简单实用型无线数据传送系统研究与设计

简单实用型无线数据传送系统研究与设计PAGE４８毕业设计题目:简单实用型无线数据传送系统研究与设计院系：应用技术学院专业：电子信息工程指导教师：

毕业设计（论文）任务书题目：简单实用型无线数据传送系统研究与设计基本任务及要求：基本任务=1\*GB3①设计一个简单的无线数据传送系统系统；=2\*GB3②使用PROTEL画出系统硬件图，并用Proteus软件对单片机控制部分进行仿真2．系统要求=1\*GB3①无线数据传输的距离不低于80米；=2\*GB3②工作频率在430MHz；进度安排及完成时间：第1周布置任务、下达设计任务书第2周熟悉课题，了解无线通信技术的分类及其发展历程第3周～第4周毕业实习，撰写实习报告第5周撰写文献综述、开题报告第6周～第8周学习通信系统中调制解调部分知识选择适当无线收发芯片选择合适的单片机第9周～第10周熟悉阻抗匹配部分知识，设计一个单端天线学习PROTEL软件，画出整体电路图，学习使用KEILC51第11周～第12周用C语言进行程序编写第13周～第14周学习使用Proteus仿真软件用Proteus软件对单片机的数据键入以及显示进行仿真第15周~第16周撰写毕业论文第16周毕业设计答辩目录TOC\o"1-3"\h\u21426摘要 I19039Abstract II826第1章绪论 １239271.1课题研究背景 1281621.2无线数据传送的现状与发展趋势 155171.3本课题研究的主要内容和主要工作 411926第2章无线通信系统基本理论 589452.1数字通信系统基本组成 5121512.2无线数据传输原理 5293862.2.1调制与解调 523912.2.2编码与解码 982512.2.3PLL锁相环 924436第3章系统硬件设计 13104423.1系统整体设计 13163083.2无线收发芯片的选择 14190433.3nRF401无线模块 159003.3.1内部结构与引脚功能 15138933.3.2应用电路及设计应注意问题 1716693.3.3工作原理 1949693.3.4天线的设计 1936503.4单片机控制模块的选择 20107143.5AT89C51单片机内部结构与引脚功能 2183453.6键盘接口技术 24220053.7显示器接口技术 2518056第4章系统软件设计 28272764.1主程序设计 28261664.2从机点菜程序设计 298514总结 3330323致谢 3429333参考文献 357937附录 36简单实用型无线数据传送系统研究与设计摘要：文章介绍了基于AT89C51以及nRF401芯片的实用型无线数据传送系统的研究与设计。系统通过无线方式进行数据双向传输，采用半双工方式通信、主机-从机体系结构。主机可同时接收多个从机发送的数据。随着无线通信技术的发展，无线数据传输系统的应用领域不断扩大，基于射频技术的无线数据传送系统应运而生，是无线数据传输在通信领域的重要应用典型实例，为各个行业带来了崭新的管理理念与服务手段，优化了业务流程，为客户提供了更好的服务，实现企业价值最大化同时又使成本最低化，是现代生活步入信息化时代的一个重要标志。它有效地利用了计算机应用、无线通信等先进的现代化科学技术，是一套集先进性、实用性、简易性、严密性于一体的应用系统。论文详细介绍了无线数据传输平台硬件模块的功能及其实现原理、单片机间的数据传输及其输入与显示的实现原理。基于无线数据传输的系统平台同时可以广泛的应用于工业控制领域，具有广泛的发展前景。关键词：AT89C51；nRF401；无线数据传输

