無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(論文)1

1、蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）目 錄第一章 概述 （2）第二章 無線收發(fā)芯片nRF401工作原理 （3）第2.1節(jié) 芯片特點(diǎn) （3）第2.2節(jié) 芯片內(nèi)部框圖 （3）第2.3節(jié) 芯片的主要特點(diǎn)及電氣特性 （5）第2.4節(jié) 芯片典型應(yīng)用 （6）第三章 無線數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) （7）第3.1節(jié) nRF401無線收發(fā)模塊 （7）第3.2節(jié) 單片機(jī)與無線收發(fā)控制器的接口 （8）第3.3節(jié)多機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)框圖 （9）第四章 無線數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) （10）第4.1節(jié) 時(shí)序參數(shù)與通訊協(xié)議 （10）第4.1.1節(jié) 工作時(shí)序 （10）第4.1.2節(jié) 通信協(xié)議 （12）第4.2節(jié) 軟件流程圖 （13）第五章

2、擴(kuò)展性能及相關(guān)問題的處理 （15）第5.1節(jié) 通訊距離的擴(kuò)展 （15）第5.1.1節(jié) 影響無線通信距離的主要因素（15）第5.1.2節(jié) 加大功率提高通信距離（16）第5.1.3節(jié) 采用高增益天線提高通信距離（17）第5.2節(jié) 常見問題及解決辦法（18）第5.2.1節(jié) 發(fā)送和接收頻率問題（18）第5.2.2節(jié) PCB布局和去藕設(shè)計(jì)指南（18）結(jié)束語 （21）參考文獻(xiàn) （22）致謝 （23）23 無 線 數(shù) 據(jù) 通 信 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì)06測控：許云峰 指導(dǎo)老師：朱桂榮【摘 要】文章利用無線收發(fā)芯片nRF401實(shí)現(xiàn)以單片機(jī)為控制系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)通信，并給出單片機(jī)控制nRF401硬件和通信軟件的具體

3、設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率較快，可靠性高，適于多種應(yīng)用領(lǐng)域?！娟P(guān)鍵詞】nRF401 無線數(shù)據(jù)通信 單片機(jī) Abstract：This article recommended the wireless communication about microcomputers which utilizes nRF401, the hardware and software design which the singalchip computer controls the nRF401 is given. The systems performance is good and its functions

4、can expanded easily, so it can be applied in many regions.Keywords： nRF401 wireless data communication micro computer第一章 概 述nRF401是NORDIC公司最新推出的單片無線收發(fā)一體的芯片，在一個(gè)20腳的芯片中包括了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制、FSK解調(diào)、多頻道切換，是目前集成度最高的無線數(shù)傳產(chǎn)品，目前國內(nèi)的工業(yè)微機(jī)測控網(wǎng)絡(luò)多為有線通信方式，有線通信的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸可靠性較高，但需鋪設(shè)較多明線，而有些生產(chǎn)領(lǐng)域由于條件所限，難以鋪設(shè)線路，這時(shí)就需要無線通信來解

5、決問題。本文利用無線收發(fā)芯片nRF401實(shí)現(xiàn)了以單片機(jī)為控制系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)通信, nRF401無線收發(fā)芯片性能領(lǐng)先業(yè)界，其顯著特點(diǎn)是外圍元件較少(約個(gè))，在設(shè)計(jì)上充分考慮了用戶編程和使用的方便，例如nRF401可以直接接單片機(jī)串口發(fā)送接收數(shù)據(jù)，而無需對數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，其他的單片收發(fā)芯片一般都需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼后才能發(fā)送，采用曼徹斯特編碼不僅增加了編程的復(fù)雜性，而且傳輸效率低，實(shí)際速率僅為標(biāo)稱的一半，不能滿足實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枰?。而nRF401 系列獨(dú)特的技術(shù)可以直接傳送單片機(jī)串口數(shù)據(jù)，目前還沒有其他廠商能做到這一點(diǎn)。 nRF401是目前外接元件最少的單片收發(fā)芯片之一，采用易于獲得的4M

