等特点，但是要安全可靠地实现数据的传输，还要在智能仪器设备上配备合适的通讯接口。一般可选择RS232、RS422、RS485等接口电路。有关这些接口电路的应用介绍已经很多，而本文要介绍的是ECHELON公司生产的双绞线收发器FTT-10A，它可以在微处理器通信端口和物理介质间提供一个物理接口。

1 FTT-10A收发器的性能

FTT-10A收发器主要由一个隔离变压器和一个差分曼彻斯特编码器组成。其引脚排列如图1所示。它由5V电源供电。NET-A、NET-B是两个网络接口，此接口没有极性要求。RXD、TXD分别是数据接收和发送端口，CLK为收发器时钟输入端，T1、T2则用来提供钳位和瞬时电压保护。

收发器所带的变压器隔离接口可满足系统的高性能、高共模隔离，同时具有隔离噪声作用，可防止干扰信号进入传输网络中。它支持无极性自由拓扑结构，从而可使系统安装不再局限于总线结构。也就是说，此收发器支持星型、环型接线。自由拓扑结构通过最简单的`接线方式减少了系统安装的时间和费用，从而可使任务以最快的方式完成。由于减少了对通信线的拓扑、接合和节点位置的限制，因而使得网络更易于扩展。两个FTT-10A收发器还可以背靠背用作数字式重复器，同时可在一个信道上增加传输距离或节点数量。

FTT-10A的通信速率一般为78kbps?但用于自由拓扑结构时，通信距离较短(只有500米)，而采用双端总线结构时却有2700米。它可工作在5MHz、10MHz或20MHz频率下，并可自动进行时钟检测。

FTT-10A使用的编码方式是差分曼彻斯特编码，其编码规律如下：

●每个码元中间时刻均有电平变化。

●“1”表示电平在中间由高到低;“0”表示电平在中间由低到高。

这种编码的特点是：每比特中间的跳变可做同步使用，数据的表现依据其开始是否变化来决定，出现跳变时为“0”，没有跳变时为“1”。这种编码所提供的数据格式使得数据可在多种媒介中传输。图2所示是其编码的过程和波形。从图中也可看出：在信号位中间总是将信号反相，这就是差分曼彻斯特编码对信号的极性不敏感的原因，所以通信链路中的极性变化不会影响数据的接收。这一点对于远程通信很有用。

2 FTT-10A和MCU组成的测控系统

因为FTT-10A可保证可靠的数据传输，因此，它可广泛地应用于控制网络中。但目前主要是在基于NEURON芯片的控制系统中将FTT-10A的TXD、RXD分别与神经元芯片的通信端口CP1、CP0相连。根据它的特性及其自身结构的特点，可将其应用于一般的单片机控制系统中，以提高单片机远程通信的可靠性。

数据一般是以数字信号的形式来传输的。随着距离的增加和信号传输速率的提高，特别是当高速变化的信号在长线中传输时，由于阻抗的不匹配，而可能会出现反射现象，从而导致信号波形发生改变，或出现有害干扰脉冲而使信号传输的可靠性受到影响。在传统的控制系统中，一般采用总线拓扑结构(如RS-485)，并通过屏蔽的双绞线将一个线路的接收和发送控制连在一起，按照RS-485规范，所有的设备必须通过总线相连，以限制线路反射和确保通信可靠，但这却增加了整个网络安装和维护的时间和费用。而FTT-10A收发器则恰好克服了上述缺点，且可降低安装和维护费用，同时也便于灵活组网。

由于FTT-10A使用的是曼彻斯特编码方式，这种编码方式自带信号传送的同步信息，因此，FTT-10A以自同步的方式来

进行数据的传输。而一般的单片机(如MCS-51系列单片机)自带的是异步串行通信端口，这样，若想将FTT-10A收发器与此类单片机相连并实现通信，则必须加一转换电路，也可用专门的芯片(如Intl8251)在MCU与FTT-10A之间进行转换，以保证做到同步串行通信。8251作为串行通信的扩展接口芯片，它具有同步和异步两种工作方式(可通过编程来决定)。在同步方式时，每字符占5～8位，可以内同步，也可外同步。同步发送时，发送器最先发送的是同步字符(SYN)?随后通过单片机数据线将数据并行送入8251并经过8251的发送器将数据以串行形式输出，这时发送的数据不用附加任何成帧信号。而在同步接收时，它首先搜索同步字，并与预先存放的同步字符相比较，以确认是否达到同步。因此可根据8251与FTT-10A收发器的结构特点，将FTT-10A的RXD、TXD分别与8251的TXD、RXD相接。具体实现信号传输的硬件电路简图如图3所示，它们的时钟均可由单片机经过组合后获得。

无线收发系统 第5篇

单芯片无线电通信系统是将发射机、接收器、放大器、电源管理组件以及其他一些基带逻辑电路综合成一个单一芯片的单晶片装置,单芯片无线电实现是由于深亚微米CMOS技术的迅猛发展。它体积小、低功耗,可以很方便地嵌入到非常小的或者是便携式的电子产品中。由于使用CMOS技术,使它的成本低,且所有电路组件都在一块芯片上,与用PCB板设计的电路相比,设计的最终产品有更高的可靠性。

在单芯片无线电通信中最重要的组成部分是发射和接收,被称为短收发。在发射方,由逻辑电路产生一个低频的基带信号,首先由一个混合器调制到适当的频率(上变频),然后信号经功率放大器(PAS)增强后由天线辐射出去。

在接收方,天线接收到信号,通过低噪声放大器(LNAs),最后被混频器调制,这次是降低信号的频率,称为下变频。将发射机和接收机双方结合在一个单芯片上,必须有一个允许天线发射和接收信号的开关,并且要落实隔离技术,以确保独立的电路不互相干扰。

