基于51单片机的近距离无线接收发模块设计

2013 届本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）开题报告题目 基于单片机的近距离无线接收发模块专 业 名 称 电子信息工程班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 填 表 日 期 20 年 3 月 15 日2013 届本科毕业设计（论文）一、选题的依据及意义：目前，随着短距离无线数据业务迅速膨胀，近距离无线通信技术呈现出良好的发展势头。受到越来越多人的关注。因为在现实生活中存在着许多这样的应用情况，系统需要实时传输小量的突发信号，当然传统的无线通信技术虽然能够满足要求，但免不了存在成本高，体积大，功耗大的问题，这时成本小，体积小，功耗低的短距离无线通信技术就发挥了它的优势，尤其在传统无线通信系统难于或者不便于覆盖到的区域，短距离无线通信技术可以在近距离范围内实现相互通信或相关操作。但是当今信息技术高速发展，形成了令人眼花缭乱的无线通信协议和产品。如何能够低成本、方便快捷的实现近距离无线通信，使它能够广泛应用在工业无线控制系统、家庭智能化建设、小型无线数据终端等无线传输系统中，成了一个很值得研究的课题。近距离无线通信技术的应用前景非常看好。比如利用传感器和网络可以实现医疗中的远程监测病人身体状况，实现家庭自动化中的照明设备、空调设备、门禁系统的远程控制，实现工业生产中的数据自动采集和处理，农业生产中的自动化、网络化和智能化。另外还可用在数字办公环境中，减少线缆布放的麻烦，提供高速数据传输。我们有理由相信在不远的将来会有越来越多的近距离无线通信功能的设备进入我们的生活，并将极大地改变我们的生活方式。2、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）：从七十年代起，人们就开始了无线网的研究。在整个八十年代，伴随着以太局域网的迅猛发展，具有不用架线、灵活性强等优点的无线网以己之长补“有线”所短，也赢得了特定市场的认可。到 1997 年 6 月，IEEE 终于通过了 802.11 标准，无线通信和有线通信协议开始兼容。对应用来说，某种程度上的“兼容”就意味着竞争开始出现；而在 IT 这个行业，“兼容”，就意味着“十倍速时代”降临了。在MAC 层以下，802.11 规定了三种发送及接收技术：扩频技术；红外技术；窄带技术。而扩频又分为直接序列扩频技术和跳频扩频技术。而在近距离无线通信方面，出现的有影响力的技术主要有三种,分别是红外线技术、蓝牙传输、NFC 技术。红外线 IrDA，简称 IR，可以进行无线数据的传输。自 1974 年发明以来，得到很普遍的应用，如红外线鼠标，红外线打印机，红外线键盘等等。红外传输是一种点对点的传输方式，无线，不能离的太远，要对准方向，且中间不能有障碍物也就是不能穿墙而过，几乎无法控制信息传输的进度；IrDA 已经是一套标准，IR 收/发2013 届本科毕业设计（论文）的组件也是标准化产品。红外传输有很大的局限性，于是出现了一种新的无线通信技术：蓝牙。蓝牙，对于手机乃至整个 IT 业而言已经不仅仅是一项简单的技术，而是一种概念。当蓝牙联盟信誓旦旦地对未来前景作着美好的憧憬时，整个业界都为之震动。蓝牙的创始人是瑞典爱立信公司，爱立信早在 1994 年就已进行研发。1997 年，爱立信与其他设备生产商联系，并激发了他们对该项技术的浓厚兴趣。1998 年 2 月，5 个跨国大公司，包括爱立信、诺基亚、IBM、东芝及 Intel 组成了一个特殊兴趣小组，他们共同的目标是建立一个全球性的小范围无线通信技术，即现在的蓝牙。它广泛应用于世界各地，可以无线连接手机、便携式计算机、汽车、立体声耳机、MP3播放器等多种设备。由于有了“配置文件”这一独特概念，Bluetooth 产品不再需要安装驱动程序软件。此技术现已推出第四版规格，并在保持其固有优势的基础上继续发展。蓝牙无线技术是现在市场上唯一得到认可的主导短距离无线技术。目前应用最为广泛的是 Bluetooth2.0+EDR 标准，该标准在 2004 年推出，支持该标准的产品也于 2006 年大量出现。虽然 Bluetooth2.0+EDR 标准在技术上作了大量的改进，但从 1.X 标准延续下来的配置流程复杂和设备功耗较大的问题依然存在。为了改善蓝牙技术目前存在的问题，蓝牙 SIG 组织推出了 Bluetooth2.1+EDR 版本的蓝牙技术。该新版本改善了装置配对流程，且省电效果也更佳。而未来还将会有UWB 超宽带版本、Wibree 超低功耗版本等新的标准出现。而更新更先进的无线通信方式，是由飞利浦公司和索尼公司共同开发的 NFC 技术。NFC 是 Near Field Communication 的缩写，该技术脱胎于无线设备间的“非接触式射频识别”及互连技术，它可以满足任何两个无线设备间的信息交换、内容访问、服务交换，并且使之更为简约，只要任意两个设备靠近而不需要线缆接插，就可以实现相互间的通信。