物联网家庭传感器的网络设计电路doc.docx
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物联网家庭传感器的网络设计电路doc
教学单位电子电气工程系
学生学号200995014009
编号
本科毕业设计
题 目 物联网家庭传感器的网络设计电路
学生姓名
专业名称电气工程及其自动化
指导教师
2013年 5 月 15日
一、设计正文…………………………………………………………
（1）
二、附录
1.设计开题报告……………………………………………………（29）
2.设计结题报告……………………………………………………（30）
3.成绩评定及答辩报告表…………………………………………（31）
物联网家庭传感器的网络电路设计
李强
（宝鸡文理学院）
[摘 要]随着传感器技术的日益成熟和社会发展与建设中对传感器的大量使用，体积小，功耗低，稳定度与灵敏度高的无线传输装置的需求也越来越高。
因此研究与设计可用于传感器数据接受的电路是很有实用价值的。
本文设计了一种基于NRF403收发一体芯片的传感器数据的无线接收电路。
要求接收频率为315MHZ，超外差结构，并且接收灵敏度要高。
论文中详细了如今传感器技术的发展状况，各种特点，并围绕NRF403无线收发芯片，设计外围电路图，研究讨论图中各个元件参数是如何确定。
介绍为什么选择此芯片，它的工作原理，在无线传输领域自己的特点。
并通过分析介绍同样是无线收发芯片的CC1000以及单独接收芯片MAX1470的外围电路与工作原理和实验所用的NRF403形成对比，分析它们之间的异同，比较FSK与ASK之间的区别。
此外，本文还会讨论天线在无线传输中的重要性。
并重点的讨论在无线接收过程中，信号的纠错与处理方面的原理与技术。
最后通过连接功率放大器和MSP430单片机进行实验数据的测量，达到预期的实验结果。
关键字：
信号的纠错处理无线接收
Abstract:
Withthesensortechnologyismaturing,andSocialdevelopmentandconstructionofthelarge-scaleuseofsensors;smallsize,lowpowerdissipation,stabilityandthehighsensitivityofwirelesstransmissiondevicesareincreasinglyhighdemand.Thestudyanddesignofsensordatacanbeusedforthecircuitisverypracticalvalue.
Inthispaper,wedesignawirelessreceivercircuit,basedonNRF403transceiverchipandithassensordata.Receivingrequestsfor315MHZfrequency,superheterodynestructure,andhighreceiversensitivity.Detailsofthepaperstodaysensortechnologydevelopment,featuresandfocusingonNRF403wirelesstransceiverchipdesignoftheexternalcircuit,andplanstostudyanddiscussthevariouscomponentstodeterminehowtheparameters.Whymeetingonchip,itsworkingprinciple,inthefieldofwirelesstransmissioncharacteristicsofitsown.AndthroughanalysisonthesamechipwirelesstransceiverandtheCC1000,MAX1470singlechipexternalcircuitwiththeprinciplesandexperimentaluseofNRF403contrast,theanalysisofthesimilaritiesanddifferencesbetweenthem.FSKcomparedwiththedistinctionbetweenASK.
Inaddition,thepaperwillalsodiscussthewirelessantennatransmissionimportance.Andthediscussionfocusedonthewirelessloopprocess,theerror-correctingsignalprocessingwiththetheoryandtechnology.Finally,bylinkingpoweramplifierandMSP430SCM,andthenmeasuredtheexperimentaldata,toachievethedesiredresults.