TheStudyandDesignofSystemaboutSimpleandPracticalWirelessDataTransmissionAbstract:ThearticledescribesthestudyanddesignofpracticalwirelessdatatransmissionsystemwhichisbasedonchipsofAT89C51andnRF401.Systemtransmitsdatatwo-waythroughwirelessmeans,anduseshalf-duplexcommunicationandthemaster-slavestructure.Thehostcansimultaneouslyreceivemultipledatafromtheslaves.Asthewirelesscommunicationtechnologydevelopscontinuously,thefieldofapplicationsofwirelessdatatransmissionsystemisexpanding.Wirelessdatatransmissionsystemthatbasedonradiofrequencytechnologycomesintobeing,anditisthetypicalexampleontheimportantapplicationsofcommunications.Itbringsnewideasandservicemanagementforeveryfield,optimizesbusinessprocesses,andprovidesbetterserviceforcustomers.Itachievesmaximumbusinessvaluewhilekeepingthelowestcostreally,anditisanimportantsignsthatourlifestyledevelopstowardtheinformation.Itusesadvancedmodernscienceandtechnologyaboutcomputerapplications,wirelesscommunications,andsooneffectively.Itisasetofadvanced,practical,simplicity,rigorinoneapplication.Paperintroduceshardwaremodule'sfunctionsoftheplatformforwirelessdatatransmissionandhowtorealizethesefunctions.Alsoitdescribestheprincipleofdatatransmissionbetweenthemicrocontrollerandtheprincipleofinputanddisplay.Systemplatformwhichisbasedonwirelessdatatransmissioncanbewidelyusedinthefieldofindustrialcontrolandhasbroadprospectsfordevelopment.Keywords:AT89C51;NRF401;WirelessDataTransmission简单实用型无线数据传送系统研究与设计第1章绪论1.1课题研究背景在现代通信中，数据传输系统是各种智能化控制系统的重要组成部分，其需要在单片机之间或单片机与微机之间实现数据的发送与接收，而且在数据处理系统中，往往需要通过上位机对接收到的下位机的数据进行处理。一般在传输距离比较短的情况是，可以采用有线连接的数据通信方式。如并行传送、串行传送、CAN总线和Lonworks总线等等。在这些有线传输的方式中，数据的传输载体是双绞线、同轴电缆或是光纤。但是在许多比较特殊的环境有线连接则往往不能满足需求。对于传输范围比较广的情况采用有线数据传输方式通信需要较高的代价。再如高腐蚀环境、现场无法实现明线连接或者为了保证安全等许多条件下，采用传统的数据传输信道即通过有线传输采集的数据已经不能满足数据传输的需要，这时采用无线数据传输就显示出巨大的优势，无线数据传输与有线相比有成本低，通信距离远，没有凿墙钻孔布线的烦恼等优点。其不受地理环境、气候、时间等条件的限制，通过真空或空气实现数据传送，可以不考虑传输线缆的安装问题，从而节省大量线缆，并且降低施工难度和系统成本，具有广阔的应用前景。目前应用在许多领域，比如：RFID，无线餐饮点菜系统，无线抄表，水文监测，低功率遥感勘测，住宅和建筑自动控制等。1.2无线数据传送的现状与发展趋势无线技术是通过无线电波在自由空间(包括空气和真空)传播信息的技术，它利用导体中电流强弱的改变会产生无线电波这一原理，将信息加载于无线电波之上，当电波通过空间传播到达接收端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流，通过一定的方法将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息与数据传输的目的。随着无线技术的快速发展，无线数据传输技术呈现出强劲的发展后劲。无线数据传输的范围很广，在一般意义上，只要收发双方通过无线电波传输信息，并且可以根据自己的需要控制传输距离。其中短距离无线数据传输技术具有应用广泛、种类多样、频段丰富、免执照申请等特点，近期的发展情况表明，该领域将形成一个巨大的新兴产业。时至今日，无线技术的应用己经渗透到各行各业的角角落落。现代无线通信技术大致可分为两大类：一是基于蜂窝的接入技术，如蜂窝数字分组数据(CDPD)、通用分组无线传输技术(GPRS)、EDGE等。二是基于局域网的技术，如IEEE802.11、WLAN、Bluetooth、IrDA、Home-RF、微功率短距离无线通信技术等。主要介绍如下：⑴红外通信技术（IrDA）红外无线技术是以红外线作为传输工具的一种无线通讯方式，自1974年发明以来，得到了很普遍的应用。但是由于红外线的固有特性，红外传输方式在大信息量的数据传输中使用得比较少。红外传输是一种点对点的传输，而且距离不能太远，其传输距离只有l～2m，并且对发射和接收器要求对准，并且中间不能有阻隔，且无法控制信息传输的进度。目前红外传输技术已经渐渐退出市场，逐渐被蓝牙技术取代。系统构成上，采用红外无线接入技术的系统需要将MPU与红外模块进行连接，传输采用串行通讯模式。⑵蓝牙技术（Bluetooth）蓝牙实际上是一种短距离无线电技术利用“蓝牙”技术，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备与因特网Internet之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之问的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHzISM(即工业、科学、医学)频段。其数据速率为lMbPS。采用时分双传输方案实现全双1传输。其协议层区别于OSI，TCP/IP或者是802中的任何种模型。其底层为无线电层，负责无线电中的位信息传输。第二层为带层，负责将位信息流转化成可以识别的帧。第三层为L2CAP(逻辑链路控制适应层)负责存设备间建立逻辑信道，包括电源管理、认证和服务质量等等。更高的几层即是协议层，由各种不同的通信协议组成，并且为应用程序服务。其最常用的ClassB版本传输距离为8～30m，速率约为700--800kbps。⑶IEEE802.l1b(Wi-Fi)IEEE802.11b技术标准是无线局域网的国际标准，使用2.4GHz的ISM频段，采用直接序列扩频技术（DSSS）进行调制解调，从而增强了抗干扰能力，提高了传输速度。802.l1b无线网络的最大优点是兼容性，只要在原有网络上装上AP(AccessPoint)，就可以提供无线网络服务，终端设备只要装上无线网卡，就可以访问所有网络资源，像使用有线局域网一样方便，却免除了布线的麻烦。802.l1b具有有线等价保密机制WEP(WiredEquivalentPrivacy)确保数据安全，并具有穿透能力、全方位传送、建网速度快、可用来组建大型无线网络、运营成本低、投资回报快等特点，因而受到电信制造商和运营商的青睐。由于该设备比较昂贵，进而妨碍了其推广和应用，目前更多新的Wi-Fi标准正在制定之中。速度更快的802.l1g使用与802.l1b相同的正交频分多路复用（OFDM）调制技术，它同样工作在2.4GHz频段，速率达54Mbit/s，比目前通用的802.l1b快了5倍，并且完全向后兼容802.l1b。802.l1g将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准，下一代的Wi-Fi标准802.l1n可望达到100Mbit/s。⑷微功率近距离无线通信技术近年来，随着大规模集成电路技术的发展，近距离无线通信系统的大部分功能都可以集成到一块芯片内部，一般使用单片数字信号射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块，所有高频元件包括电感、振荡器等己经全部集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界影响。射频芯片一般采用FSK调制方式，工作于ISM频段，通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。新一代近距离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点，而且开发简单快速，可以方便地嵌入到各种设备中，实现设备间的无线连接，因此，较适合搭建小型网络，在工业、民用领域得到较为广泛的应用。⑸UWB技术UWB(UltraWideBand)是一种新发展起来的无线通信技术，通过基带脉冲作用于天线的方式发送数据。窄脉冲(小于1ns)产生极大带宽的信号，采用脉位调制(PulsePositionModulation,PPM)或二进制移相键控(Bi-PhaseShiftKeying,BPSK)调制。UWB被允许在3.1～10.6GHz的波段内工作，主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。其中，最具特色的应用将是视频消费娱乐方面的无线个人局域网(PANs)。UWB有可能在10m范围内，支持高达110Mb/s的数据传输率，且不需要压缩数据，可以快速、简单、经济地完成视频数据处理。从以上介绍可以看出，各种不同的近距离无线通信标准都是根据不同的使用场合、不同的用户需求而制定的。有的是为了增加带宽和传输距离，有的则是考虑移动性和经济性。因此，应用者可视实际需求考虑采用性价比最高的解决方案。近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。随着计算机技术，通信技术、集成电子技术的飞速发展，在国内射频（RF）技术也趋于成熟，开发出了种类齐全的射频无线数据传输芯片。这些射频芯片不仅传输速率快而且有相对较高的灵敏度。如今这些芯片正向集成化，小型化的方向发展，使用成本也大大降低，采用射频芯片来开发嵌入式产品有非常广阔的应用前景。目前，国内外知名厂商都非常重视射频传输芯片开发研究以及应用射频芯片的嵌入式系统的设计。随着现代射频技术的发展，无线传输芯片尺寸越来越小，功能越来越齐全，再加上辅助原件后在性能上更加优越，传输距离更远，信号的稳定性更高，传输速率更快，抗干扰性更强，特别是用于工业控制场合，现在市场上的无线传输芯片主要为FSK调制方式，其频率发生器种类繁多，但基本上可分为三大类：一、采用LC振荡器，可靠性低但价格便宜；二、采用声表振荡器，频率稳定性高于LC振荡器；三、采用锁相环技术，稳定性很高但价格较贵。在国内，这些高集成度芯片广泛应用到国民经济的各个领域中：如无线数据采集传输系统，车辆监控，小型无线网络，无线抄表，工业数据采集系统，水文气象监控，机器人制造等等。这些应用使我们的现代办公和生活更加方便安全。随着国民经济和社会发展的信息化，人们要通信息化开创新的工作方式、管理方式、商贸方式、金融方式、思想交流方式、文化教育方式、医疗保健方式以及消费与生活方式。总之，无线通信技术未来的发展趋势表现为：各种无线技术互补发展，各尽所长，向接入多元化、网络一体化、应用综合化的宽带无线网络发展，并逐步实现和宽带固定网络的有机融合。1.3本课题研究的主要内容和主要工作本课题研究的主要内容是基于一种简单的无线数据传送系统，主要应用AT89C51单片机控制Nordic公司的无线数字收发芯片nRF401，通过无线方式进行双向传输，采用半双工方式通信，在手持机站点和主控站点之间传输数据，主控器与主站PC之间通过串口进行通信。本人在前人的基础上，通过翻阅大量的图书资料以及检索很多网络信息，论述了基于51单片机以及单片无线收发芯片的无线点菜系统的设计原理和总体方案，重点阐述了系统的硬件设计和软件设计，综合全文，所做的主要工作如下：（1）根据课题的研究背景，了解当前无线数据传输技术的发展现状，通过对比选择适合无线点菜系统的无线通信技术。（2）分析了无线数据传输的基本原理及各模块的功能和主要的性能指标。（3）针对任务书给出的数据要求，确定了无线数据传送系统的总体设计方案。（4）通过分析nRF401的应用电路以及所给出的频率要求最终确定外围电路以及其各部分元器件参数。（5）确定无线数据传送单片机部分的硬件设计，主要包括键盘输入、LED显示、单片机串口发送。（6）分析了单片机仿真时出现的各种问题，并及时解决问题。

