聲表面波諧振器穩頻的無線數字通信模塊設計＊

鄭忠楷，羅志灶，蔣學程

（閩江學院 物理學與電子信息工程系，福州 350108）

引 言

在許多現代的電子設計制作中單片機已經普遍應用，然而單片機之間的通信依然存在著許多不便。常見的有串口通信、SPI總線、I2C總線、單總線等等，雖然所需線數越來越少，但這些連接畢竟都是建立在有線連接的基礎上，基本上都需要共地連接，而在很多場合不允許共地（如電力系統檢測）［1］，有的場合不允許布線（如車輛的剎車和碰撞加速度實驗、數字遙控）。這時就需要一種能夠進行無線數字信號傳輸的電路。

1 設計目的與要求

采用無線數字傳輸模塊如（nRF905、nRF401）固然能夠滿足高速率、大數據量的數字信號無線傳輸，但是其固有地址編碼和通信模式控制，多數采用SPI總線完成。對于有內部集成SPI接口的單片機而言，至少占用3個引腳來完成SCK、MOSI、MISO［2］的功能；對于沒有內部集成SPI接口的單片機，還需要通過軟件模擬SPI接口［3－4］。這樣造成了單片機的引腳和內部程序空間的浪費。同時數字傳輸模塊的價格在低成本模塊設計時也是一個要考慮的問題。因此有必要自行設計一個簡單的無線數字通信模塊，并且該模塊應該可以使用單片機都具有的通用串口（UART）完成模塊與單片機的通信。

2 電路設計

2.1 載波的選取與產生

根據我國《微功率（短距離）無線電設備管理暫行規定》中關于民用設備的無線控制裝置的頻率要求，同時綜合建筑物穿透能力、傳輸距離與器件是否方便獲取等因素，選取了315MHz作為本設計的載波頻點。315MHz可選的穩頻網絡有LC振蕩器、晶體振蕩器、聲表面波諧振器（SAWF）等。其中LC振蕩器Q值最小可用帶寬相對較大，但是其頻率穩定度受到元器件參數的影響較大，這給調試與使用帶來很大的不便。晶體振蕩器的頻率穩定度高，但是高頻的晶體振蕩器加工存在著一定的困難。

聲表面波諧振器是用石英晶體或壓電陶瓷作為基底，在其上鍍有叉指換能器（IDT）和反射柵，產生聲信號的時間延遲或振蕩，構成聲表面波延遲線或諧振器。其通過壓電材料選取和叉指換能器等參數設計，可產生不同的聲表面波頻率特性，是一種濾波器件［5］，其振蕩特性正好滿足設計要求。

2.2 調制與發射電路的設計與調試

由于使用的是聲表諧振器（Q值較高）的振蕩電路輸出作為載波，同時為了在使用串口直接輸出時調制方便，兼顧接收解調電路在這里采用的是OOK調制方式。設計的要求就是：當單片機串口TXD輸出高電平的時候電路振蕩；當其輸出低電平的時候電路停振。

可以采用如圖1所示的發射電路。電路中L1為高頻扼流圈，R1、R2為偏置電阻，C1為交流旁路電容，天線在諧振狀態下可以等效為一個純阻負載。

發射電路的交流等效電路如圖2所示。其中R1是天線等效負載。L1、C1、C2與Q1當SAWF交流短路時組成電容三點式振蕩回路，回路振蕩頻率在其特征頻率附近，通過改變L1的匝徑與匝間距可以使LC振蕩回路落在315MHz頻率附近。這樣就滿足了起振的相位條件，振蕩的幅度條件由晶體管的非線性特性保證。這時，選頻網絡包括了SAWF，因為只有頻率在315MHz時SAWF才表現為高頻短路，即把電容C1的反饋電壓送入晶體管Q1的基極。只有在TXD端高電平的時候以上條件才完全滿足；當TXD為低電平時，晶體管Q1截至，電路停振，而這正是我們需要的OOK調制形式。

圖1 發射電路

圖2 發射電路的交流等效電路

圖3 MICRF002內部電路

調試電路時，由于儀器限制，很多時候很難調整L1的匝徑與匝間距等參數。這時可以接TXD為高電平，通過短接SAWF，暫時略去其選頻功能，直接調整L1參數與后面即將提到的接收機這樣只有L1、C1、C2振蕩在315 MHz時接收電路才會有輸出，達到了調整L1參數的目的。

2.3 接收與解調電路的設計與制作

因為遙控與無線數據通信不同，遙控信號中信息量少并且可以使用脈寬編碼調制等方式使用超再生接收電路，目前實際使用的很多遙控器電路都是使用超再生接收機的。

但是，超再生電路由于其靈敏度和間歇振蕩頻率的關系決定了間歇頻率在幾十到幾百kHz左右，可用數字帶寬極小，這樣就造成了數據傳輸率的低下。所以，在本設計中采用超外差電路的方法。超外差電路需要本振、混頻、低通、低放、檢波、整形等環節，如果采用分立元件搭接，電路復雜調試不便，在此采用 Micrel公司的 MICRF002集成芯片完成一體化的超外差接收，直接完成接收、OOK解調的功能。MICRF002內部電路如圖3所示［6］。

圖3內部集成有射頻放大模塊，天線接收信號后與外接晶振倍頻后的本地振蕩混頻，經一級中頻放大后經過五階帶通濾波，再由第二級中頻放大、峰值檢波、低通濾波、比較整形一系列操作得到所需數字信號。所有這些電路均集成為一塊芯片，外部僅需3個分立元件：AGC匹配電容、低通濾波電容、晶振。當使用6MHz晶振的時候RC低通濾波的內部等效電阻約為118kΩ［6］，取低通濾波的頻率上限為9.6kbps的10倍，即96kHz，得到τ＝1／96 kHz＝RC，可知C取100pF。接收電路如圖4所示。

因為接收電路極其簡單，基本無需調試。所以，在接收電路制作完成后，前面提到的發射電路可用它來調試L、C參數。

圖4 接收電路

3 實驗結果與分析

該系統可直接利用單片機片上UART完成通信，具有元器件簡單、調試方便、占用單片機接口線少、節約程序空間等優點。在資助課題“基于電流刺激模型的新型電刺激儀”中電針遙控的實際應用場合測試，該系統在80m左右能很好地使用4.8kbps完成無線數字通信，在9.6kbps下接收存在著較低的誤碼率。其原因是接收端低通濾波參數仍不夠9.6kHz的信號帶寬使用造成的，但可使用奇偶校驗、CRC校驗等方式予以克服。經多個應用實例檢驗，本電路均能很好地完成單片機無線數字通信的任務，同時具有軟硬件資源占用少、調試基本無須高頻設備的優點。

［1］趙文濤，王志霞，李曉磊.射頻芯片nRF401在變電站無線通信中的應用［J］.自動化儀表，2005，26（7）：27－29.

［2］高章飛，朱善安.基于單片機 MSP430和nRF905的無線通信模塊［J］.機電工程，2006，23（2）：39－43.

［3］蔣博.nRF905的無線數據傳輸系統［J］.工業儀表與自動化裝置，2006（3）：59－60.

［4］肖志勇，楊小玲，李光泉.基于nRF905芯片的無線傳輸設計與實現［J］.計算機與現代化，2005（9）：121－126.

［5］趙路明，趙啟大，廖繼平，等.聲表面波諧振型氣體傳感器的研究［J］.南開大學學報：自然科學版，2010，43（1）：66－70.

［6］Micrel Inc.ICRF002＿datasheet.［EB／OL］.［2011－10］.http：／／www.micrel.com／＿PDF／micrf002－022.pdf＃page＝1.