單工無線呼叫及數據傳輸系統的設計與實現
出處:tyw 發(fā)布于:2012-04-24 10:05:15
摘要:本文基于ATMEGA16L實現一個具有單工語音和數據傳輸功能的無線呼叫系統。通過編碼電路、單片調頻發(fā)射電路和高頻功放電路實現主站的語音及數據發(fā)送;通過解碼電路、調頻解調和語音功放電路實現從站的語音及數據接收。編碼和解碼用MSK調制方式的調制解調芯片MSM6882實現;主從機的顯示電路采用LCD液晶顯示,輸入電路則采用PS2鍵盤掃描。
一、概述
目前,無線語音和數據通信的應用領域不斷擴大,應用形式也趨于多樣化。如移動通信系統、智能交通系統、遠程控制網絡等。本設計完成了一個單工無線呼叫系統,實現主站至多個從站的單工語音及數據傳輸業(yè)務。主站傳送一路語音信號或短信,其發(fā)射頻率為36MHz,發(fā)射峰值功率可調,實現小功率遠距離發(fā)射,可選擇對任一從站的呼叫或廣播功能。短信發(fā)送和接收采用黑白屏LCD顯示,支持中文字符顯示,支持圖形方式顯示,支持高速率自動屏幕刷新,帶有冷背光功能,可以在黑暗中查看屏幕,界面友好。
能方便的應用于短距離通信,如小區(qū)通信或辦公通信或廣播系統。稍加改進即可完成半雙工和雙工通信,擴大其應用范圍。
二、系統設計
本設計分為數據編碼與解碼模塊、無線發(fā)射模塊、無線接收模塊和控制模塊。數據編碼與解碼模塊采用頻移鍵控(MSK)調制方式,數據調制解調器芯片MSM6882與控制部分串口通信,實現數據在數字信號與模擬信號之間的相互轉換。無線發(fā)射模塊采用MC2833單片調頻電路。無線接收模塊由MC3362二次解調電路完成。控制部分采用單片機ATMEGA16L完成,進行數據通道的選擇控制、呼叫地址和方式的控制、鍵盤的輸入控制和數據的顯示和存儲功能。系統框圖如圖1所示:

圖1 系統整體框圖
三、系統硬件設計
1、無線發(fā)射模塊的設計
本設計的發(fā)射部分以MOTOROLA公司生產的MC2833單片調頻發(fā)射為,它由話筒放大器、可變電抗器、射頻振蕩器、輸出緩沖器以及兩個輔助構成。具體電路如圖2所示:

由于本系統工作在36MHz的頻率點, 我們用12MHz晶體作為基波晶體,L1用于補償調制器的電抗和對輸出頻率進行微調,取4.7uH.調制信號從3腳加入進行頻率調制。振蕩器輸出頻率經緩沖放大和外部選頻網絡三次倍頻后,再經內部Q1、Q2放大器由9腳輸出。即輸出射頻為36MHz.LC選頻網絡的參數可由
計算求得。
如果要加大發(fā)射功率,可選用AD公司研制的低噪聲,高頻帶寬度,穩(wěn)定性好的可變增益運放AD603.
2、無線接收模塊的設計
無線接收機的功能是能成功解調出所需的信號。
同時接收機的設計還要考慮把成本降到和功耗降到。Motorola 公司推出的單片集成調頻接收芯片MC3362,具有噪聲低、功耗小、鏡像選擇性好、動態(tài)范圍寬的特點。MC3362芯片含有二次變頻的所有電路,其工作電壓可在2.0V-6.0V較寬范圍內。工作原理是接收到的RF信號經輸入匹配回路放大輸出后,再和本振信號在片內混頻器中混頻,變頻到10.7 MHz,并經接于19端的陶瓷濾波器濾波,送至第二混頻器的輸入端(18端), 混頻器輸出的10.7MHz和第二本振的10.245 MHz信號,在片內進行第二混頻,得到455 kHz的第二中頻信號,并經接于5端的455 kHz陶瓷濾波器選頻后接到限幅器,經限幅和和移相乘積鑒頻后得到的音頻信號在13端上輸出。14、15端中間接有一個比較器,用以檢測FSK調制的過零點。解調以后的數據信號在l5端輸出。
本振頻率為36M-10.7M=25.3M,由LC振蕩回路組成,在要求高的情況下采用鎖相環(huán)電路;第二本振頻率為10.7M-0.455M=10.245M,由外接晶體和振蕩電容構成,通過改變振蕩電容可調節(jié)第二本振頻率。
12腳接的中周進行調諧。具體電路如圖3所示。