第2章无线通信系统基本理论2.1数字通信系统基本组成通信既是人类社会的重要组成部分，又是社会发展和进步的重要因素。广义的讲，通信就是从一地向另一地传递和交换信息。实现信息传递所需的一切技术、设备和传输煤质的总和称为通信系统。其基本的组成框图如图2.1所示。低噪声放大信源低噪声放大信源解调信宿解码信道功放调制编码解调信宿解码信道功放调制编码图2.1通信系统基本组成信源是消息的来源，它的作用是把各种消息转换成原始电信号即基带信号。图中编码、调制、功放，实际上还有滤波、发射等都是作为发送端的发送设备模块。其作用是将信息源产生的消息信号变换成适合在信道传输的信号，使信息源与信道匹配起来。由发信源发出的基带信号的特点是频谱从零频附近开始延伸到几兆赫的有限值。基带信号可以直接在信道中传输，大多数通信系统需要通过调制将基带信号变换为更适合在信道中传输的形式。信道是指传输信号的物理煤质，在无线信道中，信道可以是大气。作为接受设备的基本功能是完成发送设备的反变换。它主要包括低噪声放大、解调、解码等模块。主要任务是对带有干扰的接收信号进行一系列处理，以便正确恢复出相应的原始基带信号来。信宿是传输信息的归宿点，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。2.2无线数据传输原理2.2.1调制与解调无线数据传输是以电信号的形式进行的，最基本的的无线通信系统由发射机、接收机和通常作为无线连接的信道组成。信道就是电磁波传播的途径。一般来说，信号源的信息(也称为信源)含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。由于无线电不能直接使用如人类语音那样的低频所以基带信号往往不能作为传输信号，因此必须把基带信号转变为一个相对基带频率而言频率非常高的信号以适合于信道传输，这个信号叫做已调信号，而基带信号叫做调制信号，这个过程叫做调制。调制的逆过程叫做解调，它是在接收机中进行的。调制是通过改变高频载波的幅度、相位或者频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化来实现的，调制的类型根据调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制；根据载波的不同可分为以正弦波作为载波的连续载波调制和以脉冲串作为载波的脉冲调制；根据调制器频谱搬移特性的不同可分为线性调制和非线性调制。线性调制是指输出已调信号的频谱和调制信号的频谱之间呈线性搬移关系。线性调制的已调信号种类有幅度调制（AM）、抑制载波双边带调幅（DSB）、单边带调幅（SSB）和残留边带调幅（VSB）等。非线性调制又称角度调制。其已调信号的频谱和调制信号的频谱结构有很大的不同，除了频谱搬移外，还增加了许多新的频率成分。非线性调制包括调频（FM）和调相（PM）两大类。本文详细介绍线性调制中的幅度调制、非线性调制中的调频和调相。线性调制主要有幅度调制（AM），是指用调制信号去控制高频载波的幅度，使其随调制信号呈线性变化的过程。AM信号的时域和频域表达式（2-1）（2-2）图2.2AM的波形和相应的频谱图（2）AM信号的带宽（2-3）式中，为调制信号的最高频率。AM信号的功率与调制效率（2-4）式中，为不携带信息的载波功率；为携带信息的边带功率。（2-5）AM调制的优点是可用包络检波法解调，不需要本地同步载波信号，设备简单。AM调制的最大缺点是调制效率低。线性调制系统的解调方式有两种：相干解调与非相干解调。相干解调适用于各种线性调制系统，非相干解调一般只适用幅度调制（AM）信号。1、相干解调所谓相干解调是为了从接收的已调信号中，不失真地恢复原调制信号，要求本地载波和接收信号的载波保证同频同相。2、非相干解调所谓非相干解调就是在接收端解调信号时不需要本地载波，而是利用已调信号中的包络信息来恢复原基带信号。因此，非相干解调一般只适用幅度调制（AM）系统。非线性分为频率调制（FM）和相位调制（PM），它们之间可相互转换。1、相位调制（PM）载波的幅度不变，调制信号控制载波的瞬时相位偏移，使按的规律变化，则称之为相位调制（PM）。令，其中为调相器灵敏度，其含义是单位调制信号幅度引起PM信号的相位偏移量，单位是弧度/伏（rad/V）。所以，调相波的表达式为（2-6）对于调相波，其最大相位偏移为（2-7）2、频率调制（FM）载波的振幅不变，调制信号控制载波的瞬时角频率偏移，使载波的瞬时角频率偏移按的规律变化，则称之为频率调制（FM）。令，即，其中为调频器灵敏度，其含义是单位调制信号幅度引起FM信号的频率偏移量，单位是赫兹/伏（Hz/V）。所以，调频波的表达式为（2-8）其最大角频率偏移为（2-9）非线性解调中调频信号的解调也分为相干解调和非相干解调两种。相干解调仅适用于窄带调频信号，且需同步信号；而非相干解调适用于窄带和宽带调频信号，而且不需同步信号，因而是FM系统的主要解调方式。对应于模拟调制的数字调制是指数字信号对载波的调制。与模拟信号对载波的调制类似，它同样可以去控制正弦振荡的振幅、频率或相位的变化。但由于数字信号的特点——时间和取值的离散性，使受控参数离散化而出现“开关控制”，称为“键控法”。数字信号对载波振幅调制称为振幅键控，即ASK。对载波频率调制称为频移键控，即FSK。对载波相位调制称为相移键控即PSK。数字信号可以是二进制的，也可以是多进制的。若数字信号u(t)是二进制，则ASK、FSK、PSK实现原理框图及键控信号的输出波形可由图2.3表示。图2.3二进制数字调制的波形和方框图本文主要介绍频移键控调制方式，该调制方式是用不同频率的载波来传送数字信号，用数字基带信号控制载波信号的频率。二进制频移键控是用两个不同频率的载波来代表数字信号的两种电平。接收端收到不同的载波信号再进行逆变换成数字信号，完成信息传输过程。FSK信号的产生有两种方法：直接调频法和频率键控法。直接调频法是用数字基带信号直接控制载频振荡器的振荡频率。这种方法产生的调频信号是相位连续的。直接调频法还有许多实现电路，虽然实现方法简单，但频率稳定度不高，同时频率转换速度不能做得太快。频率键控法也称频率选择法，它有两个独立的振荡器，数字基带信号控制转换开关，选择不同频率的高频振荡信号实现FSK调制。键控法产生的FSK信号频率稳定度可以做得很高并且没有过渡频率，它的转换速度快，波型好。键控法也常常利用数字基带信号去控制可变分频器的分频比来改变输出载波频率，从而实现FSK调制。数字频率解调的方法常用的有同步相干解调法、过零检测法和差分检波法等。在同步解调中,FSK信号的同步解调器分为上、下两个支路，输入的FSK信号经过f1和f2两个带通滤波器后变成了上、下两路ASK信号，之后其解调原理与ASK类似，但判决需对上、下两支路比较来进行。FSK信号包络解调相当于两路ASK信号包络解调。用两个窄带的分路滤波器分别滤出频率为f1和f2的高频脉冲，经包络检波后分别取出它们的包络。过零检测法则是利用信号波形在单位时间内与零电平轴交叉的次数来测定信号频率。2.2.2编码与解码如通信系统组成图2.1所示，在调制之前要先进行信源编码和信道编码。