1收发器的结构

如前所述,一个发射加上接收的收发器,发射机送电信号经天线进入大气层,如果想得到非常高的频率,比如大于1 GHz时,发射机将采用连续的上变频来达到正确的频率。但是,如果所需的频率很低,例如100 MHz以下,则发射机往往用一个直接转换方法,或是单上变频直接转换,又被称为零中频调制,之所以采用直接转换,是因为这种方法提供更好的噪声特性,使发射机不再需要大体积的滤波器,否则将占去过大的单芯片体积。但如果基带和载波频率不同量级,混频器的设计就变得更加困难。所以,当芯片是采用调幅/调频无线电通信时,应该利用直接转换方案;当被用于GSM或WLAN的解决方案时,将用连续的上变频,以达到正确的频率,但同时也增加了系统的复杂性。

1.1混频器

混频器是一个为调制信号频率的电路,在无线电应用中,混频器在基带频率和载波频率之间转换电信号,2路信号驱动混频器,输出的信号是2个输入信号相乘。当通过混频器时,输入和振荡器信号将成倍增加,并且能计算出来。混频器实际上是2个信号的乘法电路,线性代数的一个简单性质证明,任何信号都可以用傅里叶级数描述,任何信号都是不同频率的正弦曲线的总和。因此每个信号可以用正弦曲线表示,这是数学三角函数特性引起的频率的加和减。比如,输入V1和V2,并使它们通过一个混合器,V1的形式为V1=cos(w1t),V2的形式为V2=cos(w2t),对傅里叶级数来说,w1和w2是信号的频率,t是时间变量。

2个信号的乘式为:

$\begin{array}{l}V{}_1\times V{}_2=\cos (w{}_{1}t)\times \cos (w{}_{2}t)=\\ \frac{1}{2}\cos (|w{}_1+w{}_2|t)+\frac{1}{2}\cos (|w{}_1-w{}_2|t)。(1)\end{array}$

因此,其输出频率是由输入频率的相加和相减2个部分组成。在实践中,滤波是用来去除不想要的正弦频率分量,在先进的工程设计中,能将滤波器包含在混频器中设计,从而避免大体积的滤波器,这是单芯片无线电通信考虑的一个重要因素。

1.2低噪声放大器(LNA)

低噪声放大器( LNA )是一个旨在限制杂散信号的放大器,它常用在无线电收发机的接收部分,并且非常靠近天线。在大多数情况下,接收机天线接收到的微弱的射频信号将包含一些杂散信号。因此,降低噪声对接收机非常重要。根据Friis公式对于噪声的描述,接收机的全部噪声指数由最初级所控制,因此,将低噪声放大器放在接收部分的前级,以提高信号的抗干扰能力。采用低噪声放大器,后面各级噪音随着LNA的增加而减少,而LNA的噪声直接注入收到信号中。因此,当存在少量噪声和失真时,加入低噪声放大器,以增强有用信号功率是必要的。而信号可在系统的后级得到恢复。为了产生适当增益,可以将几个LNA串联起来工作。

1.3功率放大器(PA)

功率放大器是一个保持电信号波形不失真情况下增加其功率的电路。功率放大器被用于发射机部分,并放在天线的附近。信号经过功率放大器送到天线,发送到外界环境中,由另一个无线电接收装置接收。功率放大器也可串联,以产生与一瓦特相似的所需功率,它们取决于无线电信号发送的范围。

1.4天线

单芯片无线收发装置设计的另一关键部分是天线。为了使整个系统规模较小,许多现代的单芯片无线解决方案上使用片上天线代替分布式天线。在半导体基板上的天线制作研究活动前后花了近20年。在高阻硅衬底上制造95 kMHz的IMPATT二极管振荡器的芯片集成天线,和在砷化镓基板上制造43.3 GHz IMPATT二极管振荡器的芯片集成天线分别在1986年和1988年已报道。高阻硅衬底也被用来制造基于天线操作范围在90～802 kMHz的微型机电系统(MEMS)。

除了衬底兼容性以外,要降低成本,天线必须利用主流硅技术上的导体和绝缘层制作。目前,金属层可以是8～9层,厚度介于0.5～2 μm之间,导体可以采用铝或铜。该绝缘层分离导体是由于二氧化硅厚度介于0.5～1 μm之间的变化引起。

显然,对芯片天线可以用来在集成电路内部以及外部自由空间通信,信号的传播是在传播介质中以光速传播,但在无线互连网中使用的芯片天线不需要光学元件,因为其难于集成。

2电路设计

2.1接收机

图1是一个适用于802.11a/b/g无线局域网的单芯片无线电双频接收机详细框图,它有2.4～5 GHz两个波段。

接收机中有2个差分级联低噪声放大器,对每一个波段,提供必要的前端增益和降低噪声,不用的LNA始终关掉,以减少目前的整体消费。在2.4 GHz和5 GHz内的射频信号在下变频为共同的中频(如约为1.7 GHz)之前被相应的噪声放大器和RF可变增益放大器(VGA)放大。这个中频信号进一步混合后下至正交基带I,Q信号,称LO2。信道滤波器选择用于芯片基带的gm-C滤波器。在基带滤波器中的直流偏移量被2对受同基带IC控制的6位DAC删除。该接收机具有可达90 dB可编程增益,射频和基带信号大约各半。整体接收系统噪声系数对应于5 GHz应用模式为5.5 dB,对应于2.4 GHz应用模式为4.5 dB。