Keywords:
signalerrorcorrectionprocessing;wirelessreceive;
第一章绪论
1.1研究背景
传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一。
也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术，计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。
如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸，当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置——传感器没有跟上信息技术的发展而惊呼“大脑发达，五官不灵”。
信息的无线传输技术在近几年发展迅猛，在很多行业都有长足的发展。
这两项热门的技术很容易被联系在一起，实际上它们也是分不开的。
因为人们最终的目的是分析研究传感器的信息。
所以无线传输技术与传感器技术联系在一起研究是非常有价值的课题。
我们本次的实验也是针对这样的趋势，研究传感器无线数据的接收电路。
1.2无线传感器网络的介绍与应用
传感器作为采集数据的仪器，本身并不能处理这些数据。
因此将这些采集到的物理信息转变成的原始电信号如何传递给计算机进行处理成为了又一个必须要研究的问题。
所以由传感器，处理器和传输三部分构成了一个传感器网络。
又由于传输分为有线传输和无线传输，传感器网络也相应的分为有线与无线。
本文中主要介绍传感器的无线传输，所以要先了解无线传感器网络。
无线传感器网络是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息，并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。
无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。
在传感器网络中，传感器节点具有端节点和路由的功能：
一方面实现数据的采集和处理；另一方面实现数据的融合和路由，对本身采集的数据和收到的其他节点发送的数据进行综合，转发路由到网关节点。
网关节点往往个数有限，而且常常能量能够得到补充；网关通常使用多种方式与外界通信[11]。
而传感器节点数目非常庞大，通常采用不能补充的电池提供能量；传感器节点的能量一旦耗尽，那么该节点就不能进行数据采集和路由的功能，直接影响整个传感器网络的健壮性和生命周期。
因此，传感器网络主要研究的是传感器网络节点。
具体应用不同，传感器网络节点的设计也不尽相同，但是其基本结构是一样的。
传感器网络节点一般由处理器单元、无线传输单元、传感器单元和电源模块单元4部分组成，如图
图1无线传感器网络节点图
在本论文中，主要介绍无线传输这一模块，用合适的芯片通过围绕它外围电路的设计达到我们需要的要求参数，比如频率，传输距离，灵敏度等等。
当然我们研究这一模块在实际使用中是有重要意义的，因为无线在一些具体的条件下相对于有线具有明显的优势。
例如它在水利方面的应用，我们知道水利问题和人们生活息息相关，它关系着人民生活的稳定和整个国民经济的提高。
而水情、雨情、墒情、灾情水环境、水工程等信息在内的各种水利信息的获取都需要一个庞大的信息监测网络的支持。
而一般的水利设施都在野外，环境比较恶劣，基础设施比较缺乏，供电困难。
因此若要在这样的环境下架设明线，电缆是非常困难的。
因为它需要供电设备，而在那样的野外环境提供满足它的电源是极为困难的，再加上空旷野外如果遇到闪电，明线很容易遭到雷劈，而使整套设备毁坏。
因此我们研究无线传输是十分必要的。
现实应用中也是非常需要的，例如一条河流的测量系统，传感器在河的一边，计算机房和处理器在河的另一边，如何将传感器采集到的数据传输给计算机进行处理是需要考虑的。
首先我们可以通过电缆将他们相连，直接传给计算机，这就需要将电缆沿着桥铺设，但在那样的环境下，桥已经属于那一地域的高地，将电缆铺在桥上十分容易在雷雨天被雷击中。
如果埋在地下又要破坏桥面，加大了施工量和成本。
这时如果使用无线传输是相当方便的，河的距离非常短，因此不需要太大的功率便可完成传输，而且不需要考虑被雷击中的问题。
功率要求不高所以耗电量不会很大，而且如今的无线发射芯片都有低功耗的性能，我们使用普通电池就可以维持很长的一段时间，这样维护和材料的成本都低了很多，所以无线传输应该是比较好的一个选择。
1.3现有的实验条件
在本实验中，我们采用315MHZ的频率，属于超短波波段，而且这个频率属于业余无线电通信频率范围。
因为我们是实验阶段，如果不采用业余频段可能会对其他专有频率的使用产生影响，而且也没有得到无委会的批准。
我们目前的实验条件比较有限，但基本可以测量无线传输的直线距离，也可以用频率测量仪测得它的频点，但是中间的传播场强图等以我们目前的条件没有办法测得。
