工学短距离无线通信系统的设计与开发.docx
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工学短距离无线通信系统的设计与开发
[工学]短距离无线通信系统的设计与开发
[工学]短距离无线通信系统的设计与开发本科毕业设计(论文)题目短距离无线通信系统的设计与开发学生姓名学号院(系)专业通信工程指导教师时间2010年6月5日本科毕业设计(论文)任务书题目:
短距离无线通信系统的设计与开发院(系):
专业班级:
通信0602学生姓名:
学号:
指导教师(签名):
主管院长(主任)(签名):
时间:
2010年3月18日一、毕业设计(论文)的主要内容(含主要技术参数)随着网络及通信技术的飞速发展,人们对无线通信的需求越来越大,也出现了许多的无线通信协议。
如蓝牙、802.11等。
本课题主要内容如下:
(1)对常用的和最新的无线技术标准进行阐述;
(2)选定设计方案,绘制系统结构框图;(3)进行发射与接受模块的软硬件设计;(4)根据设计内容撰写论文。
二、毕业设计(论文)应完成的具体工作(含图纸数量)
(1)阐明设计课题的目的、意义,短距离无线通信技术的国内外发展现状;
(2)选择设计方案,验证可行性并绘制系统结构框图;(3)设计发射及接收模块的硬件原理图;(4)编写程序实现收发模块的通信;(5)调试产品,验证系统的通信效果并提出改进措施。
(6)提交完整的电子文档设计报告。
三、毕业设计(论文)进程的安排(起讫日期:
2010年3月22日至2010年6月18日)序号设计(论文)各阶段任务日期备注1资料收集、学习基本知识、提交相关文档第4周2选择设计方案,绘制系统结构框图第5-6周3设计发射及接收模块的硬件原理图第7-9周4编写程序实现收发模块的通信第10-12周5软件调试第13周6资料整理并撰写论文第14-16周四、主要参考资料及文献阅读任务(含外文阅读翻译任务)1.2.3.短距离无线通信系统的设计与开发设计总说明随着网络及通信技术的飞速发展,人们对无线通信的需求越来越大,也出现了许多的无线通信协议,无线通信由此进入了一个新的发展阶段,成为现在IT产业最活跃、最富有生机的领域。
本课题的核心部分就是基于无线单片机CC1110的软硬件设计。
该课题属于应用性研究,在系统设计与实现过程中遵循以下主要原则:
以CC1110芯片为核心的研究过程。
本文主要研究短距离无线数据通信技术,并给出其软硬件设计原理及实现过程。
该系统设计要求成本低,数据传输速度快,传输距离远,可靠性高,体积小,功能易扩展等。
特别是对于无线射频芯片CC1110的了解与开发进行了深入的分析,使其在短距离无线通信系统设计过程中发挥了核心作用。
关键字:
短距离,无线通信,CC1110,单片机Short-rangeWirelessCommunicationSystemDesignandDevelopmentDesignDescriptionAlongwiththenetworkandcommunicationtechnology,therapiddevelopmentofwirelessbecomebiggerandbigger,alsoappearedalotofwirelesscommunicationprotocol,wirelesscommunicationcameintoanewstageofdeveloping,whichhasbecameamostmotiveandlivefiledinITindustry.ThissubjectisbasedonthecorepartofthesoftwareandhardwaredesignofwirelessCC1110chip.Thistopicisanappliedresearchinsystemdesignandrealizationprocesswiththefollowingprinciples:
CC1110chipforcoreresearchprocess.Thispapermainlystudiesshort-rangewirelessdatacommunicationtechnology,anditshardwareandsoftwaredesignprincipleandrealizationprocess.Thissystemdesignrequirementoflowcost,datatransmissionspeed,thetransmissiondistance,highreliability,smallvolume,thefunctionisextended,etc.EspeciallyfortheCC1110understandinganddevelopmentofin-depthanalysis,sothatintheshort-distancewirelesscommunicationsystemplayedacentralrole.Keywords:
short,wirelesscommunication,CC1110,SCM目录1绪论11.1短距离无线通信的现状与前景11.2研究的目的及意义11.3本文的工作12短距离无线通信原理与设计32.1短距离无线通信的原理32.1.1无线数据传输模块32.1.2无线语音传输模块42.2系统中主要芯片的电路设计52.2.1CC1110芯片在该系统中的电路设计52.2.2CMX639芯片在该系统中的电路设计62.2.3LM4808芯片在该系统中的电路设计72.3主要程序流程及解析72.4射频芯片CC1110132.4.1CCC1110简介132.4.2CC1110特点132.4.3CC1110芯片架构142.4.4CC1110芯片内部结构图162.5CC1110基本功能实现182.5.1I/O口的功能182.5.2定时器的功能182.5.3中断的功能182.5.4A/D的功能182.5.5串口的功能192.5.6电源及时钟的功能192.6循环冗余校验码(CRC)码在无线数据通信中的应用202.6.1码多项式202.6.2CRC校验码编码过程212.6.3CRC码的译码过程212.6.4CRC的特点213系统的特点、创新及功能介绍223.1系统的主要特点223.1.1功能完善223.1.2实用性强223.1.3技术先进223.1.4兼容性好223.1.5操作简便223.2系统的创新点223.2.1应用SOC,实现了系统的小型化和便捷性223.2.2引入软件设计的新技术233.2.3数据通信和语音通信相结合233.2.4创新通信协议,确保通信的顺畅233.3系统的主要功能233.3.1语音通信233.3.2数据传输233.4解决的主要难点243.4.1解决了体统体积大、耗电高的问题243.4.2解决了只能通数据的问题243.4.3解决了系统开放性问题244影响无线通信可靠性和距离的因素及改善方法254.1影响无线通信距离的因素254.1.1地理环境254.1.2电磁环境254.1.3气候条件254.1.4发射机的射频输出功率254.1.5接收机的接收灵敏度254.1.6系统抗干扰能力264.1.7软件纠错264.1.8天线类型及其增益264.1.9天线的有效高度274.2提高通信距离的措施274.2.1尽可能提高天线的有效高度274.2.2采用高增益天线274.2.3尽量缩短射频电缆的长度274.2.4尽量远离各种干扰源284.2.5优先采用抗干扰能力强的无线通信产品284.2.6防雷、防水、防潮285总结及展望29致谢30参考文献31附件一中断优先级设定32VI1绪论1.1短距离无线通信的现状与前景伴随着计算机网络及通信技术的飞速发展,人们对无线通信的要求越来越高。
人们注意到在同一幢楼内或在相距咫尺的地方,同样也需要无线通信。
因此,短距离无线通信技术应运而生。
短距离无线通信技术可以满足人们对低价位、低功耗、可替代电缆的无线数据网络和语音链路的需求。
目前,便携式设备间的网络连接使用的短距离无线通信技术主要有蓝牙(Bluetooth)技术、无线局域网802.11(Wi-Fi)、红外数据传输(IrDA)、ZigBee超宽带(UWB)、短距离通信(NFC)、无线1394和专用无线通信系统等。
无线通信技术以其快捷方便,可以移动等特性,受到人们的高度关注,得以快速发展。
[1]人们对于无线通信技术的要求也越来越高,积极跟踪分析各种无线通信技术具有紧迫的现实意义,本课题就是在这样的背景下提出来的。
短距离语音通信系统彻底摆脱了电线的束缚,在指挥调度、安全保卫、多媒体教学、休闲娱乐等诸多领域有着广阔的市场前景。
此系统的特点是其综合了语音处理和无线通信等技术,体积小,功耗低,有着较高的语音质量和较低的成本以及较远的传输距离。
1.2研究的目的及意义无线数据通信是通过无线电波传送数据信息的一种通信方式。
它是在有线数据通信的基础上发展起来的,能实现移动状态相爱的数据通信。
数据通信是计算机与通信相结合而产生的一种通信方式,主要是用来实现人与计算机以及计算机与计算机之间的通信。
原来的数据通信是固定式计算机通过电信传输线路实现的。
近年来,随着移动电话通信的迅速发展,个人计算机的迅速增多,固定计算机之间的数据通信已经不能满足需要。
人们希望能随时随地进行数据信息的传送和交换。
于是数据通信传输媒体开始从有线扩展到无线,出现了无线数据通信。
1.3本文的工作本课题的核心部分就是基于单片机CC1110的软硬件设计。
CC1110是强大的单芯片系统,设计用于低功耗及低电压无线通信应用。
这款单芯片系统作为低成本器件,包含了CC1100RF收发机和一个基于8051核心,并具有集成32KB闪存以及外设的高性能低功耗微控制器。
同时还包括了4KBSRAM,数据保密安全协处理器,最多8路输出的8-14位ADC,以及许多其他强大的功能。
因其所提供的一系列不同功耗的模式可用于降低电流损耗,使得CC1110极度适用于要求超低功耗的系统。
CC1110适用于315MHz、433MHz、868MHz、915MHz等几种不同的频带。
芯片系统集成了高度可配置化的基带调制解调器。
此调制解调器支持多种调制格式,可配置数据率最高可达500kbps。
[2]本课题综合运用语音采集技术、编码技术、片上系统和为功率通信等新技术,开发了短距离通信系统。
实现了小型化、综合化和便捷的无线通信。
2短距离无线通信原理与设计2.1短距离无线通信的原理2.1.1无线数据传输模块在本设计中,是利用CC1110高频模块的RF收发功能完成的。
该设计采用三块CC1110高频模块,每一块都可以采用广播式的原理完成接受和发送数据的功能。
实现框图如2-1所示:
图2-1实现框图在无线数据通信状态下,上电后先按住对讲机开关然后按复位键,然后松开复位键然后再松开对讲按键,此时指示红和黄同时发亮,此时进入无线数据通信状态。
无线数据通信的收发需要串口调试助手配合完成无线数据的发送和显示。
串口调试助手的设置如下,波特率为57600bps,无校验位,其他选项为默认值即可。
发送的数据格式只能为西文字符,不支持中文的发送和接受。