6、Hz晶振，通過頻率合成器合成433MHz的工作頻率，大大降低了成本，增加了使用的靈活性，而其他產(chǎn)品大多需要外接昂貴的變?nèi)荻O管或表面波振子。系統(tǒng)性能較好，適于多種應(yīng)用領(lǐng)域，有較大推廣價(jià)值。并對單片機(jī)間的多機(jī)通信技術(shù)做了較深入的探討，對系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)做了較詳細(xì)的介紹。第二章 無線收發(fā)芯片nRF401工作原理第2.1節(jié) 芯片特點(diǎn)nRF401無線收發(fā)芯片是北歐集成電路公司（NORDIC）公司最新推出的一種集發(fā)射和接收為一體的真正單片UHF無線數(shù)傳芯片，采用藍(lán)牙核心技術(shù)設(shè)計(jì)，它在一個(gè)20腳雙列直插封裝的芯片中包括了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制、FSK解調(diào)、多頻道切換等功能，是目前集成度最高

7、的無線數(shù)傳產(chǎn)品。nRF401采用抗干擾能力強(qiáng)的調(diào)制方式，采用了移頻鍵控進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，能夠以20Kbps的比特率進(jìn)行無線數(shù)據(jù)的傳輸，發(fā)射功率可以調(diào)整，最大發(fā)射功率是+10dBm。nRF401的天線接口設(shè)計(jì)為差分天線，以便于使用低成本的PCB天線。它要求非常少的外圍元件（約10個(gè)），無需聲表濾波器、變?nèi)莨艿劝嘿F的元件，只需要便宜且易于獲得的4MHz晶體，收發(fā)天線合一。無需進(jìn)行初始化和配置，不需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，工作速率最高可達(dá)20Kbit/s，開闊地的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000M，工作在ISM頻率433MHz和雙信道頻率433.92/434.33MHz，工作電壓范圍可以從2.7至5V，還具有

8、待機(jī)模式，可以更省電、更高效。以往設(shè)計(jì)無線數(shù)傳產(chǎn)品往往需要相當(dāng)?shù)臒o線電專業(yè)知識(shí)和價(jià)格高昂的專業(yè)設(shè)備，傳統(tǒng)的電路方案不是電路繁瑣就是調(diào)試?yán)щy，令人望而卻步，影響了用戶的使用和新產(chǎn)品的開發(fā)，nRF401的出現(xiàn)使人們擺脫了無線產(chǎn)品設(shè)計(jì)的困難，nRF401采用抗干擾能力強(qiáng)的FSK移頻鍵控調(diào)制方式，直接數(shù)據(jù)輸入輸出，特別適合工業(yè)場合。采用DSS+PLL頻率合成技術(shù)，工作頻率穩(wěn)定可靠，外圍元件少，便于設(shè)計(jì)生產(chǎn)，功耗極低，適合于便攜及手持產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，由于采用了低發(fā)射功率，高接收靈敏度的設(shè)計(jì)，滿足無線管制要求，無需使用許可證，是目前低功率無線數(shù)傳的理想選擇，可廣泛用于遙控、遙測、小型無線網(wǎng)絡(luò)、無線抄表、門禁系

9、統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線標(biāo)簽、身份識(shí)別、非接觸RF智能卡、小型無線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、生物信號(hào)采集、水文氣象監(jiān)控、機(jī)器人控制、無線232數(shù)據(jù)通信、無線485/422數(shù)據(jù)通信、無線數(shù)字語音、數(shù)字圖像傳輸?shù)取５?.2節(jié) 芯片內(nèi)部框圖5內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括發(fā)射電路、接收電路、模式和低功耗控制邏輯電路及串行接口幾部分，可分為高頻接收/發(fā)射、PLL合成、FSK調(diào)制/解調(diào)和雙頻切換等單元。發(fā)射電路包含有：射頻功率放大器、鎖相環(huán)（PLL）、壓控振蕩器（VCO）、頻率合成器等電路。基準(zhǔn)振蕩器采用外接晶體振蕩器，產(chǎn)生電路所需的基準(zhǔn)頻率（如圖2.1），和各管腳的作用（如表2.1）。圖2.1

