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基于单片机的无线数据传输硬件设计
摘要
近年来随着计算机在社会领域的渗透,单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。
PTR-2000是一种短程无线通信技术。
本文给出了一种基于PTR-2000技术的数据传送系统的硬件电路原理框图和通信程序流程图。
本文以一个完整的仪表或是其他需要数据的收发的系统的数据传输部分为例，详细讲解了基于单片机无线数据传输技术的应用。
本系统发送单元和接收单元以及校验单元构成，发送单元通过无线数据收发模块PTR-2000经过数据处理后发送给上位机接收单元的PTR-2000；通过无线数据收发模块PTR-2000接受发送单元发送过来的数据，在通过MAX232电平变换后传送给PC机，本文详细分析了上述实现，以及所涉及的相关原理，有较强的实用价值。
关键词:
PTR-2000；无线数据传输；串行通信；单片机；
Abstract
Withtheinfiltrationinthesocialfieldofthecomputerinrecentyears,theapplicationoftheone-chipcomputerismovingtowardsdeepeningconstantly,drivetraditionisitmeasurecrescentbenefittoupgradedaytocontrolatthesametime.Inmeasuringinrealtimeandautomaticallycontrolledone-chipcomputerapplicationsystem,theone-chipcomputeroftenusesasakeypart,onlyone-chipcomputerrespectknowledgeisnotenough,shouldalsofollowthestructureoftheconcretehardware,anddirectagainstandusethesoftwareoftarget'scharacteristictocombineconcretly,inordertodoperfectly.
PTR-2000isashort-rangewirelesstechnology.ThisarticlegivesanapproachbasedontechnicaldatahungryPTR-2000transmissionsystemhardwarecircuittheoryandcommunicationsproceduresflowchartdiagram.Allinacompletedatacollectioninstrumentsorotherneedsofthesystemdatatransmissionparts,forexample,adetailedaccountofthewirelessdatatransmissiontechnologybasedonMCUapplications.Sendingandreceivingmodulesofthesystemandaccessmodulesmodules,wirelesstransmissionmodulesthroughdatacollection,dataprocessingmodulesPTR-2000afterreceivingtheletterssenttotheunitthroughwirelessdatacollectionmodulePTR-2000;acceptedPTR-2000sentbackdatatransmissionmodules,PingchangeintheadoptionMAX232electricitytransmissiontothePCaftertheplanethisdetailedanalysisoftheachievement,aswellastherelevantprinciplesinvolved,astrongpracticalvalue
Keywords:
PTR-2000；wirelesstransmission;serialcommunication;MCU；
第1章绪论
1．1导 言
1.1.1概述