信源编码的作用之一是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩；作用之二是当信息源给出的是模拟信号时，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。信道编码的任务是提高数字信号传输的可靠性。为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分，组成所谓“抗干扰编码”。相应的，接收端在解调后要进行信道译码和信源译码。接收端信源译码是信源编码的逆过程，接收端信道译码是信道编码的你逆过程。一种比较常见的编码形式--曼彻斯特编码。在曼彻斯特编码中，用电压跳变的电位不同来区分1和0，即用正的电压跳变表示0，用负的电压跳变表示1，因此这种编码又称双相编码，由于跳变都发生在每一个码元的中间，接收端可以方便地利用它作为同步时钟，因此这种编码还称为自同步编码。这种编码是一种超越传统数字传输极限并且抗干扰能力较强的编码方式，这使得它更适合于信道传输，解决了传输数据没有时钟的问题。其实质是将普通NRZ二进制数据与其位率时钟相异或而得。根据这种编码方式的特点可以推出有两种解码方法，包括间隔读取法和连续检测法。所谓间隔读取法是指通过定时器控制每隔一段时间对数据进行一次读取。所谓连续检测法则是一直监视着电平的变化，然后通过波形维持高电平和低电平的时间长度以及高低电平的有序组合来判断当前的数据是“1”还是“0”。2.2.3PLL锁相环在通信系统的接收或者解调时，常常需考虑同步问题，特别是涉及数字信号时更是如此。在一个数字通信系统中包含多种同步问题。例如，PSK信号在相干解调时，接收端需要产生一个和接收信号同频、同相本地载波，用以和接收的PSK信号相乘。因此，这个本地载波的频率和相位信息必须来自接收信号，或者说是需要从接收信号中提取载波同步信息。本地载波和接收信号载频的同步问题称为载波同步。载波同步的方法可以分为两大类，第一类是在发送端的发送信号中插入一个专门的导频用于载波同步。第二类是在接收端设法从有用信号中直接提取出载波，而不需要传送专门的导频。在直接提取法中可用平方法提取载频、其中可以使用锁相环(PLL)代替窄带滤波器来滤出载频分量。由于锁相环的输出信号具有更好的稳定性，并且不必须有连续的输入信号所以它的应用较为广泛。锁相环是指一种电路或者模块，在现代无线电通信系统中，锁相环路可说是无所不在。它用于在通信的接收机中，其作用是对接收到的信号进行处理，并从其中提取某个时钟的相位信息。或者说，对于接收到的信号，仿制一个时钟信号，使得这两个信号从某种角度来看是同步或相干的。锁相环可使某一特定系统的信号频率，能随另一系统追踪而行。PLL基本上是一个闭环的反馈控制系统，一般是由鉴相器，环路滤波器和压控荡器(VCO)三个基本电路组成。其基本原理是压控振荡器的输出经过采集和基准信号同时输入鉴相器，鉴相器通过比较上述两个信号的频率差，然后输出一个直流脉冲电压控制VCO，使它的频率改变。这样经过一个很短的时间，VCO的输出就会稳定于某一期望值。锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uc(t)，对振荡器输出信号的频率实施控制。锁相环中的环路滤波器用于对鉴相器的输出信号进行滤波和平滑，大多数情形下是一个低通滤波器，用于滤除由于数据的变化和其他不稳定因素对整个模块的影响。由于锁相环路具有一些特殊的性能，被广泛地应用于电子技术的各个领域。锁相调频电路就是其在调制解调技术中的应用之一。锁相调频电路能够得到中心频率稳定度很高的调频信号。其原理框图如图2.4所示。实现锁相调频的条件是，调制信号的频谱要处于低通滤波器通带之外，并且调制指数不能太大。这样，调制信号不能通过低通滤波器，因而在环路内不能形成交流反馈，调制频率对环路无影响。锁相环路只对VCO平均中心频率不稳定所引起的分量（处于低通滤波器通带之内）起作用，使其中心频率锁在晶振频率上。因此，输出调频波的中心频率稳定度很高。这样，锁相调频能克服直接调频中心频率稳定度不高的缺点。设计频率合成器的锁相环路时要设定一些必要的参数如所需的最高输出信号频率、最低输出信号频率、分频器的输出信号频率、中心频率、参考信号频率、环路低通滤波器的截止频率、VCO的灵敏度、增流器的增益、环路滤波器的相位界限、分频器的除数、频道间距等等。调制信号鉴相器环路滤波器压控振荡器鉴相器环路滤波器压控振荡器信号输入误差信号控制信号输出信号误差相位图2.4锁相调频电路原理方框图下面分别介绍锁相环路的三个模块：鉴相器是相位比较装置，用来比较参考信号与压控震荡器输出信号的相位，产生对应于这两个信号相位差的误差电压。表示其间关系的函数称为鉴相特性。鉴相器是锁相环的基本部件之一，也用于调频和调相信号的解调。常见的鉴相特性有余弦型、锯齿型与三角型等。鉴相器可以分为模拟鉴相器和数字鉴相器两种。鉴相器的特性，在锁定状态时，工作特性犹如一般的鉴相器，惟当环路脱锁时，将会提供频率判定信号，以求重新锁定。任何一个理想的乘法器都可以做鉴相器。设输入信号为（2-9）压控振荡器输出信号为（2-10）经乘法器相乘后，其输出通过环路滤波器滤波，将其中高频分量滤除，则鉴相器的输出为（2-11）式中，其中，为乘法器的增益系数，。鉴相器的作用是将两个输入信号的相位差转变为输出电)Acp图2.5鉴相器的数学模型压控振荡器受环路滤波器输出电压的控制，使振荡频率向参考信号的频率靠拢，两者的差拍频率越来越低，直至两者的频率相同、保持一个较小的剩余相差为止。所以，锁相就是压控振荡器被一个外来基准信号控制，使得压控振荡器输出信号的相位和外来基准的相位保持某种特定关系，达到相位同步或相位锁定的目的。压控振荡器是一种电压/频率变换器，它在锁相环路中起着电压--相位变化作用。在一定范围内，与之间为线性关系，可用下式表示，即(2--12)式中，为压控振荡器的中心频率；是一个常数。它表示单位控制电压所引起的震荡角频率变化的大小。但在锁相环路中，需要的是它的相位变化，即把由控制电压所引起的相位变化作为输出信号。由(2--12)可求出瞬时相位为(2--13)所以由控制电压所引起的相位变化，即压控振荡器的输出信号为(2--14)由此可见，压控振荡器在环路中起了一次理想积分作用，因此压控振荡器是一个固有积分环节。VCO受环路滤波器输出电压的控制，使振荡器向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同，使得VCO输出信号相位和输入信号相位保持某种特定的关系，从而达到相位锁定的目的。图2.6压控振荡器的数学模型环路滤波器的作用是将中的高频分量滤除掉，得到控制电压,以保证环路所要求的性能。环路滤波器是低通滤波器，一般是线性电路，由线性元件电阻，电感、电容及运算放大器组成。常用的滤波器形式有RC积分滤波器、无缘比例积分滤波器和有源比例滤波器。环路滤波器的输出电压和输入电压之间可用现行微分方程来描述。在锁相环路中的主要功能，是过滤误差信号的高频分量。环路的工作稳定性，以及锁定频率的快慢与范围，都与环路滤波器的特性有关。环路滤波器除了抑制参考信号频率外，抑制噪声的干扰也是其功能之一。

