基于C8051F系列單片機的無線收發電路設計

孫道宗，薛秀云，姜晟，徐木海

（華南農業大學工程學院，廣東廣州510642）

數據采集及傳輸系統是現代測量儀器的基礎，在工業測控、醫療監護和實驗研究中得到廣泛應用。當數據采集點處于非固定位置或運動狀態時，數據采集系統必須與主機分離，同時還需利用電池供電[1-3]。因此，由無線收發電路或模塊組成的數據采集及傳輸系統是有效的解決方式。比較典型的無線收發電路或模塊有采用2.4 GHz通信頻率的無線傳感器網絡傳感器節點[4]，433/868/915 MHz通信頻率的遙控模塊及數傳模塊[5]、900/1 800 MHz通信頻率的GSM模塊[6]，但現有的無線收發電路或模塊易造成系統體積過大、功耗偏高，不能完全滿足采用電池供電的便攜式監測系統的需要，尤其是需要大規模、密集型部署，僅需要近距離通信的場合，傳統的無線通信模塊容易造成網絡通信的阻塞、縮小網絡的容量、增加節點的功耗、縮短節點的壽命。

這里給出以C8051F340單片機作為監測終端控制器，C8051F330D單片機作為探測節點控制器，通過漆包線自行繞制圓形空心天線，分別構成監控終端和探測節點的無線收發電路，實現無線數據傳輸功能[7-9]。

1 硬件電路設計

該系統主要由監測終端、探測節點和天線等組成，硬件結構框圖如圖1所示。圖1中，液晶顯示器是處于調試需要，連接至監測終端，用以顯示探測節點的編號、所傳輸的數據等信息。收發電路均采用直徑為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 無線收發電路硬件結構框圖Fig.1 Block diagram of wireless transceiver circuits hardware design

1.1 發射電路

監測終端與探測節點的硬件電路相似，監測終端通過液晶顯示探測節點的編號、所傳輸的數據等信息并通過5 V開關電源供電，而探測節點則沒有液晶顯示器，通過2節普通干電池構成3 V電源供電。發射電路使用單片機PCA寄存器產生3 MHz的振蕩頻率，直接控制LC諧振線圈進行振蕩。C8051F330D單片機具有睡眠模式，可降低節點電路的功耗，其內部的編程計數器陣列（PCA0）提供增強的定時器功能，與標準8051的計數器/定時器相比，不占用額外的CPU資源。使用PCA0產生3 MHz的載波頻率，以推挽方式輸出，增大后級諧振回路的發射功率。

1.2 接收放大電路設計

使用AD8656雙運放芯片組成接收放大電路[10]。該運放適合+2.7～+5.5 V電源電壓供電，是具有低噪聲性能的精密雙運算放大器。AD8656型CMOS放大器在滿共模電壓（VCM）范圍內提供250 mV精密失調電壓最大值，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或多個并行的放大器以減小系統噪聲。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進行兩級放大，抵消線圈所感應到的信號電壓幅值因距離的增加而產生的衰減，放大所接收到的微弱信號，增加無線傳輸距離。系統接收電路經AD8656放大后的輸出電壓輸至單片機進行A/D轉換，對數據進行編解碼，而未采用檢波解調電路，可有效簡化電路結構。

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

2 電路參數確定

2.1 發射電路設計計算

發射電路通過單片機片內PCA進行控制，采用單片機內部12 MHz晶振，使用頻率輸出方式在單片機CEXn引腳產生頻率可編程的方波，所產生的方波的頻率由式（1）確定。

為產生3 MHz頻率，計算得PCA0CPHn=0x02，對單片機頻率進行四分頻，因此可通過單片機軟件設置寄存器PCA0的值在PCA0口產生3 MHz載波信號。

2.2 接收電路設計計算

接收放大電路如圖2所示，通過調節電容VC1調整接收諧振頻率。發射電路頻率為3 MHz，所繞制的線圈電感值通過儀器測量為1.8～1.85 μH，通過式（2）計算所需的諧振電容

計算得C=1 501～1 543 pF，選用瓷片電容152電容和100 pF可調電容并聯接入電路。

利用R1、R2對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）計算。

R3、R4控制電路的放大倍數，令R3=1 kΩ，R4=10 kΩ，則第一級對交流信號的放大倍數Av=R4/R3=10。為了防止信號被濾除，第二級使用反相放大電路，偏置電壓不變，而增益為Av=R8/R7=5。由上述計算可知，接收信號通過運放后，總增益達到50倍，信號最大峰峰值達到2.8 V，最小峰峰值達到0.3 V，通過單片機進行A/D轉換，判斷信號的有無。

