小型无线通信系统设计与实现

2014-03-26王亚飞李学华杨曙辉

实验技术与管理 2014年6期

王亚飞，李学华，杨曙辉

(北京信息科技大学信息与通信工程学院，北京 100101)

通信系统是通信原理课程教学中的基本内容。如何理解并能设计出一个通信系统是检验学生学习效果的直接手段。目前，许多高校教师在通信原理课程中设计了大量的实验项目，但这些实验项目多集中于软件仿真[1-6]，对学生来说比较枯燥且离具体的实际应用较远。为了使学生掌握通信系统的组成和设计方法，同时增加学生的学习兴趣[7]，本文借鉴市场上广泛应用的无线通信类电子产品(遥控玩具，汽车车门遥控锁)中的通信模式，通过软硬件相结合[8]设计一个无线通信系统，使学生掌握一般无线通信系统的组成和设计原理。本实验项目通过对具体通信系统的设计、电路调试和软件编程，可以使学生进一步加深对通信系统的理解，掌握所学的专业知识。同时，提高学生的动手能力、解决实际问题的综合能力以及创新能力。

1 实验原理

通信系统的一般模型包含以下几个部分：发信者，发送设备，信道，接收设备，收信者[9-10]。发送设备的基本功能是把信号变换成适合在信道中传输的信号，包括编码、调制以及发射功能等。信道是指信号传输的通道，分为有线信道和无线信道两大类。信号在信道中传输过程中会受到噪声的干扰，当然，干扰也不局限于信道中的噪声，发送设备和接收设备也会产生噪声。接收设备的功能包括解码、解调等，其从叠加了干扰的接收信号中恢复出相应的发送信号。

考虑任务的简化以及学生的学习兴趣，并在借鉴市场上广泛应用的无线通信类电子产品的基础上，设计出的一套小型的无线通信系统模型如图1所示。发信者和收信者分别对应图中发送信息的计算机和接收信息的计算机。发送设备对应于发送板上的4个模块，分别为电平转换模块、单片机模块、编码模块和调制发射模块。接收设备对应于接收板上的另外4个模块，分别为电平转换模块、单片机模块、解码模块和接收解调模块。

该系统的通信过程如下：计算机通过串口发送信息，信息经过电平转换模块后进入单片机，单片机根据编码芯片的要求对信息进行处理后输入到编码芯片，编码芯片对输入信息进行编码后将其输入到调制发射模块，调制发射模块在315 MHz载波上对信息进行ASK调制，最后通过天线发射出去。接收解调模块对接收到的信息进行解调，解调后的信息输入到解码芯片进行解码，单片机对解码后的信息进行处理后再通过电平转换模块输入到接收信息的计算机，计算机上显示接收到的信息。在此过程中，为了使计算机与单片机之间能够进行双向通信，引入了RS232通信接口，即电平转换模块。在实验时，如果多组学生同时进行无线通信实验，相互之间将产生干扰，为了避免这种情况发生，在方案中引入了地址编解码芯片，通过对其进行设置可以实现发送和接收的配对。

图1 小型无线通信系统模型

2 具体模块的实现

发送和接收的信息通过安装在计算机上的串口调试助手软件完成。该软件可以通过串口线发送和接收信息，其中信息可以是字符，也可也是文字，但要注意波特率的设置，保证收发一致。其他模块的具体实现和说明如下。

电平转换模块：主要由DB9的标准232接口插座和专用芯片MAX232组成。通过该接口电路可使计算机与单片机之间实现双向通信。计算机既可以发送数据，也可以接收数据。在发送信息的计算机上，RS232通信程序通过DB9插座的2、3管脚产生RS232信号，MAX232负责把其转换为TTL或CMOS电平，然后把信息送到单片机。反之，接收信息通过单片机再经过MAX232转换为RS232信号送到接收计算机。

单片机模块：该模块由51系列单片机AT89C2051及外围电路组成，它接收来自计算机或者解码芯片的数据，然后根据协议向编码电路发送信息或者接收来自解码电路的信息。

