基于CC1100的無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計

李 健 姚順才 米衛(wèi)衛(wèi)

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 太原 030051)

0 引 言

目前，無線數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用領(lǐng)域越來越多，移動通信技術(shù)飛速發(fā)展，越來越多的信息采集和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用了無線傳輸技術(shù)。本文利用VB 編寫上位機(jī)軟件，將數(shù)據(jù)通過RS232 串口下載到AT89C51 單片機(jī)，然后單片機(jī)控制CC1100 實現(xiàn)雙方穩(wěn)定通信，將接收到的數(shù)據(jù)上傳到PC 以驗證通信穩(wěn)定可靠。

1 短距離無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)對課題的分析和設(shè)計要求，本文主要是解決數(shù)據(jù)通過RS232 串口下載到單片機(jī)，然后單片機(jī)控制CC1100實現(xiàn)雙方穩(wěn)定通信，將接收到的數(shù)據(jù)上傳到PC 以驗證通信穩(wěn)定可靠，即涉及到無線傳輸?shù)脑O(shè)計。無線傳輸模塊分為兩個部分，主控制模塊控制發(fā)送模塊。現(xiàn)確定以下總體工作方案，如圖1 所示。數(shù)據(jù)通過RS23 串口下載到主控制模塊，在主控制模塊的控制下，通過計算分析，產(chǎn)生一個通信信號，然后將數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送模塊發(fā)送出去。同時無線接收模塊迅速接收到數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給從控制模塊，對信號實時控制，并上傳到PC 以驗證通信穩(wěn)定可靠。

圖1 短距離無線傳輸示意圖

2 基于CC1100 無線通信傳輸硬件電路模塊設(shè)計

硬件電路連接實現(xiàn)單片機(jī)與CC1100 芯片的接口連接。發(fā)送端與接收端硬件連接幾乎一樣，具有通用性，可以實現(xiàn)半雙工通信。由于AT89C51 單片機(jī)的供電電壓是5V，而CC1100 的供電范圍為1.8～3.6V，為了使芯片正常工作，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和分壓處理。

2.1 電壓轉(zhuǎn)換電路模塊設(shè)計

由于CC1100 的供電電壓范圍為1.8～3.6 V，超過3.6 V將會燒毀模塊。而AT89C51 單片機(jī)的供電電壓是5 V，為了使芯片正常工作，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。單電源供電時，采用LM1117T 芯片進(jìn)行5～3.3 V 電平轉(zhuǎn)換。LM1117T 是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。其壓差在1.2 V輸出，負(fù)載電流為800 mA 時為1.2 V。它與國家半導(dǎo)體的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件LM317 有相同的管腳排列。LM1117T 有5個固定電壓輸出(1.8 V、2.5 V、2.85 V、3.3 V和5 V)的型號。LM1117T 提供電流限制和熱保護(hù)。電路包含1 個齊納調(diào)節(jié)的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在 ±1%以內(nèi)。

電路圖如圖2 所示。輸入電壓經(jīng)過LM1117T 芯片轉(zhuǎn)換，電壓由單片機(jī)輸出的5 V 電壓變?yōu)?.3 V 電壓，輸出端是一個10 μF 的鉭電容，用來改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。滿足CC1100 芯片的電壓要求。

2.2 無線傳輸模塊CC1100 接口電路圖設(shè)計

CC1100 是單片射頻收發(fā)芯片，工作于420～440 MHzISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，多種低功率工作模式滿足設(shè)計的要求，并且在做系統(tǒng)節(jié)能的設(shè)計時更加方便。

圖2 電源電壓轉(zhuǎn)換原理圖

2.2.1 基于CC1100 的無線通信模塊

CC1100 與一個微控制器和少數(shù)幾個外接元件便可組成一個完整的無線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)，在本文無線傳輸?shù)脑O(shè)計中，使用51 單片機(jī)對CC1100 進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)的傳輸。圖3 是基于CC1100 的無線通信模塊電路原理圖。與LCM 的電源接口設(shè)計一樣，在CC1100 的電源供電端加入一個三極管來控制CC1100 與電源的連接，當(dāng)P3.5 輸出高電平時，三極管截止，CC1100 與電源斷開;當(dāng)P3.5 輸出低電平時，三極管導(dǎo)通，CC1100 與電源連接。在不需要CC1100進(jìn)行無線通信時將其關(guān)閉，需要時再打開，這樣做的目的也是降低功耗，延長電池的使用壽命。