随着通信技术的发展，短距离无线通信以其特有的抗干扰能力强、可靠性高、安全性好、受地理条件限制少、安装施工简便灵活的特点在许多领域都有广阔的应用情景。
针对不同的发展市场，不同的公司有着不同的解决方案，也就出现了许多不同无线通信协议。
如蓝牙技术、IrDA等等。
1.1.2实际应用背景及功能
在工业控制中，往往需要将多个独立工作的设备所产生的数据汇总，主要是采用固定的点对点的有线通信常用RS-232，或是CAN总线等一些传输方式进行数据传输，这就需要把各个设备用网线联结起来，这样不仅施工麻烦，而且费用也很高，而如果在每个数据终端使用无线方式进行数据汇总，则可以完全去掉通信设备间的物理线路连接，这样不仅简化了施工难度和系统复杂度，还可以大大降低成本。
1．2课题背景
1.2.1无线通信
这是工业控制系统中一个新的发展方向，用无线来替代有线，具有成本低、准确性高、对环境适应性好、易于安装、易于维护等特点。
在国内无线传输大多应用在对数据采集的及时性和数据量要求不高的领域里，而欧美等一些发达国家的应用则相当广泛，甚至在一些非常的领域。
例如自然灾害，强烈地震、海啸等严重自然灾害发生时，有线设备很容易遭到破坏。
而对于无线，就好多了，一般它只需要几个基站，就能解决问题。
除非能源问题，一般很难制约它，而随着技术的发展，低功耗技术的应用，使得无限通信的应用有着非常广泛的前景。
很明显，无线数据传输已经有的很大的应用空间。
有线和无线的主要区别就是如何解决干扰问题和数据的大量传输问题，还有在无线传输中一个合理的传输协议起着重要的作用，例如解决误码率的问题。
无线接入系统的系统结构决定了系统组网灵活、适应性强，由于采用无线方式，可以克服一些地理环境的限制进行网络覆盖，因此网络规划难度不大、网络建设速度快。
近年来，无线网络已经成为工业控制领域迅速发展的热点之一[1]。
而单片机的性能价格比比较高，被广泛应用与数据采集系统和工业控制系统[2]。
本次设计根据单片机串行通信原理和无线通信技术等技术设计了基于单片机的无线数据传输系统。
它具有三个显著的特点：
1.传输介质是电磁波,而不是串行总线物理接口的标准电缆.所以特别适合那些不适合或是不方便架设电缆的现场。
2.由总线构成的通信系统总线上的收发终端收IC限制,而无线设备则没有这种限制。
3.它具有电路简单、功耗小、体积小、成本低运行可靠和调试方便等优点。
本文提出了基于单片机的无线数据传输方案，在原有方法的基础上采用无线收发模块使传输功能更完善，集成度更高，实用性更强。
1.2.2单片机概述
单片机是微型计算机的一种，它在一块芯片上集成了计算机的所有基本功能，包括中央处理器，随机存储器，只读存储器，以及I/O接口电路、定时/计数器和串行接口电路等等[3]。
它的体积小、质量轻、价格低，可靠性高，同时其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用句有独特的优势。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹[4]。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
而随着信息化社会的进一步发展，单片机的发展空间将进一步扩大。
“据预测，到2010年，一个成年人每日会接触到351个单片机，毫不夸张的说，我们生活在一个单片机的世界里。
[5]”
1．3设计的主要任务
一总体分析设计以及技术方案的选定
二硬件器件的选择和分析
三原理图设计、PCB的生成及电路板焊接
四拟定程序设计方案（编码和校验的方案）
五程序的编制与调试
六写入程序，总体调试
七论文的编写
第2章系统分析
2．1系统结构
本次设计的系统总共分为两块，三部分组成。
两块分别是上位机和下位机。
下位机主要由单片机、PTR-2000组成，而上位机则由计算机和PTR-2000组成。
2.1.1单片机
该部分属于下位机，数据的采集和预处理的核心。
它可以将控制现场的设备，也可以作为一个仪表进行数据的采集或是处理，那么对于前者，它就是控制设备的核心，而对于后者，就相当于一个相当于一个数据采集器，而无线数据的传送则是作为这样一路数据（或多路数据的采集）或是一个完整系统的一部分。
而我们的设计就是按照把它作为一个系统的部分——数据发送部分的思想来设计并实现的。
当然为了系统扩展，我们将没有用到的端口作为扩展插槽接出来，方便与系统的组合。
同时对于程序，我们将内外程序存储器的选择引脚也作为扩展的一部分。