3、編碼與譯碼模塊的設計
調制解調器的調制方式主要有頻移鍵控( FSK)、相對相移鍵控(DPSK)等,其中頻移鍵控(MSK)調制方式是FSK方式中較好的一種。我們采用了日本OKI公司生產的MSK(頻移鍵控)編碼調制解調芯MSM6882.該器件內含接收、發(fā)送和時鐘產生電路,且數據傳輸波特率可在1200bps和2400bps中選擇。芯片集成了調制解調兩種功能,且采用模擬串口的數據傳送方式,內部自帶時鐘,單片機資源占用少,接口設計容易,系統穩(wěn)定性高。
在本次設計中,使用3.6864MHz的晶振,考慮到數據傳輸量較小,無線信道易受到干擾,為了保證正確傳輸所以數據傳輸波特率選用1200bps.在這個模式下MSM6882的ST引腳產生1.2kHz的方波,在上升沿鎖存SD引腳的數據,并進行調制。將1調制為1.2kHz的正弦波,將0調制為1.8kHz的正弦波。在接收從站,我們使用與主站相對應的模式以使數據能夠正確接收,從Ai引腳輸入調制信號,數據從RD輸出,引腳RT輸出。
1.2kHz的方波作為接收同步時鐘,在下降沿輸出數據。MSM6882的應用接線圖和原理圖如圖4、5所示。

四、軟件設計
本設計采用Atmel公司的mega16L單片微處理器,內部集成了十位的A/D轉換器,1KB的片內RAM.流水線工作方式,指令執(zhí)行速率快。內部資源豐富,方便輸入輸出數據。算術運算功能強、軟件編程靈活、自由度大,可用軟件編程實現各種算法和邏輯控制。使用8MHz時鐘頻率能夠滿足本次1.2kbs的數據傳輸和處理的要求。軟件開發(fā)平臺采用CodeVisionAVR ,使用C語言,用AVR Studio 4進行軟件調試。程序主要包括鍵盤和液晶的驅動,EEPROM的存儲,發(fā)送和接收,校驗和防干擾。
程序框圖如下所示:

圖6 發(fā)射機流程圖

圖7 接收機流程圖
發(fā)送端啟動模擬通道后, 將液晶復位并初始化MSM6882.語音業(yè)務則關閉數字調制器,若為數據短信,則啟動數字調制和鍵盤解碼,通過液晶可顯示編輯的信息和發(fā)送模式,既可選擇任一從站, 也可進行廣播, 確認后經發(fā)送鍵發(fā)送。為了方便應用, 短信內容將寫入ATMEGA16L的EEPROM中進行保存,每次上電復位后都可以調出EEPROM中的數據。
接收端與發(fā)射端以相同模式進行接收, 初始化后, 經地址識別判斷業(yè)務后, 若為語音則打開揚聲器, 若為短信則進入接收中斷服務程序: 在接收同步時鐘的下降沿接收數據, 從同步碼后一位開始接收并保存, 當接受完一幀數據經校驗無誤后進行顯示。若校驗有誤則跳出該子程序, 繼續(xù)執(zhí)行其它程序。
五、結果分析
本設計采用ATMEGA16單片機實現外圍電路簡單實用,抗干擾性能強,能準確傳輸語音和數據信號的系統。經測試后語音和數據可在發(fā)射功率為3mW時能準確的傳輸10米以上,可尋呼任意從站或廣播,且本設計掉電后仍有記憶存儲功能,并可實現功率在20mW范圍內可調。本設計的創(chuàng)新點在于用單片數字調制解調芯片完成了數據傳輸,并實現了語音小功率遠距離傳輸。
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