单工无线呼叫系统.docx
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单工无线呼叫系统
本科毕业课程（设计）
设计题目：
单工无线呼叫系统
学院：
学院
专业：
机械设计制造及其自动化
班级：
机电12151
学号：
学生姓名：
指导教师：
2015年6月
诚信责任书
郑重声明：
本人所呈交的毕业论文，是在导师的指导下独立进行研究所完成。
毕业论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。
特此声明。
论文作者签名：
日期：
摘要
本系统收发电路揉合了LC振荡电路,麦克风放大器以及RF功率放大器;低噪音放大器,IF放大器,频率解调器以及数字比较器.它们的巧妙结合便可完成短距离的FM/FSK模式的通讯.该电路的发射频率为38MHz左右,从而能提供所需通信信道。
此外本系统控制部分由MSP430单片机设计。
以完成主从站的呼叫,8信道的任意选择,另外加入了发射频率显示功能。
MSP430是一种超低功耗型单片机,功能强大,所显现的控制性能非常稳定。
关健字:
无线收发;FM/FSK;8信道;MSP430单片机
TheSingleWirelessCallSystem
Abstract:
ThistransceiverintegratestheLCoscillatingcircuit,microphoneamplifierandRFpoweramplifier,thelownoiseamplifier,IFamplifieranddigitalcomparator.Their’sunitedmaterializetheFM’scommunicationfortheshortdistance.Thiscircuit’semittingfrequencyis39MHz..
ThecontrollingpartisdesigedbyMSP430singlechipcomputer,whichtransaortandanalyzevoicesingal.MSP430’sfunctionisstable.Thepowerlossisextremelow.
Keywords:
Transceiver;FM/FSK;8channel,MSP430singlechipcomputer.
第1章绪论
1.1本课题的意义
单工无线呼叫系统设计中包含有通信的原理和技术，不仅是信息工程高级专业技术人员所必需掌握的，也是从事相关产业的普通技术人员、管理人员和营销人员应当了解的，并把它应用于信息产业中。
单工无线呼叫系统的实现具有单向性，完成的是信息的单方面传输，这是研究半双工和全双工通信的基础。
一个单工无线呼叫系统，实现主站至从站间的单工语音及数据传输业务，对以后增加图片传输、多媒体音乐、无线上网和电子商务的套餐具有重要的意义。
以单工无线通信系统的设计为基础，人们进行了不断的探索和研究。
在未来几年内通信系统将会有更令人惊奇的发展。
光纤如今已经成为了一种非常重要的传输媒介，并且仍然以迅猛的速度在发展。
包括话音和视频传输在内，由模拟向数字方向的发展仍在继续。
现在人们很难准确地预测通信在未来的发展状况，以单工无线呼叫系统设计为开端，蜂窝电话和传真已经出现了很多年，并且曾一度被认为不久将会过时，但是在过去的几年中蜂窝电话和传真这两种技术仍然在迅速发展。
大概有关未来通信技术唯一可以确定的就是：
它将给人们带来无限的惊喜。
1.2通信发展的历史和前景
1837年莫尔斯（SamuelMorse）发明了电报码，即莫尔斯电码，从而使电子通信进入了实际应用阶段。
虽然此前已经出现了电子信息传送系统，但他第一次成功地开始了其商业化运作。
莫尔斯的电报系统包括发射机、接收机和传输信道，具备了通信系统的所有基本要素。
