单片机无线数据传输系统设计的原理单片机无线数据传输系统设计的原理单片机无线数据传输系统设计的原理单片机无线数据传输系统设计的原理 1.1 单片机无线数据传输原理概述 无线数据传输有发送和接收两个组成部分。发送端采用单片机将待发送的二进制信号编码调制为一系列的脉冲串信号,通过无线数据传输模块中的发射模块发射信号。无线数据传输接收端普遍采用价格便宜,性能可靠的一体化无线数据传输接收模块(如QwikRadio射频接收模块,它接收无线数据传输信号频率为433.92 MHz，数据速率为10Kbps) 接收无线数据传输信号,它同时对信号进行放大、检波、整形,得到TTL 电平的编码信号,再送给单片机,经单片机解码并执行,去控制相关对象,如图1-1所示。
按键数目又不可能太多, 在这种情况下, 我们发射出去的温度调节信号就不能只是简单的“加”和“减”和“开”和“关”, 还应该把设置的温度值一起发射出去。这时就要使用以MCU 为核心的无线数据传输发射电路。在以MCU 为核心的无线数据传输发射电路中,MCU 完成按键的识别、编码工作, 调制既可由硬件电路完成也可以由软件模拟完成。因为如前所述, 无线数据传输的载波频率比较低, MCU 的速度完全可以满足要求。产生出来的发射信号同样只要经过驱动即可发射出去。 二进制信号的编码: 传统通讯传送的信息以模拟信号出现，表现为一种连续的信号, 而现代通讯系统传送的方式是采用数字信号的方式。无线数据传输采用不同的脉宽宽度来实现二进制信号的编码,可由发送单片机来完成。 为了满足上述对无线数据传输的要求 , 传输指令的传送可以通过改变光学载体 （红外线）的编码来传输 ,其字长可以变化 ,即一个字可以包括不同的二进制位数.在传输系统中有3 种“二进制位”的表示方法 ,即通常所说的“0”,“1”的表示方法。 第一种:FSK式（移频键控方式Frequency Shift Keying）, 又称数字调频。如果用改变载波频率的方法来传送二进制符号，就是移频键控（FSK）的方法。这时其频谱可以看成码列对低频载波的开关键控加上码列的反码对高频载波的开关键控。移频键控方式用两种不同的脉冲频率分别表示二进制数的“0”和“1”。用2个频率传输1“位”二进制 ,这是最安全的方法,缺点是成本高、功耗大。所以 ,在电器的遥控器中极少应用。图1-2是表示用2个频率对“二进制位”的“0”和“1”进行编码的示意图。在FSK方式中，相邻码元的频率不变或者跳变一个固定值。在两个相邻的频率跳变的码元之间，其相位通常是不连续的。
第二种:曼彻斯特编码方式 又称双相调制编码方式 ,常用于局域网传输。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示\，从低到高跳变表示\。,在长虹、创维等彩电的控制器中,就采用了这种双相调制方式。还有一种是差分曼彻斯特编码，每位中间的跳变仅提供时钟定时，而用每位开始时有无跳变表示\或\，有跳变为\，无跳变为\。两种曼彻斯特编码是将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方，每位编码中有一跳变，不存在直流分量，因此具有自同步能 无线数据传输发射部分,一般由一个能产生等幅振荡的高频载频振荡器和一个产生低频调制信号的低频振荡器组成。用来产生载频振荡的电路一般有多谐振荡器、互补振荡器和石英晶体振荡器等由低频振荡器产生的低频调制波,一般为宽度一定
的方法。如果是多路控制可以采用每一路宽度不同的方波,或是频率不同的方法去调制高频载波,组成一组组的已调制波,作为控制信号向空中发射。 接收电路从工作方式分,可以分成超外差接收方式和超再生接收方式。超外差原理利用本地产生的振荡波与输入信号混频,将输入信号频率变换为某个预定的频率的电路。其优点是: ①容易得到足够大而且比较稳定的放大量。②具有较高的选择性和较好的频率特性。③容易调整。缺点是电路比较复杂 ,同时也存在着一些特殊的干扰 ,如相频干扰、组合频率干扰和中频干扰等。超再生电路实际上是一个受控间歇振荡的高频振荡器,这个高频振荡器采用电容三点式振荡器,振荡频率和发射器的发射频率相一致。而间歇振荡又是在高频振荡过程中产生的,反过来又控制着高频振荡器的振荡和间歇。间歇振荡的频率是由电路的参数决定的。这个频率选低了,电路的抗干扰性能较好,接收灵敏度降低;反之亦然。超再生式接收方式具有电路简单、性能适中、成本低廉的优点所以在实际应用中被广泛采用。 1.1.1 无线数据传输编码原理 无线数据传输按编码产生方式分为专用芯片编码方式和自定义编码方式两种。 (1) 专用芯片编码方式: 有固定的调制方式和帧结构,可用硬件、也可以用软件来实现解码。 (2) 自定义编码方式: 调制方式和帧结构都由自己定义,采用这种编码方式时一般都需要采用软件解码。 有许多专用的无线数据传输发射芯片把按键识别、编码、调制功能集成在一块芯片中, 输出发射信号, 只要经过驱动即可通过芯片把无线数据传输信号发射出去。这种发射方式简单可靠、基本不用调试即可使用,。大多数发射芯片采用低功耗设计, 特别适用于手持式遥控器中。虽然专用芯片使用简便, 但对于某些场合却并不适用。最简单的例子就是空调遥控器, 用户必须从遥控发射端知道空调当前的设置状态, 而遥控器的力和良好的抗干扰性能。但每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。曼彻斯特编码“二进制位”的表示方法如图
1-3所示。
第三种:脉宽调制编码方式 ,是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。这种编码方式根据脉冲上升沿之间的距离决定“二进制位”是“0”还是“1”,两脉冲上升沿之间距离短为“0”,距离长为“1”。如图1-4 所示 ,脉宽编码用在载波或脉冲调制方式中.家用录像机 ,VCD,DVD的遥控器多采用脉宽编码方式。
脉宽调制编码方式的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是脉宽调制编码方式相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将脉宽调制编码方式用于通信的主要原因。从模拟信号转向脉宽调制编码方式可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。 本文采用不同的脉宽宽度来实现二进制信号的编码 ,这种编码调制方法类似于脉宽调制编码方式，编码过程可由发送单片机来完成。用图1-5（a）表示二进制信号中的高电平?1?,其
特征是脉冲中低电平与高电平的宽度均相等，即由一个脉冲的高电平和一个脉冲的低电平组成;用图1-5（b）表示二进制信号中的低电平?0?,其特征是脉冲中高电平的宽度和低电平的宽度不相等,低电平的宽度是高电平的二倍 ,相当于一个脉冲的高电平加上两个脉冲的低电平。上述的脉冲宽度可以适当地调整 ,以适应不同数据传输速度的需要。
1.1.2 无线数据传输信号的解码 硬件解码可分为专用解码集成电路和自行设计的解码电路两种。专用解码芯片一般与专用编码芯片配对设计制造。按其编码与解码功能可分为以下三类: (1) 控制数据的地址加密编码与解码器: 这类电路的特点是在地址加密编码的同时还可以进行控制数据的编解码。其编码容量大,保密性好。适用于安防、工业控制等对可靠性要求较高的场合。 (2) 地址加密编码与解码器: 这一类电路无控制数据编码仅有加密地址编解码功能。适用于可靠性要求较高,但只进行简单的开关或增减控制的场合。 (3) 控制数据编码与解码器: 这类电路无加密地址编码仅有控制数据的编解码。适用于群控或者应用环境本身就保证了其他信号发射源不会同时出现的场合,如在一个密闭的设备内部。使用专用的硬件编码解码对芯片,简便可靠,使用广泛,不再多述。一般来说硬件解码相对软件解码成本较高,并且当系统因更改或升级改变了编码方式时, 接收的硬件就要做相应的更改,缺乏一定的灵活性。当MCU 的任务不是很繁重时,可以考虑使用软件解码。对于频率调制方式, 只要测出每次脉冲的周期就可以解码出对应的二进制信息。方法有很多种,中断、查询都可以实现,具体方法因实际情况而定。对于脉宽调制(PWM),只要识别出每个脉冲的高(或低)电平宽度即可完成解码。对于2 脉位调制(2PPM),需要判断出每个周期内高低电平出现的先后次序,从而实现解码。单片机无线数据传输软件解码要保证正确无误地还原无线数据传输信息码,其主要功能包括以下几部分: (1) 过滤附加信息,得到有效信息位。(2)排除系统内外各种干扰信号。(3)丢弃接收到的不完整信息帧。(4)检验接收信息的正确性为了能够达到上述要求，本系统使用的解码方式是无线数据传输信号的解码由接收单片机来完成,它把无线数据传输接收模块送来的无线数据传输编码波形通过解码,还原出发送端发送的数据。当接收到起始帧后,进入解码部分,接收完一帧后,处理收到的数据并进入下一次接收。解码采用软件解码, 如果从一个脉冲的高电平和一个脉冲的低电平过后, 若读到的电平为低, 说明该位为“0”, 反之即可判定为编码“1”。解码一位后,需等到下一位的高电平到来,再读到一个低电平后，判断读得的电平是高还是低,进行解码。按照这种方法判断八次，从而还原出发送端发送的信号。这样,根据事先约定代码所代表的功能，单片机就可以去执行各种控制动作,从而达到无线数据传输的目的。 1.1.3 无线数据传输协议 通讯中几个重要的方面包括传输速度、数据准确度、数据的完整性等,也就是要求解码能尽可能准确。为了达到这些要求,需在一定脉冲频率下按照一定的时间约定进行数据传送,也就是一种简单的协议。为了保证数据的正确性,尽量采
