天津工程师范学院2006届毕业设计(论文)
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范围和方向上的局限。例如，一些无线产品在使用时，无法将信息反馈给控制者；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，而且可以大大降低成本。正如人们所发现的，只要建立双向无线通信-双工通信并且选择成本低的收发芯片，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发系统。考虑到目前市场上的一些需求，设计的主要要求是方案成本低，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，它为低速率低成本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进行，构成点对点无线数据传输系统。整个系统中，两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部分组成，系统原理如图2-1所示：
单无无单片线线片
机收收机系发发系 统 器 器 统 按键 液晶 显示屏 图2-1 无线数据收发系统原理图
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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，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相同。无线数据收发系统的电路图见附录3。
3 收发部分原理与设计
nRF401是一种基于短程无线通信技术的芯片。收发部分采用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]
3.1.1 主要引脚功能
12345678910XC1VDDVCCFILT1VCO1VCO2VSSVDDDINDOUTXC2TXENPWR_UPVSSANT1ANT2VSSVDDFREQRF_PWR20191817161514131211 图3-1 nRF401引脚图
(1) 9脚及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#1（433.92MHz），FREQ =“1”为通道#2（434.33MHz）。
(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、ANT2：天线接入端。
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3.1.2 内部结构与工作原理
nRF401无线收发芯片的结构框图如图3-2所示：芯片内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 内部结构方框图
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。 3.1.3 特点
nRF401是一个单片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+3～5V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8μA；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，这种方式的通信范围更广，特别是在附近有类似设备工作的场合。
3.2 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及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。 3.2.1 产生原理
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行选通。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。
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