这将任意两个无线设备间的“通信距离”大大缩短。随着时代的发展，不用多久，出现在手机等电子产品上的无线通信技术将是技术水平更成熟、更完善的无线通信技术。而且随着科技的进一步发展，超远距离的无线通信技术也总有一天会出现。目前在国外，自动化的巨头正在积极地从事无线产品的开发。在国内，首先需要对应用市场进行培育与培训，消除用户对无线方案的疑惑，意识到无线技术的独特优势，以迎来普及应用的一天”。三、研究内容及实验方案： 2013 届本科毕业设计（论文）本系统采用 IA4421 无线收发芯片和 STC12LE2052AD 低功耗微处理器为核心器件来设计基于单片机的无线信号的接受与发送模块，实现近距离无线信号的传输功能，以及实现数据的收发功能。STC12l5020单片机本身带有SPI 总线接口，但其封装引脚并且能与IA4421的SPI总线接口引脚一一对应，这将使得印制PCB电路比较复杂，为了简化PCB印制电路，采用单片机的4个I/O口模拟SPI总线时序与IA4421 进行通信。用逻辑分析仪可以测得模拟总线的速度可以达到150Kbit/S,这能满足设计目标的要求。IA4421采用内部数字滤波的方式，与单片机采用SPI总线方式进行通信并将IA4421的NIRQ 产生的中断信号输出到单片机的INTO。当有中断到来时唤醒单片机，进行相应的处理。无线射频收发应用系统的关键就是射频收发电路，它可采用射频收发一体化芯片或单收单发芯片两种方案来实现。射频芯片一般工作在300M1000MhHz ISM频段，发射功率1020dB；调制方式常采用AM/FM/ASK/OOK/FSK中的一种或几种；可电池供电；可嵌入已有的仪器仪表、控制设备和便携式移动装置中；可直接与计算机、单片机等接口。设计包括硬件电路和软件设计 2。硬件电路即无线射频收发电路，可分为三部分：模拟基带部分、数字基带部分和射频电路部分。软件编程主要是对基带部分和射频部分接口的通信方式的编程，还有对信号的编码解码（也可由硬件编解码器完成）。无线射频收发系统包括模拟基带部分、数字基带部分和射频电路部分。模拟基带部分包括测控终端传感器、检测仪、及人机接口和电源装置等。数字基带部分主要是以单片机或者微处理器为核心，对要发射信号编码后送到射频电路发射和对接收信号解码进行处理并输出，负责控制整个系统的正常工作。射频电路部分以射频芯片为核心，通过外围电路及其参数的设计来实现无线数据的接收和发射。无线收发射频芯片内部一般集成了完整的接收和发射功能电路，芯片外部接少数几个到几十个分立无源元件即可实现无线数据的收发。射频芯片分单发芯片、单收芯片和收发一体芯片。设计时要充分考虑发射和接收芯片的匹配，各项指标要一致。本文采用收发一体芯片IA4421。无线通讯部分由无线通讯芯片 IA4421 与单片机构成。通过无线向远端系统发送控制指令时，计算机先通过串口将指令发送给单片机，然后单片机控制 IA4421 射频芯片的时钟、数据信号引脚，将指令发射出去。远端系统的无线通讯芯片接收到数据后，引起单片机中断，然后负责通讯的单片机从 IA4421 芯片中读出传来的数据，按照预先设定的协议转化成对应指令后，再传给核心控制 STC12C5020AD 单片机。在2013 届本科毕业设计（论文）接收到回传数据指令时，远端系统上的核心控制单片机将数据先通过串口传送给负责无线通讯的单片机，负责无线通讯的单片机控制无线通讯芯片，将转数据回传给与计算机串口连接的负责无线通讯的单片机，再通过串口回传给计算机，这样就实现了无线数据的收发。四、目标、主要特色及工作进度：目 标 ； 实 现 近 距 离 的 无 线 收 发 功 能 ， 系 统 能 真 确 稳 定 的 收 发 数 据 即 可 。 利用 PROTELL 单片机仿真软件和 KEIL 编程软件对系统进行仿真和程序绕写。主要特色：能实现近距离数据传输与接受，且具有可靠性。工作进度：1、查阅文献，翻译英文资料，书写开题报告; 第 1-4 周 2、相关资料的获取和必要知识的学习 ； 第 5-9 周3、设计系统的硬件和软件模块并调试 第 10-14 周4、撰写论文； 第 15-16 周5、总结，准备答辩； 第 17 周五、参考文献1. 张友德、赵志英、涂时亮，单片微型机原理、应用与实验，第五版，上海：复旦大学出版社，20062. 胡汉才，单片机原理及其接口技术，第 2 版，北京：清华大学出版社，20033. 睢丙东、魏泽鼎，单片机应用技术与实例，北京：电子工业出版社，20044.孙立名，李键中，陈禹等现代电子技术2008 年 20 期5. 李军，51 系列单片机高级实例开发指南，北京：北京航空航天大学出版社，20036. 贾伯年、俞朴，传感器技术，东南大学出版社，20007, 何立民MCS-51 系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术M北京航天航空大学出版社，2005：455-4628. 