10、芯片內(nèi)部框圖表2.1管腳描述管腳名稱功能說明1XC1輸入晶振輸入2VDD電源電源+3-5V3VSS地電源地4FILT1輸入環(huán)路濾波器5VCO1輸入VCO電感6VCO2輸入VCO電感7VSS地電源地8VDD電源電源+3-5V9DIN輸入數(shù)據(jù)輸入10DOUT輸出數(shù)據(jù)輸出11RF PWR輸入發(fā)射功率設(shè)置12CS輸入頻道選擇CS=0433.92MHz(channel#1)CS=1434.33MHz(channel#2)13VDD電源電源+3-5V14VSS地電源地15ANT2輸入/輸出天線終端16ANT1輸入/輸出天線終端17VSS地電源地18PWR-UP輸入節(jié)電控制PWR-UP=1Power up(

11、Operating Mode)PWR-UP=2Power down(Standby Mode)19TXEN輸入發(fā)射/接受控制TXEN=1Transmit modeTXEN=2Receive mode20XC2輸出晶振輸出nRF401非常適合用于無線數(shù)據(jù)傳輸；另外nRF401也可以用來傳輸數(shù)字語音以及數(shù)字圖像，此時(shí)需與A/D、D/A配合。nRF401在設(shè)計(jì)上充分考慮了用戶編程和使用的方便，例如nRF401可以直接接單片機(jī)串口發(fā)送接收數(shù)據(jù)，而無需對數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，其他的單片RF收發(fā)芯片一般都需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼后才能發(fā)送，采用曼徹斯特編碼不僅增加了編程的復(fù)雜性，而且傳輸效率低，實(shí)際速率

12、僅為標(biāo)稱的一半，不能滿足實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枰RF401是目前外接元件最少的單片RF收發(fā)芯片之一，在為用戶考慮方面做得很好，例如采用易于獲得的4MHz晶振，大大降低了成本并增加了使用的靈活性；把成本較高且不易調(diào)試的變?nèi)荻O管集成在芯片內(nèi)部。第2.3節(jié) 芯片的主要特點(diǎn)及電氣特性5主要特點(diǎn)：l 工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻段433MHz。 l FSK調(diào)制，直接數(shù)據(jù)輸入輸出，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場合。l 采用DSS+PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好。l 靈敏度高，達(dá)到-105dBm。l 功耗小，待機(jī)狀態(tài)僅為8uA。l 低工作電壓（2.7V），可滿足低功耗設(shè)備的要求。l 具有多個(gè)頻道，可方便地切

13、換工作頻率，特別滿足需要多信道工作的特殊場合。l 工作速率最高可達(dá)20Kbit/S。l 僅外接一個(gè)晶體和幾個(gè)阻容、電感元件，基本無需調(diào)試。由于采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設(shè)計(jì)，使用無需申請?jiān)S可證，開闊地的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000米（與具體使用環(huán)境及元件參數(shù)有關(guān)），見表2.2。表2.2 電氣特性：nRF401工作頻段433MHz信道數(shù)2功能發(fā)射/接收穩(wěn)頻方式PLL調(diào)制方式FSK最大輸出功率+10dBm靈敏度-105dBm最大工作速率20Kbit/s工作電壓2.7-5.2V封裝20SOIC第2.4節(jié) 芯片典型應(yīng)用可廣泛用于遙控、遙測、小型無線網(wǎng)絡(luò)、無線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

14、、無線標(biāo)簽、身份識(shí)別、非接觸RF智能卡、小型無線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、生物信號(hào)采集、水文氣象監(jiān)控、機(jī)器人控制、無線232數(shù)據(jù)通信、無線485/422數(shù)據(jù)通信、無線數(shù)字語音、數(shù)字圖像傳輸?shù)取５谌?無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)第3.1節(jié) nRF401無線收發(fā)模塊nRF401在設(shè)計(jì)上充分考慮了用戶編程和使用的方便， nRF401可以直接接單片機(jī)串口發(fā)送接收數(shù)據(jù)，而無需對數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，其他的單片RF收發(fā)芯片一般都需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼后才能發(fā)送，采用曼徹斯特編碼不僅增加了編程的復(fù)雜性，而且傳輸效率低，實(shí)際速率僅為標(biāo)稱的一半，不能滿足實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枰?。nRF401是目前外接元件

