孫道宗，薛秀云，姜晟，徐木海

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東廣州510642）

數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)是現(xiàn)代測(cè)量?jī)x器的基礎(chǔ)，在工業(yè)測(cè)控、醫(yī)療監(jiān)護(hù)和實(shí)驗(yàn)研究中得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)處于非固定位置或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須與主機(jī)分離，同時(shí)還需利用電池供電[1-3]。因此，由無線收發(fā)電路或模塊組成的數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)是有效的解決方式。比較典型的無線收發(fā)電路或模塊有采用2.4 GHz通信頻率的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)[4]，433/868/915 MHz通信頻率的遙控模塊及數(shù)傳模塊[5]、900/1 800 MHz通信頻率的GSM模塊[6]，但現(xiàn)有的無線收發(fā)電路或模塊易造成系統(tǒng)體積過大、功耗偏高，不能完全滿足采用電池供電的便攜式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需要，尤其是需要大規(guī)模、密集型部署，僅需要近距離通信的場(chǎng)合，傳統(tǒng)的無線通信模塊容易造成網(wǎng)絡(luò)通信的阻塞、縮小網(wǎng)絡(luò)的容量、增加節(jié)點(diǎn)的功耗、縮短節(jié)點(diǎn)的壽命。

這里給出以C8051F340單片機(jī)作為監(jiān)測(cè)終端控制器，C8051F330D單片機(jī)作為探測(cè)節(jié)點(diǎn)控制器，通過漆包線自行繞制圓形空心天線，分別構(gòu)成監(jiān)控終端和探測(cè)節(jié)點(diǎn)的無線收發(fā)電路，實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸功能[7-9]。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)終端、探測(cè)節(jié)點(diǎn)和天線等組成，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1中，液晶顯示器是處于調(diào)試需要，連接至監(jiān)測(cè)終端，用以顯示探測(cè)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)、所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)等信息。收發(fā)電路均采用直徑為0.8 mm的漆包線自行繞制成圓形空心線圈天線，直徑為（3.4±0.3）cm。

圖1 無線收發(fā)電路硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of wireless transceiver circuits hardware design

1.1 發(fā)射電路

監(jiān)測(cè)終端與探測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件電路相似，監(jiān)測(cè)終端通過液晶顯示探測(cè)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)、所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)等信息并通過5 V開關(guān)電源供電，而探測(cè)節(jié)點(diǎn)則沒有液晶顯示器，通過2節(jié)普通干電池構(gòu)成3 V電源供電。發(fā)射電路使用單片機(jī)PCA寄存器產(chǎn)生3 MHz的振蕩頻率，直接控制LC諧振線圈進(jìn)行振蕩。C8051F330D單片機(jī)具有睡眠模式，可降低節(jié)點(diǎn)電路的功耗，其內(nèi)部的編程計(jì)數(shù)器陣列（PCA0）提供增強(qiáng)的定時(shí)器功能，與標(biāo)準(zhǔn)8051的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器相比，不占用額外的CPU資源。使用PCA0產(chǎn)生3 MHz的載波頻率，以推挽方式輸出，增大后級(jí)諧振回路的發(fā)射功率。

1.2 接收放大電路設(shè)計(jì)

使用AD8656雙運(yùn)放芯片組成接收放大電路[10]。該運(yùn)放適合+2.7～+5.5 V電源電壓供電，是具有低噪聲性能的精密雙運(yùn)算放大器。AD8656型CMOS放大器在滿共模電壓（VCM）范圍內(nèi)提供250 mV精密失調(diào)電壓最大值，且在10 kHz處提供低電壓噪聲譜密度和0.008%的低真，無需外部三極管增益級(jí)或多個(gè)并行的放大器以減小系統(tǒng)噪聲。通過干電池提供3 V單電源供電，接收放大電路如圖2所示。放大電路由AD8656進(jìn)行兩級(jí)放大，抵消線圈所感應(yīng)到的信號(hào)電壓幅值因距離的增加而產(chǎn)生的衰減，放大所接收到的微弱信號(hào)，增加無線傳輸距離。系統(tǒng)接收電路經(jīng)AD8656放大后的輸出電壓輸至單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編解碼，而未采用檢波解調(diào)電路，可有效簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)。