其中发射机由电话键盘和电池组成，可以将信息转换为电信号（或者也可以记录在纸带上），传输信道就是电线。
从1866年开始，电报线路也可以在水下铺设，到1898年，已经有12条海底电缆横跨大西洋。
1876年贝尔（AlexanderGrahamBell）发明了电话，开始了利用电子话音进行通信的时代。
从此电话系统逐渐发展，现在不管你身在何处，都可以通过电话和世界各地的朋友进行交谈。
当然这个过程是逐步实现的，起初电话系统不包括任何电子器件，随着电子管和晶体管的出现，电话系统中使用了放大器，从而大大增加了信号的传输距离。
在不易铺设电缆的地方还可以采用无线通信链路，而且现在无论是传输系统还是交换系统都已进入了数字时代。
无线通信是通信领域的一个非常重要的方式，麦克斯韦（JamesClerkMaxwell）于1865年建立了其理论框架，而赫兹（HeinrichRudolphHertz）于1887年通过实践证明了其可行性。
19世纪末20世纪初时无线电话开始投入实际使用，当时主要用于航船和海岸、航船和航船之间的通信联系。
1901年马可尼（GuglielmoMarconi）首次成功地进行了跨大西洋的无线通信。
早期的无线电发射机采用的是放电器的方式，这并不适用与话音通信。
到了1906年，一些发射机使用了专门设计的高频交流发电机，并且用于进行话音传输的实验。
具体方法是将一个1KW的放射机连接到传声器上，并且连接发射天线，当时的传声器还是水冷式。
常规的无线电广播直到1920年才开始出现。
随着技术的不断发展，发射机和接收机逐渐使用了电子管。
1904年弗来明（JohnAmbroseFleming）爵士发明了二极管，而1906年弗里斯特（LeeDeForest）又发明了可以用做放大器的三极管。
到了20世纪20年代末期，无线电广播已经变得在普通不过了，人们开始把注意力又转移到了对电视的研发上面。
美国和欧洲的一些国家在第二次世界打战之前就已经开始了这方面的工作，二战结束后电视机已经在全世界范围开始使用了。
从此以后发射机的结构越来越复杂，包括多路放电器、旋转式放电器、交流供电以及复杂精致的调谐系统，直到后来被电子管取代。
到了20世纪60年代后，随着半导体、计算机和激光技术的出现和发展，传输字符和计算机数据的数字通信技术进入了高级发展阶段。
由于这种高级数字通信技术在许多方面都优于模拟通信，甚至像语音、图像一类的模拟信号也希望采用数字通信技术来传输。
近年来，数字通信得到迅猛的发展，人们不会满足简单的语音和短信通信，实现了图片彩信、手机上网、电子商务等3G技术，未来需要我们对通信系统不断探索和研究的路还很长。
21世纪的电信技术正进入一个关键的转折点，未来十年将是技术发展最为活跃的时期。
未来无线通信技术发展的主要趋势是宽带化、分组化、综合经、个人化。
信息化社会的到来以及IP技术的兴起，正深刻的改变着电信网络的面貌以及未来信息技术发展的走向。
1.3通信系统组成
在当代社会里，信息这个词高度概括可我们这个社会的现代化特点，在社会的信息化程度快速提高的过程中，集成电路（IC）芯片不可替代的作用也越来越明显。
通信技术是信息技术的一个重要子类，虽然信息工程具有宽泛的覆盖面，且现代信息处理与存储技术越来越发精湛，但通信业的崛起却具有更大的社会意义和效益。
通信的含义无论从中文“通讯”或英文Communication来看，名词本身就在很大程度上体现了通信的定义。
通信系统具有很广泛的内涵，并有多个层次。
一般地，利用传输信道或通信网，将具有收、发信息功能的终端设备由信道或链路有机连接起来，这些实施信息传输的设备集合，称为通信系统。
图1.1示出了一个通信系统的基本构成框图，同时也包括点与点间、点与多点间，以及多点之间的信息传输系统所涉及功能单元的有机结合。
图1.1通信系统基本组成框图
