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通过无线收发芯片实现的单片机DCTMS技术 北华大学信息工程学院杨宁 摘要介绍无线发收芯片构成的窄带双向数字通信电路和通过该电路实现的单片机DCTMS的结构、工作原理、设计方法和性能,并给出应用的实际结果。该方法技术集成度高、通用性强,且硬件价格低廉,有较好的应用前景。 关键词曼彻斯特编码无线发收数字通信数传模件传感模件 引言 分布式计算机遥测管理系统,简称DCTMS (Distributed Computer Telemetering Manage System)。这是一个通用性的技术方法,适用于各种不同的信号无线测控与微机管理。主要功能是通过无线电数字通信技术,完成多变量数据采集、数据处理、图形画面的显示与管理等工作。系统属于主从式时间分槽通信控制的计算机网络,级间由通信协议实现控制信息与数据信息的传递和交换。由调频模拟信道实现双半工异步数字通信。系统技术内容包括计算机数据处理与管理、图形画面显示、多机通信、无线电数字通信与信号处理、数字传感器等,既有多学科的内容交叉,又有多学科的技术集成。系统由上位机数据通信与数据处理的图形画面管理模件（软件）、数字信号传输模件（简称数传模件）、无线传感器模件（也叫子站模件）3部分构成。3部分实际为3级计算机系统,各级有独立工作的功能：管理模件安装于通用的上位计算机,在系统软件支持下工作;数传模件与无线传感器模件各为单片机系统。上位机采用串行通信方式与数传模件有线相连,数传模件通过无线收发方式与无线传感器模件进行无线电数字通信。设计为相同的波特率进行数字信号的传递,数据信号采用自时钟曼彻斯特（Manchester）编码和解码方式。无线传感器模件连接1次传感器件,实现过程变量的数据采集与数字转换。 一、 无线传感器模件的结构和功能 无线传感器模件硬件由单片机、数据采集单元、看门狗电路、液晶显示电路、双向无线数字通信模块5个主要部分组成。其结构示意图如图1所示。 图1无线传感模件结构示意图单片机采用AT89C2051芯片,内带有2KB Flash ,无需外扩程序存储器,具有功能较强、功耗较低、价格便宜等优点。 数据采集单元直接接入一次半导体传感元件,每个传感元件是通过阻抗变化反应测量值情况。传感元件接数字转换电路,数字转换电路接多路转换开关。单片机控制电子开关路径选择和数据采集,数字转换电路和多路电子开关实现多路数据采集单元循检。采集的测量值经数据处理后进行液晶显示并送入内存,输入与输出经过波形处理由无线收发电路输入与输出,数传模件接收各路无线传感模件信号进行集中管理,波形处理模块主要完成调频模拟信道与数字信号的转换,确保无线收发模块信号与微处理器串行数据的准确性。为使无线传感模件工作可靠,采用看门狗芯片X25045。X25045内有256个字节的电可擦写串行数据存储器,用以保存重要数据。软件流程图如图2所示。 图2无线传感模件软件流程图二、 数传模件的结构及功能 数传模件由单片机AT89C52、RAM、I/O口、键盘显示电路、双向无线数字通信模块、RS232串行通信电路组成,其结构框图如图3所示。 图3数传模件结构示意图数传模件实现的功能为通过无线通信,发送不同的地址编码,将各无线传感模件各点采集数据集中进行本地管理显示。通过设置越限参数、报警参数;进行声光报警,显示故障代码。可将采集数据送上位机实现更高级图形管理和显示;也可接收上位机指令,修改各项参数,执行各项操作。软件流程图如图4所示。 图4数传模件软件流程图三、 无线收发主要芯片及电路 1 单片集成调频发射芯片MC2833 MC2833是MOTOROLA公司推出的单片调频发射集成电路,可构成发射极高频率的功率放大器,提高发射功率。