15、最少的單片RF收發(fā)芯片之一，在為用戶考慮方面做得很好，例如采用易于獲得的4MHz晶振，大大降低了成本并增加了使用的靈活性；把成本較高且不易調(diào)試的變?nèi)荻O管集成在芯片內(nèi)部。ANT1和ANT2是接收時(shí)LNA的輸入，以及發(fā)送時(shí)功率放大器的輸出。連接nRF401的天線是以差分方式連接到nRF401上去的，在天線端推薦使用的負(fù)載阻抗是400。以nRF401為核心的無線收發(fā)器電路原理圖（如圖3.1），其中DI、DO分別是nRF401的串行輸入、輸出通道；ANT1和ANT2為兩條信道。圖3.1無線收發(fā)器電路原理圖nRF401有三種工作模式：收模式、發(fā)模式和等待模式。在等待模式下，系統(tǒng)的功耗可以達(dá)到很小的值。

16、兩個(gè)通信信道分別為433.92MHz和434.33MHz。nRF401的工作模式主要由三個(gè)引腳設(shè)定，分別是TXEN,CS和PWR。若PWR=0，TXEN和CS任意，系統(tǒng)為待機(jī)狀態(tài)；若TXEN=1，系統(tǒng)為發(fā)送狀態(tài)；TXEN=0，系統(tǒng)為接收狀態(tài)；CS為信道的選通端，CS=0選通信道ANT1、CS=1選通信道ANT2，表3.1為nRF401的工作模式真值表。輸入電平工作模式TXENCSPWR-UP頻道模式0011RX0112RX1011TX1112TXXX0-待機(jī)表3.1 nRF401的工作模式真值表因此可通過單片機(jī)控制nRF401的工作模式，使其處于接收、發(fā)射、等待任一種狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)雙工通信。由于無

17、線通信的外部條件較為惡劣，對系統(tǒng)的要求比較高，單片機(jī)以其可靠的穩(wěn)定性能夠滿足要求。第3.2節(jié) 單片機(jī)與無線收發(fā)控制器的接口4為此本系統(tǒng)采用無線收發(fā)控制模塊，它的功能是通過單片機(jī)控制nRF401協(xié)調(diào)從機(jī)與主機(jī)之間的通信，單片機(jī)控制由主機(jī)向從機(jī)發(fā)送地址幀和命令幀，同時(shí)接收從機(jī)上傳的數(shù)據(jù)。單片機(jī)則通過串口與nR401通信。具體硬件借口電路圖（如圖3.2）所示。圖3.2 無線收發(fā)控制模塊原理圖單片機(jī)的P1.2，P1.1，P1.0分別與nRF401的CS，PWR，TXEN相接，以控制nRF401的工作模式。第3.3節(jié) 多機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)框圖本系統(tǒng)利用nRF401無線收發(fā)芯片成功實(shí)現(xiàn)了以單片機(jī)為控制系統(tǒng)的無線數(shù)

18、據(jù)通信，組成了一臺(tái)單片機(jī)作為主控機(jī)，多臺(tái)單片機(jī)系統(tǒng)為分機(jī)的無線通訊網(wǎng)絡(luò)，它以一臺(tái)單片機(jī)機(jī)作為主控機(jī)，i臺(tái)單片機(jī)作為從機(jī)(i=1,2,N)，組成了微機(jī)網(wǎng)絡(luò)。主機(jī)向眾多從機(jī)發(fā)出地址，從機(jī)接收到以后，均與本機(jī)地址相比較，若不相符則退出，相符則回發(fā)本機(jī)地址作為應(yīng)答，主控機(jī)接收到從機(jī)回發(fā)地址以后，立即向響應(yīng)從機(jī)發(fā)出命令，從機(jī)接收到命令，經(jīng)判別后執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作1。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（如圖3.3）所示。nRF401收發(fā)器單片機(jī)系統(tǒng)（主機(jī)）圖3.3 單片機(jī)系統(tǒng)多機(jī)無線數(shù)據(jù)通信組成框圖單片機(jī)系統(tǒng)（從機(jī)）No.1nRF401收發(fā)器通道1通道n單片機(jī)系統(tǒng)（從機(jī)）No.nnRF401收發(fā)器通道1通道n第四章 無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的