通信系统按工作方式分，可分为单工（Simplex）、半双工（Half-duplex）和全双工（Duplex）。
这三种方式的例子如单向广播、步话机、固定电话和移动电话等。
通信系统的构成根据通信业务特征、信道类型、传输方式等可有多种类型。
模拟系统已成为传统技术，数字通信系统在终端要涉及很多信号处理与交换设备，计算机数据通信又提供了一套特殊的标准接口，传输、控制等一系列协议，多媒体通信系统涉及多种媒体集成、同步与交互功能等，更为复杂。
1.3.1模拟通信系统模型
传输模拟信号，消息源为模拟的，经过输入转换器得到模拟信号。
发送设备包括很多部件，如调制、放大、滤波和天线等。
在方框图中只画出了调制器，其原因一方面是为了突出调制器的重要性，另一方面其它部分可以认为是理想线形的，对信号传输可以看作不产生失真，不引入噪声。
同样接收设备只画出一个解调器，图1.2就是一个最简化的模拟通信系统。
图1.2模拟通信系统模型
1.3.2数字通信系统模型
数字通信系统有多种，例如数字电话系统、高速计算器并行数据处理传输系统、数字电视信号传输系统等，可以把它们都归纳为图1.3所示的数字通信系统模型。
图1.3数字通信系统模型
一个较为完善的数字通信系统，除了发送与接收端，还有传输信道及收发同步系统等，现分别介绍个部分的功能与作用。
（1）源信息格式（format）
源信息格式是信息采集后的源信息最初表示方式，如模拟电信号的限带波形，图像信号的扫描像素集合或其红绿蓝三个基本分量的PCM编码。
信源格式为信源编码做好了基本格式的准备，其中还包括信源编码前去噪、限带等的预处理。
（2）信源编码
为了提高信息的有效性，在源信息中可能存在某种程度的冗余“信息”及根据需要的质量标准，可以去除其中次要信息，因此提高有效性的措施为采用去相关及压缩编码，即用更少的编码位数来表示符合一定接受质量的更多源符号，其基本原理是香农率失真理论，其基本技术如无失真预测编码和有损正交变换编码等。
（3）信道编码
经过信源码的码字序列，均应认为是重要信息，因此如果在传输与接收判决中发生错误或超出限定的符号误差概率，则会不满足接收者的质量要求。
如果信源码字之间互为正交或不相关，则有一定的抗干扰能力，或者基带码流的码符号选用某些合适的码型，也有一定的抗干扰性。
最好的方法是根据信道环境的特性，将信源码字中按一定规则适当加入冗余码元，构成差错控制码，可以根据不同的结构和冗余位多少，提供1位或多位自纠错或通过反馈重发纠错能力。
（4）信道复用
信道复用（Multiplexing）是通信系统中很重要的组成部分。
其基本功能是使多种信息流共享同一信道，提高通信资源利用率。
如目前无线正在使用整个频段跨越105～1012Hz的频率资源，各个不同频段和频点用于各种类型的无线信号传输，必须采用频分复用（FDM）。
基于有线信道的基带传输，多采用时分复用（TDM）。
（5）调制
调制是信号的一种变换过程，通常是将不便于信道传输的基带模拟信号或编码符号序列，或其波形序列作为调制信号，去控制一个适于信道传输特性的载波，使其某一两个参量正比地受控于调制信号。
载波为正弦信号时的调制方式称为连续波调制。
此时若调制信号为模拟信号，可提供模拟（线形）调幅和模拟调角（又分调频与调相）；若调制信号为数字代码，相应的调制方式分为数字调幅、调频、调相，均称为数字信号的载波传输，仍为模拟传输方式。
调制是实现复用的重要环节，同时多元调制可提高信道频带利用率，不同的调制方式的抗干扰性能也不同。
调制系统的信号性能尚与调制信号的设置有关，并且接收与判决的方式也影响接收的质量。
（6）同步
在数字信号传输和采用相干接收或最佳接收方式的模拟调制系统中，尚有一个非常重要的控制单元，即同步系统。
它可以使通信系统的收、发两端，以精度很高的时钟提供定时，以便系统中的数据流能与发信端同步地恢复原信息。
