基于无线的电力监测数据通讯系统设计开发Word下载.docx
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科研论文
2、选题的目的及意义
目的：
通过本课题的设计，能够掌握利用图书馆及网络等资源查阅与科研项目相关的科技背景知识的方法，掌握C8051F310、CC1101芯片及RS232串口的工作原理及接口技术，设计基于无线的电力监测数据通讯系统，并对设计电路的资源进行编程，掌握模块化编程及调试方法，培养独立分析问题、解决问题的理论及工程实践能力。
意义：
随着科学技术的迅速发展，人们的生产行为、生活方式都发生了重大的变化，作为生活生产中非常重要的一项技术即无线通信技术的重要性正在逐渐被人们所认识和重视。
近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。
而无线通信技术又有着集成化，低功耗，易操作的发展趋势。
目前，一些只由微控制器和集成射频芯片构成的无线通信模块不断推出，这种微功率短距离无线数据传输技术在工业、民用等领域得到应用广泛。
无线数据传输系统结构微功率短距离无线数据传输技术作为一种无线通信实用技术，一般使用单片射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。
一个简易无线控制系统可以由微控制器，单片射频收发芯片以及少量外围和显示设备等构成，本课题主要研究的是由C8051F310单片机最小系统和CC1101无线通信模块组合而成的简易无线数据通讯系统。
3、本课题在国内外的研究状况及发展趋势
随着网络及通信技术的飞速发展，无线通信以其成本低廉、扩展性好、受地理条件限制较少、安装施工简便灵活等特点，在许多领域都有着广阔的应用前景。
进入二十一世纪以来，微电子技术的不断进步极大地推动了计算机和通信设备的普及和迅猛发展，PC机、掌上电脑、移动电话、无绳电话等进入人们日常的生活和工作中，成为人们生活中不可缺少的一部分。
在这些设备之间传送文件时往往是通过线缆来进行，有线网络速度快，数据流量大可靠性强，对于基本固定的设备来说无疑是比较理想的选择，的确在实际应用中也达到了比较满意的效果，但同时有线网络布线麻烦，线路故障难以检查，设备重新布局就要重新布线，且不能随意移动等缺点越发突出。
在向往自由和希望随时随地进行通信的今天，人们逐渐把目光转向了无线通信方式，无线通信技术在特殊的工作环境中有许多优点：
对于分散、移动的控制对象可以方便的实现相互间的数据通信；
对于物理布线困难的地方，采用无线通信技术可以节省大量财力；
对于需要组网的以太网、令牌网等有线通信系统，选择无线通信技术可以避免大量的布线工作，同时也避免了有线网由于线路故障而导致系统瘫痪的弊病。
以上这些优点使得无线通信除了弥补有线手段的不足外，还为数据通信用户提供了更加方便更高层次的服务，即移动中不间断的数据通信。
虽然目前无线通信在整个数据通信中所占的比例还比较小，但它的发展势头很强。
是人们普遍看好的下一个通信技术热点。
随着计算机、通信和无线技术的逐步融合，在传统的有线通信的基础上，无线通信技术应运而生，它具有快捷、方便、可移动和安全等优势，所以广泛应用到遥控玩具、汽车电子、环境监测和电气自动化等。
在一些特殊应用场合中，单片机与上位机之间通信不再采用有线的数据传输，例如采用有线的串、并行总线、I2C和CAN总线等，而是需要无线数据传输。
它与有线数传相比主要有布线成本低、安装简便、便于移动的优点，而且随着互联网技术的迅猛发展和快速普及，越来越多的基于单片机为微控制器的的测控设备或智能仪器仪表都需要通过互联网上进行数据交换或传输数据。
无线通信的范围非常广泛，可分为许多种类。
按照媒介可分为光通信、微波通信、声波通信等；
按照传输距离可分为长距离无线通信和短距离无线通信；
按照频段可分为15M频带无线通信、军用频带无线通信、航空频带无线通信等；
按照传输的信息可分为无线控制、语音无线通信、海量数据无线通信等；
按照协议标准来分可分为无线局域网、蓝牙、HomeRF、ZigBee、无线USB、Wi—Fi、WiMAx、UWB等。
无线通信的主要应用范围有：
公共设施自动化、无线宽带网络、仓库和物流管理、医院监护、安全管理、国防军事、交通运输、石油勘探、森林防火、抗洪抢险、国土勘查、直播、海关缉私、港口作业、水文监控等。
随着无线技术的不断发展和应用市场的不断扩大，各种无线技术层出不穷，今天整个无线领域已经呈现出了一派繁荣的景象。
一般的数据检测系统是通过传感器将捕捉的现场信号经数模转换器ADC采样，量化，编码后、成为数字信号，存入数据存储器或送给微处理器，或通过无线方式将数据发送给接收端进行处理，无线数据传输系统就是这样一套利用无线手段将采集的数据由测量触发送到主控的设备。
无线数据收发模块的性能优异,其显著的特点是所需外围元件少,因而设计非常方便。
4、本课题主要研究内容
设计一个利用无线通讯技术进行数据传输的模块组，利用CC1101等无线通讯芯片，实现数据之间的相互传递，要求完成无线转发功能，即该模块能够利用一个串口接收数据，然后从另一个端口用无线的方式将数据发送出去，达到传输过程中有线传输到无线传输的转换。
该模式的运用实际上已经为进一步实现物联网概念的应用进行了很好的铺垫。
本课题主要包括以下几个方面的研究工作:
1.系统的总体方案设计
