基于sc89c55的单工无线叫数据传递系统

基于sc89c55的单工无线叫数据传递系统

0单工无线呼叫系统近年来，随着通信技术的快速发展，语音和通信技术在系统的规划、数据采集和控制、移动数据分布和接收方面得到了广泛应用。本文根据实际经验介绍一种单工无线呼叫系统,实现主站至多个从站的单工语音及数据传输业务。可选择对任一从站的呼叫或广播功能。短信发送和接收采用LCD显示,界面友好。能方便地应用于短距离通信,如校园通信或办公通信或广播系统,具有极好的应用前景。1数字视频监控系统在模拟调频与频移键控FSK中引入了频率合成技术、两次混频方案。语音进行了压扩处理,数据信号采用了SPL编解码和群计数差错控制。电路采用了性能优良的中大规模IC。通过这些措施,提高了频率稳定度、增大了调制范围、提高了信噪比、降低了误码率、方便了安装调试,能较好地实现设计任务全部要求。并在此基础上,增加了短信存储、短信查询、音量步进调节、信号强度检测和短信接收提示等功能。发射部分,调制采用压控振荡器方式,利用锁相环的特性使载波频率与基准频率保持严格的比例关系,并得到相同的频率稳定度。数字信号和话音信号加在VCO的变容二极管上,对38.675MHz正弦信号进行调频调制和频移键控FSK调制。主振频率由程控PLL控制,调制后的信号经激励、功放和天线发射出去,如图1所示。接收部分,为提高接收机的接收灵敏度,设置了高频小信号谐振放大器,为抑制杂散信号的干扰采用两次变频。第一级本振信号由程控锁相环控制的频率合成器产生,频率为接收频率38.675MHz与第一中频10.695MHz的和频49.370MHz。一次混频的信号经第一中放后进入二次混频,二级本振频率为10.24MHz,取自第一本振锁相环的基频。混频后得到455kHz的第二中频信号,再经第二中放后进行限幅、鉴频,解调后的数字信号经整形滤波后送入单片机从系统进行处理和显示,解调后话音信号经扩张处理、低频放大后输出,如图2所示。为保证较宽动态范围内的语音信号的高质量传输,语音进行了压扩处理;为降低信令和短信的误码率,数据信号采用了SPL编解码和群计数差错控制;为便于调节音量大小,设置了步进调节器;为便于接收多条短信,设置了短信存储和查阅功能;为了判断信号的强弱,设置了信号强度检测功能;为简化电路、方便安装调试,采用了综合化程度较高、性价比优良的通信常用集成电路MC13111A和MC2833,单片机采用功能较强的89C55,显示部分采用HY12232液晶显示器。2发射装置发射电路主要由语音放大器、调制振荡器、程控锁相环和高频功率放大器等组成。2.1杂散辐射抑制放大器由于设计任务要求功率小于20mW,发射机功率较小,因此本设计采用甲类调谐放大器。虽然甲类功放的效率较低,但放大器工作在线性放大区,增益大,产生的谐波分量小,再加上调谐回路的选频作用,可令杂散辐射抑制性能得到提高。放大器由R30、C49、C50、C70、L6、L7、L9和MC2833内置三极管T1、T2组成,如图3所示,L9和C70构成天线阻抗匹配网络。在该放大器中,只要偏置选择合适,就可使振荡器工作在线性区。2.2mc3033电路设计调制振荡器是1个压控振荡器,实质上是在电容反馈3点振荡器中的谐振回路上加入变容二极管及控制信号。变容二极管在正常工作时可看作是受控制信号电压控制的电容,其结电容的容量随控制电压的变化而变化。压控振荡器的核心部分是用调频发射组件芯片MC2833中的RF振荡器与外接变容二极管D1、电感L3、电容C37、C61、C62、C59、C60等元件构成,如图4所示,信号通过MC2833缓冲输出。变容二极管选用ISV2687,属于超突变结调谐二极管,电容变化范围较宽。振荡器的中心频率为38.675MHz,变容二极管的电容量约为80pF,则由下式可算出所需电感量,f01=12πL1C01√L1=1(2πf01)2C01=1(2π×30×106)2×80×10−12=0.2μHf01=12πL1C01L1=1(2πf01)2C01=1(2π×30×106)2×80×10-12=0.2μΗ压控振荡器的元件参数将会随温度的变化而变化,频率不稳定。为了提高振荡器的频率稳定度,系统采用了锁相技术,使之构成1个锁相频率合成器。