用大于的脉冲,并经过多次的反复测定,对脉冲进行多次采样,选用几种延时程序等。无线数据传输协议除了规定无线数据传输信号的载波频率、编码方式、脉冲宽度等信息外，还对无线数据传输的格式进行了严格的规定，以确保发送端和接收端之间无线数据传输的准确无误。无线数据传输协议是为了进行无线数据传输所制定的标准。几乎所有的无线数据传输系统都是按照特定的无线数据传输协议来进行信号传输的。因此，要设计制作无线数据传输系统，首先要制定无线数据传输协议，以及了解与之相关的无线数据传输发射和接收模块。 基于字节传输的无线数据传输数据格式 本系统的传输数据格式是：在发送字节的开始先通过单片机发送5个脉冲宽度的高电平和5个脉冲宽度的低电平作为传输开始,接着发送8 位数据 (字节高位在前,低位在后),如下图所示。
图1-6 基于字节传输的无线数据传输数据格式
1.1.4 无线数据传输系统的调制和解调 为了使数据传送的距离较长，在发射信号前要对信号进行调制，调制的方法是将原信号与一个载波相与。QwikRadio射频接收模块，DATA是信号输出端。QwikRadio射频接收模块接收发射的已调制信号，并对信号进行解调恢复原来的调制信号。解调过的信号经过放大后送入单片机中进行解码。 对移动通信的数字调制和解调器技术的要求如下： （1）在信道衰落条件下，误码率要尽可能低； （2）发射频谱窄，对相邻信道干扰小； （3）高效率的解调，以降低移动台功耗，进一步缩小体积和成本； （4）能提供较高的传输速率； （5）易于集成。 1.2 AT89S51单片机的原理 AT89S51单片机是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4K bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器，既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价at89s51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。AT89S51提供以标准功能:4K字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,看门狗(WDT),两个数据指针,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作直到下一个硬件复位。 主要性能参数 ·与MCS-51产品指令系统完全兼容 ·4K字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器 ·1000次擦写周期 ·4.0-5.5V的工作电压范围 ·全静态工作模式：0HZ-33MHZ ·三级程序加密锁 ·128*8字节内部RAM ·32个可编程I/O口线 ·2个16位定时/计数器 ·6个中断源 ·全双工串行UART通道 ·低功耗空闲和掉电模式 ·中断可从空闲模式唤醒系统 ·看门狗（WDT）及双数据指针
·掉电标识和快速编程特性 ·灵活的在系统编程（ISP-字节或页写模式）
引脚功能说明 VCC：电源电压 GND：地 P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端使用。在访问外部存储器或程序存储器时，这组I/O口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 P1口：P1口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以作为输入口。作为输入口时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。Flash编程和程序校验期间，P1接收8位地址。 P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其他控制信号。 P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可以作为输入端口。作为输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：