圖2 AD8656接收放大電路圖Fig.2 Receiving and amplifying circuit diagram of AD8656

2 電路參數(shù)確定

2.1 發(fā)射電路設(shè)計(jì)計(jì)算

發(fā)射電路通過單片機(jī)片內(nèi)PCA進(jìn)行控制，采用單片機(jī)內(nèi)部12 MHz晶振，使用頻率輸出方式在單片機(jī)CEXn引腳產(chǎn)生頻率可編程的方波，所產(chǎn)生的方波的頻率由式（1）確定。

為產(chǎn)生3 MHz頻率，計(jì)算得PCA0CPHn=0x02，對(duì)單片機(jī)頻率進(jìn)行四分頻，因此可通過單片機(jī)軟件設(shè)置寄存器PCA0的值在PCA0口產(chǎn)生3 MHz載波信號(hào)。

2.2 接收電路設(shè)計(jì)計(jì)算

接收放大電路如圖2所示，通過調(diào)節(jié)電容VC1調(diào)整接收諧振頻率。發(fā)射電路頻率為3 MHz，所繞制的線圈電感值通過儀器測(cè)量為1.8～1.85 μH，通過式（2）計(jì)算所需的諧振電容

計(jì)算得C=1 501～1 543 pF，選用瓷片電容152電容和100 pF可調(diào)電容并聯(lián)接入電路。

利用R1、R2對(duì)正相輸入端加入一偏置電壓Vr，使放大器放大電路工作。其值通過式（3）計(jì)算。

R3、R4控制電路的放大倍數(shù)，令R3=1 kΩ，R4=10 kΩ，則第一級(jí)對(duì)交流信號(hào)的放大倍數(shù)Av=R4/R3=10。為了防止信號(hào)被濾除，第二級(jí)使用反相放大電路，偏置電壓不變，而增益為Av=R8/R7=5。由上述計(jì)算可知，接收信號(hào)通過運(yùn)放后，總增益達(dá)到50倍，信號(hào)最大峰峰值達(dá)到2.8 V，最小峰峰值達(dá)到0.3 V，通過單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，判斷信號(hào)的有無。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過單片機(jī)片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換功能直接對(duì)經(jīng)過放大后的正弦信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。連續(xù)檢測(cè)100次，取得峰值和谷值，然后計(jì)算信號(hào)的峰峰值。由于測(cè)得噪聲電平在0.15 V左右，所以當(dāng)信號(hào)峰峰值大于0.3 V時(shí)，可看作已接收到信號(hào)，并通過均值濾波的方法降低誤碼率[11]。

發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先發(fā)一個(gè)脈沖，隨后在1.2 ms內(nèi)發(fā)送一個(gè)有效位，之后維持3.6 ms的低電平。連續(xù)發(fā)送8次即一個(gè)字節(jié)后，再保持約18 ms的低電平，準(zhǔn)備發(fā)送下一個(gè)字節(jié)。

接收信號(hào)時(shí)，通過判斷低電平的時(shí)間確定是否準(zhǔn)備發(fā)送有效數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)碗娖匠^9 ms時(shí)，啟動(dòng)接收程序。檢測(cè)到脈沖后，延遲1.2 ms開始讀取數(shù)據(jù)，連續(xù)讀8次后，把一個(gè)字節(jié)保存起來。時(shí)序圖如圖3所示。

圖3 通信協(xié)議時(shí)序圖Fig.3 Timing diagram of communication protocol

采用軟件編程實(shí)現(xiàn)ASK調(diào)制功能，發(fā)射流程圖和接收流程圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 發(fā)射流程圖Fig.4 Flow chart of transmission

圖5 接收流程圖Fig.5 Flow chart of reception

4 結(jié)論

通過探測(cè)節(jié)點(diǎn)向監(jiān)測(cè)終端發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)監(jiān)測(cè)終端液晶屏指示“接收成功”時(shí)，表明在該距離下可以進(jìn)行通信，不斷增大節(jié)點(diǎn)線圈與終端線圈之間的距離直到不能正常接收數(shù)據(jù)為止。測(cè)試表明，有效通信距離可以達(dá)到24 cm。在探測(cè)節(jié)點(diǎn)通過橋接的方式與監(jiān)測(cè)終端正常通信時(shí)，測(cè)得橋接節(jié)點(diǎn)的平均功耗約為102 mW，而探測(cè)節(jié)點(diǎn)間的平均橋接距離約為20 cm。與傳統(tǒng)無線收發(fā)模塊相比，在需要大規(guī)模、密集型部署、近距離無線通信，并且電路體積、功耗、成本受限制的場(chǎng)合，基于C8051F系列單片機(jī)的無線收發(fā)電路有廣闊的應(yīng)用前景。

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