19、軟件設(shè)計(jì)第4.1節(jié) 通訊模塊工作時(shí)序與通訊協(xié)議第4.1.1節(jié) 工作時(shí)序l nRF401的重要時(shí)序參數(shù)5nRF401在不同工作模式下的時(shí)序如表4.1所示表4.1 nRF401在不同工作模式下的時(shí)序表控制模式名稱最大延時(shí)條件TXRXtTR3ms連續(xù)工作RXTXtRT1msStd.byTXtST2msStd.byRXtSR3msVDD=0TXtVT4ms上電VDD=0RXtVR5msTX與RX之間的切換當(dāng)從RX模式切換到TX模式時(shí)，數(shù)據(jù)輸入腳（DIN）必須保持為高至少1ms才能發(fā)送數(shù)據(jù)，時(shí)序圖（如圖4.2）所示。RX TO TXVDDPWR-UPTXENDIN 圖4.2 RX模式到TX模式的切換時(shí)序

20、圖 1ms 0 2 4 ms Standby與RX之間的切換 Std.by to RXVDDPWR-UPTXENDOUT圖4.3 Standby模式到RX模式的切換時(shí)序圖從待機(jī)模式到接收模式，當(dāng)PWR-UP輸入設(shè)置為1時(shí)，經(jīng)過tSR時(shí)間后，DOUT腳輸出數(shù)據(jù)才有效。對于nRF401來說tST 最長的時(shí)間是3ms，如圖4.3所示 3ms 0 2 4 ms Standby與TX之間的切換 從待機(jī)模式到發(fā)射模式，所需穩(wěn)定的最大時(shí)間是tST，如圖4.4所示。VDDPWR-UPTXENtd.by to TX DIN圖4.4 Standby 模式到TX模式的切換時(shí)序圖 1ms 1ms 0 2 4 ms P

21、ower Up與TX之間的切換從加電到發(fā)射模式過程中，為了避免開機(jī)時(shí)產(chǎn)生的干擾和輻射，在上電過程中TXEN的輸入腳必須保持為低，以便于頻率合成器進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。當(dāng)由上電進(jìn)入發(fā)射模式時(shí)，TXEN必須保持1ms以后才可以往DIN發(fā)送數(shù)據(jù)l nRF401的節(jié)能控制PWR-UP選擇工作模式和待機(jī)模式PWR-UP=1 選擇正常工作模式PWR-UP=0 選擇待機(jī)模式第4.1.2節(jié) 通信協(xié)議根據(jù)89C52串行口的多機(jī)通信能力，多機(jī)通信可以按以下協(xié)議進(jìn)行：（1）首先使所有從機(jī)置SM2=1，處于只接收地址幀監(jiān)聽狀態(tài)。（2）主機(jī)先發(fā)送以地址幀信息，并令第九位TB8=1，表示發(fā)送的是地址。（3）從機(jī)接收到地址幀后

22、，各自將接收地址與本機(jī)地址相比較，相同則使SM2=0，以接收主機(jī)隨后發(fā)來的數(shù)據(jù)；不同則SM2依然為1不變，對主機(jī)隨后發(fā)來的數(shù)據(jù)不予理睬。（4）從機(jī)向主機(jī)回送本機(jī)地址，主機(jī)接收到后，與原發(fā)送地址相比較，相同則置TB8=0，正式發(fā)送數(shù)據(jù)信息，否則重新聯(lián)絡(luò)。由于主機(jī)TB8=0，選中的從機(jī)必有SM2=0，RB8=0，接收到數(shù)據(jù)幀后，置RI=1，數(shù)據(jù)送入SBUF；而未被選中從機(jī)，由于SM2=1，RB8=0，RI不置位，信息丟失。主機(jī)通過無線收發(fā)控制器發(fā)送給從機(jī)的數(shù)據(jù)分兩種：地址幀和命令幀；從機(jī)上傳的只有數(shù)據(jù)幀。幀格式如下：起DOD1D2D3D4D5D6D7D8停啟、停位各占1位，數(shù)據(jù)位7位。其中第9位是