2.3语音信号的压缩及扩张器工作原理由于话筒输入的话音信号电平变化范围很大,为了保证在较宽动态范围内声音信号的高质量传输,尤其是为确保微弱声音的信噪比,在发送前先经过压缩器将语音信号的变换范围进行压缩,然后再调制发送。在接收时,对解调出的语音信号需先经过扩张器扩张,恢复原电平动态范围。压缩器实质上是一个可变增益放大器,其增益受话音信号的电平控制,电平越高增益越小。扩张器也是可变增益放大器,其增益与压缩器相反,随着话音信号的增大而增大。压扩器由MC13111A内置电路组成。3所处的频率及信号条件接收电路主要由高频放大器、高频振荡器、混频器、鉴频器、扩张器、滤波整形电路等组成。进入接收机的接收信号,经过射频放大器放大后进入第一混频器,第一本振由程控锁相环控制,锁相环的参考频率振荡器为10.24MHz的晶体振荡器。CPU通过预置PLL内部的分频计数器值,选择第一本振的频率为49.370MHz。对应于接收机的接收频率38.675MHz,所以第一中频的频率为10.695MHz。第一中频集中滤波器采用10.7MHz的陶瓷滤波器,其通频带宽于180kHz,所以10.695MHz的信号可以顺利通过,进入第二混频器。第二混频器取PLL的10.24MHz参考频率振荡器的信号作本振信号,与10.695MHz的输入信号混频后,产生455kHz的第二中频信号,放大后进入调频解调电路。调频解调电路主要由限幅电路和鉴频器构成,455kHz的中频调制信号首先进入限幅放大电路,去除寄生调幅,将等幅的调频信号送入鉴频器解调。同时,限幅器还产生与输入信号强度变化一致的电流信号,送入载波检测电路,最终产生反映当时RF信号强度的直流电压,供单片机裁决。鉴频器将调频信号解调出来,输出信号可能是被压缩的话音信号,也可能是数字信号。数字信号发送与话音信号的发送是分时进行的,这样有利于数字信令接收,并能提高话音信号的质量。话音信号进入扩张解压,恢复原话音。数字信号再经过滤波整形,成为标准数字信号,供单片机接收。3.1高频电源电路高放处于接收机最前端,其作用是将接收到的微弱信号放大,同时,最大限度地抑制噪声的增强。高放性能的优劣对整个接收机的灵敏度有至关重要的影响。高放级的主要指标是高频功率增益和噪声系数。增益越大,噪声系数越低则接收电路的信噪比就能得到改善,整个接收系统的灵敏度就会提高。因输入的是高频微弱信号,为获得较高的增益,高放工作在线性小信号放大区,为获得对有用信号较好的选择性,采用调谐放大。因此,本机高放设计成小信号调谐放大器。高频放大器的具体电路如图5所示。C1、T1和C5、L1分别是输入选频回路和输出选频回路,分别调谐在38.675MHz。上偏置电阻R1阻值选为47kΩ,使放大器工作在线性放大区。为降低放大器本身的噪音,选用集电极反向电流ICB0小、电流放大系数β大、截止频率fT高的三极管9018。3.2压控振荡和锁相环在接收机中,第一本振为受锁相环控制的高频压控振荡器,振荡频率由L4、C47、C48等决定,压控振荡器和锁相环集成在MC13111内部,其原理与发射部分的调制振荡器类似,不再赘述。第二本振与琐相环共用1个晶体振荡器。3.3混合高频设备接收机有2次变频过程,都是由集成电路内的模拟乘法混频器完成的。3.4大信号的频率鉴频器的作用是从已调频输入信号中恢复话音或数字信号的调制信号。MC13111A采用乘积型相位鉴频器,其原理图如图6所示。鉴频器之前设计有限幅器,鉴频器的输入信号是限幅器输出的大信号调频方波,一路直接输入乘法器,一路输入移相网络。移相网络的作用是将已调频波的频率变化转化为相位变化,且输出的相位变化在一定范围内与输入信号的频率变化成线性关系。移相网络输出的信号输入乘法器与原已调频波相乘。乘法器使U2与U1之间的相位变化转为输出脉冲信号占空比的变化。乘法器的输出脉冲信号通过低通滤波器(LPF)又将其脉冲占空比的变化转化为输出信号的电平变化。经过频率变化、相位变化、脉冲占空比变化电平变化后,输出信号的电平变化在一定范围内与输入信号的频率变化满足线性关系,则最后LPF的输出信号即为要解调的调制信号。3.5语音信号和数字信号滤波整形电路由滤波电路和整形电路组成,从鉴频器解调出的信号有话音信号,也有数字信号。数字信号需经过滤波整形,成为标准数字信号才能提供给单片机数据接收端,接收滤波整形电路由滤波电路和整形电路组成,如图7所示。