以方便程序的扩展或增加。
在设计当中我们将单片机作为数据发送的控制芯片，同时对数据进行校验等相关处理，数据发送结束根据上位机反馈的信息，判断数据是否发送正确，如果错误，单片机则重新发送，正确，则继续发送下一组数据。
2.1.2计算机
计算机作为上位机，对于从现场传来的数据进行汇总分析，并实时对现场控制。
对于现场的信号，可以是一路，也可以是几路。
它属于整个系统的最上层。
同样，基于把它做为一个完整系统的组成部分的思想，只设计制作了数据的接收和验证，如果数据错误，则要求下位机重新发送，正确，怎准备接受下一组数据，而省去了计算机对于现场设备的控制，以及对现场传送的数据进行汇总分析的部分（主要靠软件编程来实现）。
2.1.3无线收发模块
主要负责数据（或是控制信号）的发送与接收。
它是集接收与发送于一体的模块。
它主要数据调制并发送，或是接收并解调。
采用RS-232C串行通信协议。
2．2系统总体结构
本次设计的系统是基于某个系统的一个部分来做的，它实现的功能是将传感器或是其他设备传来的数据或是控制信号，经过编码、校验等一些预处理后，通过无线收发模块将数据或控制信号发送给上位机——计算机，或是其他主控设备。
而本次设计是就计算机而设计制作的。
由单片机来负责发送数据，在发送前，先向计算机发出一个请求信号，看计算机是否能够接收，如果计算机能够接收，则开始准备并发送数据，然而，若计算机不能接收，则等待，直到计算机能有接收为止。
单片机在发送数据的同时，发送一个校验信号，计算机在收到数据后，根据下位机传来的校验信号，判断数据是否正确，如果正确，则发送个下位机一个信号——数据正确并进行下一步工作，如果错误，则要求下位机重新发送数据，直到数据正确为止。
整个系统组成如图2.1所示，其中传感器部分属于外部扩展。
DI
DO
传感器单片机PTR-2000
扩展
总线
TXD
扩展RXD
总线
DI
DO
微机
COM1
RS-232
图2.1系统总功能框图
第3章系统硬件设计
3．1硬件电路设计
3.1.1系统分析
为实现单片机与计算机的无线数据传输，首先要选择合适的无线收发器件，亦或是无线收发模块，其次是考虑该器件怎么和单片机和以及计算机连接。
3.1.2器件选择
由于无线收发芯片种类和数量比较多，如何在设计中选择所需要的芯片非常关键，以下几点是在芯片或是模块的选择所需要注意的问题：
·收发芯片的数据传输的编码方式
曼彻斯特编码是采用双相位技术来实现的，通常用于局部网络传输，在曼彻斯特编码中，每位数据位的中心都有一个跳变，既作为时钟信号，又作为数据信号，可以起到位同步信号的作用。
曼彻斯特编码中以该跳变的方向来判断这位数据是1还是0，其编码规则是：
每个比特的中间有跳变；二进制0表示从低电平到高电平的跳变；二进制1表示从高电平到低电平的跳变[6]。
采用曼彻斯特编码的芯片在编程上会需要较高的技巧和经验，同时需要更多呢内存和程序的容量。
并且曼彻斯特编码回大大降低数据的传输效率，一般仅能达到标称速率的1/3。
而采用串口传输的芯片如nRF401系列芯片应用及编程则非常简单，同时传输效率也很高，标称速率就是实际的传输速率。
因为对串口编程相对比较简单，那么使得开发工作也很方便
·外围元件的数量
芯片外围元件的数量决定了模块的体积和重量以及整个系统的复杂程度。
因此，应该选择外围元件较少的收发芯片。
·功耗
功耗问题是近几年来人们在嵌入式系统的设计中普遍关注的难点与热点，特别是对于电池供电系统，而且大多数嵌入式设备都有体积和质量的约束。
降低系统的功耗具有下面的优点[7]：
（1）对于电池供电系统，延长电池的寿命，降低用户更换电池的周期，提高系统性能与降低系统开销，甚至能起到保护环境的作用；
（2）安全的需要：
例如工业现场总线设备的本安要求，实现本安要求的一个重要途径是降低系统的功耗；
（3）降低电磁干扰：
系统的功耗越低，电磁辐射的能量越小，对其它设备造成的干扰越小，如果所有的电子产品都设计成低功耗的，那么电磁兼容性设计会变得容易；
（4）节能：
特别是对电池供电系统来说，节能更为重要。
由于无线收发芯片是用于测控系统（嵌入式系统）上，因此，功耗非常重要。
应该根据需要选择综合功耗比较小的芯片或是模块
·发射功率
在同等的条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射功率较高的新片或是模块。
因为发射功率决定了通信距离的长短，同时还有误码的产生几率。