黄智伟，单片机无线数据 IC 原理与应用M,北京；北京航空航天大学出版社，20049 张少庆，周俊，基于 SI4421 和 STC12C2052 的射频通信系统的设计与实现J通信技术,2009,08(42)10. 宏晶科技，STC12C2050AD Data sheet EB/OL,http;/2013 届本科毕业设计（论文）2008.11 Silicon laboratories.IA4421 Data sheetEB/OL,http;/2008.12 余永权;单片机最新技术以其发展J;广东自动化与信息工程;2000 年 01 期13 王莹; 中国单片机市场的理想与现实(五) 北京单片机联谊会概念讨论记要(续)2013 届本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）题目基于单片机的近距离无线接收发模块2013 届本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）任务书I、毕业设计(论文) 题目：基于 51 单片机的近距离无线接收发模块设计II、毕 业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求：近距离无线数据传输技术广泛的应用在无线数据采集与传输、近距离无线遥测遥控、无线网络、无线安防系统等领域，但传统的无线收发电路的设计复杂，为工程技术人员带来了一定的难度，随着单片无线收发芯片的出现，为简化无线收发电路的设计提供了一条新的道路。本课题的设计技术要求如下：1、熟练掌握 51 系列单片机；2、近距离无线接收发芯片的选取；3、模块硬件方案的设计；4、掌握 51 单片机汇编或 C 语言进行软件设计；5、能够实现半双工或全双工的接发送数据；6、数据传输距离能够达到 50 米。III、毕 业设计(论文)工作内容及完成 时间：第 0103 周：资料查找、方案论证、英文资料翻译、开题报告撰写；第 0411 周：硬件电路的设计第 1215 周：软件联调与测试；第 1618 周：毕业论文撰写，答辩。2013 届本科毕业设计（论文） 、主 要参考资料：1 张光耀, 王琪, 赵明镜, 方文明. IA4421 芯片高效应用研究J. 科技广场, 2010,(01)2 张少欣,周俊. 基于 Si4421 和 STC12C2052 的射频通信系统的设计与实现J. 通信技术,20083 陈法国,陈伟,周鹏,王世勋. 无线接口电路设计及其在 TPMS 中的应用J. 单片机与嵌入式系统应用，2006，（07）4 黄智伟.单片无线数据通信 IC 原理与应用M.北京：北京航空航天大学出版社，2004.京：北京航空航天大学出版社，2004.5 宏 晶 科 技 .STC12C2052AD Datasheet EB/OL. ,2011.,2008.信系统的设计与实现J.通信技术，2009，08（42）.6 杨居义编著. 单片机原理与工程应用. 北京市：清华大学出版社, 2010.01.7 刘鲲，孙春亮编著. 单片机 C 语言入门. 北京市：人民邮电出版社 , 2010.06.科技学院电子工程系 电子信息工程 专业类 班学生（签名）： 填写日期： 20XX 年 11 月 20 日指导教师（签名）： 2013 届本科毕业设计（论文）助理指导教师(并指出所负责的部分)：系（室）主任（签名）：2013 届本科毕业设计（论文）基于 51 单片机的近距离无线接收发模块摘要：随着信息技术水平的不断发展，特别是计算机技术，无线通信技术，网 络技术，控制技术，信息技术的迅猛发展，工业自动化控制朝着智能化，无线化发展。很多工业的控制终端是移动的， 这需要智能化层度更高，更灵敏的无 线数据传输来满足全面自动化控制的需求，因此无线通信模块具有广阔的应用前景。本文介绍了一种基于 IA4421 无线收发芯片和 STC12L2050AD 低功耗微处理器的近距离数据传输模块。用户只需将要发送的数据传至单片机的串口即可，模块自动实现分包发送。最大通信距离可达 200 米，其接受灵敏度为 109dbm，最大发射功率为 8dbm。在系 统设计过程中，采用模块化设计思想、使系统结构清晰、可靠性高、易于调试。关键字：无线通信，IA4421， 近距离，微处理器指导老师签字：2013 届本科毕业设计（论文）Based On The Close 51 Single-chip Microcomputer Wireless Receiving Hair ModuleAbstract:With the rapid development of information technology especially the swift and violent development of technology of the computer,wireless communication technology, network technology,control Technology,information