编/解码模块：编/解码模块采用专用的编码芯片PT2262和解码芯片PT2272。PT2262/2272是目前无线通信中作地址编码识别最常用的芯片之一，它是一种基于CMOS 工艺的低功耗、低价位通用编解码电路，在实际应用时，PT2262和PT2272 必须使用相同的地址码配对进行编/解码，否则无法正确解码[11]。

调制发射/接收解调模块：在实际方案中，为了减少工作量，调制发射模块使用市场上比较成熟的组件，载波频率为315 MHz，调制方式为ASK调制。接收解调采用315 MHz超再生接收模块[12]。

上述各模块的供电需要电源电路或者由外接的电源提供。

3 实验过程与实验结果

本实验项目要求软硬件相结合，先要完成硬件电路的焊接和调试，然后编写程序并写入到单片机的Flash中，最后进行关键信号的测量和收发信息的联合调试。

(1) 按照原理图分别在发送板和接收板上焊接各个模块及外围电路。包括：MAX232芯片及外围电路，单片机AT89C2051及外围电路，PT2262/2272及其外围电路，发送和接收模块以及电源电路。

(2) 按照设计好的配对地址码焊接PT2262/2272的地址码电路，地址码管脚有3种状态可供选择，即悬空、接电源、接地。由于PT2262/2272有 8位地址码管脚可以使用，因此有6 151个组合。

(3) 编写单片机程序并实现数据转换，使数据适应编码芯片编码格式要求。对于发送板，要保证单片机把从计算机传过来的数据转换成相应格式，并控制编码芯片进行编码；对于接收板，要保证单片机能控制解码芯片正确解码并把数据转换成相应格式，再传给接收计算机。由于来自计算机的信息是串行的，且单片机以字节方式处理数据，因此需要把信息以半字节的方式并行送入到编码芯片的4位数据端管脚(PT2262最多有6位的数据端管脚)，这个过程需要单片机来处理。单片机的核心代码如下：

void data_send(data_R) P1=data_R;P3_7=0;

delay(3);

P3_7=1;

delay(1);

P1=data_R>>4;

P3_7=0;

delay(3);

P3_7=1;

delay(1);

}

其中P3_7引脚与PT2262的控制端相连接。

PT2262编码芯片发出的信号由地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，在通常使用中，一般采用8 位地址码和4 位数据码。在信息正确解码后，PT2272的4位数据端管脚将把信息输入到单片机中，此时单片机需要在PT2272控制信号的指引下，把连续2次的4位数据接成1个字节，然后单片机通过串口再发送到计算机。此过程的单片机核心代码如下：

while(P3_7==0);//等待有效信号switch(tmp)

{

case 0:

data_Sen[0]=P1&0x0f;

tmp++;

break;

case 1:

tmpData=(P1&0x0f)<<4;

data_Sen[0]=tmpData+data_Sen[0];

SBUF=data_Sen[0];while(TI==0);TI=0;

tmp++;

break;

case 2:

data_Sen[1]=P1&0x0f;

tmp++;

break;

case 3:

tmpData=(P1&0x0f)<<4;

data_Sen[1]=tmpData+data_Sen[1];

SBUF=data_Sen[1];while(TI==0);TI=0;

tmp=0;

break;

}

while(P3_7==1);//等待有效信号释放

其中P3_7引脚与PT2272的控制端相连接。

完成上述的一系列动作和调试后，可以在计算机上发送字符，例如“HELLO”，在距离合适且地址码无误的情况下，在另一台计算机上就会接收到字符并显示出来。图2为本文所设计的无线通信实物模型及发选板和接收板。利用500 MHz示波器和频谱分析仪观察到的发射天线的时域信号和频域信号见图3和图4。

图2 小型无线通信系统实物图及发送板和接收板

图3 射频ASK信号的时域波形

图4 射频ASK信号的频域波形

在小型无线通信系统的设计和完成过程中，涉及信号、电平、编码、解码、调制、解调等概念，并综合了频谱、地址码、单片机等应用。该实验项目中，既有相对固定的内容，又留给学生可自己设计的空间，例如地址码的设计、单片机程序的设计、波特率的选择等内容。在系统测试的过程中，训练了学生使用频谱分析仪、示波器等测量设备的能力。本项目的完成能够在软硬件2个方面训练学生理解和掌握无线通信系统的能力，使学生对通信原理的掌握更深入、更直观。