本课题所研究的电力监测数据通讯系统是在一个单片的射频收发芯片和微控制器以及一些外围的电子器件（如电阻、电容等）构成的无线通信模块硬件电路的基础上，再配合软件上的开发，并按照命令字节的协议进行数据包的操作，便可实现其最基本的无线数据传输功能。
简单的讲，只要有微控器，单片射频收发芯片以及少量的外围设备就可以构成一个无线传输系统，传输系统结构如图1所示。
图1无线数据传输系统结构图
通过无线传输模块数据或信号及时地发送到PC机作储存或进行下一步的处理，并按照与之有关的处理结果对外设发出相关的控制命令。
2.系统的模块功能设计
模块的系统结构如图2所示。
主要由RS232接口、无线收发和天线三大功能模块组成（其中，无线收发模块包含了控制电路）。
图2无线系统模块功能结构图
RS232接口模块的主要功能是把无线通信系统和PC机进行物理连接，提供总线的硬件收发接口和为无线系统提供电源，并通过RS232接口与计算机进行串口通信。
无线收发电路主要是负责将从单片机送来的数据以预先设计好的调制格式送到天线以激励电磁波发射，再将从天线接收到的调制信号通过解调得到基带信号再送给单片机进行后期处理。
市面上无线射频收发芯片的型号有很多，要据设计的性能要求选择合适的无线收发芯片，就需要着重考虑以下几项性能：
功耗、调制格式、数据传输速率、发送功率和接收灵敏度以及基带处理能力等，另外收发芯片需要的外围元器件数量，芯片需要的外围器件数量少，则成本低，设计的电路的可靠性也会相应的提高。
综合以上性能指标的考虑，TI公司生产的CC1101无线射频芯片符合本次设计的要求，是一个最合适的选择。
3.系统的硬件设计
1）主控电路的设计
在本无线通信系统设计中选择Sygnal公司的C8051F310单片机做控制器。
该处理器具有与8051完全兼容的CIP-51内核,是一款完全集成的混合信号ISP型MCU芯片,带有模拟多路器的10位200ksps的25通道单端/差分ADC,硬件实现的I2C、增强型UART及SPI接口,Flash存储器具有在系统重编程能力,可用于非易失性数据存储,并且允许现场更新8051固件。
该型号单片机体积小、性能高,能够快速存取数据,也易于系统开发以及扩展,很适合本设计的需要。
C8051F310单片机采用射频SoC（片上系统）进行无线通讯设计，是开发低成本、低功耗无线通讯应用系统的理想方案。
射频SoC（片上系统）的特点是：
专门的设计，将全部的高频部分电路全部集成到了电路内部，从无线芯片片机到天线之间，只有简单的滤波电路，系统设计者完全不必进行任何高频电路设计；
采用特殊设计，使无线芯片和微处理器和高频线路间，实现完美的配合，数字电路对高频通讯的影响减低到最小；
将微处理器和无线芯片设计成一体，变成无线单片机，可以轻松完成无线通讯功能设计开发。
图3C8051F310引脚图
引脚名称
引脚类型
说明
VDD
电源
GND
地
/RST
C2CK
数字I/O
数字I/O
器件复位。
内部上电复位或VDD监视器的漏极开路输出。
一个外部源可以通过将该引脚驱动为低电平（至少10µ
s）来启动一次系统复位。
C2开发接口的时钟信号。
P3.0
C2D
端口3.0。
C2开发接口的双向数据信号。
P0.0
VREF
模拟输入
端口0.0。
外部VREF输入。
P0.1
端口0.1。
P0.2
XTAL1
模拟输入
端口0.2。
外部时钟输入。
对于晶体或陶瓷谐振器，该引脚是外部
振荡器电路的反馈输入。
P0.3
XTAL2
模拟输出或数字输入
端口0.3。
外部时钟输出。
该引脚是晶体或陶瓷谐振器的激励驱动
器。
对于CMOS时钟、电容或RC振荡器配置，该引脚
是外部时钟输入。
P0.4
端口0.4。
P0.5
端口0.5。
P0.6
CNVSTR
端口0.6。
ADC0外部转换启动输入。
P0.7
端口0.7。
P1.0-P1.7
数字I/O或
端口1.0-1.7。
P2.0-P2.7
端口2.0-2.7。
P3.1-P3.4
端口3.1-3.4。
2）无线模块设计
CC1101是美国TI公司推出的一款低功耗、集成度高而多通道的无线收发芯片，该芯片为20引脚QFN封装，体积为4×
4mm。
其可以工作在433MHz、868MHz和915MHz的世界通用的ISM频段，最高数据传输速率为500kbps。
其内部集成了频率发生器、调制器和解调器，支持多种解调方式并且内置链路层，通过SPI接口可以方便的对其工作方式和工作频道等进行设置。
CC1101的供电电压为1.8V—3.6V，当其在发送模式下发射功率为0dBm时，电流消耗仅为11.3mA；
工作在接收模式下接收速率为最高500kbps时，电流消耗仅为12.3mA。
其芯片引脚结构见图4。
图4CC1101芯片引脚图
Ø
1、2、7及20口，分别是SCLK（时钟输入），SO（数据输出）,CSn（芯片选择）和SI（数据输入），是芯片与单片机的SPI接口，用于配置和数据缓冲通路。
3、6口，GDO2，数字输出接口，一般用作测试信号等。
4口，DVDD，数字I/O和数字中心电压调节器的1.8V-3.6V数字功率供给端口。
5口，DCOUPL，1.6V-2.0V的数字功率供给。
8、10口，XOSC_Q1和XOSC_Q2，用来接外部晶振。
9、11、14和15口，1.8V-3.6V模拟功率供给
12、13口，RF_P、RF_N，外接BALUN，实现无线信号单双端间的转换。
17口，RBIAS，接一偏置电阻，用以实现一准确的偏置电流。
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