基于CXA1019的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) - 全文

以收音芯片CXA1019 為核心， 巧妙結(jié)合編碼技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高靈敏度的無(wú)線傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特色在于將高靈敏度的收音技術(shù)與數(shù)字技術(shù)相融合，使系統(tǒng)具有性能優(yōu)良、造價(jià)低廉、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，能很好地滿足各種常規(guī)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸需求。

　　隨著社會(huì)生活和生產(chǎn)領(lǐng)域自動(dòng)化和智能化程度的不斷提高， 各種智能控制和采集系統(tǒng)已在環(huán)境監(jiān)測(cè)、工農(nóng)業(yè)控制、安防等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用， 其中高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸是保障系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的先決條件。與傳統(tǒng)的硬接線傳輸方式相比， 無(wú)線傳輸因具有距離遠(yuǎn)、成本低、維護(hù)方便、安裝簡(jiǎn)單和配置靈活等優(yōu)點(diǎn)而備受青睞。目前無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方案多采用專用數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)， 這些專用模塊具有功能多樣、技術(shù)成熟、易于使用等優(yōu)點(diǎn)， 但一般來(lái)說(shuō)價(jià)格較高。當(dāng)需要大量布設(shè)節(jié)點(diǎn)時(shí)采用專用模塊的系統(tǒng)造價(jià)會(huì)大大提高， 難以滿足低成本、多節(jié)點(diǎn)應(yīng)用環(huán)境下的用戶需求。

　　基于這一點(diǎn)， 本文提出了一種基于CXA1019 的低成本無(wú)線數(shù)傳方案， 主要面向數(shù)據(jù)量小、節(jié)點(diǎn)數(shù)多、成本敏感的無(wú)線傳輸需求。該方案將傳統(tǒng)的收音技術(shù)與現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)相結(jié)合， 在保留CXA1019 靈敏度高、調(diào)節(jié)方便、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上， 通過(guò)編碼器件和單片機(jī)功能擴(kuò)展， 實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)的無(wú)線傳輸。CXA1019 是一款性能優(yōu)良的收音芯片， 但缺點(diǎn)是無(wú)法進(jìn)行數(shù)字通信， 如何基于CXA1019 實(shí)現(xiàn)數(shù)字?jǐn)U展是本文的研究重點(diǎn)。

　　無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩部分組成。發(fā)射部分結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單， 由分立元件搭建， 采用AM 調(diào)制方式。

　　接收部分的核心是CXA1019 芯片， 配以必要的外圍電路。由于設(shè)計(jì)中僅利用到了CXA1019 的放大、混頻和濾波功能， 其他隸屬收音功能的各種繁雜電路皆可省去，從而電路結(jié)構(gòu)得以大大簡(jiǎn)化。編碼和解碼芯片采用PT2262 和PT2272 ， 使用編解碼既保證了數(shù)據(jù)通信可靠，還能利用編解碼芯片的地址設(shè)置功能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信。整個(gè)系統(tǒng)由分布于不同位置的多個(gè)從節(jié)點(diǎn)和一個(gè)主節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。為驗(yàn)證系統(tǒng)功能， 各節(jié)點(diǎn)均設(shè)置了一個(gè)溫度傳感器DS18B20 ， 主節(jié)點(diǎn)定時(shí)與從節(jié)點(diǎn)通信獲取現(xiàn)場(chǎng)溫度。

　　系統(tǒng)拓?fù)浜凸?jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1、圖2 所示。

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　　1 接收電路

　　接收電路包括射頻前端和數(shù)字處理兩部分， 下面分別予以介紹。

　?。?） 射頻前端

　　射頻接收的一般結(jié)構(gòu)應(yīng)包括天線、預(yù)選濾波器、低噪放大器、混頻器和中頻濾波器， 如果每一部分都獨(dú)立設(shè)計(jì)， 則不僅設(shè)計(jì)調(diào)試的難度和工作量很大， 成本也會(huì)較高。本文利用CXA1019 的內(nèi)部電路， 配以少許外部元件， 不但完全實(shí)現(xiàn)了射頻接收的功能， 而且簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，節(jié)省了時(shí)間和造價(jià)兩方面的設(shè)計(jì)開(kāi)銷。

　　CXA1019 是日本索尼公司研制的單片大規(guī)模收音電路， 因其集成度高、外圍元件少、性能優(yōu)良， 在我國(guó)相當(dāng)流行， 廣受歡迎的“ 德生” 收音機(jī)內(nèi)部多數(shù)采用了這款芯片[ 2]。CXA1019 包括了AM/FM 收音機(jī)從天線輸入、高放、混頻、本振、中放、檢波直至音頻功放的全部功能。

　　圖3 所示為CXA1019 調(diào)頻電路部分（ 圖中檢波解碼部分是本設(shè)計(jì)的擴(kuò)展） 。

采用CXA1019 調(diào)頻收音時(shí)， 無(wú)線信號(hào)經(jīng)帶通濾波器濾除87 MHz~109 MHz 以外的信號(hào)， 進(jìn)入12 腳進(jìn)行高頻放大。接收機(jī)設(shè)計(jì)中第一級(jí)放大器是關(guān)鍵，CXA1019 內(nèi)置的低噪聲高放性能優(yōu)異， 保證了系統(tǒng)具有較高的靈敏度。放大后的信號(hào)與本振混頻產(chǎn)生10.7 MHz 的中頻信號(hào)。在正常收音模式下（ 如圖中虛線所示） ， 該中頻信號(hào)經(jīng)10.7 MHz 陶瓷濾波器選頻后接至17 腳， 在內(nèi)部鑒頻、檢波和音頻放大， 最后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。