但对于应用来说，我们基本可以完成实验的目的，达到在实用前的准备工作。
1.4传感器的介绍
1.4.1传感器的定义
最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。
国际电工委员会的定义为：
“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。
按照Gopel等的说法是：
“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理（模拟或数字）能力的传感器”。
传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口[4]。
下面是一个传感器系统的框图：
图1传感器网络示意图
1.4.2传感器的分类
根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类。
按传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。
被测信号量的微小变化都将转换成电信号。
化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。
有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。
大多数传感器是以物理原理为基础运作的。
第二章实验方案与设计
2.1NRF403芯片的介绍
2.1.1芯片的性能指标介绍
根据上述的实验要求我们选择了挪威Nordic公司开发的一款新型集成无线数据收发芯片NRF403。
它是一款真正单芯片ISM频段双频点（433MHZ和315MHZ）免调试无线收发芯片。
它具有FSK调制和解调能力，抗干扰能力强，适合工业控制应用；采用PLL频率合成技术，灵敏度高达—105dbm完全满足实验要求，最大发射功率达+10dbm；具有2个信号通道，适合需要多信道工作的特殊场合；可直接与微控制器接口；低工作电压只需2.7V，数据速率可达20KB/S；功耗低，接收待机状态仅为8uA；仅需外接一个晶体和几个阻容，电感元件即可构成一个完整的射频收发器，电路模块尺寸为30mm*22mm*6mm，可以方便地嵌入各种测量系统当中。
而且使用无需申请，理论上开阔地的使用距离最远可达1000米[8]。
2.1.2芯片的引脚介绍
此芯片由于它的优良的性能应用非常广泛，已经应用于车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等如此之多的领域。
图3nRF403的封装图
这就是我们所用NRF403的芯片外观，它包含20个引脚，它们的功能如下：
引脚1为晶振的输入；引脚2是正3V的电源；
引脚3为接地端；引脚4为回路滤波器；
引脚5为VCO外接电感；引脚6为VCO外接电感；
引脚7为接地端；引脚8为正3V的电源；
引脚9为数据输入断；引脚10为数据输出端；
引脚11为发射功率的设置端；引脚12为通道的选择端；
引脚13为正3V电源；引脚14为接地端；
引脚15为天线端；引脚16为天线端；
引脚17为接地端；引脚18为电源开关；
引脚19为发射/接收控制；引脚20为晶振的输出；
其中9脚DIN输入数字信号和10脚DOUT输出数字信号均为标准的逻辑电平信号，需要发射的数字信号通过DIN输入，解调出来的信号经过DOUT输出。
12脚通道选择：
当FREQ=0时为通道1即433.92MHZ；当FREQ=1时为通道2即315.16MHZ。
18脚电源开关：
当PWR_UP=1时为工作模式；当PWR_UP=0时为待机模式。
19脚发射允许：
TXEN=1时为发射模式；TXEN=0时为接收模式。
我们可以根据需要来对芯片的引脚进行设置，本实验要求为315MHZ的接收，因此需要将TXEN=0；FREQ=1；PWR_UP=1如此设置[8]。
2.1.3芯片的内部结构介绍
芯片的内部结构也是我们需要分析的，因为当我们研究设计它的外围电路时需要知道每个引脚对应的内部器件来确定外围元器件的选取。
下面是它的内部结构图：
图4nRF403的内部结构图
在这个内部结构图中芯片包含功率放大器（PA），低噪声接收放大器（LNA），晶体振荡器（OSC），锁相环（PLL），压控振荡器（VCO），在LNA与相乘器之间接有混频器（MIXER）等电路。
在接收模式中，输入信号被低噪声放大器放大，经由混频器变换，这个被变换的信号在送入解调器（DEM）之前被放大和滤波，经解调器解调，解调后的数字信号在DOUT端输出。
而在发射模式中，压控振荡器的输出信号是直接送入到功率放大器，DIN端输入的数字信号被频移键控后馈送到功率放大器输出。
由于采用了晶体振荡和PLL合成技术，频率稳定性极好。
下面我们具体的介绍一下内部各个部件的工作原理：
（1）压控振荡器