同步准确性对通信质量有很大影响，从功能和实现环境的方法不同，同步可分为四种方式：
a．载波同步
在数字或模拟调制系统中，为了以相干或相关解调方式准确恢复原信息，接收端提供的本地载波应与接收到的已调信号载波严格同频或同相。
b．位同步
应用数字信号基带与频带传输系统，以一定码型的脉冲编码波形序列，直接进入基带信道传输，接收两端的位定时系统，可以确保系统有一致的时钟，以便有序、准确的对失真的接收波形进行定时抽样，而正确判决原发送信息。
c．帧同步
数据信号传输，往往要按一定规则划分为一定规模的分组数据块，可称其为信息帧。
不论帧的大小，均在发送前加有帧头与帧尾的额外开销，以便接收时正确认定逐个帧的完整性。
d．网同步
在目前通信网发达的时代，很多通信系统是通过网络功能构成的。
地区网或全国网必须设有网同步，据网络的类型或要求不同，网络同步的定时时钟可取自国际1级时钟或地方时钟。
实现同步的方法很多，同步系统可看做通信网正常运行的中枢神经系统。
1.4系统的实现思想
随着现代电子技术的发展，许多通信集成芯片应运而生，如编码/解码芯片、大规模信号发射/接收芯片和集成控制芯片，这些芯片大大简化了系统电路设计的复杂性，并且使得信号传输速率更快，效率更高。
同时信号传输过程中加入差错控制电路，使得误码率大大降低。
硬件组成的电路灵活性能较差，这就要求我们利用许多成熟的软件系统来辅助硬件系统的设计，如许多可编程器件的数值可以通过DSP,FPGA以及单片机来预置，这就减少了硬件的投入，同时使设计出来的系统更加灵活化和人性化，这设计利用单片机作为辅助软件。
第2章设计方案
2.1设计思路
在整个设计的过程中，发射部分采用频率合成技术，由变容二极管和集成压控振荡器芯片实现振荡频率的电压控制及对载波的调频调制；加入由频率合成芯片、高速分频器和晶体振荡器等组成的数字锁相环路，使发射端的中心频率锁定在35MHz。
采用编码/解码电路实现题目所要求的主站具有拨号选呼和群呼功能，以及英文短信传输业务。
整个接收电路采用双变频超外差接收机电路，以全单片化集成的芯片MC3363为核心。
接收机采用电池供电，稳压电路提供稳定电压。
显示部分利用液晶显示模块，显示呼叫方式、业务类型以及英文短信内容。
所有的设计实现主站至从站间的单工语音通信，并且完成英文短信的传输业务。
2.2系统组成
整个系统主要分为发射和接收两大模块，其中发射部分由MC1648芯片构成的压控振荡器、MC145152芯片为核心的频率合成电路、实现高速分频的MC12022芯片、环路滤波器和晶振构成锁相环频率合成器、功率放大阻抗匹配电路、PT2262数据编码电路、单片机进行数据处理、LCD驱动以及显示模块等主要电路组成。
发射部分的组成框图如图2.1所示。
图2.1发射部分组成框图
接收部分由高频放大电路、本地振荡、收音模块、音频输出模块、数据接收模块、控制模块和显示模块主要部分组成，单片机对键盘输入和液晶显示起控制作用。
接收部分的组成框图如2.2所示。
图2.2接收部分组成框图
2.3.方案选择:
1.收发电路的选择
方案一.采用无线收发芯片.
选择芯片所考虑的主要指标有发射功率,接收灵敏度,收发芯片所需外围元件的数量,芯片的成本,以及数据传输是否需要进行曼彻斯特编码.目前常用的收发芯片有NRF401系列,CRF19T,CRF26R系列.均采用FSK调制.
<1>.用NRF401系列高速单片无线收发芯片.采用了低发射功率和高接收灵敏度的设计,可进行低功率无线数传,但是该芯片的外围设备也较多;传输语音信号时要进行数据压缩,从而使得系统的时序变得较为复杂,调试等过程有难度.
<2>.用CRF系列接收芯片.该芯片发射频率在27MHz,较难提高到题目要求.具有的标准化接口可直接嵌入各种设备.但是该芯片价格比较贵,用于短距离无线传输也不是很合理.
方案二:
经典LC收发电路.