系统硬件设计3.1系统整体设计本文介绍的无线数据传送系统，应用AT89C51单片机控制无线数字传输芯片nRF401。通过无线方式进行数据双向传输，采用半双工方式通信，在从单片机和主单片机之间传输数据，之间通过串口通信。系统框图如图3.1。从单片机3无线收发n从单片机1从单片机2无线收发2无线收发1无线收发主单片机从单片机3无线收发n从单片机1从单片机2无线收发2无线收发1无线收发主单片机图3.1系统框图本无线传送系统中，把AT89C51作为控制部分，这将使系统功能更加灵活。系统包括发射和接收两部分。发射部分由键盘、AT89C51单片机控制、nRF401无线收发芯片以及LED数码显示器组成。接收部分由AT89C51单片机控制、nRF401无线收发芯片以及LED数码显示器组成。在本系统中，需对对每个从单片机定义一个地址。当其中一个从单片机通过键盘输入数值并且通过LED显示器显示出数据后，向主单机发送数据时，框图如图3.2所示，电路图见附录1，主单片机接收到数据并把接收到的信息通过LED显示器显示出来。LED显示器LED显示器滤波器解调器滤波器解调器单片机控制单片机控制锁相环振荡器压控振荡器4*4矩阵键盘锁相环振荡器压控振荡器4*4矩阵键盘无线收发模块图3.2从单片机发送数据框图3.2无线收发芯片的选择由于无线收发芯片的种类和数量比较多，如何在设计中选择所需要的芯片非常关键。正确选择所需要的芯片可以使开发工作少走弯路，提高工作效率。（1）数据传输的编码方式。如果采用曼彻斯特编码的芯片则在编程上会有较高的要求，需要更多的内存和空间，并且会大大降低了数据传输的效率，一般仅能达到标称速率的1/3。（2）外围元件数量。芯片外围元件的数量决定了模块的体积和重量，以及整个系统的复杂性，因此应该选择所需外围元件少的芯片。（3）功耗。由于无线收发芯片是应用在测控系统上，因此功耗非常重要，应该根据需要选择综合功耗较小的模块。（4）发射功率。在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射功率较高的产品。（5）收发芯片的封装和管脚数。较少的引脚和较小的封装，有利于减少印制电路的面积。根据上述标准，本人选择无线收发nRF401。nRF401是一个为433MHzISM频段设计的真正单片机UHF无线收发芯片。在数据编码方面，nRF401采用串口传输，无需对数据进行曼彻斯特编码，应用及编程非常简单，传送的效率很高，标称速率就是实际速率。在控制芯片外围元件的数量方面，nRF401也是一个较为理想的选择，它的外围元件仅需10个左右，无需声表面滤波器、变容管等昂贵的元件，只需使用4MHz的晶体，收发天线合一，减少了系统开发的难度。当然除了上述的优点外，nRF401还具有以下几点优点：采用FSK调制解调技术，抗干扰性能力强。在芯片内同时集成了发射功率放大器、低噪声放大器、晶体振荡器、锁相环、压控振荡器、混频器等电路。其采用的是PLL频率合成技术，频率稳定度高。通过控制芯片外部引脚，可以使芯片随时在发送模式和接收模式之间切换，无需进行任何初始化设置。nRF401的最高工作速率可达20k,发射功率可以调整，最大为+10dBm。具备434.32MH和433.92MHz两个不同的数据频段，可以在两个频率之间自由切换。nRF401的电压工作范围在2.7--5.2V之间，可以适用不同的设计需要。芯片使用低功耗设计，最低工作电压2.7V，支持待机模式，正常接收状态下的功耗为250uA，发射状态下的功耗为8mA，待机状态下的功耗仅为8uA。在目前较为流行的无线数据收发芯片中，无论是从使用的方面性、传输速率还是输出功率等各个方面的考虑，nRF401都是一种特别理想的选择。3.3nRF401无线模块3.3.1内部结构与引脚功能由于大规模集成电路技术的发展，很多的短距离无线数据传送系统种的大部分功能都集成到一块芯片内部。本文所选的nRF401便是如此:所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，芯片内包含有发射功率放大器、低噪声接收放大器、晶体振荡器、锁相环、压控振荡器、混频器等电路。采用晶体振荡和PLL频率合成技术，一致性良好，其内部结构方框图如下图3.3所示。滤波器解调器DOUT混频器滤波器解调器TXEB低噪声放大器ANT1FREQANT2压控振荡器锁相环振荡器DIN压控振荡器锁相环振荡器PWR-UPxc1xc2FILT1VCO1VCO2RF-PWR图3.3nRF401内部框图芯片有2个工作频道:434.33MHz和433.92MHz，适合需要多信道工作的特殊场合。工作电压范围为2.7V一5.25V，低功耗，具有待机模式，从而可以更省电、更高效。工作温度为一25℃一85℃，能够满足大多数工作场合的需要。芯片可以直接与微控制器接口，仅需外接一个晶体和几个阻容、电感元件，即可构成一个完整的射频收发器，电路模块尺寸较小，可方便地嵌入各种测量和控制系统中，广泛应用于报警和安全系统、无线通信、遥控装置、工业控制和自动测试系统。nRF401芯片采用20脚SSOP小型贴片封装，外形尺寸为7.40mm*5.00mm，引脚宽度为0.38mm，引脚中心间距仅为0.65mm。应用电路如图3.4。图3.4nRF401应用电路其引脚功能描述如下：XC1、XC2(引脚1、20）：这两个引脚用于连接外部参考晶振，其中，XC1为晶振输入，XC2为晶振输出。VDD(引脚2、8、13）：电源输入脚，电压范围为2.7--5.25V。VSS（引脚3、7、14、17）：电源地。FILT1(引脚4）：滤波器接入端。VCO1、VCO2(引脚5、6）：外接压控振荡电感。DIN（引脚9）：发射数据输入端，该引脚用于从单片机接收要发送的数据。DOUT（引脚10）：接收数据输出端，该引脚将无线接收到的数据送入单片机。RF-PWR(引脚11）：发射功率设置。CS（引脚12）：频道选择端。CS=0，芯片工作在频道1，即433.92MHz频道；CS=1，芯片工作频道2，即434.33MHz。ANT1、ANT2(引脚16、15）：天线接口。PWR（引脚18）：低功耗控制。