23、SCOX中的TB8，它是多機(jī)通信時(shí)發(fā)送地址位（TB8=1）和數(shù)據(jù)位（TB8=0）的標(biāo)志。地址幀D0D7全為地址時(shí)，編號(hào)為00HFFH，即網(wǎng)絡(luò)中最多可有256臺(tái)從機(jī)。命令幀D4D7為命令類別編號(hào)，最多可安排16條不同指令；D0D3為執(zhí)行通道號(hào)，最多可有15個(gè)執(zhí)行通道，編號(hào)為01HFFH，另外編號(hào)00H表示對所有通道執(zhí)行相同命令。對于后兩條命令D0D3無效。表4.2為本系統(tǒng)所設(shè)定的具體命令。表4.2 系統(tǒng)命令D7D6D5D4命令意義0000采集相應(yīng)通道模擬量并上傳數(shù)據(jù)0001打開相應(yīng)執(zhí)行通道0010關(guān)斷相應(yīng)執(zhí)行通道0011上傳本機(jī)工作狀態(tài)0100與主機(jī)校時(shí)例如某從機(jī)與主機(jī)聯(lián)絡(luò)上后，接收到主機(jī)發(fā)來的

24、命令為H（00000000），則采集所有通道模擬量并上傳數(shù)據(jù)。第4.2節(jié) 軟件流程圖l 單片機(jī)與無線通訊模塊通信軟件3采用查詢方式的通信程序通常使單片機(jī)負(fù)擔(dān)較重，本系統(tǒng)從機(jī)采用中斷方式實(shí)現(xiàn)串口通信，以提高效率。下面給出串口中斷服務(wù)程序流程圖，見圖4.5，同時(shí)給出單片機(jī)的處理程序。 開 始CLR RI保護(hù)現(xiàn)場主機(jī)發(fā)地址嗎？是本機(jī)地址嗎？SM2=0向主機(jī)回送本機(jī)地址接收下一幀是命令幀？命令散轉(zhuǎn)命 令1命 令2命 令n命 令3SM2=1恢復(fù)現(xiàn)場返回圖4.5 串口中斷服務(wù)程序流程圖 N Y N Y Y Y N Y Y第五章 擴(kuò)展性能及相關(guān)問題的處理第5.1節(jié) 通訊距離的擴(kuò)展在無線應(yīng)用中設(shè)計(jì)者通常會(huì)要求

25、:“我需要在我的系統(tǒng)中達(dá)到最遠(yuǎn)的距離”，實(shí)際上設(shè)計(jì)者應(yīng)該考慮的是“我需要的距離是多少”。因?yàn)榫嚯x與性能、以及成本等有密切關(guān)系。 理論估算: 視線距離（LOS） 選擇合適的工作頻段 目標(biāo)價(jià)格 滿足法規(guī)要求 障礙物 (如室內(nèi)) 周圍場地 (盒子, 其他應(yīng)用中涉及的硬件) 在某些場合下需要盡可能遠(yuǎn)的通信距離，如何達(dá)到這一點(diǎn)，需要進(jìn)行多方面的考慮。第5.1.1節(jié) 影響無線通信距離的主要因素 圖5.1是一個(gè)無線通信系統(tǒng)的信道模型，在工作頻率固定的前提下，影響工作距離的主要因素包括發(fā)射功率、發(fā)射天線增益、傳播損耗、接收天線增益、接收機(jī)靈敏度等，通過加大發(fā)射功率，提高天線增益，提高接收機(jī)靈敏度均起到提高通信

