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电路节点单片机基于C8051F系列单片机的无线收发电路设计

数据采集及传输系统是现代测量仪器的基础。在工业测控、医疗监护和实验研究中得到广泛应用。当数据采集点处于非固定位置或运动状态时,数据采集系统必须与主机分离。同时还需利用电池供电。因此,由无线收发电路或模块组成的数据采集及传输系统是有效的解决方式。比较典型的无线收发电路或模块有采用2.4 GHz通信频率的无线传感器网络传感器节点,433/868/915 MHz通信频率的遥控模块及数传模块、900/1 800 MHz通信频率的GSM模块,但现有的无线收发电路或模块易造成系统体积过大、功耗偏高,不能完全满足采用电池供电的便携式监测系统的需要,尤其是需要大规模、密集型部署,仅需要近距离通信的场合,传统的无线通信模块容易造成网络通信的阻塞、缩小网络的容量、增加节点的功耗、缩短节点的寿命。
这里给出以C8051F340单片机作为监测终端控制器,C8051F330D单片机作为探测节点控制器,通过漆包线自行绕制圆形空心天线,分别构成监控终端和探测节点的无线收发电路,实现无线数据传输功能。

1 硬件电路设计
该系统主要由监测终端、探测节点和天线等组成,硬件结构框图如图1所示。图1中,液晶显示器是处于调试需要,连接至监测终端,用以显示探测节点的编号、所传输的数据等信息。收发电路均采用直径为0.8mm的漆包线自行绕制成圆形空心线圈天线,直径为(3.4±0.3)cm。


1.1 发射电路
监测终端与探测节点的硬件电路相似,监测终端通过液晶显示探测节点的编号、所传输的数据等信息并通过5 V开关电源供电。而探测节点则没有液晶显示器,通过2节普通干电池构成3 V电源供电。发射电路使用单片机PCA寄存器产生3 MHz的振荡频率,直接控制LC谐振线圈进行振荡。C8051F330D单片机具有睡眠模式,可降低节点电路的功耗,其内部的编程计数器阵列(PCA0)提供增强的定时器功能,与标准8051的计数器/定时器相比,不占用额外的CPU资源。使用PCA0产生3 MHz的载波频率,以推挽方式输出,增大后级谐振回路的发射功率。
1.2 接收放大电路设计
使用AD8656双运放芯片组成接收放大电路。该运放适合+2.7~+5.5 V电源电压供电,是具有低噪声性能的精密双运算放大器。AD8656型CMOS放大器在满共模电压(VCM)范围内提供250 mV精密失调电压最大值,且在10 kHz处提供低电压噪声谱密度和0.008%的低真,无需外部三极管增益级或多个并行的放大器以减小系统噪声。通过干电池提供3V单电源供电,接收放大电路如图2所示。放大电路由AD8656进行两级放大,抵消线圈所感应到的信号电压幅值因距离的增加而产生的衰减,放大所接收到的微弱信号,增加无线传输距离。系统接收电路经D8656放大后的输出电压输至单片机进行A/D转换,对数据进行编解码,而未采用检波解调电路,可有效简化电路结构。



2 电路参数确定
2.1 发射电路设计计算

发射电路通过单片机片内PCA进行控制,采用单片机内部12 MHz晶振,使用频率输出方式在单片机CEXn引脚产生频率可编程的方波,所产生的方波的频率由式(1)确定。


为产生3 MHz频率,计算得PCA0CPHn=0x02,对单片机频率进行四分频,因此可通过单片机软件设置寄存器PCA0的值在PCA0口产生3 MHz载波信号。
2.2 接收电路设计计算
接收放大电路如图2所示,通过调节电容VC1调整接收谐振频率。发射电路频率为3MHz,所绕制的线圈电感值通过仪器测量为1.8~1.85 μH,通过式(2)计算所需的谐振电容


计算得C=1 501~1 543 pF,选用瓷片电容152电容和100 pF可调电容并联接入电路。
利用R1、R2对正相输入端加入一偏置电压Vr,使放大器放大电路工作。其值通过式(3)计算。


R3、R4控制电路的放大倍数,令R3=1 kΩ,R4=10 kΩ,则第一级对交流信号的放大倍数Av=R4/R3=10。为了防止信号被滤除,第二级使用反相放大电路,偏置电压不变,而增益为Av=R8/R7=5。由上述计算可知,接收信号通过运放后,总增益达到50倍,信号最大峰峰值达到2.8 V,最小峰峰值达到0.3 V,通过单片机进行A/D转换,判断信号的有无。
3 软件设计
系统通过单片机片内的A/D转换功能直接对经过放大后的正弦信号进行转换。连续检测100次,取得峰值和谷值,然后计算信号的峰峰值。由于测得噪声电平在0.15 V左右。所以当信号峰峰值大于0.3 V时,可看作已接收到信号,并通过均值滤波的方法降低误码率。
发送数据时,先发一个脉冲,随后在1.2ms内发送一个有效位,之后维持3.6 ms的低电平。连续发送8次即一个字节后,再保持约18 ms的低电平,准备发送下一个字节。
接收信号时,通过判断低电平的时间确定是否准备发送有效数据,当低电平超过9 ms时,启动接收程序。检测到脉冲后,延迟1.2 ms开始读取数据,连续读8次后,把一个字节保存起来。时序图如图3所示。


采用软件编程实现ASK调制功能,发射流程图和接收流程图分别如图4和图5所示。



4 结论
通过探测节点向监测终端发送数据,当监测终端液晶屏指示“接收成功”时,表明在该距离下可以进行通信,不断增大节点线圈与终端线圈之间的距离直到不能正常接收数据为止。测试表明,有效通信距离可以达到24 cm。在探测节点通过桥接的方式与监测终端正常通信时,测得桥接节点的平均功耗约为102 mW,而探测节点间的平均桥接距离约为20 cm。
与传统无线收发模块相比。在需要大规模、密集型部署、近距离无线通信,并且电路体积、功耗、成本受限制的场合,基于C8051F系列单片机的无线收发电路有广阏的应用前景。

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