PWR=1时，芯片处于正常工作状态；PWR=0时，芯片为待机微功耗状态。TXEN（引脚19):工作模式切换。TXEN=1时，芯片为数据发射状态；TEEN=0时，芯片为数据接收状态。芯片具体工作状态与控制引脚关系如表3.1所示。引脚电平工作模式TXENCSPWR工作频道工作状态0011接收0112接收1011发射1112发射0--待机表3.1nRF401工作模式设置3.3.2应用电路及设计应注意问题在实际应用中，微控制器采用Atmel公司的AT89C51，分别用单片机的P1口各管脚控制nRF401的DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS这五个脚即可。在nRF401芯片使用时，设定好工作频率，进入正常工作状态后，通过单片机根据需要进行收发转换控制，发送／接收数据或进行状态转换。nRF401芯片所需扩展的外围器件较少，仅需外接一个晶体和几个阻容、电感元件，即可构成一个完整的射频发生器。由于采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证，其开阔地的理想使用距离最远可达1000米，具体传输距离与使用环境及元件参数有关。由图3.4可见，nRF401芯片可以直接把DIN、DOUT接单片机串口发送接收数据，而无需对数据进行曼彻斯特编码，其他的单片RF收发芯片一般都需要对数据进行曼彻斯特编码后才能发送，不仅增加了编程的复杂性，而且传输效率低，实际速率仅为标称的一半，不能满足实时传输的需要。nRF401的电源开关脚PWRUP、发射允许脚TXEN和通道选择脚CS可以直接接至单片机I/O口进行控制，具体工作状态如表3.1所示。其不需要进行设置，应用及编程非常简单，可直接传输串口数据，传送的效率很高，是一种能方便地与各种单片机配合使用的方案。在实际的设计应用中，需要注意NRF401状态转换时序问题。TXRX的切换当从RX转到TX模式时，数据输入脚（DIN）必须保持为高至少1ms才能发送数据，时序如图3.5所示。当从TX转到RX模式时，数据输出脚（DOUT）要至少3ms以后又数据输出。如图3.5所示。Standby->RX的切换从待机模式到接收模式，当PWR_UP输入设成1时，经过tST时间后，DOUT脚输出数据才有效。对nRF401来说，tST最长时间是3ms,如图3.6所示。Standby->TX的切换从待机模式到发射模式，所需稳定的最大时间是tST，即2ms.。如图3.7所示。PowerUp->TX的切换从加电到发射模式过程中，为了避免开机时产生干扰和辐射，在上电过程中TXEN的输入脚必须保持为低，以便于频率合成器进入稳定工作状态。当由上电进入发射模式时，TXEN必须保持1ms以后才可以往DIN发送数据。如图3.8所示。PowerUp->RX的切换从上电到接收模式过程中，芯片将不会接收数据，DOUT也不会有有效数据输出，直到电压稳定达到2.7V以上，并且至少保持5ms。如果采用外部振荡器，这个时间可以缩短到3ms，如图3.9。图3.5TXRX的切换图3.6Standby->TX的切换图3.7Standby->RX的切换图3.8PowerUp->TX的切换图3.9PowerUp->RX的切换3.3.3工作原理在接收模式中，RF输入信号被低噪声放大器(LNA)放大，经由混频器(MIXER)变化，这个被变换的信号在送入解调器(DEM)之前被放大和滤波，经解调器解调，解调后的数字信号在DOUT端输出。在发射模式中，压控振荡器(VCO)的输出信号是直接送入到功率放大器(PA)，DIN端输入的数字信号被频移键控后馈送到功率放大器输出。由于们RF401采用了晶体振荡和PLL合成技术，频率稳定性好。3.3.4天线的设计一般而言，决定通信距离的因素有两个：系统的动态范围和电磁波的传输损耗。系统的动态范围与两个因素有关：发射功率和接受灵敏度。动态范围=发射功率-接受灵敏度。回波损耗主要由阻抗失真造成。高回波损耗有两种负面效应：一是信号反射回信号源会增加系统噪声；二是因为输入信号的形状发生了变化，任何反射信号基本上都会使信号质量降低。因此，在射频电路中需要做到良好的阻抗匹配，这样可以减小功率损耗及系统发射干扰。天线是电磁波沿传输线路和在空间中进行传输的接口，在通信路径中非常重要。天线是无源器件，也是互易器件，同一种设计既可以用作发射天线，也可以用作接收天线。在射频电路中需要做到良好的阻抗匹配，这样可以减小功率损耗及系统发射干扰。因此无线接口设计为差分天线，ANT1和ANT2时接收时LNA的输入，以及发送时功率放大器的输出。在天线端推荐的负载阻抗是400欧姆。本文通过一个差分转换匹配网络连接到nRF401来设计一个50欧姆的单端天线。如图3.10所示。图中，180nH电感，要求自谐振频率大于433MHz。图3.10采用单端天线时匹配网络的设计3.4单片机控制模块的选择单片机的选择标准：（1）性能。根据设计任务的复杂程度来决定选择什么样的单片机。（2）存储器。研发阶段，推荐使用Flash单片机，它有电写入、电擦除的优点，使得修改程序很方便，可以提高开发速度。（3）运行速度。单片机的运行速度首先看时钟频率，指令集，几个时钟为一个机器周期。在选用单片机时要根据需要选择速度，不要片面追求高速度，单片机的稳定性、抗干扰性等参数基本上是跟速度成反比。（4）I/O口。I/O口的数量和功能是选用单片机时首先要考虑的问题之一，根据实际需要确定数量，I/O多余不仅芯片的体积增大，也增加了成本。（5）驱动能力。驱动电流大的单片机可以简化外围电路。（6）定时／计数器。多数单片机提供2--3个定时／计数器，有些定时／计数器还具有输入捕获、输出比较和PWM(脉冲宽度调制)功能，利用这些模块不仅可以简化软件设计，而且能少占用CPU的资源。现在还有不少单片机提供了看门狗定时器(WDT)，当单片机“死机”后可以自动复位。（7）串行接口。单片机常见的串行接口有：标准UART接口、增强型UART接口、I2C总线接口、CAN总线接口、SPI接口、USB接口等。大部分单片机都提供了UART接口，也有部分单片机没有串行接口。

