5公里无线数传电台设计Word下载.docx

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Thewirelessdatatransmitterisdifferentfromtheradiovoiceradiofordatatransmission,isofgreatsignificanceinmanyareas.Correspondingresearchdataradiodesignisbasedonradiofrequency（RF）dataradiocommunicationtransmitters,receivers,phaselockedloop,basebandandmodeminterfaceunitandpowermanagementcomponents,toachieveeffectivedistanceof5km,andcanmeettheneedsofthedifferentsystems.

Anultra-long-distancewirelessdataradiostationisdesignedbasedontheSPCE061AofSunplusandXtendwirelessmoduleofDigiCompanyinthispaper.Thecommunicationdistanceoftheradiostationislongoutdoorand900metersindoor.theradiostationworkson433MHzmodulationfrequency,whichisopentothepublicuserwithoutapplyingfor.Theradiostationcaneasilyimplementtwo-machinecommunicationandmulti-machinecommunicationthroughtheappropriateprotocol.Theradiostationissimple,stableperformancethroughtesting,withsomepracticalvalue.

Keywords:

Dataradiostation,SPCE061Asinglechip,Wirelesscommunication,Xtendmodule,RS-232SerialPort

1绪论

1.1课题的背景意义

无线数传电台大致分为两种，一种是传统的模拟电台，另一种为采用DSP技术的数字电台，传统的模拟电台一般是射频部分后面加调制解调器转换为数字信号方式来传输数据，全部调制、解调、滤波和纠错由模拟量处理完成，如果需要进行数据的任何其它处理，那么附加的部件、专用的芯片、或微处理机必须加到设计中。

因为收发机相当多的功能是在硬件中完成，任何校准或无线电的调整必须在硬件级上进行[1]；

例如，扭动一个螺丝调整或更换部件。

又因为设计是以硬件为基础的，因而它是一个固定的设计。

这就是说，不改变硬件就不能改变功能和性能[2]。

数传电台（radiomodem），又可称为“无线数传电台”[3]。

是指借助DSP技术和无线电技术实现的高性能专业数据传输电台[4]。

数传电台的使用从最早的按键电码、电报、模拟电台加无线MODEM，发展到目前的数字电台和DSP、软件无线电；

传输信号也从代码、低速数据（300～1200bps）到高速数据（N*64K～N*E1），可以传输包括遥控遥测数据、动态图像等业务[5]。

无线数传电台采用数字信号处理、数字调制解调、具有前向纠错、均衡软判决等功能的。

区别与模拟调频电台加MODEM的模拟式数传电台，数字电台提供透明RS232接口，传输速率19.2Kbps，收发转换时间小于10ms，具有场强、温度、电压等指示，误码统计、状态告警、网络管理等功能[6]。

无线数传电台作为一种通讯媒介，与光纤、微波、明线一样，有一定的适用范围：

它提供某些特殊条件下专网中监控信号的实时、可靠的数据传输，具有成本低、安装维护方便、绕射能力强、组网结构灵活、覆盖范围远的特点，适合点多而分散、地理环境复杂等场合[7]。

软件无线电（（SoftwareDefinedRadio），就是软件定义无线电。

最早是由美国的J.Mitola提出的[8]。

主体思想是通过软件实现原有的通信电台中的大部分硬件功能，从而使该电台比传统电台更加灵活、轻便、通用。

软件无线电台就是在一个开放的、通用的、模块化的、标准的硬件平台上，通过加载不同的软件，从而实现多种通信模式、多种通信频段、多种调制解调方式、多种信号波形等功能的通信电台[9]。

现代通信已经成为当代社会进行信息交流的主要载体，而无线通信技术发展则从根本上实现了随时的、不受空间限制的个人通信的需要[10][11]。

经过不断的努力，无线通信技术已经发展到了第二代，可是它在应用领域上却不可避免的存在着一定的不足:

第二代数字移动通信网络由于各国的标准不统一因而无法进行全球漫游，并且由于系统带宽有限，限制了数据业务的应用[12]。

当前无线数传电台具有广泛的应用前景[13]，目前从航空航天、铁路、电力、石油、气象、地震等个行业均有规模的应用，在遥控、遥测、摇信、遥感等SCADA领域也取得了长足的进步和发展。

