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無線收發(fā)方案一 學(xué)院： 電子信息工程學(xué)院 班級： （9） 組長： 王勝朋 同組成員： 王嬌 黃琳 日期： 2010年8月10日 摘要：本作品以AT89C51單片機(jī)為核心，利用數(shù)字溫度傳感器采集溫度信息；通過 ASK 、調(diào)制和調(diào)諧式解調(diào)（Tone Decoder）進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，并采用 CSMA 方式解決了多個(gè)節(jié)點(diǎn)公用同一信道的問題；采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制以及對被轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包賦予生命周期的方法，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)功能以及對新節(jié)點(diǎn)加入和 離開的自動(dòng)識(shí)別。探測節(jié)點(diǎn)全部采用通用器件，以 60mW 左右的平均功耗實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間 0.7m 以及轉(zhuǎn)發(fā)方式下 1.4m 的通訊距離，在達(dá)到指標(biāo)要求的前提下降低了 功耗和成本。關(guān)鍵詞：ASK 調(diào)制，Tone Decoder， CSMA，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)；目錄摘要21 方案論證與比較41.1 調(diào)制方案選擇：41.2 解調(diào)方案選擇：41.3 多點(diǎn)通訊方案選擇：42理論分析與參數(shù)計(jì)算、電路設(shè)計(jì)52.1 收發(fā)電路分析52.2 通訊協(xié)議分析52.3無線收發(fā)電路設(shè)計(jì)62.4傳感器電路設(shè)計(jì)72.5軟件設(shè)計(jì)73統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析93.1訊距離測試。93.2絡(luò)測試。103.3動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)測試。1034系統(tǒng)功耗測試。104總結(jié)11一、總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體框圖如圖 1，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都采用AT89C51單片機(jī)對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集和換算。用單片機(jī)產(chǎn)生250kHz載波，將串口數(shù)據(jù)流作為基帶信號，用門電路進(jìn)行調(diào)制，再通過丙類放大器諧振放大后發(fā)射。線圈接收的信號通過兩級三極管放大器進(jìn)行 60dB 放大后，送入調(diào)諧式解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)，還原為基帶信號，送至單片機(jī)串口；完成數(shù)據(jù)收發(fā)。調(diào)制發(fā)射功放調(diào)制信號單片機(jī)（a）發(fā)送框圖檢波接收功放單片機(jī)（b）接收框圖圖1二、 方案論證與比較1. 單片的選擇方案1：MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器(TI)公司1996年開始推向市場的一種16位單片機(jī)，采用精簡指令集，是一種超低功耗的混合型單片機(jī)。MSP430系列單片機(jī)的主要特點(diǎn)是具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段。但價(jià)格高，大概在30塊錢左右。 方案 2： STC 89 系列單片機(jī)全兼容8051 系列（MCS-51）單片機(jī), 原有資源均可使用。高速,高可靠,低功耗，3V/5V 在應(yīng)用/在系統(tǒng)可編程（IAP，ISP）,不占用戶資源,價(jià)格也便宜，五塊錢左右。 表2為STC89c51和STC89c52的比較 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器最高時(shí)鐘頻率（5V）E2PROM字節(jié)51系列5124KB0-80M2K52系列5128KB0-80M2K1.1 調(diào)制方案選擇：方案 1：采用 FSK 調(diào)制，優(yōu)點(diǎn)是具有較強(qiáng)的抗干擾能力。缺點(diǎn)是解調(diào)部分的硬件較為復(fù)雜。方案 2：采用ASK 調(diào)制，優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制和解調(diào)的電路都相對簡單，缺點(diǎn)是抗干擾能力較差。通過在干擾較小的頻段選擇合適的載頻，并通過窄帶濾波能夠消除大部分干擾，所以本作品選擇了 ASK 調(diào)制方式。1.2 解調(diào)方案選擇：方案 1：對 ASK 信號放大與窄帶濾波后，進(jìn)行包絡(luò)檢波，再通過門限判決的方 法解調(diào)。該方案的成本低，缺點(diǎn)是抗干擾能力很差，窄帶濾波器容易 偏頻，難以調(diào)試。方案 2：對 ASK 信號放大后，采用調(diào)諧式解調(diào)器（Tone-Decoder）進(jìn)行解調(diào)， 解調(diào)器本身是個(gè)窄帶鎖相環(huán)，能夠省去窄帶濾波器，且本身抗干擾能 力較強(qiáng)；本作品中采用該方案。1.3 多點(diǎn)通訊方案選擇：多個(gè)節(jié)點(diǎn)間共用了同一個(gè)通信信道，因此在主機(jī)以及多節(jié)點(diǎn)之間涉及到信 道復(fù)用問題。