technology,the industrial automation is controlled and developed in the intelligent ,wireless direction,The terminal station of a lot of higher,more flexible and simple and convenient intelligent intelligent degree ti meet the need of overall automatic control,so the wireless communication module has wide application prospects.A data transmission module based on wireless transceiver single-chip ofIA4421 and low-power microprocessor of STC12LE2050AD is introduced in this paper .It is used by sending data to the serial port of microprocessor. This module can send subcontractor automatically,The distance of communication is up to 200 meters,During the designing process, it adopted the modular design concept, so it make the design structure clarity, high dependability, easy debugging.Keywords: Wireless communications, IA4421, close, microprocessors Signature of Supervisor: 2013 届本科毕业设计（论文）目 录第一章绪论1.1 选课题的依据及意义 .51.2 无线射频收发系统的介绍 .61.3 无线通讯的应用 .61.3.1 无线短程网 .61.3.2 无线局域网 .71.4 无线通信国内外的研究状况 .81.4.1 国内研究状况 .81.4.2 国外研究状况 .91.5 无线通信的发展趋势 .10第二章系统的整体方案设计2.1 设计思想 .122.2 系统工作原理 .122.3 系统的组成 .13第三章系统的硬件电路设计3.1 单片机的控制电路的设计 .153.2 无线通讯电路的设计 .193.3 串口通信电路的设计 .23第四章系统软件的设计4.1 系统模块设计的思想 .254.2 系统模块主程序流程图 .264.3 定时中断服务流程图 .29第五章系统模块的调试5.1 系统模块的调试方法 .305.2 调试结果 .305.3 调试结果分析 .31第六章 结论 .32参考文献 .33附录 .352013 届本科毕业设计（论文）第一章绪论1.1选课题的依据及意义目前，随着短距离无线数据业务迅速膨胀，近距离无线通信技术呈现出良好的发展势头。受到越来越多人的关注。因为在现实生活中存在着许多这样的应用情况，系统需要实时传输小量的突发信号，当然传统的无线通信技术虽然能够满足要求，但免不了存在成本高，体积大，功耗大的问题，这时成本小，体积小，功耗低的短距离无线通信技术就发挥了它的优势，尤其在传统无线通信系统难于或者不便于覆盖到的区域，短距离无线通信技术可以在近距离范围内实现相互通信或相关操作。但是当今信息技术高速发展，形成了令人眼花缭乱的无线通信协议和产品。如何能够低成本、方便快捷的实现近距离无线通信，使它能够广泛应用在工业无线控制系统、家庭智能化建设、小型无线数据终端等无线传输系统中，成了一个很值得研究的课题。因此，寻找一种便捷的、能够满足数据通信要求的无线通信技术以解除线缆接复杂的一个必需解决的问题。无线通信技术与有线通信技相比解决了成本低的困扰。携带方便、不必穿墙钻孔口布线搭建网络简单快捷等优点。特别是在有线网络不通畅或由于现场环境因素的限制不便架设线路的情况况下，使用无线通信技术进行数据采集、传输显得更加实用、高效和快捷。近距离无线通信技术的应用前景非常看好。比如利用传感器和网络可以实现医疗中的远程监测病人身体状况，实现家庭自动化中的照明设备、空调设备、门禁系统的远程控制，实现工业生产中的数据自动采集和处理，农业生产中的自动化、网络化和智能化。另外还可用在数字办公环境中，减少线缆布放的麻烦，提供高速数据传输。我们有理由相信在不远的将来会有越来越多的近距离无线通信功能的设备进入我们的生活，并将极大地改变我们的生活方式。本课题将微处理器技术和无线通信技术结合，力图以现场设备的无线化来解决有线通信带来的诸多问题。随着单片机无线收发芯片的出现，为简化无线收发电路的设计提供了一条新的道路。