所谓压控振荡器是指振荡器的频率随外加控制电压变化而变化的振荡器。
它有一些性能指标包括频率范围，线性度，压控灵敏度等[6]。
频率范围：
VCO受控可变的最高频率
与最低频率
之差。
线性度：
理想的压控特性应该是线性的，即
+
式中
为压控电压，
是控制电压为0时的固有频率，
称为压控灵敏度。
压控灵敏度：
它也称为VCO的增益，它表示单位控制电压所产生的频率变化量，
单位是HZ/V。
（2）锁相环
锁相环技术是一种相位负反馈技术，它是通过比较输入信号和压控振荡器的输出信号的相位，取出与这两个信号的相位差成正比的电压作为误差电压来控制振荡器的频率，达到使其与输入信号频率相等的目的。
它由三个基本部件组成，即鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）它们的原理图是这样的
图5锁相环原理图
下面介绍它的工作原理，我们设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为：
式中的ω0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。
则模拟乘法器的输出电压uD为：
用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压uC（t）。
即uC（t）为：
当uc（t）为恒定值时，说明锁相环进入相位锁定的状态，若它随时间的变化而变化，说明锁相环的相位还未锁定，输入信号和输出信号的频率不等，压控振荡器的振荡频率ωu也随时间而变，锁相环进入“频率牵引”，自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相环进入锁定的状态[6]。
2.1.4天线端的分析
天线的输入/输出，当NRF403是接收模式时，ANT1和ANT2引脚端提供射频输入到低噪声放大器；当NRF403为发射模式时，从功率放大器提供射频输出到天线。
天线连接到nRF403是差动形式，天线通道推荐的负载阻抗是400欧姆。
功率放大器输出级有差动结构的2个集电极开路的晶体管组成，电源VDD到功率放大器必须通过集电极负载供电。
当连接差动回路天线到ANT1/ANT2引脚端，电源将通过回路天线的中心供电。
单端天线连接到NRF403时，使用差动到单端匹配网络，如图所示：
图6nRF403的天线电路部分
单端天线也可以使用8：
1射频变压器连接到NRF403，工作在315MHZ上。
射频变压器必须有一个中心抽头，用于电源供电[8]。
2.2基于NRF403的无线接收电路设计
实验选定NRE403作为要用的芯片后，我们要开始设计它的外围电路，确定外围元器件的数值，并用PROTEL硬件仿真软件做出其PCB板的原理图。
首先要做出它的原理图：
图7nRF403的外围接收电路图
上面就是在用NRF403设计无线接收时的外围电路，本节我们将着重讨论基于NRF403的外围接收电路图中的各个元件的关系，以及实验中遇到的问题，作电路板常见的困难等实际的问题。
2.2.1滤波器部分的分析
首先我们先研究本电路的滤波器部分。
滤波器是一种能够选择通过或阻止某频段信号的电路。
根据其通过信号的频率可分为低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器和带阻滤波器。
滤波器一般采用LC,RC,LCR,LR元件构成。
本电路中从第4引脚接出的便是一个滤波网络，它与芯片内部的锁相环相连，从它的电容，电阻的连接方式我们可以简单看做是一个无源比例积分滤波器。
因为它与芯片内部的器件之间有紧密的联系，所以我们很难对它的数值进行计算[1]。
下面简单介绍一下旁路电容，电路中的VCC接+3V的电平的同时都接了旁路电容，它的作用是滤去电源带来的高次谐波，尽可能减少外界对电路的影响。
还有第十一引脚RFP只接一个电阻，它可以控制PA的输出功率。
电阻越大，功放所加电压越高，损耗越大，所以输出的功率越小。
2.2.2压控振荡器部分的分析
在VCO1与VCO2之间连接着一个电感L1，它们与内部的压控振荡器相连，现在介绍一下VCO在电路中的重要影响。
VCO是由LC电路确定额定频率的振荡器，它由片内电路，VCO电感，连接芯片和VCO电感的布线线路，PCB上的寄生电容四部分组成。
由于VCO的片内部分将VCO1和VCO2引脚之外的整个电路视作它的VCO电感，因此，电感的取值和放置位置及其在PCB板上的特性是相当重要的.这意味着，连接电感的布线对电感值有影响，围绕这些布线的对地层平面的寄生电容也增大了算式中的电容值.锁相环（PLL）产生一个（DC）直流电压来精确地设置VCO的频率.这个电压就是环路滤波器（Loop Filter）电压，它可以在连接外部VCO电感的器件外部引脚上测得.问题是PLL只能在一定频率范围内调谐VCO.你如果想在某个调谐范围内设置RF信道，就必须相应选择VCO电感的取值和放置位置[6].
