短距离无线通信系统.docx
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短距离无线通信系统
1引言
1.1无线通信技术概述
无线通信系统（WirelessCommunicationSystem）也称为无线电通信系统，是由发送设备、接受设备、无线信道三部分组成，是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特征进行信息交换的一种通信方式，在移动中实现的无线通信又被称为移动通信，该技术的发展始于上世纪20年代，经历了五个发展阶段。
第一阶段从上世纪20年代到40年代，为早期发展阶段。
在这期间，首先在短波几个频段上开发出专用移动通信系统，代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统。
该系统工作频率2MHz，到40年代提高到30—40MHz。
可以认为这个阶段是现代移动通信的起步阶段，特点是专用系统开发，工作频率较低。
第二阶段从40年代中期到60年代初期。
在此期间，公用移动通信业务问世。
这一阶段的特点是从专用移动到公用移动过渡，连接方式为人工，网容量较小。
第三阶段从60年代中期到70年代中期，使用150MHz和450MHz频段，实现了无线频道自动选择并能够自动连接到公用电话网。
这一阶段是移动通信系统改进和完善的阶段，其特点是采用大区制，中小容量，使用450MHz频段，实现了自动选频和自动连接。
第四阶段从70年代中期至80年代中期，这是移动通信发展的蓬勃时期。
1978年底，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统（AMPS）,建立了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量。
第五阶段从80年代中期开始，这是数字移动通信系统发展和成熟时期，开发了新一代数字蜂窝移动通信系统。
数字无线传输的频谱利用率高，可大大提高系统容量。
另外，数字网能够提供语音、数据多种业务服务，并与ISDN等兼容。
实际上，早在70年代末，当模拟蜂窝系统还处于开发阶段时，一些发达国家就着手数字蜂窝移动通信系统的研究。
到80年代中期，欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网（GSM）的体系。
目前，正处于第五阶段的第三代数字移动通信时代。
其特点是通信频段进一步加宽，数据业务所占的比重大幅度增加，全面走向移动多媒体通信。
当今无线移动通信的发展主要体现在五大技术的发展中：
一是3G技术，二是3.5GHz宽带固定无线接入的推广应用，三是WLAN标准的选用，四是宽带无线技术WIMAX，五是超宽带无线接入技术。
这些技术的发展和应用促使无线移动通信的总体走势是接入多元、网络一体和综合布局[1]。
1.2短距离无线通信
随着Internet技术、计算机技术、通信技术和电子技术的飞速发展，无线网络逐渐走入人们的眼帘，在有线网络技术已经发展成熟的今天，无线网络具有巨大的潜力。
人们提出了“物联网”的概念，在人和环境融为一体的模式下，能够在任何时间，任何地点，以任何方式进行信息的获取与处理。
近年来无线组网通信发展迅速的原因，不仅是由于技术已经达到可驾驭和可实现的高度，更是因为人们对信息随时随地获取和交换的迫切需要，从而要去各种通信技术发展的终极目标是“无处不在”。
在技术、成本、可靠性及可实用性等各方面的综合考虑下，短距离无线通信技术成为了当今的热点。
随着数字通信和计算机技术的发展，许多短距离无线通信的要求被提出，短距离无线通信同长距离无线通信有很多的区别，主要如下:
1、短距离无线通信的主要特点为通信距离短，覆盖距离一般在几十米或100m（200m）之内。
覆盖的范围响应也比较小。
2、无线发射器的发射功率较低，发射功率一般小于100mW。
3、自由地连接各种个人便携式电子设备、计算机外部设备和各种家用电气设备，实现信息共享和多业务的无线传输。
4、不用申请无线频道。
区别于无线广播等长距离无线传输。
5、高频操作，工作频段一般以GHZ为单位。
一个典型的短距离无线通信系统基本包括一个无线发射器和一个无线接收器。
目前使用较广泛的短距无线通信技术是蓝牙（Bluetooth），无线局域网802.11（Wi-Fi）和红外数据传输（IrDA）。
同时还有一些具有发展潜力的近距无线技术标准，它们分别是：
ZigBee、超宽频（UltraWideBand）、短距通信（NFC）、GPS、DECT和专用无线系统等。
它们都有其立足的特点，或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求；或着眼于功能的扩充性；或符合某些单一应用的特别要求；或建立竞争技术的差异化等。