我們對比了以下方案：方案 1：采用時(shí)間分隔機(jī)制的信道復(fù)用，如主-從式的輪詢點(diǎn)名或令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)?？紤]到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能的實(shí)現(xiàn)必然要有多臺(tái)主機(jī)，主-從式網(wǎng)絡(luò)只允許一臺(tái)主機(jī)顯然不合適，而令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點(diǎn)隨機(jī)離開后也會(huì)出現(xiàn)令牌無 法傳遞的問題。并且，當(dāng)節(jié)點(diǎn)編號未知時(shí)，依次搜索 255 個(gè)節(jié)點(diǎn)耗時(shí)很長。方案 2：基于碰撞偵測機(jī)制的信道復(fù)用，如 ALOHA、CSMA 等方式。優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以作為主機(jī)，隨時(shí)可以主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)到任何其他節(jié)點(diǎn)。缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)包可能因隨機(jī)碰撞而丟失，且通訊延遲不可預(yù)計(jì)。但題目 中要求 5 秒較寬裕，而被傳輸?shù)男畔⒍际蔷徸兞?，允許進(jìn)行多次重 發(fā)。其中 CSMA 方式在發(fā)送前進(jìn)行載波偵聽，不會(huì)出現(xiàn) ALOHA 在信道擁 擠時(shí)將信道完全阻塞的現(xiàn)象，所以選擇了 CSMA 方式進(jìn)行信道復(fù)用。2.3無線收發(fā)電路設(shè)計(jì)無線收發(fā)電路如圖 2，主要分為發(fā)射和接收兩部分。利用STC89C52單片機(jī)輸出 250kHz 載波。串口發(fā)送數(shù)據(jù)通過與非門進(jìn)行 250kHz 調(diào)制，再驅(qū)動(dòng) Q5 和 L1、C1 構(gòu)成的諧振放大器，通 過線圈 L1 發(fā)送出去。當(dāng)數(shù)據(jù)停止發(fā)射時(shí)，Q5 截止，發(fā)射部分自動(dòng)斷開，不影響 接收部分的工作。2.4傳感器電路設(shè)計(jì)溫度測量選用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20，在 0100內(nèi)，誤差最大 1，符 合題目精度要求且無需校準(zhǔn)。采用 CdS 光敏電阻作為光強(qiáng)檢測元件，與固定電阻 分壓后被單片機(jī) ADC 采樣，擴(kuò)展出了亮度等級顯示功能。At89c512理論分析與參數(shù)計(jì)算、電路設(shè)計(jì)2.1 收發(fā)電路分析1）載波頻率的選擇。電磁波能量分為磁場分量與電場分量兩部分，線圈（環(huán) 形天線）對其中的磁場分量敏感而對電場分量不敏感。雖然在理論上振蕩頻 率越高電磁波越容易被發(fā)射，但考慮到實(shí)際的測試環(huán)境中存在各種磁場干擾， 例如中波電臺(tái) 500kHz-1.6MHz，短波電臺(tái) 1.8MHz-29.7MHz，占據(jù)了題目所限 定頻率范圍的高端，因此我們選擇 500kHz 以下的頻率。又考慮到工頻設(shè)備100Hz 磁場以及開關(guān)電源的磁場干擾大約數(shù)十 kHz 至 100kHz，我們?nèi)?250kHz的頻率作為載波，避開了環(huán)境中可能的大部分干擾源。2）發(fā)射電路分析。該系統(tǒng)中，信息通過磁場耦合，而線圈發(fā)射的磁場強(qiáng)度正 比于線圈中的電流。線圈內(nèi)阻很小，如果直接給線圈施加大電流激勵(lì)，系統(tǒng) 功耗很大且能量幾乎全部浪費(fèi)在限流電阻上。為了以較小的功耗來獲得較大 的線圈電流，采用諧振式（丙類）放大器。經(jīng)測量，直徑 3.5cm，5 匝空心線 圈的電感量 L0 為 1.87uH，當(dāng)諧振頻率 f0=250kHz 時(shí)，與之并聯(lián)的諧振電容 C0 的容量為：f0pC0=1 /( 2 )L0=0.21uF3）接收電路分析。 對于接收放大器來說，線圈是一個(gè)低阻抗的信號源，不要求 放大器具有高輸入阻抗。ASK 解調(diào)對信號失真度要求也不嚴(yán)格，為了降低成 本可采用三極管放大器，通過兩級放大達(dá)到 60dB 左右。放大后的信號通過解 調(diào)后還原成基帶信號（數(shù)據(jù)流）送至單片機(jī)串口。2.2 通訊協(xié)議分析1） 通訊速率選擇。 因?yàn)?250kHz 載波頻率較低，所以限制了通訊速率?？紤]到 調(diào)諧解調(diào)器 LMC567 至少要 20100 個(gè)載波周期才能實(shí)現(xiàn)可靠的檢測，又考 慮到串口采用每個(gè)比特中間時(shí)刻判決，需要留2倍裕量，最后以載波頻率的 1/200，即 1200bps 的速率進(jìn)行通訊。2） 信道復(fù)用分析。多點(diǎn)通信采用 CSMA（載波偵聽多路復(fù)用）方式，載波偵聽 可以通過數(shù)據(jù)接收來實(shí)現(xiàn)。通過查詢單片機(jī) RXD 引腳在一個(gè)字符時(shí)間內(nèi)是 否發(fā)生變化，來判定附近是否有其他節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送數(shù)據(jù)。為了減小碰撞的 概率，協(xié)議上盡可能采用短幀。每個(gè)節(jié)點(diǎn)采用隨機(jī)時(shí)間作為發(fā)送間隔，若 在發(fā)送前偵測到信道已被占用，則放棄本次發(fā)射，等待下一次發(fā)射窗口。 