本文设计的基于 IA4421 无线收发芯片的近距离通信模块可以广泛的应用于近距离数据传输中，且使用方便，可靠性强。2013 届本科毕业设计（论文）1.2 无线射频收发系统的介绍无线射频收发应用系统的关键就是射频收发电路，它可采用射频收发一体化芯片或单收单发芯片两种方案来实现。射频芯片一般工作在300M1000MhHz ISM频段，发射功率1020dB；调制方式常采用AM/FM/ASK/OOK/FSK 中的一种或几种；可电池供电；可嵌入已有的,控制设备和便携式移动装置中；可直接与计算机、单片机等接口。设计包括硬件电路和软件设计 2。硬件电路即无线射频收发电路，可分为三部分：模拟基带部分、数字基带部分和射频电路部分。软件编程主要是对基带部分和射频部分接口的通信方式的编程，还有对信号的编码解码（也可由硬件编解码器完成）。无线射频收发系统包括模拟基带部分、数字基带部分和射频电路部分。模拟基带部分包括测控终端传感器、检测仪、及人机接口和电源装置等。数字基带部分主要是以单片机或者微处理器为核心，对要发射信号编码后送到射频电路发射和对接收信号解码进行处理并输出，负责控制整个系统的正常工作。射频电路部分以射频芯片为核心，通过外围电路及其参数的设计来实现无线数据的接收和发射。无线收发射频芯片内部一般集成了完整的接收和发射功能电路，芯片外部接少数几个到几十个分立无源元件即可实现无线数据的收发。射频芯片分单发芯片、单收芯片和收发一体芯片。设计时要充分考虑发射和接收芯片的匹配，各项指标要一致。本文采用STC12l2050AD单片机收发一体芯片IA4421来设计近距离的无线收发系统。1.3 无线通讯的应用目前，在自动化领域中无线通讯技术协议主要是：对于用于现场设备层的无线短程网，采用的主流协议是IEEE 802.15.4(ZigBee)；对于大数据容量的短程无线通信，则是IEEE 802.15.3；而对于适应较大传输覆盖面和较大信息传输量的无线局域网，采用的是IEEE 802.11系列。其中应用的重点是无线短程网和无线局域网。1.3.1 无线短程网现场设备层无线通信迅速进入工控领域，其中一个突破口是现场总线和无线通信技术的结合。以Zigbee 网络为例，其特点是： 1）功耗低：由于工作周期较短，收发信息功耗低且采用休眠模式。2）数据传输可靠性高：采用了碰撞避2013 届本科毕业设计（论文）免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。3）网络容量大：一个Zigbee 网络可以容纳最多 65536个从设备和一个主设备。一个区域内可以同时存在最多100个Zigbee网络。4）时延小：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值为15ms，活动设备信道接入时延为15ms 。5）兼容性：与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协议器自动建立网络采用CSMA-CA方式进行信道存取。为了可靠传递，提供全握手协议。6）安全性：Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。 7）实现成本低：模块的初始成本较低。典型的产品和应用为：2004年Honeywell 推出的基于 ZigBee无线传输协议的无线变换器XYR5000系列；OMRON的无线链接Device Net现场总线主站WD30-ME和从站WD30-SE ；德国 schild knecht公司推出的无线Profibus-DP产品DE 3000系列；ABB在瑞典的 Boliden加工厂利用Ember 的无线技术进行的无线通信评估试验。1.3.2 无线局域网自从1977年第一个民用网系统ARCnet投入运行以来，有线局域网以其广泛的适用性和技术价格方面的优势，获得了成功并得到了迅速发展。然而，在工业现场，一些工业环境禁止、限制使用电缆或很难使用电缆，有线局域网很难发挥作用，因此无线局域网技术得到了发展和应用。随着微电子技术的不断发展，无线局域网技术将在工业控制网络中发挥越来越大的作用。在工业自动化领域，有成千上万的感应器、检测器、计算机、PLC、读卡器等设备，需要互相连接形成一个控制网络。通常这些设备提供的通信接口是RS-232或RS-485 。无线局域网设备使用隔离型信号转换器，将工业设备的RS-232串口信号与无线局域网及以太网络信号相互转换，符合无线局域网IEEE 802.11b和以太网络IEEE 802.3标准，支持标准的TCP/IP网络通信协议，有效的扩展了工业设备的联网通信能力。无线网络通信协议可采用IEEE 802.3来实现点对点传输方式或采用IEEE 802.11实现一点对多点传输方式，也可以在普通局域网基础上通过无线Hub ，无2013 届本科毕业设计（论文）线接入站，无线网桥，无线Modem及无线网卡等来实现，其中现场以无线网卡使用最为普遍。