·收发芯片的封装和管脚数
较少的引脚以及较小封装，有利于减少PCB的面积，也有利于减小体统的体积。
适合测控系统的设计。
3．2芯片（模块）介绍
3.2.1nRF401芯片介绍
根据上文所提及的条件，无疑nRF401是较理想的选择。
它具有以下特点[8]：
·采用FSK调制解调技术，抗干扰能力强。
·在芯片内部集成了高频发送、接收电路以及FSK调制和FSK解调功能，这样使用一块芯片就可以完成数据的发送和接收工作。
·采用了锁相环PLL频率合成技术，提高了频率的稳定性。
·采用单片机串口收发数据，并且可以与单片机直接相连，同时无须对数据进行曼彻斯特编码，再有外围电路连接简单，减小了系统开发的难度。
·通过控制芯片外部引脚，可以使芯片随时在发送模式和接收模式之间切换，无进行初始化设置。
·芯片的最高数据传输速率可达20kbit/s，起最大发射功率为＋10dBm，接受灵敏度高达－105dBm，在开阔的距离使用，传输距离最远可达1000m
·具备433.92MHz和434.33MHz两个不同的数据传输频段，可以在两个频率之间自由切换。
·它的电压工作范围在2.7V—5.2V之间，可以适应不同的设计需要
·芯片使用低功耗设计，并支持待机模式，正常接受状态下的功耗为250μA，发射状态下的功耗为8mA，待机状态仅为8μA，
·芯片的天线接口设计为差分天线，可以采用低成本的PCB天线。
图3.1nRF401引脚图
其各个引脚功能如下：
·XC1、XC2：
这两个引脚用语连接外部参考晶振，其中XC1为晶振输入，XC2为输出。
·Vdd：
电源输入，范围2.7—5.2V
·Vss：
电源地
·FILT1：
滤波器接入
·VCO1、VCO2：
外接压控振荡电感
·DIN：
发射数据输入端，用于从单片机接受数据
·DOUT：
接收数据输出端，用于无线接收到的数据送到单片机中
·RE_PWR：
发射功率设置
·PWR_UP：
低功耗控制，该引脚为高电平是，芯片处于正常工作状态（OperateingMode），该引脚为低电平时芯片处于待机状态（StandbyMode）
·CS：
频段选择端。
CS=0时，芯片工作在433.92MHz，CS=1时，芯片工作在434.33MHz
·ANT1、ANT2：
天线接口
·TXEN：
工作模式切换，该引脚为高电平，芯片处于数据发送状态（TransmitMode），该引脚为低电平时，芯片处于数据接收状态（ReceiveMode）
3.2.2PTR-2000无线收发模块特性介绍
PTR-2000是一款基于nRF401芯片的无线数据收发模块。
由于它是基于nRF401芯片，并且作为该收发模块的中心，其他的元件只是作为它的外围，所以，PTR-2000的性能完全取决于nRF401。
所以它具有以下特点[9]：
·PTR-2000采用抗干扰能力较强的FSK调制/解调方式，工作频率稳定可靠外围元件少，功耗低且便于设计。
·接收发射合一，串口的发送速率最高可达19200bit/s。
·数传频段为433.92MHz和434.33MHz
·体积小：
40mm*27mm*5mm。
·工作距离10m以内。
·具有多个频道，满足需要多通道工作的场合。
·工作电压2.7v～5.25v,工作电流10～30mA,待机电流8uA。
·差分天线设计，直接蚀刻与PCB板上
PTR-2000引脚如图3.2所示
TOPVIEW
■
●
●
●
●
●
●
1VCC
2CS
3DO
4DI
5GND
6PWR
7TXEN
图3.2无线数传模块
·pin1:
Vcc,正电源，2.7～5.25V。
·pin2:
CS，频道选择，CS=0选择工作频道1，即433.92MHz；CS=1选择工作频道2，即434.33MHz。
·pin3:
DO，数据输出端。
·pin4:
DI，数据输入端。
·pin5:
GND，电源地。
·pin6:
PWR，节能控制。
PWR=1，正常工作状态；PWR=0，待机低功耗状态。
·pin7:
TXEN，发射接收控制。
TXEN=1为发射状态，TXEN=0为接收状态。
表3.1模块工作模式设置
模块引脚接入电平
模块工作状态
TXEN
CS
PWR
工作频道
芯片状态
0
0
1
1
接收
0
1
1
2
接收
1
0
1
1
发射
1
1
1
2
发射
X
X
0
待机
3.2.3RS-232C接口标准
RS-232C是EIA（美国电子工业协会）于1962年制定的标准，RS表示EIA的“推荐标准”232为标准编号。