但是没有一种技术可以完美到足以满足所有的需求。
常用几种短距离无线通信的特点和基本原理介绍：
（1）蓝牙（Bluetooth）蓝牙是由爱立信公司于1994年首先提出的一种工作在2.4GHz频段的短距离无线通信技术规范，用来替代有线连接。
信道带宽为1MHz，连接距离一般小于10m，使用高增益天线可以扩展到100m，一般电池寿命为2-4个月。
鉴于以上特性，蓝牙技术被应用于无线设备、图像处理、智能卡、身份识别等安全产品，以及娱乐消费、家用电器、医疗健身和建筑等领域。
蓝牙技术的特点包括：
采用跳频技术，抗信号衰落；采用快跳频和短分组技术，减少同频干扰，保证传输的可靠性；采用前向纠错编码技术，减少远距离传输时的随机噪声影响；使用2.4GHz的ISM频段，无须申请许可证；采用FM调制方式，降低设备的复杂性。
（2）Wifi（IEEE802.11）（是WLAN的一种，最常用）Wifi全称WirelessFidelity，意为无线，高保真又称802.11b标准。
通俗地说，Wifi就是一种无线联网的技术，以前通过网络连接电脑，而现在则是通过无线电波来连网；常见的就是一个无线路由器，那么在这个无线路由器的电波覆盖的有效范围都可以采用Wifi方式进行联网，如果无线路由器连接了一条ADSL线路或者别的上网线路，则又被称为“热点”。
Wifi是IEEE定义的一个无线网络通信的工业标准。
最早提出与1997年，目的是提供无线局域网的接入，可实现几Mbps的无线接入。
主要用于解决办公室无线局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入。
其优势在于：
无线电波的覆盖范围广（100m左右）；传输速度快（11Mb/s）；成本低，省去网络布线，便于厂商介入。
（3）红外数据传输（IrDA）红外线数据协会（InfraredDataAssociation，IrDA）成立于1993年，是致力于建立红外线无线连接的非营利组织。
起初，采用IrDA标准的无线设备仅能在1m范围内以115.2kb/s的速率传输数据，很快发展到4Mb/s的速率（4PPM），后来，速率又达到16Mb/s。
红外传输距离在几cm到几十米，发射角度通常在0—15°。
IrDA是一种利用红外进行点对点通信的技术。
目前支持它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备（如PDA、手机、笔记本电脑）上已经被广泛使用。
它具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用、成本低的特点。
IrDA的不足在于它是一种视距传输，2个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔，因而该技术只能用于2台（非多台）设备之间的连接。
（4）ZigBee（紫蜂技术）ZigBee技术是最近发展起来的一种短距离、低速率无线通信技术，它具有低功耗、低成本、易应用的特点，主要工作在2.4Ghz频段，采用扩频技术。
ZigBee也被认为是可能应用于工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域的无线技术。
（5）超宽频（UltraWideBand）UWB是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。
UWB可在非常宽的带宽上传输信号，美国FCC对UWB的规定为：
在3.1～10.6GHz频段中占用500MHz以上的带宽。
由于UWB可以利用低功耗、低复杂度发射/接收机实现高速数据传输，在近年来得到了迅速发展。
它在非常宽的频谱范围内采用低功率脉冲传送数据而不会对常规窄带无线通信系统造成大的干扰，并可充分利用频谱资源。
（6）短距通信（NFC）NFC（NearFieldCommunication）是由Philips、NOKIA和Sony主推的一种类似于RFID（非接触式射频识别）的短距离无线通信技术标准。
和RFID不同，NFC采用了双向的识别和连接。
在20cm距离内工作于13.56MHz频率范围。
NFC最初仅仅是遥控识别和网络技术的合并，但现在已发展成无线连接技术。
它能快速自动地建立无线网络，为蜂窝设备、蓝牙设备、Wi-Fi设备提供一个“虚拟连接”，使电子设备可以在短距离范围进行通讯。
NFC的短距离交互大大简化了整个认证识别过程，使电子设备间互相访问更直接、更安全和更清楚，不用再听到各种电子杂音[2,3,4]。
1.3课题背景及主要工作
目前，市场上的近距离无线通信技术主要有无线局域网、蓝牙和一些专用标注的产品。
一些大公司为开拓市场和应用领域，也积极研究和制定一些新的无线组网通信技术标准。