發(fā)射間隔在 0.251 秒內(nèi)隨機(jī)變化，采用 8 字節(jié)數(shù)據(jù)幀，以 1200bps 發(fā)送一幀需要60ms，在2個(gè)節(jié)點(diǎn)情況下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)碰撞發(fā)生的概率約為60ms/(1000+250)/2=1/10；而 5 秒內(nèi)平均有 8 次發(fā)射窗口，數(shù)據(jù)連續(xù) 5 秒被阻塞的概率僅有 110-8。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加時(shí)，平均傳輸延遲變長，但 每個(gè)節(jié)點(diǎn)一定能遇到發(fā)射窗口。3） 轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議分析。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)功能，每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部都保留一定的存儲(chǔ)空 間，用于存儲(chǔ)它所收到的所有其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。在連續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間后， 每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)都存儲(chǔ)有該節(jié)點(diǎn)所在連通域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。監(jiān)控終端只 要訪問任一節(jié)點(diǎn)，即可獲得該連通域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。為了判別節(jié)點(diǎn)的 離開，每一個(gè)數(shù)據(jù)都附加有生命周期，當(dāng)生命周期結(jié)束后，該數(shù)據(jù)會(huì)被刪 除。協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式如圖 2，每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送自身的物理地址（撥碼開關(guān)編號）、 環(huán)境參數(shù)，并且附帶轉(zhuǎn)發(fā)它所接收到的其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)；幀尾添加 CRC 校驗(yàn)。 2.5軟件設(shè)計(jì)檢測節(jié)點(diǎn)的軟件包含通信模塊和環(huán)境參數(shù)測量模塊；監(jiān)控終端軟件包含通信 模塊和顯示模塊。包括監(jiān)控終端在內(nèi)的三個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中是完全等價(jià)的，因此三 者的通信模塊程序相同，如圖 5 所示。 通信模塊的軟件由3個(gè)中斷服務(wù)程序構(gòu)成。用單片機(jī)定時(shí)器產(chǎn)生一 個(gè)隨機(jī)間隔的中斷作為CSMA的隨機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送間隔，在每次發(fā)送前偵聽2ms（約等于2個(gè)字節(jié)的發(fā)送時(shí)間），若能收到數(shù)據(jù)則說明有其他節(jié)點(diǎn)占用了信道，放棄本次發(fā)射窗口，并產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)作為下次喚醒的時(shí)間間隔；若偵聽發(fā)現(xiàn)信道空 閑，則測量環(huán)境參數(shù)并與本節(jié)點(diǎn)已備份的其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)一并發(fā)出。若串口接收到數(shù)據(jù)幀，則說明附近存在其他的節(jié)點(diǎn)，解析該數(shù)據(jù)幀，并將其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)保存在一個(gè)列表中，同時(shí)賦予生命周期值 64。在系統(tǒng) 1/32 秒定時(shí)中斷內(nèi)對生命周期 遞減，若超過2秒未收到該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，則生命周期會(huì)遞減至0，被刪除。采用該方法實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)自組織通信的優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)都備份與之連通的所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，且實(shí)現(xiàn)方法簡單。缺點(diǎn)是如果節(jié)點(diǎn)數(shù)增加，內(nèi)存開銷和通訊幀長 度將增加。在本題中只有3個(gè)節(jié)點(diǎn)，效率較高，且單片機(jī)大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，功耗低。3系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析3.1通訊距離測試。測試方法：如圖 6，固定監(jiān)測終端，移動(dòng)單只檢測節(jié)點(diǎn)找到兩機(jī)能夠正常直接通 信的最遠(yuǎn)距離，記錄從開啟節(jié)點(diǎn)電源至監(jiān)測終端接收到數(shù)據(jù)的延時(shí)，并記錄兩線 圈實(shí)際距離。次數(shù)距離（cm）時(shí)延（s）測試結(jié)果：根據(jù)數(shù)據(jù)最遠(yuǎn)通訊距離為 4總結(jié)通過采用分立器件 作為放大電路，降低了成本。節(jié)點(diǎn)間通訊采用 CSMA 方式共享信道