它由话筒放大器、可变电抗器、射频振荡器、输出缓冲器、2个辅助晶体管构成,内部结构如图5所示。MC2833采用16线双列直插式封装。 图5MC2833内部结构与引线排列（1） MC2833的主要参数 ① 工作电压：2.8~9V;② 静态电流：2.9mA;③ 工作温度：-30~+75℃;④ 工作频率：小于60MHz。 （2） 附加晶体管主要参数 ① V(BR)CBO:45V;② V(BR)CEO:15V;③ V (BR)EBO：6.2V;④ hFE：150;⑤ fT：500MHz。 在MC2833的应用电路中,低频调制信号由5脚输入,经话筒放大器放大后（放大器增益由外接电阻决定）,送入可变电抗器,通过调制信号改变可变电抗,从而改变射频振荡器的频率,实现调频。射频振荡器的中心振荡频率f0由1脚和16脚外接晶体决定,晶体为基频晶体。经过调频后的信号由缓冲器输出端14脚输出,缓冲器的负载为ＬＣ构成的并联谐振回路,谐振频率为晶体频率的3倍。不仅实现了3倍频,而且还扩展了调频频偏。倍频后的信号经电容耦合给MC2833内部晶体管V1的基极。V1与电感、电容等构成高频功率放大器,电感、电容的谐振频率为3倍的晶体频率。V1放大后的调频信号经电容耦合给MC2833内部晶体管V2的基极,由V2进一步放大。V2与V1电路完全相同。V2放大后的信号经另一个LＣ电路,耦合给天线向外发射（图7实用电路中发射功率不够,外接集成高频功率放大器WINA800,输出功率为800mW,遥控距离可达2km）。 2 单片集成调频接收芯片MC3363 MC3363是一片从天线输入至音频前置放大器的完整的单片调频接收电路,内含2个用于变频的本机振荡器和混频器。MC3363还有用于移频键控(FSK)检测的限幅比较器电路。图6是它的内部框图,由低噪声高频放大器、2个混频和振荡器、中频限幅放大器、频率解调器、音频前置放大器、幅度比较器等几部分构成。 图6MC3363内部结构MC3363的主要参数如下： ① 工作电压——2~7V; ② 工作电流——3.6mA（VDD=3V）; ③ 工作频率——200MHz（使用外部本机振荡信号可达450MHz）; ④ 混频器增益——第1混频器为18dB,第2混频器为21dB; ⑤ 限幅灵敏度——10μV。 图7 MC3363的应用电路中,接收频率为296MHz。射频信号由2脚作用于高频放大管的基极,放大后的信号由4脚输出,经电容耦合到1脚（第1混频器输入端）。晶体B2(40.3MHz)与内部电路一起构成第1本机振荡器。第2本机振荡器由晶体B3(10.245MHz)及内部电路组成。由第2混频器得到的第2中频信号,由7脚输出,经原陶瓷滤波器选择后,由9脚送入中频限幅放大器,经内部频率解调器解调后,低频信号由16脚输出。图7整机电路的灵敏度可达0.3μV。 图7中,B1为9866MHz;B4为107MHz;B5为455kHz。 3 实用电路 图7是用于无线传感模件的由单片机控制的廉价双向无线数字通信电路结构图。它由89C2051单片机、调频发射芯片、调频接收芯片构成。用于数传模件的通信电路基本相同。当开关S1拨向2时,为发射数据状态;拨向1时,为接收数据状态。平时S1拨向1时,处于接收状态。数据包含地址数据和传输数据,传输数据来源于数据采集电路。 单片机89C2051的P1.0口,控制7脚V2的发射控制端,串行口输出端TXD发送数据经Ｃ耦合给调频发射芯片MC2833的输入端５脚,进入内部放大器（R3决定内部放大器的增益）。放大后的信号由4脚输出,经C3送３脚,进入内部可变电抗器控制端。编码脉冲信号调制MC2833 的内部可变电抗,从而改变射频振荡器的频率,实现调频。射频振荡的中心频率由MC2833的16脚外接Ｂ1决定,为9866MHz的基频晶体。