26、距離的作用2。 圖5.1無線通信系統(tǒng)的信道模型在影響無線通信距離的以上幾個(gè)因素中，作為設(shè)計(jì)者可以控制的因素有： 接收靈敏度 RX 天線增益(loss) TX 天線增益(loss) 發(fā)射輸出功率作為設(shè)計(jì)者不能控制的因素，以下這些因素是由無線電波的特點(diǎn)所決定的，無法由設(shè)計(jì)者改變及選擇： 傳輸損耗 路徑損耗 多徑損耗 周圍環(huán)境的吸收傳輸損耗包括自由空間損耗和其他傳輸損耗，所謂自由空間傳播系指天線周圍為無限大真空時(shí)的電波傳播，它是理想傳播條件，自由空間傳播損耗與距離和工作頻率有關(guān)。下面的公式說明在自由空間下電波傳播的損耗: Los(dB)=32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz) Los

27、是傳播損耗，單位為dB；d是距離，單位是km；f是工作頻率，單位是MHz。由上式可見，自由空間中電波傳播損耗（亦稱衰減）只與工作頻率f和傳播距離d有關(guān)，當(dāng)f或d增大一倍時(shí)，Los將分別增加6dB。第5.1.2節(jié) 加大功率提高通信距離在設(shè)計(jì)者可以控制的因素中，接收靈敏度、天線增益、發(fā)射功率都是可以作為提高通信距離的手段，通常設(shè)計(jì)者會(huì)考慮采用加大發(fā)射功率的方式來提高通信距離，但這不是一個(gè)好的辦法。有的設(shè)計(jì)者考慮到加大發(fā)射功率可以提高通信距離，但是沒有考慮到其他不理想的因素： （1）加大功率后，帶來高電流消耗。由于功率放大器的轉(zhuǎn)換效率較低，這對于便攜設(shè)備是非常不利的。（2）增加系統(tǒng)的成本。圖5.2是

28、采用加大功率的方式，由圖中可以看到需要增加LNA（低噪聲放大器）、PA（功率放大器）、T/R（收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)），這些部分大約需要增加40多個(gè)元件，會(huì)增加較高的成本，發(fā)射功率可能只增加一點(diǎn)，功耗增加很大，達(dá)數(shù)百毫安以上。（3）無線電噪聲 由于加大功率會(huì)產(chǎn)生較大的諧波干擾和噪聲，并會(huì)對通信造成其他影響，反而會(huì)影響通信距離。 圖5.2 加大功率的方式 第5.1.3節(jié) 采用高增益天線提高通信距離用高增益天線來提高距離（如圖5.3）具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）集成天線，體積較小；（2）成本低于采用增加功放的方式；（3）與其他方案相比非常簡單；（4）無需增加額外的功耗和增加外圍元件。 圖5.3 采用高增益天線來達(dá)到

29、遠(yuǎn)距離無線通信的設(shè)計(jì)以下舉例采用高增益天線與采用Loop低增益天線的通信距離對比：（1）采用環(huán)形天線: f0: 434 MHz (= 0.69 m) Pt: 10 dBm Gtx_ant:-17.7dB(35×20loop天線) Grx_ant:-22dB(25×15loop天線) S: -105 dBm LP=S-Pt-Gtx_ant-Grx_ant= -75.3 dB（2）采用0dB增益天線 f0: 434 MHz (= 0.69 m) Pt: 10 dBm Gtx_ant: 0 dB 天線 Grx_ant: 0 dB 天線 S: -105 dBm LP=S-Pt-Gt

30、x_ant-Grx_ant= -115 dB這是理想狀況下的傳輸距離，實(shí)際的應(yīng)用中是會(huì)低于該值，這是因?yàn)闊o線通信要受到各種外界因素的影響，如大氣、阻擋物、多徑等造成的損耗，將上述損耗的參考值計(jì)入上式中，即可計(jì)算出近似通信距離。 假定大氣、遮擋等造成的損耗為25dB，可以計(jì)算得出通信距離為：d =1.7km。由此也可看出傳播損耗對數(shù)據(jù)傳輸可靠性的影響是很大的。由于無線通信環(huán)境的不確定性，預(yù)測各種環(huán)境下的傳輸效果是不可能的，取決于以下因素的影響:路徑損耗,建筑物影響,人體影響, 外界干擾，多徑現(xiàn)象，周圍環(huán)境的吸收等。我們只能在一個(gè)給定的條件下進(jìn)行測試和評估。在我們的測試中，兩端均離地面1.5m高時(shí)