但是无线数传电台普遍具有的缺点就是通信距离较短，通用性较差。

利用软件无线电的思想设计一款能长距离通信的无线数传电台具有重要意义[14]。

1.2无线数传电台的技术现状

我们现在所说的数传电台，在欧美日等西方发达国家起步较早。

早在上世纪六、七十年代，以MOTOROLA为代表的通信厂商开始涉足无线数据通信领域，超短波数据通信只是其中的一个分支[15]。

当时在西方发达国家，调频对讲机已经开始普及，同时由于对工业自动化程度的要求也越来越高，越来越多的领域需要建立遥控、遥测系统，取代昂贵的、效率低下的人工作业，于是无线数据传输业务就应运而生。

不过由于当时的频率合成等技术还没有成熟，同时要传输的数据量也不大，因此那时的数传电台实际上比较“简陋”，只是在原有的调频对讲机或车载电台的基础上加装了一个低速率的调制解调芯片，所以严格来说只是一款话音电台的“改装机”，还不是真正意义上的专业的数传电台[16]。

当时较为典型的MODEM芯片之一就是MOTOROLA的MC145442[17]。

这也是最早采用FSK（频移键控）制式的MODEM芯片之一与常规的话音电台配合后可以在超短波窄带信道上实现最高300bps的传输速率[18]。

以后发展起来的MSK、FFSK、GMSK、QPSK、CPFSK等等，五花八门的调制解调技术，以及AM7910、M7512B、TC3105、FX604、FX469、FX909、FX589等一系列从低速向高速发展的MODEM芯片，直至现在常用的利用数字信号处理器（DSP）设计的软件MODEM，都是在早期的FSK原理技术的基础上发展而来的[19]，随着集成电路及软件技术的进步，经过不断改良而发展起来的，万变不离其宗。

即便是MC145442这样的低速芯片，直至今天，仍然还有人在使用它，还没有成为文物，足见其稳定性及生命力[20]。

我国在无线数据通信技术方面，与欧、美、日等发达国家相比，起步较晚，至少落后了20年左右，但发展较快[21]。

无线数传电台概念在我国的形成，应该是在改革开放后的80年代初期，但在整个80年代，由于我国的软件及硬件技术还比较落后，系统集成水准还比较低，因此数传电台也只是在水利、电力、自来水等极少数的几个领域进行一些试验性的、小范围的、小批量的应用[22]。

看到无线数据通信的发展前景，当时的国家无线电管理委员会还专门辟出了223~235MHz的无线数据通信专用频段，避免了与当时的150MHz、450MHz等语音通信设备争夺有限的频率资源，这一有远见的做法为日后数传电台及遥控遥测系统的快速发展奠定了良好的政策基础[23]。

进入90年代初期，随着改革开放的深入，以电力、水利、自来水、石油、环保、热网等为代表的国民经济的重要行业发展迅速，对自动化程度的要求也日益提高[24]。

我国的遥控遥测系统（简称“三遥”系统或SCADA系统）市场由此由实验阶段逐渐进入了高速发展阶段，从民用到军用，应用领域也越来越广泛，需求量也越来越大[25][26]。

数传电台于是进入了一个蓬勃发展期。

最常见、最典型的遥控遥测系统有：

电力负荷监控系统、配网自动化系统、水文水情测报系统（即流域防汛监测系统）、自来水管网监测系统、城市路灯监控系统、铁路信号监控系统、热网监控系统、输油供气管网监测系统、GPS定位系统、集中抄表系统、地震测报系统、无线电子称重系统（主要用于港口码头的装卸作业）、自动报靶系统、无人飞机控制系统、防火防盗系统、环境监测系统等等自动化系统[27]。

1.3课题的主要工作

根据毕业设计的任务书的要求，本设计的主要工作如下：

（1）查阅相关文献，介绍无线数传电台的特点、发展历史和研究意义；

（2）系统方案设计。

根据任务书的参数要求选定方案和主要模块器件；

（3）设计系统的硬件结构。

包括单片机与Xtend的结构以及单片机的RS-232接口；

（4）设计系统的控制程序。

包括Xtend控制程序和RS-232口驱动程序；

（5）系统调试和实验结构分析；

本课题的研究着重实现长距离通信的参数指标，另外充分考虑电台的可扩展性，为后续数传电台的功能扩展预留空间。

2系统方案设计

2.1系统设计要求和设计原则

由于本设计的设计目标是设计一款实现长距离（5公里）通信的无线数传电台，所以通信距离是本设计的优先考虑指标，另外还要考虑系统的可扩展性，通信的稳定性、小体积和低功耗等诸多因素。