在接收机印板中最重要的装置之一是LNA,LNA的质量对接收器的参数有相当大的影响。图2是用于双频接收机中的改进压缩和共模抑制的5 GHz的LNA示意图。

放大器由1对为降低噪音系数而优化的级联差分电路组成,它是利用一种低噪声数字。当一个有用的大射频信号输入时,该LNA转换到低增益模式,以避免信号压缩,增益减少是通过晶体管M2、M5作为1对电流开关实现的,通过分流信号电流远离感性负载来实现降低输出信号。增益变化的正确度取决于匹配晶体管的大小和对所有过程及温度死角的很好控制。为了降低噪声可用级联装置,在级联节点的寄生电容通过电感L3和L4滤出。电感L5通过滤去差分M7和M8尾部节点的寄生电容来提高低噪声放大器(LNA)的共模抑制比。增加在尾节点的共模阻抗以提高共模抑制,从而允许LNA使用单端射频输入,无需一个平衡器。

2.2发射机

图3显示了双波段发射机的方框图。正交基带I,Q信号由同一数字芯片中的DACs产生,以电流输入方式送发射机。输入信号先被可重构滤波器滤波,然后混合到1.7 GHz的中频。由此,无论发射机运行在2.4 GHz或5 GHz的模式,中频信号都被LOF或LO2上变频。发射机采用镜像抑制混频,以避免需要一个中频滤波器。对于图3中的混频器正交分量LO2和LOF是直接由合成器提供,而正交分量LO1为了产生射频混频局部采用RC-CR滤波器。在经过射频可变增益级之后,每一路的射频信号驱动芯片上的功率放大器(PA)。

上变频混频器和功率放大器(PA)可用于蓝牙技术的单片无线调制解调。这种调制解调器采用直接转换,所以在收发其中不必使用中频带。

重构的基带信号由电阻衰减Gilbert型混频器完成上变频,I-Q LO驱动信号来自于2阶的多相滤波器,它的输入源于一个锁定参考频率为1 MHz的2.4 GHz VCO。功率放大器由单级集电极开路、在同一块芯片上匹配的差分对和为得到最大功率传送的不平衡变压器组成。通过数控尾电流源对差分对导纳的控制来完成分8步实现30 dB的功率控制。这种功率放大器能够在50 Ω负荷下传送+3 dbm的连调,而消耗为9 mA。

3结束语

目前产品中的大多数单片无线电通信装置的处理能力有限,因为受到尺寸和隔离限制。目前用到单芯片无线电通信最复杂的装置是应用于WLAN的无线蓝芽调制解调器和收发器。其适合单晶片设计是因为它们运行在低功耗状态且需处理的地方有限。在无线传感器网络的设计过程中,传感器节点无线通信、低耗能、体积小等特点也使SOC的单芯片无线收发系统有了极大的空间。如何开发更好的分离技术,克服电磁干扰等问题,仍是将收发模块,中频模块,基带信号处理模块和电源管理与控制模块等所有连同天线和开关集成在一个单芯片中的片上系统(SOC)的主要课题。

参考文献

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[3]AHOLAR.ASingle-chip CMOS Transceiver for802.11a/b/g Wireless LANs[J].IEEEJournal of Solid-state Circuits,2004,39(12):2250-2258.

[4]ZARGARI M.A Single-chip Dual-band Tri-mode CMOS Transceiver for IEEE802.11a/b/g Wireless LAN[J].IEEE Journal of Solid-state Circuits,2004,39(12):2239-2249.

[5]RYYNA¨NEN J A.Single-chip Multimode Receiver for GSM900,DCS1800,PCS1900,and WCDMA[J].IEEE Journal of Solid-state Circuits,2003,38(4):594-602.

无线收发系统 第6篇

当前,无线数据链在现代信息化战争中发挥极其重要的作用。高性能的无线数据链收发技术已经成为人们关注的焦点,是未来信息化战场上战斗力的重要保障[1]。

一个完整的数据链地面站系统包括天线阵及射频单元和信号处理单元,基于该收发技术所研发的硬件平台主要作用是通过天线阵接收飞行终端发送的测控信息和图像数据,传输给基带信号处理单元;另一方面对基带处理的信号进行调制变频,并功率放大后发送至天线。在整体硬件实现方面,负责发送的高速测控通道只需一路,而负责接收的包括测控和图像通道一共12路,电路原理相同,各通道之间具有良好的隔离性,确保不会互相干扰,所以通道电路只需复制一路即可。在信号处理方面,测控链路采用码分多址方式,图像链路采用频分多址方式。上、下行链路同时工作完成对飞行终端的实时测控和数据分析。

1 地面收发平台总体设计

1. 1 地面收发平台整体结构

地面站收发平台主要由发射机、接收机组成。发射机和传统无线数据链路相似,高速I/Q正交链路合并后通过一根发射天线发送至飞行终端; 而接收机的结构若采用单一通道接收单一飞行终端信息的方式,则会占用大量天线和硬件资源,同时也增加了基带信号处理的难度。

为缩减天线资源,可采用如图1所示的干涉仪测向原理。

L为A,B两根天线的距离,称作基线距离,R为飞行终端到达两天线的波程差,θ 为待测角,d 为相位差,关系如下:

由式( 1) 可知,当L < λ /2时,相位差的范围在( - π,π) ,测向无模糊; 由式( 2) 又可知,只有当L较大时,测角精度才会提高[2]。只有用不同的天线组合才能满足二者互为矛盾的要求,本系统采取长短基线法,4根天线不同距离的排列组合构成矩阵,通过最小二乘法确定飞行终端的方向。

飞行终端的定位需通过测控通道将信号传送至基带处理单元,测控通道采用码分多址方式,多路信号只占用一条信道,极大提高带宽使用率; 8个飞行终端的图像数据则需一对一的图像通道单独传送。通过天线下的功分器可使测控和图像通道与天线阵进行无缝对接,且通道电路原理相同,只需复制一路即可,大大节省了硬件资源。无线数据链地面站系统收发平台的整体结构图如图2所示。