3 軟件設計

系統通過單片機片內的A/D轉換功能直接對經過放大后的正弦信號進行轉換。連續檢測100次，取得峰值和谷值，然后計算信號的峰峰值。由于測得噪聲電平在0.15 V左右，所以當信號峰峰值大于0.3 V時，可看作已接收到信號，并通過均值濾波的方法降低誤碼率[11]。

發送數據時，先發一個脈沖，隨后在1.2 ms內發送一個有效位，之后維持3.6 ms的低電平。連續發送8次即一個字節后，再保持約18 ms的低電平，準備發送下一個字節。

接收信號時，通過判斷低電平的時間確定是否準備發送有效數據，當低電平超過9 ms時，啟動接收程序。檢測到脈沖后，延遲1.2 ms開始讀取數據，連續讀8次后，把一個字節保存起來。時序圖如圖3所示。

圖3 通信協議時序圖Fig.3 Timing diagram of communication protocol

采用軟件編程實現ASK調制功能，發射流程圖和接收流程圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 發射流程圖Fig.4 Flow chart of transmission

圖5 接收流程圖Fig.5 Flow chart of reception

4 結論

通過探測節點向監測終端發送數據，當監測終端液晶屏指示“接收成功”時，表明在該距離下可以進行通信，不斷增大節點線圈與終端線圈之間的距離直到不能正常接收數據為止。測試表明，有效通信距離可以達到24 cm。在探測節點通過橋接的方式與監測終端正常通信時，測得橋接節點的平均功耗約為102 mW，而探測節點間的平均橋接距離約為20 cm。與傳統無線收發模塊相比，在需要大規模、密集型部署、近距離無線通信，并且電路體積、功耗、成本受限制的場合，基于C8051F系列單片機的無線收發電路有廣闊的應用前景。

[1]潘理剛.一種高精度數據采集系統的電路設計與實現[J].中國科技信息，2009（15）:151-152.

PAN Li-gang.Circuit of high precision data acquisition system design and lmplementation[J].China Science and Technology Information，2009（15）:151-152.

[2]張丕振.儀表無線數據采集與管理系統的設計[J].沈陽工程學院學報：自然科學版，2009（10）:373-375.

ZHANG Pi-zhen.The design of wireless data acquisition and management system of meter[J].Journal of Shenyang Institute of Engineering:Natural Science，2009（10）：373-375.

[3]林志遠，羅衛兵.數據無線傳輸方式綜述[J].安防科技，2009（10）:10-12.

LIN Zhi-yuan，LUO Wei-bing.Summary of the wireless transmission of data.Safety&Security Technology[J].2009（10）：10-12.

[4]余華，孫艷紅，車銀超.無線傳感器網絡在現代農業中的應用[J].安徽農業科學，2010（4）:2172-2174.

YU Hua，SUN Yan-hong，CHE Yin-chao.Application of wireless sensor networks in modern[J].Agriculture Journal of Anhui Agricultural Sciences，2010（4）:2172-2174.

[5]蔡長青，李琳娜，杜波.無線數傳模塊的設計[J].光機電信息，2007（4）:38-40.

CAI Chang-qing，LI Lin-na，DU Bo.Design of wireless data communication Module[J].OME Information，2007（4）:38-40.

[6]徐小鵬，任文舉.基于GSM的MSP430采集傳輸控制系統設計[J].微型機與應用，2009（19）:10-12.

XU Xiao-peng，REN Wen-ju.Design of MSP430 sampling transfer control system based on GSM[J].Microcomputer&Its Applications，2009（19）:10-12.

[7]趙躍齊，馬瑞卿，梁貴毅，等.基于單片機C8051F的智能溫控系統的設計與實現[J].計算機測量與控制，2009，17（3）:490-491，514.

ZHAO Yue-qi，MA Rui-qing，LIANG Gui-yi，et al.Design and realization of intelligent temperature control system based on C8051F microcontrollers[J].Computer Measurement&Control，2009，17（3）:490-491，514.

[8]郝嬌，林長健.無線傳輸中降低系統功耗的方法研究[J].電子測量技術，2009（1）:50-52.

HAO Jiao，LIN Chang-jian.Research on methods of reducing systemic power absorption in wireless transmission[J].Electronic Measurement Technology，2009（1）:50-52.

[9]鹿麟，林凌，李剛.低電壓高精度低噪聲運算放大器AD8656/AD8655及其應用[J].電子元器件應用，2008（1）:4-6.

LU Lin，LIN Ling，LI Gang.Low voltage high precision and low noise operational amplifier and its application of AD8656/AD8655[J].Electronic Component&Device Applications，2008（1）:4-6.

[10]王成帥，沙龍，杜紅棉.無線傳輸系統中低噪聲放大電路的設計[J].電子設計工程，2009，17（2）:41-42.

WANG Cheng-shuai，SHA Long，DU Hong-mian.Design of low noise amplifier circuit in wireless transmission system[J].Electronic Design Engineering,2009,17（2）:41-42.