圖3 CC1100 模塊電路圖

2.2.2 基于CC1100 的射頻電路PCB 設(shè)計

基于CC1100 的無線通信模塊是無線遙控開關(guān)中比較重要的組成部分，它的好壞將直接影響到系統(tǒng)的各方面性能，其中PCB 的設(shè)計是硬件設(shè)計的一個重點和難點。在對CC1100 的PCB 進(jìn)行設(shè)計時，首先要考慮元件擺放布局問題，要使射頻電路的輸入端遠(yuǎn)離輸出端，將強(qiáng)電信號和弱電信號分開，將數(shù)字信號電路和模擬信號電路分開，完成同一功能的電路應(yīng)盡量安排在一定的范圍之內(nèi)，從而減小信號環(huán)路面積，各部分電路的濾波網(wǎng)絡(luò)要就近連接，這樣不僅可以減小輻射還可以減少被干擾的幾率，提高電路的抗干擾能力。布線時，所有走線應(yīng)遠(yuǎn)離PCB 板的邊框(2 mm左右)，以免PCB 板制作時造成斷線或有斷線的隱患。電源線和地線要盡可能寬，這樣可以減少環(huán)路電阻，同時，電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛞恢拢蕴岣呖垢蓴_能力;所布信號線應(yīng)盡可能短，各元器件間的連線越短越好，以減少分布參數(shù)和相互間的電磁干擾;對于不相容的信號線應(yīng)盡量相互遠(yuǎn)離，而且盡量避免平行走線在正反兩面的信號線應(yīng)相互垂直;布線時在需要拐角的地方應(yīng)以135°角為宜，避免拐直角;焊接天線的PCB 部分不要有地線;布線時與焊盤直接相連的線條不宜太寬，走線應(yīng)盡量離開不相連的元器件;過孔不宜太大且大小要一致。無線通信模塊的PCB 設(shè)計如圖4 所示。

圖4 無線通信模塊的PCB 示意圖

2.3 單片機(jī)控制模塊電路設(shè)計

單片機(jī)工作的最小系統(tǒng)如圖5 所示，包括電源線、地線，晶振的設(shè)計。

主控芯片選用的是AT89C51 單片機(jī)，AT89C51 是一款高性能、低功耗的8Byte 微控制器，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS－51指令集和輸出管腳相兼容的單片機(jī)。具有豐富強(qiáng)大的外部接口性能，32 可編程I/O 線，可編程串行通道，片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。

3 系統(tǒng)調(diào)試

3.1 串口通信調(diào)試

首先給電路通電，通過SPI 接口把程序拷貝到AT89C51 單片機(jī)上，然后用串口調(diào)試助手發(fā)送數(shù)據(jù)，點手動發(fā)送按鈕(發(fā)送的內(nèi)容是默認(rèn)的一個網(wǎng)址)，接收到的內(nèi)容如圖6、圖7 所示，這樣，兩塊無線通信板就能成功完成對接通信。

在無線通信模塊和無線反饋控制器調(diào)試成功后，對無線通信模塊進(jìn)行了誤碼率測試，如圖8 所示。測試條件為使用串行口COM1，波特率為19 200，無校驗位，數(shù)據(jù)位為8位，停止位為1 位，測試地點為東區(qū)實驗室，測試距離為20 m，發(fā)送了17 723 個字節(jié)，錯誤字節(jié)為20 個，誤碼率為1.28‰。

圖8 無線通信模塊誤碼率測試

3.2 單片機(jī)模擬SPI 同步數(shù)據(jù)傳輸調(diào)試

本設(shè)計是數(shù)據(jù)的高速傳輸，并帶有命令的傳輸，必須保證數(shù)據(jù)的傳輸正確，否則主控單片機(jī)發(fā)送命令不成功，從控單片機(jī)接收數(shù)據(jù)不正確。為提高系統(tǒng)的可靠性，必須保證模擬SPI 口的可靠性。現(xiàn)在采用示波器采集數(shù)據(jù):A.單片機(jī)控制無線模塊A 的CLK1 和DATA 發(fā)出的數(shù)據(jù);B.單片機(jī)控制無線模塊B 的CLK1 和DATA 發(fā)出的數(shù)據(jù)。通過示波器檢測引腳信號的對應(yīng)情況來檢測單片機(jī)與無線傳輸模塊同步通信的正確性。

單片機(jī)要求發(fā)出的數(shù)據(jù)應(yīng)與無線模塊引腳CLK1 和DATA 發(fā)出的數(shù)據(jù)完全符合。圖9 上部分為無線傳輸模塊A 時鐘CLK1，下部分模塊A 的DATA 引腳發(fā)出的數(shù)據(jù)。從圖9 中可以看出，發(fā)出的數(shù)據(jù)為:0 ×54，與程序設(shè)定值完全匹配。圖10 上部分為時鐘，下部分為從機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)。從圖10 中可以看出，發(fā)出的數(shù)據(jù)為:0 ×33，與程序設(shè)定值完全匹配。

圖9 無線模塊A 的CLK1 與DATA 發(fā)出的數(shù)據(jù)

圖10 無線模塊B 的CLK1 與DATA 發(fā)出的數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

本文著重介紹了無線數(shù)傳模塊CC1100 的使用與開發(fā)，詳細(xì)的說明了在本次設(shè)計過程中遇到的實際問題，以及解決方案。實驗驗證此模塊傳輸速率高，抗干擾能力強(qiáng)，誤碼率低，有效的距離范圍為30～40 m，有障礙的情況下，傳輸距離有所下降，出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。

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