1. 2 主要功能模块方案设计

地面站发射机模块采用直接变频发射结构,将地面站接收机模块的设计方案采取低中频结构。在现有的无线数据链接收机结构当中,低中频接收结构可以解决零中频接收机直流失调的问题,同时减小本振泄漏的影响。相比较超外差式接收机设计复杂程度适中[3,4]。

设天线接收到的信号为:

式中,ωc= ωLO+ ωIF,ωLO为射频本振频率,根据技术指标设定在3. 1 ~ 3. 7 GHz,模拟混频进行第一次下变频并低通滤波后信号的频率变为 ωIF,满足fIF< 0. 5BW ,BW为信号带宽,根据信号带宽是码速率的2倍关系,下行遥测数据的扩频码率达到10 Mcps,图像速率为1 Mcps,中频载波频率只需小于扩频码率即可。

发射通道采用直接变频发射结构,将基带信号直接上变频为射频信号至后级功率放大器,调制和上变频处于同一模块,干扰信号较少,电路易于集成[5]。同时为减小结构引入的本振频率牵引问题,需要设计稳定性能高的本振电路。

2 主要功能模块的实现

2. 1 射频前端

靠近天线部分的是射频前端,也分为发射通路和接收通路。发射通路着重于增益放大,包括功率放大和滤波网络。接收通路要求的指标较多,噪声系数、灵敏度和射频接收带宽等指标直接影响到混频后信号的质量,器件包括低噪声放大器( LNA) 和自动增益控制( AGC) 等,目的是保证有用的射频信号能完整不失真地从空间拾取出来,并输送给后级的变频、中频放大等电路。

2. 1. 1 低噪声放大器

接收机中一个指标是接收机灵敏度,系统带宽BW和信噪比S / N确定后,NF对系统灵敏度就起决定性的作用,多级联放大器的噪声系数公式为:

Gn( n = 1,2,3,……) 为单极放大器的增益值,从式( 4) 可以看出,第1级放大器的噪声系数在整个接收机系统中处于重要地位。低噪声放大器除了要对射频信号进行放大,更重要的是要保证噪声反射系数达到最佳匹配。噪声系数与晶体管自身条件、网络的发射系数有关:

式中,Fmin、Rn和 Γopt分别为晶体管自身最小噪声系数、器件等效噪声电阻和最佳源导纳,均为已知值,所以为实现LNA噪声系数的最小化只有改变ΓS[6]。

接收信号的频率范围为3. 1 ~ 3. 7 GHz,因此选用PHEMT型ATF - 34143作为低噪放的主要放大晶体管[7]。单极晶体管放大无法达到增益要求,故采用2级放大电路,第1级主要功能是实现噪声系数最小化,第2级以最大增益为目标进行电路匹配。运用Agilent公司的ADS2008软件可以对射频晶体管放大电路的稳定性、S参数、噪声系数和驻波比等技术参数进行分析和优化设计。

2. 1. 2 自动增益控制

AGC的主要功能是稳定射频信号的输出功率,其实质上是一个负反馈的系统,由增益可调模块、检波器、比较器和耦合器组成。检波器的功能是将功率信号转变为电压信号um,与比较器的基准电压VREF比较后,输出控制可调增益级增益大小的电压信号uc,直至检波器输入的信号功率稳定后,由耦合器传输给下一级电路[8,9]。AGC基本结构如图3所示。

增益可调电路采用固定增益级与可调衰减级相间并用的方 式,可调衰减 级使用RFMD公司的RFSA2013,在工作频率范围内,通过控制MODE引脚可以控制uc与器件插入损耗的正负极性关系,根据本AGC电路的设计要求,需要使控制电压与插入损耗成反向关系。

2. 1. 3 功率放大器

为使带有有效信息的电磁波辐射到更远的地方,要求送入到发射天线的信号达到40 d Bm的输出功率。放大器的一个重要参数为1 d B压缩点( P1d B) ,输入P1 d B反应了放大器的输入饱和状态值,一旦超过此值放大器无法工作在线性区,并且会产生较多干扰。通常一级放大器的增益无法达到输出40 d Bm的功率,需要将多级放大器级联,而P1 d B又限制了每一级放大器的输入功率大小。

采取前级功放驱动电路使上变频后的信号获得一定的增益,后级使用1 d B压缩点大于10 d Bm的晶体管功率放大电路。射频晶体管功率放大电路遵循图4结构[10]。

输入输出匹配网络在小信号工作状态时只需满足共轭匹配即可,

随着功率越来越大,器件会逐渐进入非线性区,固定的匹配网络在信号增强时不再匹配。采取负载牵引( Load - Pull) 可找出最大输出功率的最佳外部负载阻抗; 偏置电路为射频有源器件提供适当的静态工作点,并抑制晶体管参数的离散性以及温度变化的影响从而保持恒定的工作特性[11]。

2. 2 正交调制解调模块

发射和接收通道均采取正交低中频结构,即要实现2次变频: 数字变频和模拟变频。模拟变频部分又包括实现正交调制和解调模块,本振和滤波器,数字变频则在FPGA内部实现。

2. 2. 1 射频本振

低中频结构对本振的稳定性和准确性要求很高,采用目前最先进的锁相环( PLL) 频率合成技术作为射频本振电路。PLL频率合成器的基本结构如图5所示。R分频器的作用是根据低频晶体振荡器的基准输入频率fOSC来调节鉴相频率fREF大小,鉴相器比较fCOM与fREF是否相等,可调N分频器以VCO的输出fVCO作为输入,使fVCO分频降低至与fVCO/ N精确相等后输出fCOM。若两者不等,PFD会输出一个矫正过的DC修正电压Uerr送给环路滤波器,经过滤波后得到纯DC电压信号UCTRL直接输入至VCO,VCO输出的可变可控电压频率和fOSC一样稳定[3]。

