基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易軟件無(wú)線電FSK的程序設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)

張更民 高云 王云隆

摘要：現(xiàn)代微控制器（MCU）內(nèi)部資源豐富，工作速度快，例如STM32F103系列單片機(jī)有11個(gè)內(nèi)部定時(shí)器，工作時(shí)鐘可達(dá)72 MHz或更高，只有1-2美元的低價(jià)。在許多低速、近距離的無(wú)線應(yīng)用環(huán)境中，我們傾向于使用軟件無(wú)線電而不是無(wú)線通信硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)通信。一種更自由、方便和經(jīng)濟(jì)的方式，特別適用于ASK和FSK通信方式。

關(guān)鍵詞：微控制單元（MCU）;軟件無(wú)線電;振幅移位鍵控（ASK）;頻移鍵控（FSK）

現(xiàn)代手持設(shè)備的一般尺寸為3-10厘米，藍(lán)寶石和大多數(shù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的工作頻率在2.4GHz左右。從公式λ=C/f我們可以看到波長(zhǎng)接近12.5cm。根據(jù)等效天線的原理l=1/4λ，大多數(shù)設(shè)備的天線尺寸約為3cm。這也就是說(shuō)，它可以很容易地固定在手持設(shè)備的外殼中。因此，近幾年來(lái)，這種頻率的射頻器件得到了迅速的發(fā)展，并在市場(chǎng)上得到了廣泛的應(yīng)用，其次是相應(yīng)的通信模塊。另一方面，額外的通信模塊不可避免地會(huì)增加硬件成本和設(shè)備功耗，外部固定的模塊不能滿足改變通信環(huán)境和通信質(zhì)量的靈活要求。相反，現(xiàn)代MCU具有計(jì)算速度快、工作時(shí)鐘頻率高、內(nèi)部資源相對(duì)豐富等優(yōu)點(diǎn)，使其可以完成具有較高的計(jì)算速度、高工作時(shí)鐘頻率和相對(duì)豐富的內(nèi)部資源的簡(jiǎn)單的軟件RADI 修改后的任務(wù)。這就是為什么我們做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的原因。

1.由豐富的內(nèi)部定時(shí)器和高速IO支持的STM32F103的軟件無(wú)線電優(yōu)勢(shì)

在2001年STM32F103是一種以ARM的Crotex-M3為核心的32位單片機(jī)。基本配置包括ADC的常規(guī)接口、多級(jí)中斷處理、I2C、UART、CAN總線等。最吸引人的設(shè)計(jì)是它眾多的定時(shí)器。有3個(gè)一般16位定時(shí)器，其中一個(gè)用于PWM控制，另兩個(gè)定時(shí)器是看門狗定時(shí)器，盡管在許多應(yīng)用情況下，我們實(shí)際上不使用它們中的每一個(gè)。此外，還包括24位自還原計(jì)數(shù)器。引腳周轉(zhuǎn)率高達(dá)50 MHz，接近射頻.由單片機(jī)軟件無(wú)線電控制的輸出波形為方波，其傅里葉級(jí)數(shù)包含有效的高階諧波頻率。假設(shè)我們使用7次或13次諧波作為有效載波頻率，然后，從公式λ=C/f我們可以獲得85.71cm或46.2cm的波長(zhǎng)，有效的天線長(zhǎng)度為21.4cm或11.5cm，這保證了我們可以直接連接IO接口和微帶PCB天線。從而大大簡(jiǎn)化了射頻通信電路，大大降低了成本。