这里系统设计的原则是：

2.1.1长距离通信可实现性

本设计的初衷就是设计一款长距离通信的无线数传电台，如果不能实现长距离通信那么即使其他指标完成的再完美，该设计也是一个失败的设计，不能达到设计的最初目的，所以长距离的可实现性是优先级最高的原则。

2.1.2性能可靠性

由于无线数传电台的工作环境五花八门，存在各种干扰，工作环境中振动、粉尘、温度、湿度、压力等都可能造成无线数传电台的无法正常工作，这就需要在设计电台的整个过程中，从元件选择到电路设计都要考虑到实际工作中可能遇到的干扰，提高系统的抗干扰能力，保证精度。

在选择元件时要选择工业级的元件设备，关键核心元器件可以选择军工级的。

设计PCB时布线和接地要合理；

对供电电源要采用抗电磁十扰的措施。

2.1.3操作方便性

无线数传电台在设计过程中要考虑到日后工作人员的使用习惯，并尽可能减少对使用人员对专业知识的要求，减少人机交互接口的数量而采用操作内置等方法。

并制作良好的人家交互界面。

是否方便操作也是关系到该电台是否受客户欢迎和能占有市场的关键要素。

2.1.4可扩展性

任何设计和产品都会有一个升级换代的过程，这样才能保证产品不断更新而不至于被市场淘汰，所以这就要求每一个设计在设计之初要预留产品更新的设计空间，而不至于在产品更新时重新设计。

这就极大的缩短了新产品上市的时间，从而达到缩小成本和快速占领市场的目的。

2.2系统的组成

在本设计方案中采用凌阳单片机SPCE061A单片机作为数传电台的控制芯片，

单片机控制Xtend模块实现通信，而另一端设计RS232接口，实现与外部的交互，其具体的设计方框图如图2.1所示。

图2.1无线数传电台的整体框图

系统的硬件设计包括电源模块、单片机控制电路、数据接口模块和Xtend无线通信模块。

其设计的重点在于SPCE061A单片机控制电路的设计，Xtend无线通信模块的控制和数据接口模块的设计。

SPCE061A是继μ’nSP™（MicrocontrollerandSignalProcessor）系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。

与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。

较高的处理速度使μ’nSP™能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。

XTend非常易于使用，并且具有超远的传输距离，户外无遮挡情况下最远可以达到40英里（64KM），即使是在室内也可以达到3000英尺（900米）的传输距离，在室外最远通信距离达64Km。

其工作在ISM433M频段，具有115.2kbps的数据吞吐量，该模块具有一个RPSMA天线接口。

XTend模块采用FHSS（调频扩频）技术，以避免干扰，发射功率软件可调（1mW-1W）。

RS-232是计算机和工业中应用最为广泛的一种串行接口，RS-232串行通信接口采用单端通讯（即不平衡传输方式）;

RS-232串行通信接口收发端的数据信号是相对于信号地的电平相差较大，RS-232串行通信接口在发送与接收串口数据时，RS-232串行通信接口的发送端引脚的驱动正电平的范围为+5V~+15V，RS-232串行通信接口的负电平的范围为-5V~-15V。

2.3本章小结

本文中就是借鉴软件无线电的设计思想设计一款能实现长距离数据传输电台，通信距离达5公里以上，由于通信距离是本设计优先考虑指标，所以本文选用美国

进口Xtend无线通信模块，该模块能实现无线发射和接收，锁相环、基带处理及调制解调全部功能。

由于Xtend设计的创新，Xtend的户外理论通信距离最远达64千米，即使在室内环境内，通信距离也达900米之远。

而控制芯片采用了凌阳科技的SPCE061A单片机，该单片机是16位单片机，其具有较强的DSP处理能力，另外通过该单片机能更好的扩展无线数传电台的功能，使其具有良好的课扩展性。