利用无线局域网组建自动化网络，相比之下具有有线固定网络无法比拟的优势：1）无线网络拓扑更适合网络应用：支持RS-232工业设备点到点的连接。支持广播拓扑，多个RS-232设备可组成对等网络，相互通信。（RS-232 通信协议无法支持多点通信）。客户机/服务器的拓扑，每个 RS-232设备都可以方便、快捷的介入无线网络中，极大的提高了信息处理能力。2）无需布线，省去了施工的麻烦：无线局域网利用无线电波传输数据信号，适合于难于布线的环境中搭建数据的传输网络。在工业现场，铺设的线缆容易受到频繁的触碰损坏，无线网络则保证了网络的安全性。3）覆盖范围广：无线局域网在开放空间覆盖半径达550米，室内一般覆盖半径为300米400米，通过室外无线设备传输距离可以达到几十公里。现主要应用在远程视频传输、门禁、考勤管理系统、安防管理系统、生产设备联网自动化，电信/光纤网络监控、医疗/实验仪器联网自动化、工业/流程联网控制管理等领域。1.4 无线通信国内外的研究状况1.4.1 国内研究状况当今无线通信在人们的生活中扮演着越来越重要的角色,低功耗、微型化是用户对当前无线通信产品尤其是便携产品的强烈追求,作为无线通信技术一个重要分支的。短距离无线通信技术正逐渐引起越来越广泛。随之也加快了国内外对其的研究进度。从七十年代起，国内就开始了无线网的研究。在整个八十年代，伴随着以太局域网的迅猛发展，具有不用架线、灵活性强等优点的无线网以己之长补“有线”所短，也赢得了特定市场的认可。员会的规定，无论是常规无线通信还是扩频通信，都需先履行频率申请手续，按照中国国家无线管理委员会的规定，我国的无线管理委员会也为扩频通信在中国的普及和发展规定和开放了2.4002.484GHz 专用频段。 在 IEEE 通过了 802.11 标准之后，无线通信和有线通信协议开始兼容。对应用来说，某种程度上的“兼容”就意味着竞争开始出现；而在 IT 这个行业，“兼容”，就意味着“十倍速时代”降临了。在 MAC2013 届本科毕业设计（论文）层以下，802.11 规定了三种发送及接收技术：扩频技术；红外技术；窄带技术。而扩频又分为直接序列扩频技术和跳频扩频技术。而在近距离无线通信方面，出现的有影响力的技术主要有三种,分别是红外线技术、蓝牙传输、NFC 技术。红外线 IrDA，简称 IR，可以进行无线数据的传输。自 1974 年发明以来，国内一直重视其对通信技术的应用意义。在国内得到很普遍的应用。红外传输是一种点对点的传输方式，无线，不能离的太远，要对准方向，且中间不能有障碍物也就是不能穿墙而过，几乎无法控制信息传输的进度，红外传输有很大的局限性，于是出现了一种新的无线通信技术：蓝牙。蓝牙无线技术是现在市场上唯一得到认可的主导短距离无线技术。由于新兴技术产生，国内整个 IT 行业对于通信已经不是仅仅的是一项简单的技术，而是一种概念。当蓝牙联盟信誓旦旦地对未来前景作着美好的憧憬时，整个业界都为之震动，并且激发了国内对该项技术的浓厚兴趣，蓝牙无线技术是现在市场上唯一得到认可的主导短距离无线技术。这使得无线通信更加经济，有效德尔方向发展，就更加容易的加快国内无线通信行业的发展脚步。1.4.2 国外研究状况在无线通信领域中，蓝牙无线技术是现在市场上唯一得到认可的主导短距离无线技术，蓝牙创始人是瑞典爱立信公司，爱立信早在 1994 年就已进行研发。1997 年，爱立信与其他设备生产商联系。1998 年 2 月，5 个跨国大公司，包括爱立信、诺基亚、IBM、东芝及 Intel 组成了一个特殊兴趣小组，他们共同的目标是建立一个全球性的小范围无线通信技术，即现在的蓝牙。它广泛应用于世界各地，可以无线连接手机、便携式计算机、汽车、立体声耳机、MP3 播放器等多种设备。由于有了“配置文件”这一独特概念，Bluetooth 产品不再需要安装驱动程序软件。此技术现已推出第四版规格，并在保持其固有优势的基础上继续发展。蓝牙无线技术是现在市场上唯一得到认可的主导短距离无线技术。目前应用最为广泛的是 Bluetooth2.0+EDR 标准，该标准在 2004 年推出，支持该标准的产品也于 2006 年大量出现。虽然 Bluetooth2.0+EDR 标准在技术上作了大量的改进，但从 1.X 标准延续下来的配置流程复杂和设备功耗较大的问题依然存在。为了改善蓝牙技术目前存在的问题，蓝牙 SIG 国际组织推出了Bluetooth2.1+EDR 版本的蓝牙技术。该新版本改善了装置配对流程，且省电效2013 届本科毕业设计（论文）果也更佳。而未来还将会有 UWB 超宽带版本、Wibree 超低功耗版本等新的标准出现。目前在国外还有几种主流的短距离无线通信技术包括：高速 WPAN 技术；UBW 高速无线通信技术，包括 MB-OFDM、DS-UWB；WirelessUSB 技术，WirelessUSB 是一个全新无线传输标准，可提供简单、可靠的低成本无线解决方案。此外，还有低速 WPAN 技术和 IEEE802.15.4/Zigbee，ZigBee 是一种低速短距离无线通信技术。