调L1可以微调振荡频率。射频振荡信号经内部缓冲器后由14 脚输出。由于内部缓冲器工作于非线性状态,会产生许多高次谐波,接在14脚图7双向无线通信电路的L6和C13谐振于基频的3次谐波上,将3次谐波选出,即实现了3倍频,同时倍频电路还可增大调制频偏。倍频后的频率为9.866×3=29.6MHz。29.6MHz的高频信号经Ｃ14耦合到MC2833的13脚,13 脚内部是1个晶体三极管的基极,此晶体管组成1个高频功率放大器,集电极负载为L2和C6放大后的信号,该信号由C5耦合给内部另外一个晶体管的基极,即８脚,此时晶体管构成第2组放大器,L3和C8为其集电极负载。放大后的信号经L4和C9耦合高频功率接续器WINA800进一步放大后,由天线向外发射。当需要发送数据时,首先,将开关S1拨至2再进行地址码发送。然后,发送数据。最后,将转换开关S1拨至１端,即可将地址编码及数据发射出去。 MC3363组成调频无线接收电路。当开关S1拨至２端时,电路处于接收状态,天线接收下来的信号经C29和L9选频后由C28耦合给MC3363的射频放大器,VD1 和VD2用来防止高频信号过大时损坏内部电路。调节L9可使输入回路谐振于接收频率29.6MHz。经高频放大后的信号由4 脚经C17耦合到１脚,进入MC3363的第1级混频器。第1本振电路的振荡频率由25和26脚外接晶体B2决定,为40.3MHz,比输入射频信号的频率29.6MHz高10.7MHz,即混频器输出的第1中频信号的频率为10.7MHz。第1级混频器约能提供18dB增益,其输出阻抗为330Ω,恰好与陶瓷滤波器的频率相匹配。第1中频信号由23脚输出,由外接10.7MHz陶瓷滤波器B4滤波,选取出10.7MHz中频进入21(a) 多点粮仓温度无线遥测微机管理系统结构图脚,与MC3363内部的第2本振信号进行混频。第2本振信号的频率由脚外接晶体B3决定,B3频率为10.245MHz,混频后得到第2中频信号的频率为455kHz,第2中频信号经外接滤波器B5滤波后送９脚,进行限幅放大。限幅放大后的信号经内部检波器鉴频后由16脚输出、C24耦合给MC3363的17脚进入内部的数据缓冲器,18脚输出数据信号。 MC3363的18脚输出的数据信号,直接送入单片机串行口接收端RXD端。由单片机进行地址、数据的识别和处理,进行数字显示。 四、 应用情况 以此方法设计的“多点粮仓温度无线遥测微机管理系统”实用项目,其结构如图8(a)所示。技术特点：低成本半导体温敏二极管作为1次传感器件;无线传感模件采用低功耗电子器件;电源采用非晶硅太阳能电池充电器与交流220V电源充电器合作供电。主要性能与技术指标：每个无线传感模件有8个温度检测点,检测距离不小于1500m,温度范围在-30~70℃;监测采用CRT分组页面显示,由总貌、分组、细目、异常、历史趋势等页面组成,对温度测量值分为正常、越限、故障报警3个层次,分别用不同颜色显示;报警仓号与温度值用红色闪动框提示并同时用声光报警,操作人员用按键或鼠标清除后方可进行下一帧的显示;用鼠标器调用特定窗口图形,了解其历史情况及趋势。图8（b) 给出当天温度浏览分组页面图例。系统还具有网页自动生成（b) 当天温度浏览分组页面 图8应用情况图形功能和粮食温度正常、异常的预报功能等。 MES 参考文献 1杨宁分布式计算机遥测管理系统结构与功能北华大学学报（自然科学版）,2000(2):178~181 2苏长赞.实用遥控技术手册.北京：人民邮电出版社,1996（8）：237~253 3瞿贵荣YN5103/5203多通道编码器及应用实用无线电,1997（３）：3~5
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