3系统方案硬件设计

在本章的系统硬件设计中，主要包括电源模块设计，单片机系统，XTend无线射频模块和RS-232接口模块，下面依次介绍各个模块的设计。

3.1电源模块设计

供电电源设计是每个系统设计的重要考虑问题，凌阳科技的SPCE061A单片机正常工作电压为2.4~3.6V（CPU的工作电压）和2.4~5.5V（IO的工作电压），考虑到无线数传电台的工作环境，环境中能提供的电压往往是220V，50Hz的交流电，电源模块的作用就是将交流电转换成可以让单片机正常工作的低压直流电。

由于市场上的开关电源价格低廉性能稳定，考虑到开发周期，稳定性和成本等各方面因素，本设计采购了市场现有的成熟模块。

该模块采用台湾昂宝OB2263电源管理IC方案,韩国AUK品牌MOSFET管,台湾强茂Panjit肖特基整流管,EE25变压器，TENTA天泰X2电容，齐全的高频滤波电路,105度2000小时品-台湾品牌电解电容器，使用高品质的电子元件,保证了电源电压稳定,温升小,效率高,长寿命工作，配备LPS过流保护和输出短路保护，可抗470V输入突波电压。

本模块能输出5V的直流电源，所以在作为系统CPU的供电电压还需要有一个低压稳压电路，此部分同单片机系统设计在同一块PCB板上。

此部分采用SPY0029低压稳压器，其输出稳定的3.3V电压，同时还带有低电压保护功能。

电阻都是0欧姆，在这种电路中为了减小数字部分和模拟部分的相互干扰,他们的电源地线都是分开布的,但在电源的入口点又需要连在一起,一般是通过0欧姆电阻连接的,这样既达到了数字地和模拟地间无电压差,又利用了0欧姆电阻的寄生电感滤除了数字部分对模拟部分的干扰。

图3.1稳压电源模块电路原理图

3.2单片机系统设计

单片机系统是整个设计的核心，本文采用的凌阳SPCE061A单片机具有丰富的资源和优良的性能。

CPU时钟为0.32MHz~49.152MHz；

CPU和IO单独供电，CPU的电压为2.4~3.6V，IO的电压为2.4~5.5V，这样设计降低了单片机的功耗。

内置2K字SRAM和32K字FLASH。

2个可编程计数器，32个可编程输入输出端口。

2个10位DAC输出通道和7个ADC输入通道；

具备串行设备接口；

　具有低电压复位（LVR）功能和低电压监测（LVD）功能；

内置在线仿真电路ICE（In-CircuitEmulator）接口；

具有保密能力和WatchDog功能。

图3.2单片机系统电路原理图

在此部分中PLL部分是单片机的锁相环链接电路，OSC部分是系统的晶振时钟，RESET部分是系统的复位电路。

3.3单片机调试和下载电路设计

SPCE061A的开发是通过在线调试器PROBE实现的。

它既是一个编程器（即程序烧写器），又是一个实时在线调试器。

用它可以替代在单片机应用项目的开发过程中常用的软件工具——硬件在线实时仿真器和程序烧写器。

它利用了

SPCE061A片内置的在线仿真电路ICE（In-CircuitEmulator）接口和凌阳公司的在线串行编程技术。

PROBE工作于凌阳IDE集成开发环境软件包下，其5芯的仿真头直接连接到目标电路板上SPCE061A相应管脚，直接在目标电路板上的CPU--SPCE061A调试、运行用户编制的程序。