31、，開闊地通信距離可達(dá) 1600m。采用高增益天線來提高通信距離是低功率無線應(yīng)用擴(kuò)展通信的較好辦法。第5.2節(jié) 常見問題及解決辦法第5.2.1節(jié) 發(fā)送和接收頻率問題：為了獲得最好的RF性能，發(fā)射和接收頻率誤差不能超過70ppm（30KHz）,這就要求晶體的穩(wěn)定度不能低于+35ppm，頻率的差異將會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)靈敏度產(chǎn)生-12dB/倍程的損失。例如一個(gè)振幅+20ppm頻率精度和在溫度范圍內(nèi)+25ppm穩(wěn)定度的晶體，最大的頻率誤差將會(huì)超過+45ppm。 如果發(fā)射機(jī)和接收機(jī)工作在不同的溫度環(huán)境，在最差的情況下兩邊的誤差將會(huì)超過90ppm，其結(jié)果將會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)靈敏度下降將近5dB。第5.2.2節(jié) PCB布

32、局和去藕設(shè)計(jì)指南：(1)PCB布局為減小來自噪聲模塊及周邊模擬部分的干擾，各電路模塊在板上的排布是重要的.應(yīng)總是將敏感的模塊（RF部分和天線）遠(yuǎn)離噪聲模塊（微控制器和RS-232驅(qū)動(dòng)器）以避免干擾.(2)屏蔽RF信號(hào)對其它模擬部分的影響如上所述，RF信號(hào)在發(fā)送時(shí)會(huì)對其它敏感模擬電路模塊如ADC造成干擾.大多數(shù)問題發(fā)生在較低的工作頻段（如27MHz)以及高的功率輸出水平.雖然400MHz以上的頻率很少造成問題，仍用RF去耦電容(100pF)連接到地來去耦敏感點(diǎn)是一個(gè)好的設(shè)計(jì)習(xí)慣.(3)在板環(huán)形天線(Loop antenna)的特別考慮天線可以整體做在PCB上.對比傳統(tǒng)的鞭狀天線，不僅節(jié)省空間和生

33、產(chǎn)成本，機(jī)構(gòu)上也更穩(wěn)固可靠.慣例中環(huán)形天線設(shè)計(jì)應(yīng)用于相對較窄的帶寬.這有助于抑制強(qiáng)的不需要的信號(hào)以免干擾接收器.應(yīng)注意到環(huán)形天線（正如所有其它天線）可能收到由附近噪聲信號(hào)線路容性耦合的噪聲.它會(huì)干擾接收器，也可能影響發(fā)送器的調(diào)制.因此在天線附近一定不要排布數(shù)字信號(hào)線路，并建議在天線周圍保持自由空間.接近天線的任何物體都將構(gòu)成調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)的一部分而導(dǎo)致天線調(diào)諧偏離預(yù)想的頻點(diǎn)，使收發(fā)輻射范圍（距離）減小.對于所有的各類天線必須注意這一事實(shí)，電路板的外殼（外圍包裝）也可能影響天線調(diào)諧，因此將天線安裝在外殼里后最終調(diào)諧天線是很重要的.同時(shí)應(yīng)注意去除天線面積處的地線層面，否則天線不能有效工作.(4)RF去耦去耦電容應(yīng)該放置在盡可能靠近引腳的位置.每個(gè)需要去耦的引腳處都應(yīng)采用電容去耦.采用高品質(zhì)的陶瓷電容，介電類型最好是"NP0","X7R"在大多數(shù)應(yīng)用中也能較好工作.理想的選擇電容值應(yīng)使其串聯(lián)諧振等于信號(hào)頻率.例如434MHz時(shí)，SMD貼裝的100pF電容將良好工作.此頻率時(shí)，電容的容抗約為4歐姆.過孔的感抗也在同樣范圍.串聯(lián)的電容和過孔對于信號(hào)頻率形成一個(gè)陷波