ADI公司的ADF4350集成了鉴相器( PFD) 、电荷泵、压控振荡器( VCO) 与可编程分频器等。其输出频率范围为137. 5 ~ 4 400 MHz,输出频点由外围控制器设置可编程分频器来决定,在ADF4350的CPOUT引脚与VTUNE引脚之间设置一低通环路滤波器,便可构成完整的PLL[12]。射频本振信号可根据设计需求规定是否差分输出。

2. 2. 2 正交调制电路

正交调制模块处于DAC和射频前端电路之间,在实现上变频功能的同时,也要保证和射频前端以及DAC的无缝连接。采用ADI公司的ADL5375正交调制器,输出频率范围为400 ~ 6 000 MHz,内部集成了差分本振接口,正交差分基带调制信号输入接口,混频电路和差分转单端电路。

2. 2. 3 正交解调电路

正交解调电路主要完成射频信号到I,Q两路低中频信号的变换,是正交调制的逆过程。采用ADI公司的ADL5380正交解调器,输入射频信号频率范围在400 ~ 6 000 MHz,内部集成了射频差分信号输入接口,差分本振接口,正交差分基带解调信号输出接口,混频电路和偏置电路。因此射频前端的信号需要有单端转差分的模块。

2. 2. 4 RLC 低通滤波器

无论是正交调制或是解调电路,都处于射频和低中频信号的转换部分,低中频信号是经过混频得到,会有较多的频率分量和带外噪声。无源巴特沃斯低通滤波器结构简单,滤波效果显著,根据不同频率的衰减量确定滤波器的阶数,根据源、负载阻抗的比值通过查表后确定电路结构和元件参数。

3 测试结果及性能分析

正交上变频发射信号频谱如图6所示。测试结果表明,输出信号的相位噪声比信号源产生的单载波信号相比较大,原因是正交上变频中的本振相位噪声包括了参考频率源引入噪声,相位检知器引入噪声,以及压控振荡器引入噪声。环路滤波器可有效减少这些噪声。本方案所设计的基于PLL的频率合成器与DDS正交上变频后的信号,功率稳定,中心频率无抖动,相位噪声小。

在AGC的测试过程中,信号源产生单载波作为射频输入信号进行AGC测试,经测试可知射频信号输入为 - 60 ~ + 15 d Bm,AGC可稳定输出 - 16 ~- 13 d Bm的信号功率。

正交下变频效果波形如图7所示。示波器2路信号分别为经过下变频并低通滤波后的I/Q正交信号,二者相位相差90o,幅度相同。本次测试同样采用信号源产生 ωc= ωLO+ ωIF的射频信号,经过频率为wLO的本振信号混频后,可得到载波频率为wIF低中频信号。

4 结束语

无线光通信收发机系统设计与实现 第7篇

关键词：无线光通信,光接发收机,大气随机信道

无线光发射机子系统主要实现光信号的发射、调制、光功率自动控制补偿、系统状态检测、大气信道编码、接口电路转换等功能。激光器设计中需要考虑的有波长、功率、类型选择等。波长应该选大气信道损耗最小的波长, 功率选择要考虑激光通信传输距离和光电接收器的光接收灵敏度及激光在大气传输中人眼安全的问题, 本设计的激光器功率为10m W, 常用光源有LED和LD。LED是大角度, 能量分散, 使用起来更为安全, 但传输距离短, 带宽比LD窄。半导体激光二极管的光发散角窄, 发射功率较大, 能载荷宽带信号, 因体积小、重量轻、电光转换效率高、寿命长、易于调制等优点而成为首选, 因此本设计选用Al (In) Ga As/Ga As系半导体激光器。对于线性度良好的半导体激光器, 激光输出功率决定于内量子效应和光腔损耗, 并随着电流而增大。当注入电流时, 输出功率P与I成线性关系, 在选择时, 阈值电流尽可能小, 对应的P值尽可能小, 且P-I曲线的斜率适当。斜率太小, 则需要的驱动信号太大;斜率太大则会出现反射噪声, 使光功率控制电路调整困难。激光器的工作范围和线性工作的性能, 激光器的阈值电流为10m A, 线性工作区间为10m A-50m A, 当工作电流加大时, 其输出最大值, 即进入饱和区。因此最佳静态工作电流为30m A, 动态工作范围是+20m A到-20m A.

无线光通信系统采用光强度调制/直接检测技术, 光相干调制/外差检测技术。本设计采用光强度调制/直接检测系统。发射端用电信号直接调制半导体激光器的驱动电流, 使输出的光载波的强度随电信号变化, 从而获得调制信号;在接收端用光检测器直接将光信号转换成电信号。

激光器光源选定后, 必须选择合适的激光驱动器。激光驱动器既为激光器提供稳定的偏置电流和电压, 使其正常发光, 提供随信号线性变化的调制电流, 使其能够产生不失真的光信号;又自动调节其发射光功率, 用来补偿衰减效应。为了不产生非线性失真且有充裕的动态调节范围, 它产生的偏置、调制电流都满足上面激光器的要求且有余量。由以上分析可知激光器阈值电流为10m A。调制激励电路采用单管共发射极电流放大电路, 静态电流为30m A, 因此静态偏置电流IBQ=30m A, UBEQ=0.5v.工作范围是20m A, 则输入动态范围是约80m V。

在好天气下, 激光器的电流由其静态和动态工作电流决定。在恶劣天气下, 系统根据衰减程度, 调制驱动电路根据衰减程度自适应调节偏置和调制电流, 达到自动补偿衰减效应的作用。因衰减和湍流效应会产生随机比特和突发区间误码, 为保证可靠性, 提高传输质量, 须在信息码中增加一定数量的多余码元, 使码字有抗干扰能力。该系统采用奇偶校验、前向纠错以及通过一些差错重发的协议来降低误码率。