设计要求发射频率在30-40MHz,故系统所受干扰一般很小,完全可以不进行FSK调制.因此可以用LC电路来发射接收信号.此外该收发电路一般结构灵巧,易于调试.而且电路设计方案成熟,完全能够实现此种短距离的无线呼叫.
对两种方案进行比较,用简单的射频电路明显有诸多优势,故采用之.
2.4控制方式的选择
本设计主要用于短距离无线呼叫,而且语音及数字信号都能够传输,数字信号要求能够显示.所以系统对控制系统要求比较高.
方案一.采用FPGA进行控制.由于要用到液晶显示等许多外围设备,用FPGA不易实现.
方案二.用单片机进行控制:
由于该题的控制部分主要用于控制语音信号的传输,因此其稳定性,安全性必须得到保证.单片机的选择尤为重要.
德州仪器公司的MSP430型单片机是一种超低功耗微处理器，通过16位RISC系统，16位CPU集成寄存器和常量发生器来获得最大代码效率。
其典型应用就是就是采集模拟信号，转换成数字信号，传送到主机系统进行处理。
为了MSP430单片机系统运行的稳定性及更好的消除外界干扰，可对输入信号进行光耦隔离采样。
可直接利用I/O口模拟液晶的读写和控制时序，成功地驱动MGLS240X120的点阵式液晶，控制字符，图形以及汉字的显示。
实际中可将信号由A/D端口采样输入，经过数据处理后在液晶面板上实时显示出来并同步刷新。
MSP430系列单片机可以利用IAR公司的WORKBENCH和C-SPY编译，直接下载到片内FLASH内存，脱机运行。
支持汇编和C语言的编程。
其功能全面，使用方便,安全可靠。
明显的应该选用MSP430型单片机进行控制.
二.方案论证
1.总体框图
该系统设计的关键主要为单片机MSP430的使用.首先收发两模块各有一个控制部分.发射端的控制部分通过键盘输入来选择工作模式和传输信道.
芯片开始工作时都处于语音传输状态,需要数据传输业务时,通过键盘控制可使接收控制部分收到一中断代码,从而整个系统开始数据传输.
信道的任意选择也是通过键盘给单片机发出指令来实现的,主站选择某一信道进行传输操作时,从站的控制部分立即给予响应,使得接收芯片能够收到该信道上的所有信息.
从站接收到信号时,若为语音信号立刻由耳机处输出,若为数字信号则在液晶上显示所传输的英文短信内容.
由此可见,此设计方法能够实现题目的所有要求.整个框图如下示:
图1系统总框图
2.收发模块;
采用简单射频电路收发信号时,可使收发两端都具有收发电路,而主从站可通过单片机的控制来区别.
图2发射芯片内部框图
另外其内部的VCO作为本机振荡器使用它与混频器交从LNA放大的RF信号转变为455KHz的中频信号,芯片外接一陶瓷滤波器可提高信道选通性.
RSSI不断检测接收信号的强度从而调整接收有效信号RV的状态.
最后基带信号通过QDEM与一外接的LC回路解调.
图3接收芯片内部框图
综上所述,整个方案完全可行.电路的收发部分均采用常用的标准接法。
由于该系统为高频线路,从而使各部分的具体电路设计变得尤为很重要,电路布局必然要谨慎为之.
第三章.电路设计与参数确定:
1.收发部分:
为更好了解收发信号的过程,将电路中的收发部分分开说明:
图4信号发射部分电路
上述电路实际工资是一个调频无线话筒.前部分为音频放大器,后一部分为高频放大器.
当音频信号经电容耦合到后面的三极管基极时,改变振荡器频率,产生所需的调频信号,经天线发射到空中.从而实现发射功能.
图5信号接收电路
上图中LM386和电容器共同组成低频放大电路.
天线所接收到的信号经三极管,两个电感线圈组成超再生检波电路,进行检波.检波后的音频信号,经电容耦合到低频放大器,再经电容耦合到扬声器而发声.