1969年修订为RS-232C，1987年修订为EIA-232D，1991年修订为EIA-232E，1997年又修订为EIA-232F，由于修改不多，人们习惯于早期的名字“RS-232C”。
[3]
RS-232C接口标准内容如下：
·使用25针连接器，其尺寸及插针的排列位置都有明确的定义。
由于不一定用到全部的信号线，常常使用9针连接器来替代。
·RS-232C采用负逻辑电平，规定DC（-3～-15V）为逻辑1，DC（+3～+15V）为逻辑0，-3～+3V为过渡区，不做定义。
·RS-232C的传输距离通常为几十米，传输速率小于20Kbps，主要用于异步通信。
·RS-232C的逻辑电平与通常的TTL和MOS电平不兼容，由于80C51系列单片机的串行口不是标准RS-232C接口，如果使用必须外加电平转换电路。
EIA-RS-232C与TTL转换：
EIA-RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。
因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。
实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。
目前较为广泛地使用集成电路转换器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL电平到EIA电平的转换，而MC1489、SN75154可实现EIA电平到TTL电平的转换。
MAX232芯片可完成TTL←→EIA双向电平转换[10]。
远程通信时可以使用公众电话网为媒介，连接形式如图3.3：
TxD
单片机
图3.3通过公众电话网远程通信
近程通信采用交叉反馈连接（三线连接）
SG
◆TxD与RxD交叉相连:
可实现全双工通信
◆DTR与DSR反馈相连:
只要终端准备好
◆RTS与CTS反馈相连:
随时都可以发送
图3.4近程通信
表3.2RS-232C的主要信号线的功能定义如表：
引脚号
信号名称
方向
信号功能
1
DCD
PC机←仪器
PC机收到远程信号（载波检测）
2
RXD
PC机←仪器
PC机接收数据
3
TXD
PC机→仪器
PC机发送数据
4
DTR
PC机→仪器
PC机准备就绪
5
GND
-------
信号地
6
DSR
PC机←仪器
仪器准备就绪
7
RTS
PC机→仪器
PC机请求发送数据
8
CTS
PC机←仪器
仪器已切换到接收状态（清除发送）
9
RI
PC机←仪器
通知PC机，线路正常（振铃指示）
3.2.4MAX232芯片介绍
MAX232是RS-232C和TTL电平转换芯片。
它的管脚如图3.5所示
图3.5MAX232管脚图
在PTR-2000模块和计算机串口的连接中，由于PTR-2000模块支持TTL电平，而计算机串口RXD和TXD支持的是RS-232C电平，故而，当它与PTR-2000模块的DI和DO相连时需要进行电平转换。
其各个引脚功能如下：
·C0+、C0-、C1+、C1：
外接电容端；
·R1IN、R2IN：
2路RS-232C电平信号接收输入端；
·RlOUT、R2OUT：
2路转换后的TTL电平接收信号输出端；
·TlIN、T2IN：
2路TTL电平发送输入端；
·TlOUT、T2OUT：
2路转换后的发送RS-232C电平信号输出端，接传输线；
·V+：
经电容接电源+5V；
·V-：
经电容接地。
3．3技术方案
3.3.1PTR-2000技术
之所以选用PTR-2000作为单片机和计算机之间数据传输的装置，是因为它可以利用串口进行数据传输。
它的典型技术方案如图2.1所示。
·发送
在发送数据之前，应先将模块置于发射模式，即TXEN=1，然后在等待至少5ms后（接收到发射的转换时间）才可以发送任意长度的数据。
发送结束后应将模块置于接收状态，即TXEN=0
·接收
接收时，应将PTR-2000置于接收状态，即TXEN=0。
然后将接收到的数据直接送到单片机或是经电平转换后送到计算机。
·待机
当PWR=0时，PTR-2000进入节电模式，此时的功耗大约为8μA，但在待机状态下不能接收或是发送数据。
3.3.2PTR-2000和单片机的接口电路
至PTR—2000
在PTR-2000无线收发模块与单片机的连接中，PTR-2000模块的DO和DI分别与单片机的RXD和TXD连接。
利用单片机的I/O可以控制模块的发射
升级会员 