4频率合成器的整体结构接收机的第一本振频率以及发射机的调制振荡器的载波频率都是由频率合成器合成的。锁相频率合成是利用锁相环路的特性,使压控振荡器的压控频率与基准频率保持严格的比例关系,并得到相同的频率稳定度。第一本振和调制振荡器中频率合成器所用锁相环部分的核心器件是MC13111A。由MC13111A组成的程控锁相环和环路滤波器如图8所示。LC振荡器输出的信号送入程控分频器输入端(TXVCO),其分频次数由单片机以串行方式送入Data端对分频比进行控制,分频器输出的相位信号θ1(t)与内部产生的相位信号θ2(t)进行比较,输出1个与相差θ(t)=θ2(t)-θ1(t)成函数关系的误差信号ud(t)。误差信号ud(t)从6脚输出送至环路滤波器。该环路滤波器由无源比例滤波器和RC积分滤波器级联构成,具有低通特性。滤波器输出的直流误差信号送至压控LC振荡器。5单元制系统单片机系统由主站的单片机主系统和从站的单片机从系统2部分构成。5.1显示模块单片机主系统电路如图9所示,由89C55单片机、HY12232B液晶显示模块、输入键盘和复位电路等组成。其主要功能是:锁相环控制、话音/数字信号通路控制、数据传送、从机呼叫、英文短信输入、编辑与发送、显示功能。5.2显示电路组成单片机从系统电路如图10所示,由89C55单片机、HY12232B液晶显示模块、24C01和复位电路等组成。其主要功能是:锁相控制、等待呼叫、电源管理、显示功能、短信存储功能。6通信协议和软件设计6.1通信协议6.1.1包长度和包内容本系统的信令和英文短信数据包由同步码WS、功能码FC、数据包长度码SIG、数据包内容DIGI和校验码CHECK5部分组成。同步码占2byte,功能码占1byte,数据包长度占1byte,校验码占1byte。数据包格式如表1所示。6.1.2spl编码校验码数据包WS、FC、SIG、DIGI、DHECK的发送是由单片机的通用输出端口从高位到低位串行逐位发送的,发送完WS以后,发真正的信令码FC、SIG、DIGI、DHECK时,将进行SPL编码,按照1变为01,0变为10的原则,FC由原15位变成30位,发送的波特率为1000bit/s,而数据传输率则为其一半,即为500bit/s。数据包的接收是发送的逆过程,是由单片机的通用接收端串行接收的,当单片机串行接收到WS后,即着手接收已经过SPL编码的FC、SIG、DIGI、DHECK。如果按照01→1,10→0的原则进行SPL解码,若出现00或11的情况,认为接收端出错,若出错2次,则信令无效,若只有1次,则暂时按00→0,11→1处理,留待下一步校验码纠错。SPL编码的主要功能是实现信令串行传输的位同步。接收端以200μs的周期抽样接收数据,抽样率是数码发送波特率的5倍。单片机自设模5计数器,每遇接收端有上升沿或下降沿出现,计数器强制为零。抽样1次,计数器加1,在计数器为2时的抽样值作为接收到的数码值。由于进行SPL编码后,最长2位数码后就必须出现01或10,这就保证了中间抽样的正确性。差错控制的基本思路是,在发送端根据要传输的数据系列加入多余码元,使原来不相干的变为相干的数据,即编码。传输时将多余码元和信息码元一并传送。接收端根据信息码元和多余码元间的规则进行检验,即译码。根据译码结果进行差错检测。当发现差错时,由译码器自动将错误纠错。这种多余码元就是校验码。本设计中采用群计数码进行校验。通过SPL解码排错和群计数码的纠错,基本上可保证数据的可靠传输。群计数码首先将信息码分组,而后计算每一组中1码的个数,并用二进制数表示。此二进制数作为校验元附加信息元后传输。如111010共有4个1,用100表示,则传输的码组为111010100。这种编码方法可以发现大量的错误图样,有很高的检错能力。但群计数法的编码效率较低,尽管如此,由于本设计传送的数据仅为信令和短信,采用此纠错方法是比较合适的。6.2软件方案的设计主系统和从系统分别都有1个单片机小系统,每个小系统都有各自的软件系统。6.2.1系统控制程序主站软件系统主要有由主程序、键盘扫描子程序、通信协议管理程序、控制管理子程序、显示子程序等构成。主程序主要完成程序初始化、锁相控制、检测功能键(选呼通话、群呼通话、选发短信、群发短信)状态,当某