2.標(biāo)準(zhǔn)ASK/FSK信號(hào)與單片機(jī)產(chǎn)生信號(hào)在時(shí)域和頻域上的差異

ASK是一種振幅鍵控調(diào)制方式，在時(shí)域上，它可以看作是存在或不存在的正弦振蕩信號(hào)，對(duì)應(yīng)于無(wú)線信號(hào)“1”和“0”。但單片機(jī)不產(chǎn)生正弦信號(hào)，而是產(chǎn)生正方形信號(hào)，也對(duì)應(yīng)于“1”和“0”。如上所述，方波信號(hào)包含高次諧波頻率，接收機(jī)接收不同諧波頻率的標(biāo)準(zhǔn)ASK信號(hào)的組合。我們可以看到，在時(shí)域，引腳的輸出仍然是問(wèn)號(hào)信號(hào)：振蕩的存在或不存在表示‘1和‘0。同時(shí)，振動(dòng)的實(shí)現(xiàn)變得更加容易，只需檢測(cè)方波的存在。對(duì)于FSK，唯一的區(qū)別是符號(hào)變化時(shí)方波輸出頻率的變化。首先，單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生方波，然后根據(jù)所需頻率進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)能浖刂啤Ｈ绻ㄟ^(guò)低速單片機(jī)開(kāi)關(guān)將輸出信號(hào)簡(jiǎn)單地連接到不同頻率的振蕩器上，就會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。外部振蕩器在振蕩開(kāi)始和結(jié)束時(shí)存在時(shí)間延遲，時(shí)間延遲長(zhǎng)度不確定，導(dǎo)致符號(hào)寬度‘1和‘0不同。同時(shí)，由于時(shí)間延遲，在符號(hào)切換時(shí)，波形的相位不能連續(xù)變化，從而導(dǎo)致波形失真，產(chǎn)生額外的頻率分量。相位的兩倍微分是頻率的變化率，這意味著相位的不連續(xù)性會(huì)帶來(lái)很大的頻率變化，這將給我們帶來(lái)很大的麻煩。濾波電路設(shè)計(jì)和后端天線設(shè)計(jì)的可行性。

3.軟件設(shè)計(jì)思想

在功率譜分析中，為了簡(jiǎn)化前向?yàn)V波電路和天線設(shè)計(jì)，必須大大集中輸出信號(hào)的功率。這要求輸出信號(hào)在時(shí)域上接近具有相對(duì)穩(wěn)定頻率的周期信號(hào)。另一方面，這類信號(hào)的信息量相對(duì)較小。為了解決這一矛盾，我們必須在交換載波時(shí)進(jìn)行編程上的調(diào)整。

4.基本電路設(shè)計(jì)

作為近場(chǎng)通信實(shí)驗(yàn)，我們選擇了一種相對(duì)簡(jiǎn)單的環(huán)形天線與電容器并行的方案，因?yàn)樗?jīng)常用于RFID環(huán)境中。在我們連接到PCB板之后，可以調(diào)節(jié)電容并聯(lián)固定。一個(gè)高速開(kāi)關(guān)晶體管連接到單片機(jī)的IO端，以增加流向天線的電流。在接收機(jī)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)類似的天線來(lái)完成頻率選擇，然后通過(guò)高頻三極管放大、開(kāi)關(guān)二極管檢測(cè)和比較器塑料放大倍數(shù)，可產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)電平的信號(hào)。當(dāng)信號(hào)被發(fā)送到MCU時(shí)，完成了軟件無(wú)線電數(shù)字通信的基本通信系統(tǒng)。在該電路中，天線設(shè)計(jì)和頻率選擇/識(shí)別模塊可以同時(shí)完成。

5.單片機(jī)產(chǎn)生的波形特征

單片機(jī)管腳信號(hào)的高低，即三極管工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，方波在天線上流動(dòng)。如果軟件無(wú)線電FSK中符號(hào)“1/0”的載波頻率彼此接近，相鄰的符號(hào)可以通過(guò)高電平或低電平連接，相位將是連續(xù)的，諧振頻率點(diǎn)將相當(dāng)接近。因此，信號(hào)的頻譜帶寬很窄，很容易在環(huán)形天線和并聯(lián)可調(diào)電容形成的電感上進(jìn)行調(diào)諧。

6.概要

在實(shí)際制作通信驗(yàn)證電路后，進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)。參數(shù)如下：FSK的載波頻率為1.1MHz/1.05MHz，對(duì)應(yīng)于“1”/“0”。我們用30圈的天線和0.8mm的漆線代替PCB板天線。在光譜計(jì)的調(diào)諧校準(zhǔn)中，需要并聯(lián)的可調(diào)電容。數(shù)字信號(hào)的傳輸距離為1.5m，傳輸速率為19200 bps。效果好，符號(hào)錯(cuò)誤率小于5%。結(jié)果表明，前文討論過(guò)的近場(chǎng)低速通信效果較好。原因包括兩個(gè)方面：首先，“0”/“1”的頻率是相近的。第二，采用軟件無(wú)線電開(kāi)關(guān)振蕩后，載波的相位是連續(xù)的。因此，產(chǎn)生了一種新的頻譜分量，使得頻率選擇電路和天線的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。

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作者簡(jiǎn)介：張更民（1999-）男，漢族，河北保定人，本科。