它的出发点是希望发展一种拓展性强、易建的低成本无线网络，强调低耗电、双向传输和感应功能等特色。ZigBeePHY 和 MAC 层由IEEE802.15.4 标准定义。IEEE802.15.4a 是作为 802.15.4 的一个补充，其物理层的标准可能采用低速 UWB 技术。蓝牙底层(PHY 层和 MAC 层)协议的标准版本为 IEEE802.15.1，大多数标准的制订工作还是由蓝牙小组(SIG)负责。RFID 是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合)传输特性实现对被识别物体的自动识别。RFID 技术的发展得益于多项技术的综合发展，包括芯片技术、天线技术、无线技术、电磁传播技术、数据交换与编码技术等。一套典型的 RFID 系统由电子标签、读写器和信息处理系统组成。电子标签与读写器配合完成对被识别对象的信息采集功能；信息处理系统则根据需求承担相应的信息控制和处理工作。1.5 无线通信的发展趋势通讯系统和安全控制技术是当今国际自动化领域技术发展的热点。现场信息化的发展和先进的远程现场设备诊断使设备从被动性维护向主动性维护发展。目前，随着无线技术的革新，通信领域的技术人员都在研究“配置使用无线技术的可行性”，以达到 “风险最小化，资产使用最优化” 的目标。而在专为“集成到远程操作控制器和SCADA系统”而设计的基本900MHz无线技术，广泛应用在各个自动化领域其实已经有1520年历史了。但即便是在应用历史超过20年，无线技术方案在实际通讯的采用率依然比较低。其原因最有可能就是：缺乏通信界能够接受的开放标准” 、安全等级不够、传统的无线技术解决方案的灵活性与可伸缩性不足。然而，从技术上讲，使用无线技术不存在不确定的问题。在CONTROL ENGINEERING CHINA曹炜先生就提出预测：“ 无线技术在控制领域的大规模普及应用将在2010年左右。目前在国外，自动化的巨头正在积极地从事无线产品的开发。在国内，首先需要对应用市场进行培育与培训，消除2013 届本科毕业设计（论文）用户对无线方案的疑惑，意识到无线技术的独特优势，以迎来普及应用的一天”。无线通讯具体发展方向为：1）通信协议的标准化。如无线系统与现有的系统的共存性，不同厂家设备的相互可操作性以及系统之间的相互协作性；2）无线局域网今后的研究方向主要集中在安全性、可靠性、能耗性、移动和漫游、网络管理以及与其他移动通信系统之间的关系等问题上。其发展方向有：更高的通讯速率，增广的覆盖范围；与Wimax融合，支持高速、移动接入；3）现场总线的无线传输可行性正在评估，无线通讯技术将会和现场总线技术更加紧密结合；4）无线传输目前尚处在发展的早期阶段。无线技术首先会在楼宇自动化、自动抄表、事故响应、设备监控等领域得到应用。当前较适宜应用的行业有：汽车制造、食品加工、制药和设备资产跟踪等；5）由于无线技术总类较多，技术特征差异比较大，无线通信只是现有有线通信系统的一种发展和重要补充，绝非一种替代，通信控制网络将向有线和无线相结合方向发展。2013 届本科毕业设计（论文）第二章系统的整体方案设计2.1 设计思想本文主要研究的是近距离无线收发系统硬件电路部分和软件程序的设计。对硬件部分，研究的是无线射频发射和接收数据电路的设计、信号的处理与采集、硬件的电路设计、以及软件的程序设计。无线通讯部分由无线通讯芯片 IA4421 与单片机构成。通过无线向远端系统发送控制指令时，计算机先通过串口将指令发送给单片机，然后单片机控制IA4421 射频芯片的时钟、数据信号引脚，将指令发射出去。远端系统的无线通讯芯片接收到数据后，引起单片机中断，然后负责通讯的单片机从 IA4421 芯片中读出传来的数据，按照预先设定的协议转化成对应指令后，再传给核心控制STC12C5020AD 单片机。在接收到回传数据指令时，远端系统上的核心控制单片机将数据先通过串口传送给负责无线通讯的单片机，负责无线通讯的单片机控制无线通讯芯片，将转数据回传给与计算机串口连接的负责无线通讯的单片机，再通过串口回传给计算机，这样就实现了无线数据的收发。2.2 系统工作原理系统由2个相同的模块组成,模块1和模块2上电时单片机先进行自我初始化，设计串口波特率定时器，配置I/O口，接着判断模块地址是否有效，若有效则继续判断系统是否需要重新设置波特率，若不需要则以默认的设置的9.6Kbit/s与外界进行通信。接着初始化IA4421相关寄存器，包括设置IA4421 的载波频率，基带宽度等，设置完IA4421后开启单片机的中断，启动计数器开始以20MS 的时间片轮查询。此时两个模块在监听是否收到来自对方的数据，并且以20MS的间隔时间扫描自己的发送缓冲区是否有数据发送，此时假设模块1扫描到自己的发送缓冲有数据要发送，则转入发送数据发送状态，而模块2则处于接收发数据状态，如果模块1发送的数据帧的前号码与同步码正确，则模块2开始接收发数据并通过单片机的UART发送到外部，从而完成一次半双工通信。