由微控制器和集成射频芯片构成的微功率短距离无线数据传输系统广泛运用[5,6]在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、小型无线数据终端、安全防火系统、水文气象监控、无线遥控系统、无线232数据通信、数字音频、图像等领域中。
本文将重点研究短距离无线数据传输系统的实现，主要包括以下几个方面。
（1）在调研无线数据传输系统的实际应用基础上，本文完成了基于单片机的无线数据传输系统，再调用串口调试工具将数据显示出来。
自己动手焊接无线数据传输系统的硬件电路，包括主机电路板和从机电路板；编写主机发送程序、从机接收程序，上位机显示程序。
为实现此系统功能，对硬件设备进行如下选型，采用PIC16F876A单片机作控制芯片、CC1100作无线收发模块，单片机和串口之间通过RS232芯片进行电压转换。
（2）在AltiumDesigner上进行系统电路和PCB版图的设计[7]，手工焊接电路板。
之后开始设计系统软件，用C语言编写单片机的内核程序。
然后，进行系统的实物调试,基本实现预期的功能。
2系统硬件设计
2.1总体设计
从设计任务及要求来看，设计要求完成一个基于单片机的无线数据传输系统。
查阅相关资料可知，硬件方面，整个设计分为两个模块单片机主控模块和无线数据收发模块，
该系统由主机和从机组成，主机发送数据，从机接收数据。
通信过程是主机将数据通过SPI接口写入到CC1100中，之后将数据通过天线发送。
从机通过天线接收数据然后单片机通过SPI接口读取。
通过软件编程使每一部分完成相应的功能。
该无线通信系统，结构简单，易于拓展。
下面是该无线通信系统的整体结构框图[8]，如图2.1所示：
图2.1整体结构框图
2.2PIC16F876A主要性能及最小系统图
PIC16F876A单片机是Microchip公司生产的低功耗[9,10]，高性能的8位CMOS、FLASH单片机，RISC架构单片机，有35条单字节指令。
它所采用的Harvard结构和过去一般单片机所采用的VonNeumann结构最大的差异在于总线的改变。
VonNeumann结构是传统的单片机结构，程序存储器和数据存储器是在同一个存储体区块，存储器与CPU之间只使用单一总线，不论是对程序存储器或数据存储器作存取都是使用此总线，因此要完成一个指令通常必须依序使用总线，从指令的提取、解码、资料读取、执行到资料的写入，最后的结果是一个指令大都需要等待好几个周期才能完成。
Harvard结构改善了这样的缺点，主要是程序存储器和数据存储器使用不同的存储体区块，而且也有各自独立的总线，这样的做法就大大改善了指令执行的频宽，两条总线可以同时工作，最大的优点是当一个指令在执行时，已经可以去抓下一个指令，因此对于运作的效率会有显著的提升。
PIC16F876A的特性如下：
•采用高性能的RISCCPU核心
•8位微电脑控制芯片
•8K×14Flash程序存储器
•3组I/O端口（A、B、C）
•368Bytes的数据存储器及256Bytes的EEPROM数据存储器
•2组8位定时器TMR0、TMR2，及1组16位定时器TMR1
•支持14个中断处理
引脚排列封装如图2.2所示：
图2.2PIC16F876A引脚排列封装
在单片机的28条引脚中有3条专用于主电源的引脚，2条外接晶振的引脚，1条控制或与其他电源复用的引脚，22条I/O（有两种或两种以上的功能）引脚。
部分引脚的功能如下：
（1）主电源引脚VSS和VDD：
VSS：
接地脚。
VDD：
电源供电。
（2）外接晶振引脚OSC1/CLKI和OSC2/CLKO
当外接晶体振荡器时，XTAL1和XTAL2分别接在外接晶体振荡器的两端。
当采用外部振荡器提供的时钟信号时，OSC1端作输入，而OSC2端作输出。
（3）控制引脚
/VPP
/VPP：
复位输入/编程电压输入。
其中
为低电平时，对芯片复位。
该引脚上的电压不能超过VDD，否则会进入测试方式。
VPP代表编程电压。
（4）输入输出引脚
PIC系列单片机一个典型的I/O既可以设置成数字信号输出又可以作为成数字信号输入，是一个标准的双向端口。
作为输出时，可以提供很强的负载驱动能力，高电平输出时的电流和低电平输入的灌入电流都可达到25mA；对输入的信号来说此端口可视为开路或浮空状态。
正因为PIC系列单片机每个I/O都可设置成输入或输出，所以在使用前应该明确是作为输入还是输出，这可通过软件设置其方向寄存器来实现。
除此之外，有些I/O引脚和单片机内部的某些功能部件或其他外围模块的外接信号线进行了复用，这些I/O具有两种功能，即可作为普通I/O使用，也可以作为某些功能的专用外接引脚。
PIC16F876A其最小系统如图2.3所示。
本系统对速度要求并不是很高，没必要采用很高的晶振，本设计即采用了8M晶振。
另外，本设计采用了约3.3V的电压为单片机最小系统供电。
图2.3最小系统图
2.3接口电路设计
2.3.1单片机与CC1100的SPI接口设计