（8）工作电压、功耗。单片机的工作电压最低可以达到1.8V，最高为6V，常见的是3V和5V单片机的功耗参数主要是指正常模式、空闲模式、掉电模式下的工作电流，用电池供电的系统要选用电流小的产品，同时要考虑是否要用到单片机的掉电模式，如果要用的话必须选择有相应功能的单片机。（9）抗千扰性能、保密性。选用单片机要选择抗干扰性能好的，特别是用在干扰比较大的工业环境中的尤应如此。单片机加密后的保密性能也要好，这样可保证你的知识产权不容易被侵犯。

根据上述标准我们选用AT89C51单片机。AT89C51单片机片内带有一个4k字节的Flash可编程可擦除只读存储器。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种低电压、高性能CMOS8位微处理器。这就决定了在某些方面其自身的优越性。众所周知，编写程序绝大多数需要反复调试，数次修改，AT89C51的可擦除可编程特性极大地方便了编程者的调试修改工作，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。其主要特性包括：与MCS-51兼容，寿命是1000写/擦循环，数据保留时间为10年，具有三级程序存储器锁定、128*8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源。拥有可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路。3.5AT89C51单片机内部结构与引脚功能AT89C51拥有40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，片内时钟振荡器。此外，AT89C51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。AT89C51单片机是采用40引脚双列直插形式，如图3.11所示。图3.11AT89C51单片机各引脚功能如下：VCC：供电电压,运行和程序校验时加+5V。电路图如图3.12所示。本电路是采用小型直流稳压电源供电，输出的9V直流电源加入到电源电路中，通过LM7805稳压芯片的降压作用，提供工作所需的5V电源。GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，描述如下：