PROBE的另一头是标准25针打印机接口或者是USB接口，直接连接到计算机打印口与上位机通讯，在计算机IDE集成开发环境软件包下，完成在线调试功能。

本设计采用的是USB口的PROBE在线调试器，而配套的开发环境是凌阳科技开发的一款IDE平台。

图3.3单片机下载调试电路

3.4Xtend无线模块

本文采用的无线通信模块为Digi公司的XtendOEM模块，XTendOEM无线射频模块提供了无与伦比的通讯距离和低成本的无线数据通讯解决方案。

易于使用、低功耗并且能提供设备间的重要数据可靠通讯。

它结构紧凑节省宝贵的电路板空间。

正是由于创新的设计，XTend模块和一般的工作在不受限制的433MHz频段的模块相比通讯距离超过2~8倍。

OEM厂商和集成商获得长通讯距离归功于模块中嵌入的专属技术，如超高的接收灵敏度，抗干扰能力和调制/解调技术等。

无需在设备外进行无线射频配置。

模块的缺省配置就可以支持大部分的数据系统应用。

可以通过简单的AT命令和二进制命令实现高级配置。

其具体的参数如下：

①工作电压：

2.8-5.5VDCregulated

②频段：

433MHz

③串行接口：

3V-5VCMOSUART-无需配置

④发射工作电流：

730mA（@5V,1WTXPowerOutput）

⑤接收工作电流：

80mA（@5V,1WTXPowerOutput）

⑥室内传输距离：

（w/2.1dB偶极天线）:

最远3000英尺（900米）

⑦户外视距传输：

（w/高增益天线）:

最远40英里（64km）

⑧发射功率 

（软件可调）：

1mW-1W（0-30dBm）

⑨吞吐数据率（软件可调）：

9,600or115,200bps

⑩RPSMA天线接口

图3.4Xtend实物图

Xtend模块的接口电平支持TTL电平，所以该模块的电平不用通过转换就可以和单片机系统直接相连通信，该模块提供UART数据接口，他的DI和DO引脚分别为数据的输入和输出引脚，这个输入输出的概念是相对于模块本身的，DI输入的数据先存储到内部的缓存中，等待发送，而DO的数据来自于模块内部的无线接受缓存。

该模块与单片机的链接示意图如下图所示：

图3.5Xtend与单片机的链接示意图

3.5RS-232接口模块

RS-232接口是用作数据电台与外部进行数据交互的一个接口电路，RS-232是美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一种串行物理接口标准，该标准只是对物理层进行了规定，对于数据链路层和更上层的网络通信没有做任何规定，而我们通常用的数据链路层协议时UART协议。

本设计中也是用这两个协议和计算机进行交互通信的。

图3.6RS-232接口电路

系统采用了如图3.6示的由MAXIM公司生产的MAX232AESE。

芯片的内部含有电压倍增电路和转换电路，只需要+5V电源供电而不需要控制信号，该芯片能同时驱动两个RS-232接口。

SPCE061单片机通过RXD和TXD两根引线同MAX232AESE相连接，MAX232AESE的14和13引脚同DB9接口的2、3引脚相接，这样电台的DB9口就可以和计算机的DB9口可以通过引线相连而通信了。

3.6本章小结

本章主要设计实现了无线数传电台的硬件系统，分别描述了系统的电源模块，单片机系统，仿真下载电路模块，Xtend无线收发模块和RS-232电路模块的实现方案。

至此系统的系统硬件设计完成。

在后面将进行系统的软件部分设计。

4系统软件设计

4.1RS-232程序设计

凌阳的SPCE061A提供了一个UART接口，UART提供了一个全双工标准接口，用于完成SPCE061A与外设之间的串行通讯（最大的波特率可达115200bps）。

借助于IOB口的特殊功能和UARTIRQ中断，可以完成UART接口的通讯功能。

此外，SPCE061A还可以接收缓冲器内容。

也就是说，它可以在读取缓存器内当前数据之前接收新的数据。

但是，如果在新的数据接收完毕之前还没有从缓存器中读取当前数据，会发生数据丢失。

P_UART_Data（读/写）（$7023H）单元可以用于接收和发送数据。

向该单元写入数据，可以将发送的数据送入缓存器；

从该单元读数据，可以从缓存器读出单个的数据。

UART模块的接收管脚Rx和发送管脚Tx可分别与IOB7和IOB10共用。

表4.1UART的数据帧格式

RS-232主要是Xtend的控制命令输入。

所以单片机的RS-232主要是接收数据。

其具体的程序流程图如下图4.1所示：

图4.1串口中断程序流程图

其具体的程序代码为：

*P_UART_Command1=0x20;

//Uart内部复位。

*P_UART_Command1=0x00;

*P_UART_BaudScalarHigh=0x00;

//波特率设置为115200bps。

*P_UART_BaudScalarLow=0x6B;

*P_UART_Command1=0x000C;

//允许接收。

*P_UART_Command2=0x00C0;

Ret=*P_UART_Data;

//清接收缓冲区。

Ret