光接收机分为直接功率检测接收机和外差接收机。外差接收机的本地振荡器产生的光场通过始端透镜进行混合, 再对该组合波进行光电检测。由于外差接收机在待混合的两个光场的空间相干性要求严格, 因此采用直接检测光接收机。接收机主要完成接收空间光场并对其进行处理, 恢复解调所发送的信息, 对大气信道进行监测补偿的过程。

光检测器是实现光电转换的器件, 其性能特别是响应度和噪声直接影响接收机的灵敏度。对光电检测器的要求:波长响应要和大气信道低损耗窗口兼容;响应度要高, 在一定的接收光功率下, 能产生最大的光电流;噪声要尽可能低, 能接收极微弱的光信号;性能稳定, 可靠性高, 寿命长, 功耗和体积小。

光电池对不同波长光的灵敏度是不同的。硅光电池的长波限由硅的禁带宽度决定, 为1.85um, 峰值波长1.4um, 短波波长0.25um。电检测器是一种功率检测器件, 其输出信号正比于光电检测器所收集到的瞬时场强。检测器的输出呈显散弹噪声过程, 该过程的计数强度与收集到的功率成正比。

在保证通信链路畅通后, 开始检测模拟语音信号的传输性能。模拟语音信号调制成光信号发射到空气中, 光接收机将衰减后的光信号解调并补偿还原成原始的语音信号返回给电话机。传输的声音清晰洪亮, 发射机波形和接收机波形, 波形形状保持良好, 信噪比较高, 没有失真变形现象.

最后检测其数字信号的传输性能。将信号源的输入端接到单片机TXD, 信号宿的输出端接到单片机RXD。设置发射端的传送数值, 接收端能实时正确地显示相应数值, 结果表明接收信号的上升和下降时间较短, 波形保持良好, 传输信号的误码率较低, 数字通信链路畅通, 能够顺利实现数字信号的大气无线光通信。

本文提出了一种区别于光纤通信系统、适合于大气随机信道传输的无线光通信系统, 并实现了该系统的光发射机和接收机的设计。详细分析了无线光发射机和接收机的工作原理及结构设计, 并对该系统进行了模拟和数字信道的大气无线激光多媒体通信测试试验。通过实验, 该系统能成功地实现高速率、远距离的激光无线通信, 且有效地补偿大气随机信道对传输信号的衰减损耗, 提高系统的通信质量, 具有很大的实用价值。

参考文献

[1]常鹏.无线光通信 (FSO) 收发机的研究与实现[J]北京交通大学, 2008[1]常鹏.无线光通信 (FSO) 收发机的研究与实现[J]北京交通大学, 2008

无线收发系统 第8篇

体温是机体进行新陈代谢和正常生命活动的必要条件,是机体内在活动的客观反映,是判断机体健康状态的基本依据和指标。正常的体温是新陈代谢最适宜的温度,体温过高或过低会影响新陈代谢的正常进行。因此,监测并及时正确地记录体温,是为奶牛发病的诊断、及时治疗及饲养提供第一手资料的有效手段。本文基于挪威NORDIC公司推出的单片无线收发一体芯片nRF403和51单片机,设计出一种奶牛体温无线数据采集系统。系统采用1台PC机为主控机,多台单片机系统为分机的分布式无线通信方式。 本文重点介绍了无线通信模块、温度传感器、微控制器和系统基本通信协议及软件设计。

1 系统结构

整个系统包括数据采集器(下位机)、转发器(下位机)和PC终端(上位机)。数据采集器用于数据采集、数据存储和控制无线模块进行相应操作;数据转发器的作用是将PC机的命令传给数据采集器,并将接收到的体温数据或下位机的应答信息转发给PC机。该系统的基本原理框图,如图1所示。

2 无线数据采集收发系统的硬件设计

2.1 无线收发模块

无线收发模块采用挪威NORDIC公司推出的单片无线收发一体芯片nRF403[1]。它是一款单芯片ISM段双频点(433MHz/315MHz)免调试无线收发芯片。芯片采用FSK调制解调技术,内置锁相环,集成度高,需外围元件极少,且接收灵敏度高(-105dBm),发射功率可调,最大可达+10dBm,最大数据传输速率20kbit/s;同时,nRF403功耗极低,电源电压为2.7～3.6V,接收状态电流为250μA,发射状态电流为8mA,等待状态电流仅为8μA,非常适合便携式产品的设计。

NRF403内部结构如图2所示。其中,包含高频接收/发射、PLL合成、FSK调制/解调和双频切换等单元。基于nRF403的无线收发模块将天线与外部元件集中在一块PCB板上,其中TXEN为接收/发送控制端,TXEN=1(高电平)时为发送模式,TXEN=0(低电平)为接收模;PWR-UP为节能控制端,高电平时为工作模式,低电平时为待机模式;CS为频道选择控制端,高电平为频道1,选择433.92MHz,低电平为频道2,选择434.33MHz;DIN为数据输入端口;DOUT为数据输出端口;还有电源引脚VDD与地引脚VSS。通过单片机控制nRF403通信模块,可以方便地实现数字信号的传输。

2.2 温度采集和微控制器

本系统的温度采集部分采用DALLAS公司的一线式温度传感器DS18B20,测量温度范围是-55～+125℃;可编程为9～12位A/D转换精度,分辨率可达0.0625℃,被测温度通过双字节,16位数字量方式串行输出;其工作电源既可在远端引入,也可采用寄生电源方式产生;DS18B20可以并联到同一根口线[2]上,其与单片机通信只需一根端口线,占用微处理器的端口较少,可以节省大量的引线和逻辑电路,非常适合多点温度检测系统,本系统将其引入身体温度检测。采用单片机一对一口线挂接传感器方式,定时采集所有传感器温度,然后求其平均值,作为实际检测的身体温度,以减少检测误差。