PIC16F87X系列单片机内部集成了主控同步串行端口MSSP模块[12]，该接口可用于实现单片机与其他外围器件或单片机之间进行串行数据通信。
MSSP模块有两种工作模式，串行外围接口（SPI）和芯片间总线（IIC）。
本次课题选择SPI工作模式，与无线收发模块CC1100进行通信。
SPI模式方框图，如图2.4所示：
图2.4SPI结构图
MSSP模块有四个寄存器可对SPI模式进行配置，如下：
•MSSP控制寄存器（SSPCON）
•MSSP状态寄存器（SSPTAT）
•收发数据缓冲寄存器（SSPBUF）
•移位寄存器（SSPSR）
SSPCON和SSPTAT是在SPI操作模式下的控制和状态寄存器。
SSPCON寄存器是可读写的。
SSPTAT寄存器的低6位是只读的，高2位是可读写的。
SSPSR寄存器用来移位输入输出的数据。
SSPBUF寄存器是写入或读取的缓冲寄存器。
在接收数据时，SSPBUF寄存器和SSPSR寄存器一起组成了一个二级缓冲的接收器。
当SSPSR寄存器接收到一个完整的字节时，该字节会被传输到SSPBUF寄存器，同时SSPIF中断开启。
在发送数据期间，SSPBUF寄存器不是二级缓冲的接收器。
数据同时写到SSPBUF寄存器和SSPSR寄存器中。
SSPCON寄存器地址：
14H，寄存器各位如表2.1所示：
表2.1SSPCON寄存器
Bit7
Bit6
Bit5
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
Bit0
WCOL
SSPOV
SSPEN
CKP
SSPM3
SSPM2
SSPM1
SSPM0
SSPTAT寄存器地址：
94H，寄存器各位如表3.4所示：
表2.2SSPTAT寄存器
Bit7
Bit6
Bit5
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
Bit0
SMP
CKE
D/A
P
S
R/W
UA
BF
为使串口使能，MSSP使能位SSPEN必须置1，为设定和复位SPI方式，对使能位SSPEN清零，对SSPCON寄存器重新初始化，然后对使能位SSPEN置1，这样设定SDI、SDO、SCK、SS引脚作为重新端口引脚，对于引脚作为端口功能运转，必须对它们的数据方向位合适编程。
在SPI的主控模式下，主机在任何时间都能够初始化数据传送，因为它控制SCK，主机决定从机，主机和从机的连接方式如图2.5所示：
图2.5SPI接口示意图
在主控模式时，数据一旦写入SSPBUF时，数据就被发送或接收。
如果SPI只是接收，SDO输出失效（把该端口编程为输入模式）。
SSPSR寄存器继续以设定好的速率移位SDI引脚上的信号。
因为每个字节被接收，它将被视为普通字节装入到SSPBUF寄存器中（中断和状态位被合理地配置）。
通过合适的编程CKP位来选择时钟极性。
在主控方式下，SPI时钟速率可被用户配置成以下几种速率：
•Fosc/4
•Fosc/16
•Fosc/64
•Timer2/2
CC1100通过4线SPI兼容接口（SI,SO,SCLK和CSn）配置，这个接口同时用作写和读缓存数据。
SPI接口是一种同步串行通信接口，CSn是芯片选择管脚，当该管脚为低电平时，SPI接口可以通信，反之不能通信[11]。
SI和SO为数字传输管脚，SI用于数据输入，SO用于数据输出。
SCLK为同步时钟，在时钟的上升沿或下降沿数据被写入或读出。
CC1100的TXFIFO（发射先进先出堆栈）和RXFIFO（接收先进先出堆栈）也可用同样的读写方式进行访问，只是使用与配置寄存器不同的地址段加以区别。
另外，CC1100的指令也可通过SPI接口传输。
CC1100有14个内部指令。
这些指令用来关闭晶体振荡器，开启传输模式，状态转换和电磁波激活等。
通过SI写入特定的字节使CC1100执行不同的命令。
单片机与CC1100的接口连接示意图如图2.6所示：
图2.6PIC16F876A与CC1100接口示意图
2.3.2USART模块
PIC16F87X系列单片机内部也集成了通用同步/异步收发器USART模块，所需的两条外部引脚是与RC端口模块共用的RC6和RC7两条线。
该模块在本系统中主要做为调试使用，通用同步/异步收发器USART模块的方框图，如图2.7所示：
图2.7USART的结构图
USART模块有2个寄存器可对USART模式进行配置，如下：
TXSTA寄存器地址：
98H。
寄存器各位如表2.3所示：
表2.3TXSTA寄存器
Bit7
Bit6
Bit5
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
Bit0
WCOL
SSPOV
SSPEN
CKP
SSPM3
SSPM2
SSPM1
SSPM0
RCSTA寄存器地址：
18H。