在硬件接口方面主要考虑系统部件之间的兼容性和效果。SPI总线是一种同步串行接口技术，允许MCU之间及MCU与各种外围设备以串行方式进行通信与数据交换。在这个系统中MCU与射频芯片同时支持SPI接口，因此在设计时，SPI将被用于内部控制接口， SPI分为四线，串行时钟线(SCK).主机输入/从机输2013 届本科毕业设计（论文）出数据线MISO.主机输出/从机输入数据线MOST和低电平有效的从机选择线SS。SPI传输数据时，在主机输出时钟SCK的控制下，主机与从机的两个双向移位器进行循环数据交换，实现全双工数据传输。在整个传输数据的过程中通信模块对用户是透明的，用户只需要简单的设置好串口的波特率，开启模块的片选信号，将所发送的数据通过串口发送至模块即可完成近距离的无线数据传输。2.3 系统的组成系统主要包括两个分别具有收发功能的无线通信模块，每个模块均有单片机和无线收发芯片 IA4421 组成，具有独立的收发功能，硬件电路部分系统电路主要由三部分组成；STC12L2050AD 单片机的控制电路， IA4421 收发芯片的通讯电路，以及由 MXA232 芯片组成的串口通信电路。系统的原理框图如图 1 所示，发送时，单片机通过 SPI 总线向 FR 写入控制命令及所需要发送的数据，RF的工作状态，获取闲篇相关信息及接收到的数据，两个收发模块之间相互通信，从而实现数据的无线传输。图 2-1 系统的结构图在本无线通信系统中，单片机作为系统的核心主要完成数据处理和控制功能，保证系统工作在最佳状态。选用 STC12lL5020AD 单片机，它是高速，低功耗，超强抗干扰的新一代 51 系列单片机，指令代码完全兼容传统的 8051，但是速度快 8-12 倍，工作频率范围是 0MHz35MHz。该型单片机有一个显著的特点是使用时无需专用编码器/仿真器，而是通过串口（P3.0/P3.1）即可直接下载用户程序，且同一串口还可以用于调试，它还具有高速 SPI 串行通信端口和硬件看门狗功能（WDT），采用加密技术，无法解密。能完全满足本系统低成本和相应的功能要求。收发模块单片机无线收发芯片收发模块单片机无线收发芯片2013 届本科毕业设计（论文）无线收发芯片用于在系统中实现高性能双向无线通信，要求它能同时满足低成本与低功耗的要求，本系统选用了 Integration Associates 公司的射频芯片 IA4421，这是一款全集成的低功耗，多射频的 FSK 收发器，应用时具有高灵敏度且无统调。该收发器内部集成包括高射频放大器（PA），低噪声放大器（LNA），I/Q 转换器，基带滤波器，放大器，I/Q 解码器，可见它已经集成全部的射频功能，使用时仅需要附加晶振于去耦电容。2013 届本科毕业设计（论文）第三章系统的硬件电路设计3.1 单片机的控制电路设计系统的硬件电路部分包括远端控制系统和与计算机通信进行无线数据收发的硬件电路部分。系统电路主要由三部分组成；STC12L2050AD 单片机，IA4421 收发芯片，MXA232 芯片。具体电路图如图所示其中单片机是通过 SPI总线读写 IA4421 的工作状态与控制字，获得并且处理相关信息，系统中设置了RS232 串行接口，主要用于实现程序下载和调试功能。图 4-1 为其各部分电路原理图。单片机的从选择线（SS），主输出线（MOSI），主输出入线（MISO）和时钟信号（SCLK）分别连接到 IA4421 的相应功能引脚 NSEL，SDI,SDO 和SCK，IA4421 支持天线直接驱动，这使得天线部分实现起来相当简单，仅需要一个 50 的外接天线加上对应的差分电路就可以了，为了节省成本，对与不需要远程距离传输的情形，可以在模块中使用螺旋导线制作的简易天线实际有效的通信系统的应用要求就足够了，若用户需要更远得传输距离效果则应设计433MHz 的外界 PCB 谐振天线。STC12L2050AD 单片机，IA4421 和 MAX232 的其他外围电路，如电源，时钟，复位电路。以下着重介绍单片机的性能以及其应用。图 3-1 STC12 系列单片机的封装图2013 届本科毕业设计（论文）图3-2 STC12C 系列单片机的典型应用电路图用户在自己的目标系统上，如将p3.0/p3.1经过RS-232电平转换后连接到电脑的普通RS-232 串口，就可以在系统编程升级用户软件，建议如果用户板上无RS-232电平转换器，引出一个插座，含Gnd/p3.1/p3.0/Vcc四个信号先，这样就可以在用户通过系统上直接编程了，如果能引出Gnd/p3.1/p3.0/Vcc/P1.1/P1.0六个信号线为好，因为可以通过P1.1/P1.0禁止ISP下载程序，如果能将Gnd/p3.1/p3.0/Vcc/P1.1/P1.0/Reset 七个信号线引出，这样可以很方便的使用脱机下载板。2013 届本科毕业设计（论文）表3-1STC12C系列单片机的典型应用电路图通过设置新增的特殊功能寄存器IPB中的相应位，可以将中断优先级设为四级，如果只设置IP，那么中断优先级就只有