输入的数据长度为10个字符的长度,在不足10个时需用空格补足10个字符。
应该注意的是本系统只支持单用户广播式的数据发送。
数据通信过程中基本的硬件实现如图2-2所示:
图2-2CC1110广播式通信系统框图在无线数据通信过程中串口通信发挥了巨大的作用,可以说是在串口通信的基础上实现的数据通信,而CC1110只是发挥了无线信号传输的作用。
[2]串口相关电路图如2-3所示:
图2-3串口相关电路2.1.2无线语音传输模块系统硬件结构框图如图2-4所示:
图2-4系统硬件结构框图硬件设计上主要包括片上系统(SOC)、信号采集电路、控制电路、接口电路和滤波电路,片上系统(SOC)完成整个系统的控制处理和数据信号的处理及发送接收,在话音通信发话时,话筒将声音转换为模拟信号,经LM4808音频放大电路的放大后,由编解码单元进行连续可变斜率增量调制(CVSD),而后数据信号交由片上系统(SOC)CC1110进行处理、发送。
发送语音:
从话筒来的语音信号幅度通常不大,为了减小量化噪声对信号质量的影响,加入了前置双声道音频放大器(LM4808),将语音信号幅度提高到适合CMX639编码的水平,然后由CMX639对语音信号进行编码(CVSD),将数据流直接传递给射频芯片CC1110,经过滤波电路之后由天线传播出去。
接收语音:
由天线接收信号,经滤波之后由射频芯片CC1110传递给语音芯片CMX639,CM639对语音信号进行解码,解码后的语音信号经双声道音频放大器(LM4808)放大后即可由喇叭播放。
说明:
CMX639对语音信号的每次取样,只用1个比特表示,输出的是串行比特流,可以直接送入射频芯片CC1110进行传输,在接收端,则直接将串行比特流送入CMX639进行解码。
整个过程不需要软件进行处理,微处理器只负责对CMX639和CC1110进行初始化设置和监控,因此大大降低了微处理的负担。
此外CMX639是为应用于双路无线电通信系统的连续变量斜坡增量编码器而设计的LSI(LSI:
largescaleintegration大规模集成电路)电路。
芯片上合并了编码输入以及解码输出滤波器。
接收话音时,单芯片系统(SoC)通过接收、放大、解调,将高频信号转换成低频数字信号,由解码单元进行数模转换,经音频放大后输出到耳机上。
2.2系统中主要芯片的电路设计2.2.1CC1110芯片在该系统中的电路设计CC1110芯片只要极少的外围元件就能够搭建稳定可靠且功耗弟的Soc,大大简化了RF电路的设计过程。
基于CC1110的高性能无线收发器工作于433MHz频率稳定性好,灵敏度高,无线数据传输最大速度可达500kbit/s。
图2-5是CC1110的参考设计,主要由CC1110芯片,射频匹配电路和其他外围元件组成。
模块的核心器件是CC1110芯片,由X1(26M晶振),C211,C201组成的晶振电路,是CC1110的高速时钟源,在低功耗应用中使用。
电容和电感组成的电路完成了将信号转换成单端RF信号,与50欧姆阻抗的天线相匹配。
偏阻器R271用来设置一个精确的偏置电流。
[9]图2-5CC1110设计图2.2.2CMX639芯片在该系统中的电路设计CMX369硬件电路的连接如图2-6所示:
图2-6CMX369硬件电路CMX369是美国国家半导体公司推出的斜率连续可变增量(CVSD)全双工音频调制芯片。
CMX369完全集成了语音编码和解码功能,实现了单芯片语音处理的能力,外围设备简单,而且用户可以通过其管脚方便的对其编解码算法进行设置,并且具有强大的可选择编码算法,低功耗、低价位、小体积和开发难度低等多种优点,因此特别适合在对成本非常敏感的消费类语音系统中应用。
2.2.3LM4808芯片在该系统中的电路设计LM4808双声道音频放大器如图2-7所示:
图2-7LM4808双声道音频放大器如上图所示为LM4808用于耳机放大器的电路。
LM4808是一个双语音信号放大的语音放大芯片,左右声道音频信号分别输入LM4808的2、6脚,经过内部放大器放大后分别由1、7脚输出,经耦合电容C2加到扬声器。
本设计中使用的运放芯片为双运算放大器,但考虑到输出的语音信号也要进行放大处理故决定把LM4808的双运放分别作为输入和输出的语音放大。
由于该运放芯片使用的是差动方式的输入,故能很好的提高共模抑制比,提高电路的抗干扰能力。
2.3主要程序流程及解析在数据通信模式下,首先进行系统初始化,开始为空闲状态,然后通过定时器中断使系统进入数据接收模式,即现在CC1110模块始终处于接收模式,只要有信号进入该模块就会自动接收。
当有信号接收时,CC110将接收到的数据进行处理后传给串口,然后通过计算机显示出来。
然后一直这样循环下去。
在该过程中通过串口的中断进入发送模式,此时系统处于发射状态下,并且系统发送完数据后会自动进入接收模式,不会像数据接收模式那样循环下去。
如果想要进行下一次的数据发送,必须要借助于串口中断使系统再次进入发射状态。
[12]无线数据通信系统的结构框图如2-8所示:
图2-8无线通信系统的结构框图在数据通信中,需要RF配置函数、RF接收函数、串口配置函数和硬件配置函数等。
RF配置函数:
配置CC1110的高频部分,该配置规定了无线收发器的收发功率、发送功率、无线传输功率、无线收发模式、调制方式以及数据长度等。
下面是对CC1110配置的部分代码:
//※※※※※※※※※※※CC1110高频配置函数※※※※※※※※※※※※※BoolhalrfConfig(UINT32frequency){Boolstatus:
//打开主晶振SET_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRYSTAL);If(frequency==FREqUENCY_4_CC1110)//判断频率{PA_TABLE0=0x50;//功率设置为0dbmFREQ2=0x10;//设置频段433MHzFREQ1=0xAC;FREQ0=0x4E;}}//※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※串口配置函数:
串口是连接单片机和计算机之间的桥梁,在该项目开发和实现中,经常会用到串口监视单片机的通信过程,以高效率的完成开发任务。
在串口配置中,主要涉及串口的初始化、串口发送和串口接收三大部分,串口的初始化函数主要是对串口的端口和串口的波特率等参数进行配置,程序如下:
//※※※※※※※※※※※※串口配置函数※※※※※※※※※※※※※※※voidint_UART0(void){PERCFG=0x00;//位置1P0口P0SEL=0x3c;//P0用作串口U0CSR=0x80;//UART方式U0GCR=11;//baud_e=11U0BAUD=34;//波特率设为57600UTX0IF=1;URX0IF=1;U0CSR=0X40;//允许接收IEN0=0x84;//开总中断,接收中断}//※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※数据的通信(接收/发送):
该程序的编写将接收和发送部分结合在一起,通过判断按键状态来选择接收或者发送模式。
//※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※#defineaudio_sent0x01//发状态#defineaudio_receive0x00//收状态#defineaudio_no0x55//非收发状态#defineON0x01#defineOFF0x00#defineRF_sent_key_on((key1==0)ucharkey_state=0;//按键决定收发状态ucharRF_switch=0;//RF是否转化ucharkey_sent_count=0;//用于按键检测uncharkey_sent_count=0;//用于按键检测ucharsent_locked=0;//按键锁定ucharreceive_locked=0;//按键锁定//※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※函数功能:
初始化数据发送//※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※voiddata_int(void){PKTLEN=uart_data-len;PKTCTRL1=0x80;PKTCTRL0=0x00;MCSM1=0x0e;RFTXRXIF=0x00;RFIFCLKCON}//※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※函数功能:
数据接收模式//※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※voiddata_receive_mode(void){uchardata_count=0;Led1=0;Led2=0;data_init()init_UART0();SRX();//接收模式RFIFwhile(MARCSTATE!
=0x0D);RFTXRXIF=0;while
(1){//调试/*while
(1){U0DBUF=’d’;while(UTX0IF==0);UTX0IF=0;halWait
(1);}*/while(data_count(uart_data_len){if(RFTXRXIF==1){RFTXRXIF=0;data_receive_buf[data_count]=RFD;data_count++;}}RFIFfor(data_count=0;data_count(uart_data_len;data_count++){U0DBUF=data_receive_buf[data_count];while(UTX0IF==0);UTX0IF=0;}data_count=0;led1=~led1;}}//※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※函数功能:
由串口中断进入数据发送模式//※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※#pragmavector=URX0_VECTOR_interruptvoidUART0_ISR(void){URX0IF=0;//清中断标志data_sent_buf[uart_data_count++]=U0DBUF;if(uart_data_count==uart_data_len){SIDLE();//强制进入IDLEwhile(MARCSTATE!
=0x01);INT_SETFLAG(INUM_RFTXRX,INT_CLR);STX();//发送模式RFIFwhile(RFTXRXIF==0);RFTXRXIF=0;for(uart
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