无线收发微控制器采用STC12C5412单片机,该单片机是新一代增强型8051单片机,具有高性能低成本的特点,其主要性能如下。

1)高速:1时钟/机器周期,其速度比普通8051快8～12倍。

2)宽电压:2.0～3.8 V。

3)超低功耗:空闲模式、掉电模式( 可由外部中断唤醒)。当工作频率为2MHz时,掉电模式典型值<0.1μA,空闲时<1.3mA,正常工作模式<2.7mA。

4)工作频率: 0～35 MHz。

5)时钟: 外部晶振或内部 RC 振荡器可选。

6)12kB片内Flash程序存储器,可擦写10万次以上。

7)512B片内数据RAM。

8)经串口在系统可编程/在应用可编程,无需编程器/仿真器。

9)硬件看门狗(WDT)。

10)内部集成MAX810专用复位电路。

该器件非常适合所有传统51电路,还具有加密性强、无法解密,超强抗干扰能力等性能,使用该器件可简化电路设计,提高工作性能,降低成本。

数据采集器原理接线图,如图3 所示。

数据转发器和接收显示的原理接线图,如图4所示。

使用单片机的I/O口,分别对DS18B20的数据端和nRF403的接收/发送模式、上电/待机模式和通道选择模式进行设置和程序控制,即可实现温度数据的采集和无线接收/发送传输。

3 系统通信协议和软件设计

3.1 通信协议设计

本系统的数据采集端为电池供电设备,为了尽可能降低功耗和延长电池的使用时间,单片机和nRF403在多数时间处于待机状态,通过采用软件方式和简单合理的通信协议以保证节能的同时又不丢失数据。

1)每次发送前应该有一个前置码(即发送请求握手信号),采用在数据包前的开始字节0xFF后紧跟0xAA和0x55作为前置码,之所以以开始字节0xFF后紧跟0xAA和0x55作为前置码是因为这样可以有效地避免噪声[3],减少干扰。协议规定只接收0xFF后紧跟0xAA和0x55的数据包,发送握手信号后,发送地址帧。

2)从机接收端平时采用定时中断方式开启接收几毫秒,看是否有发送请求握手信号。如果接收到握手信号,则继续接收地址帧以建立联系;如果没有接到本机地址,则不予理睬,返回待机状态。

3)从机向主机回送本机地址,主机接收后,与原发送地址比较,如相同则准备接收数据,否则将重新联络。

4)主机接收完数据后,进行检错纠错,接收数据无误,则继续与下一个从机联络,否则发送接收错误标志,请求从机重新发送。

3.2 系统软件设计

系统软件包括两部分:一部分是数据采集器上运行的程序。本部分从机采用定时采集温度数据,本地存储,定时中断查询接收主机的握手请求信号的运行方式;一部分是数据转发器上运行的程序,该部分主机(转发器)则采用定时发送握手请求信号,建立通信通道,数据接收,检错纠错。系统下位主机(转发器)工作流程如图5所示。

系统中PC控制主机的主要功能是对下位机进行控制和数据接收并显示体温数据,它可以表格或者图形曲线的形式在主控机上显示。当体温出现异常,超出设定门限值时,它会自动报警。本部分不属于本文内容,不再叙述。

4 结论

本文描述的测温系统可以实现无线传输和准确监测,测温系统采用高性能、低成本的元器件,电路简单易于实现,且充分利用了各芯片的低功耗特性,有效地降低了系统的电能消耗,在实际中应用良好,具有广泛的实用价值。

摘要：定时采集奶牛体温对于发病奶牛的诊断、及时治疗有着重要的意义。为此,介绍了基于无线收发芯片nRF403实现PC机与多台STC51单片机系统的无线数据通信,在此基础上选用了高精度的一线式温度传感器DS18B20组成了奶牛体温无线数据采集系统,并给出了系统硬件和软件的设计。该系统结构简单,易于实现,可靠性较高,且功能易于扩展。系统的应用能够对奶牛的体温进行定时、连续、无损伤、精确地测量和记录。

关键词：nRF403,STC51单片机,奶牛体温,数据采集

参考文献

[1]Nordic VLSI ASA.315/433MHz single Chip RF Tran;ceiv-er nRF403[K].Revision,2001.

[2]DALLAS Semiconductor.DS18B20Programmable Resolution1-Wire(Digital hermometer[EB/OL].2007-10-01.www.dalsemi.com.

无线收发系统 第9篇

数据采集技术是信息科学的重要分支,它不仅应用在智能仪器方面,而且还在现代工业生产中、军事科学方面得到了广泛应用,无论是过程控制、状态监测,还是故障诊断、质量检测,都离不开数据采集系统。因为单片机功能强大、抗干扰能力强、可靠性高、灵活性好、开发容易等优点,使得基于单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用[1]。

基于单片机的数据采集系统通常采用的是两种方法来实现数据采集:一种是将数据采集部分做成板卡插入微机扩展槽来实现数据采集,即A/D转换器件直接与微机总线接口连接[2]。这种基于微机的系统集成数据采集系统的方式,可以缩短研制周期,从而加快工作进度,但是硬件的配置缺少灵活性,不便于携带和随时随地进行使用。另外一种方法是将数据采集部分做成独立的系统,有自己的微处理器,微机通过串口与数据采集装置通讯,从而实现数据采集。

无线传输在数据采集后的处理中表现出了很大的灵活性,省去了错综复杂的线路,可轻易地实现多人实时共享,因此我们必须把测试后的连续数据发射出去以便让更多的人利用。测试数据的发射就是要设计一个能针对由各种传感器采集来的信息进行无线发射的电路系统,这样可以更好地利用数据并对数据进行全面的共享等[3]。