2.2.3晶体振荡器部分的分析
我们着重介绍一下本电路的晶体振荡器部分。
为了保证实验芯片有一个稳定的信号源。
我们首先要了解晶振的主要参数：
标称频率，负载电容、频率精度和频率稳定度。
不同的晶振标称频率不同，标称频率大都标明在晶振外壳上。
如常用普通晶振标称频率有：
48kHz、500kHz、503.5kHz、1MHz～40.50MHz等，对于特殊要求的晶振频率可达到1000MHz以上。
负载电容是指晶振的两条引线连接IC块内部及外部所有有效电容之和，可看作晶振片在电路中串接电容。
负载频率不同决定振荡器的振荡频率不同。
标称频率相同的晶振，负载电容不一定相同。
因为石英晶体振荡器有两个谐振频率，一个是串联揩振晶振的低负载电容晶振：
另一个为并联揩振晶振的高负载电容晶振。
所以，标称频率相同的晶振互换时还必须要求负载电容一至，不能冒然互换，否则会造成电器工作不正常。
频率精度和频率稳定度：
由于普通晶振的性能基本都能达到一般电器的要求，对于高档设备还需要有一定的频率精度和频率稳定度。
频率精度从10^（-4）量级到10^（-10）量级不等。
稳定度从±1到±100ppm不等。
这要根据具体的设备需要而选择合适的晶振，如通信网络，无线数据传输等系统就需要更高要求的石英晶体振荡器。
因此，晶振的参数决定了晶振的品质和性能。
在实际应用中要根据具体要求选择适当的晶振，因不同性能的晶振其价格不同，要求越高价格也越贵，一般选择只要满足要求即可。
图8晶体振荡器在门电路中的应用
图2-6是实验芯片电路中晶体振荡器的应用。
由于门振荡电路中激励电平比较大，所以需要增加一个串联电阻以保证晶体工作在一个合适的激励下。
门振荡电路对晶体的匹配最重要的是考虑晶体与电路负阻的匹配，门振荡电路负阻要求达到晶体电阻的5倍以上，才能保证晶体与电路配合稳定，工作可靠。
电路负阻Ri的确定：
Ri=-gm/（ω2C1*C2）,gm为互导，单位：
（S西门子），电路负阻Ri与电路工作频率有关，频率不同负阻也不同。
当电路负阻与晶体匹配不好的时候，会出现频率不稳，频率跳变，不振或本来设计的基频振荡结果振荡在泛音频率，或泛音电路结果振在了基频频率上[8]。
晶体与电路匹配的另一个问题是晶体的负载电容CL的确定，在门振荡电路中，晶体负载电容CL为C1和C2两个电容串联以后再加上电路的杂散电容CS得到。
晶体负载电容CL影响了振荡电路的频率偏差，造成系统误差；振荡电路中振荡电容C1、C2的散差和杂散电容CS的散差决定了振荡频率散差的大小。
此电路是将石英谐振器两端的信号用C1、C2分压，一方接到输入侧的C1端上，另一方接到输出侧的C2端上，也可以看做是一种反馈型增幅器。
此时CL=C1’C2’/（C1’+C2’）,C1’=C1+Cpcb1,C2’=C2+Cpcb2
其次，在晶体振荡的状态下从石英谐振器的端子上看到的振荡电路侧可以用负载电容CL和负阻Ri的串联电路表示。
此时水晶谐振器侧由等价的电感性实效电感Le和负载的等效电阻RL组成，石英振荡条件如下式
频率条件ωLe=1/（ωCL）
CL的值决定Le
振幅条件RL≤Ri
在此RL：
负载时等效电阻RL=R1（1+C0/CL）
振幅条件是振荡起动的重要条件，在设计上要做到电路侧的负阻Ri要为负载等效电阻RL的五倍以上。
若低于此值则会因水晶谐振器和电路的散差而容易出现振荡不稳定、不起振或振荡上升时间延长等问题。
2.2.4PCB板的设计
芯片的外围电路已经基本过了，但这只是原理图，想要使电路板达到预期的传输距离，发射功率，接收效果等标准，印制电路板可以说是更加关键的一环。
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