寄存器各位如表2.4所示：
表2.4RCSTA寄存器
Bit7
Bit6
Bit5
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
Bit0
SMP
CKE
D/A
P
S
R/W
UA
BF
2.4单片机与PC机电平转换接口
RS232C[13]是由美国电子工业协会（EIA）正式公布的，是在异步串行通信中应用最为广泛的标准总线，它包括了按位穿行传输的电器和机械方面的规定，适用于数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的接口。
RS-232C标准中所提到的“发送”和“接收”，都是站在DTE立场上，而不是站在DCE的立场上来定义的。
由于在计算机系统中，往往是CPU和I/O设备之间传送信息，两者都是DTE，因此双方都能发送和接收。
EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都做了规定。
在TXD和RXD上：
逻辑1为-3～-15V、逻辑0为+3～+15V；在RTS、CTS、DSR、DTR、和DCD等控制线上；信号有效（接通，ON状态，正电压）为+3～+15V；信号无效（断开，OFF状态，负电压）为-3～-15V。
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。
MAX232芯片可完成TTL到EIA双向电平转换。
作为多功能I/O卡或主板上提供的COM1和COM2串行接口的DB9连接器，它只提供异步通信的9个信号针脚，各针脚的信号功能描述见，如表2.5所示：
表2.5引脚功能
外形
针脚
符号
输入/输出
说明
1
DCD
输入
数据载波检测
2
RXD
输入
接收数据
3
TXD
输出
发送数据
4
DTR
输出
数据终端准备好
5
GND
——
信号地
6
DSR
输入
数据装置准备好
7
RTS
输出
请求发送
8
CTS
输入
允许发送
9
RI
输入
振铃指示
电平转换接口：
PIC单片机通过RC6（TX）和RC7（RX）与上位机进行USART通信，此处通过RS232实现单片机与上位机的电平转化，电路图如图2.8所示：
图2.8MAX232电平转换
2.5单片机的程序下载接口
PICPro编程器支持大部分流行的PIC芯片烧写、读出、加密等功能，无需电源适配器，通信和供电仅一条USB下载线即可完成，具有性能稳定、烧录速度快、性价比高等优点。
在PIC编程器的下方有一个6PIN的插针，这就是在线编程接口。
通过它，用户可以直接对芯片在板编程，比如有些焊在电路板上的芯片，可以不用把单片机取下来直接连上ISCP线进行程序烧写。
ISCP线的针脚说明如下：
1——VPP/MCLR
2——VDD/VCC
3——GND
4——PGD/RB7
5——PGC/RB6
6——LOW/RB3（一般不用）
因此，系统需要ISCP接口,如图2.9所示：
图2.9ISCP电路
2.6无线收发模块CC1100简介及应用电路
CC1100是一种低成本真正单片的UHF（UltraHighFrequency）收发器，为低功耗无线应用而设计,具有功耗低、体积小、使用简单、操作灵活等特点。
电路主要设定为在315、433、868和915MHz的ISM（工业，科学和医学）和SRD（短距离设备）频率波段，也可以容易地设置为300-348MHz、400-464MHz和800-928MHz的其他频率。
RF收发器集成了一个高度可配置的调制解调器。
这个调制解调器支持不同的调制格式，其数据传输率可达500kbps。
通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。
在发射状态下,其发射功率可编程调节,其最大发射功率达到10dbm。
CC1100为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。
引脚排列封装如图2.10所示：
图2.10CC1100引脚排列封装
主要特性：
••体积小（QLP4×4mm封装，20脚）
•真正的单片UHFRF收发器•频率波段：
300-348MHz、400-464MHz和800-928MHz•高灵敏度（1.2kbps下-110dBm，1％数据包误差率）•可编程控制的数据传输率，可达500kbps•较低的电流消耗（RX中15.6mA，2.4kbps，433MHz）•可编程控制的输出功率，对所有的支持频率可达+10dBm•极少的外部元件：
芯片内频率合成器，不需要外部滤波器或RF转换•可编程控制的基带调制解调器•单独的64字节RX和TX数据FIFO•高效的SPI接口：
所有的寄存器能用一个“突发”转换器控制•
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