无线收发系统采用无线电技术。利用导体中电流强弱的改变会产生无线电波这一现象,通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端,电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。通过解调将信息从电流变化中提取出来,就达到了信息传递的目的。

1 方案设计

1.1 系统工作原理

本系统选用STC89C52RC芯片与ADC0809搭建采集系统,具有体积小,便于携带,功耗低等特点,而且价格低,配置灵活,开发成本较低。

如图1所示,整个数据采集系统以单片机为控制核心器件,由ADC0809数模转换器对输入的被测物理量进行数据采集,将采集的数据转换后送单片机处理,然后再将处理过后的数据通过nRF905进行无线传输,这一过程均通过C语言编程控制。实际上,这一系统就是以模数转换器ADC为核心的信息采样系统[4]。

数据采集系统必须具有一个通信接口与微机进行数据的传输,微机与数据采集系统的通信可以通过电缆进行数据传输,选用无线射频芯片nRF905完成无线通信电路,nRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器、功率放大器等模块,曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成,无需用户对数据进行曼彻斯特编码,因此使用非常方便。

2 硬件电路设计

2.1 芯片介绍

STC89C52RC单片机是以8051为基核开发出的CMOS工艺单片机产品,这一类单片机产品统称为80C51系列。

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器。

nRF905是挪威Nordic公司推出的单片射频发射器芯片,工作电压为1.9～3.6 V,32引脚QFN封装(5 mm×5 mm),工作于433/868/915MHz 3个ISM频道(可以免费使用)。nRF905可以自动完成处理字头和CRC(循环冗余码校验)的工作,可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码,使用SPI接口与微控制器通信,配置非常方便,其功耗非常低,以-10 dBm的输出功率发射时电流只有11 mA,在接收模式时电流为12.5 mA。nRF905单片无线收发器工作由一个完全集成的频率调制器,一个带解调器的接收器,一个功率放大器,一个晶体震荡器和一个调节器组成。ShockBurst工作模式的特点是自动产生前导码和CRC,可以很容易通过SPI接口进行编程配置。

其工作模式[6]:nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技术。ShockBurst技术使nRF905能够提供高速的数据传输,而不需要昂贵的高速MCU来进行数据处理/时钟覆盖。通过将与RF协议有关的高速信号处理放到芯片内,nRF905提供给应用的微控制器一个SPI接口,速率由微控制器自己设定的接口速度决定。nRF905通过ShockBurst工作模式在RF以最大速率进行连接时降低数字应用部分的速度来降低在应用中的平均电流消耗。在ShockBurst RX模式中,地址匹配AM和数据准备就绪DR信号通知MCU一个有效的地址和数据包已经各自接收完成。在ShockBurst TX模式中,nRF905自动产生前导码和CRC校验码,数据准备就绪DR信号通知MCU数据传输已经完成。总之,这意味着降低MCU的存储器需求也就是说降低MCU成本,又同时缩短软件开发时间。

2.2 硬件电路

通过前面对各个芯片的介绍,我们已经知道了各个芯片基本工作模式下的外围电路设计原理,还知道了STC89C52RC单片机的时钟电路和复位电路的基本要求以及ADC0809转换芯片的工作频率等,由此可设计出本系统的硬件电路原理图。如图2所示。

其中,电源电路设计用的是PC机上USB口输出电源,作为STC89C52RC和ADC0809的输入电源;利用LD1117-3.3将5V转3.3V作为nRF905芯片的输入电源。

3 软件编程设计

3.1 采集部分

由ADC0809工作时序图可知当START和ALE引脚为高,EOC引脚为低时启动采集转换,当EOC为高时转换结束,OE置高,STC89C52RC单片机开始读转换完成的数据,再控制nRF905引脚TRX_EN和TX_EN为高进行数据发送。

ShockBurst TM工作模式保证,一旦发送数据的过程开始,无论TRX_EN和TX_EN引脚是高或低,发送过程都会被处理完。只有在前一个数据包被发送完毕,nRF905才能接受下一个发送数据包。

3.2 接收部分

模块TRX_CE引脚为高,TX_EN引脚为低,650μs后nRF905不断监测,当检测到同一频段载波时载波检测引脚(CD)被置高,当接收到相匹配的地址,AM引脚被置高,当数据接收完成后DR引脚被置高,单片机STC89C52RC将TRX_CE置低,nRF905进入空闲模式,STC89C52RC通过SPI口将数据移到单片机STC89C52RC内,当所有数据接收完成,单片机将DR和AM引脚置低。

当正在接收一个数据包时,TRX_CE或TX_EN引脚的状态发生改变,nRF905立即把其工作模式改变,数据包则丢失。当微处理器接到地址匹配引脚的信号之后,其就知道nRF905正在接收数据包,其可以决定是让nRF905继续接收该数据包还是进入另一个工作模式。

根据以上分析进行编程就完成了数据的采集与无线收发。

数据发送过程中,单片机STC89C52RC使nRF905接收

4 总结

本论文研究设计了数据采集与无线收发系统电路,电路结构主要由两大部分构成:第一部分为数据采集部分;第二部分为无线收发部分。该电路简单,性能稳定,抗干扰能力强,可靠性高,测量精度和灵敏度高。

参考文献

[1]叶洪海,李丽敏.基于单片机的多路数据采集系统的设计与实现[J].佳木斯大学学报(自然科学版),2008,26(4):545-547.

[2]黄继昌,徐巧鱼.传感器工作原理及应用实例[M].北京:人民邮电出版杜,1998.

[3]马祖长,张怡宁.大规模无线传感器网络的路由协议[J].计算机工程与应用,2004,(11):165-167.

[4]孙育才.MCS-51系列微型单片机及其应用[M].南京:东南大学出版社,1900.

[5]ADC0809芯片资料[OL].http://www.21ic.com.21ic中国电子网,2011.8.