P3.0：RXD（串行输入口）

P3.1：TXD（串行输出口）

P3.2：INT0（外部中断0）

P3.3：INT1（外部中断1）

P3.4:T0（记时器0外部输入）

P3.5:T1（记时器1外部输入）

P3.6:WR（外部数据存储器写选通）

P3.7：RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。振荡器复位期间时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。在实际应用系统中，有些外围芯片也需要复位，如果这些复位端的复位电平要求与单片机的要求一致，则可以与之相连。其电路图如图3.13所示。分析复位电路的工作过程可以看出，当系统得到工作电压的时候，复位电路工作在上电自动复位状态，通过外部复位电路的电容充电来实现，只要Vcc的上升时间不超过1ms就可以实现自动上电复位功能。在本复位电路中，采用10uF的电容和1kΩ的电阻来实现复位电路。当系统出错时，直接按开关实现模拟系统上电复位的功能，从而实现系统重新复位启动。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。图3.12电源电路图3.13复位电路3.6键盘接口技术键盘是一组开关的集合，是单片微型计算机系统中最常用的一种输入设备。一般应用时有两类键盘：编码键盘和非编码键盘。编码键盘能自动提供对应于被按键的编码信息，如ASCII码，并能同时产生一个选通脉冲通知微处理器，还具有处理抖动和多键串键的保护电路。非编码键盘所需要的硬件较少，其中按键的识别、按键代码的产生、防止串键和消去抖动等问题，都靠程序来实现。不同的组合方式可构成很多种不同的键盘接口方式。当按键较少时，一般采用独立方式，而当按键较多时采用矩阵（行列）方式。本论文设计的是无线点菜系统所以需要用键盘输入桌号、菜号以及其它的控制信号，所按键较多故采用的是4*4的16键矩阵键盘。如图3.14所示。键盘状态的监测方法包括有中断方式和查询方式。从按一个键到键的功能被执行主要包括两项工作：键的识别，键功能的实现。因为常用键盘的键实际上就是一个机械开关结构，被按下时，由于机械触点的弹性及电压突跳等原因，在触点闭合或断开的瞬间会出现电压抖动。当键按下，按键从开始接上至接触稳定要经过数毫秒的弹跳时间。键松开时也有同样的问题。弹跳会引起一次按键读入多次的情况。消除弹跳可用硬件或软件的方法，通常键数较多时常用软件反弹跳，当检测出闭合后，执行一个延时程序产生数毫秒的延时，让前沿弹跳消失后在检测下一个间的闭合。除了要用一定的方法消除按键抖动外，对于非编码键盘还应包含怎样识别键盘中梭按键的含义主要是解决以下问题：检测是否有键按下，若有键按下则判断是哪一个键，再确定被按键的含义。4*4的矩阵键盘需要8条线与单片机相连。键盘接口一般采用扫描读入方式工作，扫描式键盘接口是一个输入、输出接口，行是输入接口，而列是输出接口。输入接口主要功能是解决数据输入的缓冲问题，而输出接口主要功能是进行数据保持能力。图3.144*4矩阵式键盘3.7显示器接口技术显示器已普遍用于直接地显示数字系统的运行状态和工作数据，单片机应用系统中常用的显示器，按其材料及生产工艺有LED发光二极管显示器、LCD液晶显示器件。本文将采用四位发光二极管显示器，当外加电压加在发光二极管上可产生可见光。其具有体积小、重量轻、工作电压低、稳定、寿命长、响应时间短、发光均匀、清晰、亮度高等优点。与液晶显示器相比，它更适于在光线暗的环境中使用。显示器接口按驱动方式可分为静态显示和动态显示两种显示方式，本文选用的是动态显示，扫描可由单片机软件或专门的硬件完成。其接口电路图如图3.15所示。图3.15显示器接口电路图常用的LED数码显示器由7个发光二极管组成7段LED显示器，其排列形状如图3.16所示。此外，其中的dp用于显示小数点。通过7个发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其他符号。LED显示器中的发光二极管共有两种连接方法：共阳极接法和共阴极法。为了显示数字或符号，要为LED显示器提供显示字形代码。字形代码可用硬件译码和软件查表方法实现。使用LED显示器时要注意区分这两种不同的接法所使用的硬件译码器件或软件译码的代码。LED显示器的字形各代码位的对应关系如下：代码位D7D6D5D4D3D2D1D0显示段dpgfedcbaLED显示器十六进制数的字形代码见表3.2。在程序设计时，表3.2作为表格存入存储单元，通过改变表格内容是显示字形变化。所以，用软件译码字形显示比较灵活。图3.16LED显示器表3.2LED显示器字形代码

第4章系统软件设计无线数据传输系统功能的实现离不开软件系统。该系统的软件设计与硬件设计相对应，同样采用模块化的设计思想，按整体功能分成多个不同的程序模块，分别进行设计、编程和调试，最后通过主程序将各程序模块连接起来。这样既有利于程序的修改和调试，又增强了程序的可移植性。本系统的程序主要分为两部分：单片机控制程序以及单片机录入与显示菜单程序。前者主要完成主从机之间的无线数据传输，后者则为从键盘输入数据以及通过LED显示数据。本设计的开发平台为KEILC51。4.1主程序设计单片机控制主程序负责完成点菜系统数据的输入、显示及数据的无线传输，可分为主单片机和从单片机两部分，双方进行的是半双工通信。数据输入前，利用C语言程序来驱动无线传输模块nRF401。驱动程序见附录2。该系统主程序流程图见图4.1。开始开始串口初始化串口初始化是否有信号输入否是否有信号输入是否输入完毕是否是否输入完毕