上述收发电路外加功率放大器,限幅比较器,从而达到较为理想的收发效果.
2.控制部分
采用的MSP430单片机是16位型的,因此短信数据信息传输时可连续传输两个字节.可以保证数字信号的正常传输.
控制部分各指令的下达是通过键盘来进行的.通过按键编码从而可以随意选择所要传输的信道.通过键盘同样可以对传输短信数据信号与语音信号进行选择.
当传输短信数据信号时,液晶屏可显示所有传输内容.传输的内容为英文短信,MSP430对所传送的所有字母进行编码,存放在所编程序里,当接收端收到信号时,此部分控制只需对其进行译码既可.
当选通某一信道时,单片机可立即驱动液晶屏,使其显示该信道的收发频率.从而让我们可以轻易了解发射机的发射频率
3.衰减器:
采用∏型衰减器
其设计如下
图6衰减器电路
上图中输入输出各有50欧的输入输出阻抗
其余三个电阻分别用精密电阻来调节.
R1=R3=61.1欧姆R2=247欧姆
该衰减器的衰减效果用EWB模拟图如下所示:
图7衰减效果图
四.调试测量
1.基本要求:
（1）.测量其发射频率:
38MHz
（2）.峰值发射功率:
在天线处接一50欧姆假负载
此时功率为16mW
（3）.射频信号的带宽
调制方式为FM调制
（4）.耳机接收测试:
当从站电源接通时,耳机正常输出语音信号.
（5）.衰减测量:
传送信号为300Hz-3400Hz的正弦波,去掉收发天线,用一功率衰减为20dB左右的衰减器连接主从站天线端子,用示波器观察从站耳机的接收波形.发现接收到的波形无明显失真.
（6）.主从站的收发天线采用拉杆天线,其长度为10cm.
2.扩展要求：
（1）.主从站最大清晰通信距离:
50m
（2）.从站点的任意选择进行信息传输:
各从站的收发频率各不相同,当需要选通某一信道时,通过键盘编码使单片机接收到信道变换指令,进入信道选择模式,MSP430适时接通发射频率在此信道上的从站.从而构成了一点对多点的单工无线呼叫系统.
总结
该芯片以MSP430型单片机为控制核心部件,利用汇编语言编写代码,实现语音与数据信息的正确传输.因此本系统具有很高的可靠性与安全性.
本系统在用单片机控制时,为使更加清晰地了解所选通信道的情况,加入了发射频率显示部分,通过液晶屏显示发射频率的数值.
信号的收发部分采用经典接法,发送频率也非常稳定,调试方法也非常简单有效,为主从站的信息连接作了重要支持.
经过精心调试,各项基本指标已达到要求.虽然英文短信可以发送,但是在接收时没能得到设想中的译码.因此系统的短信数据传输业务不能正常实现.
参考文献：
1.MSP430汇编，连接和库编程指南
2.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例魏小龙编著
3.无线接收发射应用集成电路手册赵负图主编
4.高频电子线路阳昌汉主编
附录:
控制部分汇编程序设计
GENERALDEFINITIONS-
BYTEEQU1;8BITS
WORDEQU2;16BITS
PORTDEFINITIONS;|DEFAULTOUTPUTVALUES
P1OUT_DEFAULTEQU000H
P2OUT_DEFAULTEQU000H
P3OUT_DEFAULTEQU000H
P4OUT_DEFAULTEQU000H
P5OUT_DEFAULTEQU007H;P5.0,P5.1,P5.2=1
P6OUT_DEFAULTEQU0FFH
;|SELECTPORTDIRECTION-0=INPUT,1=OUTPUT
;ALLUNUSEDPINSSETTOOUTPUTTOREDUCECURRENTCONSUMPTION
P1DIR_DEFAULTEQU0FFH;P1OUTUSEDFORLED1~LED8
P2DIR_DEFAULTEQU0E0H;P2.0~P2.4USEDFORKEYIN,PIN
P3DIR_DEFAULTE
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