　　由以上分析可以做一設(shè)想： 如果有一ASK （ 振幅鍵控） 信號(hào)， 載頻在87 MHz~109 MHz 之間， 則這個(gè)信號(hào)可以通過(guò)帶通濾波器進(jìn)入高放和混頻電路。通過(guò)調(diào)節(jié)本振， 可以在陶瓷濾波器輸出端獲得10.7 MHz 的ASK 信號(hào)， 此信號(hào)仍保留著原始的調(diào)制信息， 只是載頻有所降低， 這正是希望得到的中頻ASK 信號(hào)。對(duì)這個(gè)信號(hào)再做檢波和解碼處理， 即可得到所需的數(shù)字信號(hào)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 這個(gè)設(shè)想是可行的。

　　具體設(shè)計(jì)如圖3 所示。改造方法十分簡(jiǎn)單， 在原CXA1019 調(diào)頻電路的基礎(chǔ)上， 斷開(kāi)10.7 MHz 濾波器與17 腳的連接， 將濾波器的輸出接至后面的檢波電路。

　　CXA1019 的其他功能如中波和短波接收均未用到， 與之關(guān)聯(lián)的電路皆可省去， 使設(shè)計(jì)和調(diào)試的任務(wù)大大減輕。

　　實(shí)際調(diào)試時(shí)要注意適當(dāng)調(diào)節(jié)高放和本振的兩個(gè)調(diào)諧回路， 同時(shí)觀察陶瓷濾波器的輸出， 盡量使輸出幅度最大，噪聲和失真最小。

　　2 發(fā)射電路

　　待發(fā)送的信號(hào)首先通過(guò)PT2262 編碼生成脈沖串，然后調(diào)制高頻振蕩器產(chǎn)生ASK 信號(hào)經(jīng)天線發(fā)射出去，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。數(shù)字信號(hào)控制發(fā)射管基極導(dǎo)通與關(guān)斷， 從而使振蕩器輸出振幅隨調(diào)制信號(hào)的變化而在最大值和零值兩種狀態(tài)間變化， 即得到所需的ASK 信號(hào)。振蕩器接成克拉潑形式， 采用聲表面波器件SAW 穩(wěn)頻。

　　SAW 工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)， 使電路具有很高的穩(wěn)定性。

　　振蕩器工作頻率計(jì)算公式為：

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　　本設(shè)計(jì)將振蕩頻率設(shè)定在90 MHz 。

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　　3 編解碼電路

　　無(wú)線通信易受干擾影響， 需要采用編解碼技術(shù)提高檢錯(cuò)和容錯(cuò)能力， 保證數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)采用PT2262/PT2272 完成編解碼功能。PT2262/PT2272 是一對(duì)帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的無(wú)線發(fā)射接收芯片。發(fā)射時(shí)（ 見(jiàn)圖4） 單片機(jī)將數(shù)據(jù)送至PT2262 數(shù)據(jù)引腳（7、8 、10-13） ， 置14 腳為低電平啟動(dòng)發(fā)射， 由17 腳輸出串行脈沖信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)。解碼時(shí)（ 見(jiàn)圖5 ） ， 來(lái)自10.7 MHz 濾波器的ASK 信號(hào)先經(jīng)VD、C1、R2檢波， 再通過(guò)LM358 放大后送入PT2272 的解碼輸入14 腳。解碼成功時(shí)VT 由低變高， 解碼后的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)引腳上供單片機(jī)讀取。需要注意的是， 發(fā)射和接收芯片地址碼設(shè)置必須相同，PT2272 對(duì)收到的信號(hào)要進(jìn)行2 次地址比對(duì)， 只有地址正確才有有效數(shù)據(jù)輸出。

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　　4 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

　　為驗(yàn)證系統(tǒng)功能， 將溫度數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源， 溫度數(shù)據(jù)的采集由DS18B20 實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心， 其任務(wù)主要有3 個(gè)： （1） 控制DS18B20 定時(shí)采集溫度數(shù)據(jù)； （2） 控制數(shù)據(jù)收發(fā)； （3） 驅(qū)動(dòng)鍵盤和顯示電路， 實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互（ 只有主節(jié)點(diǎn)具備該功能） 。出于實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑔纹瑱C(jī)選擇常用的AT89S51， 但實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)選擇低功耗的單片機(jī)， 以保證電池供電條件下能持久工作。

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整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) 采用一主多從的結(jié)構(gòu)， 主從通信協(xié)議是半雙工的查詢方式。主節(jié)點(diǎn)定時(shí)輪流向各節(jié)點(diǎn)發(fā)出含有節(jié)點(diǎn)地址碼的查詢命令。每個(gè)從節(jié)點(diǎn)都編有不同的地址， 從節(jié)點(diǎn)僅對(duì)與自身地址相符的命令作出回應(yīng)， 將采集的溫度數(shù)據(jù)發(fā)回主節(jié)點(diǎn)。采用查詢方式避免了節(jié)點(diǎn)間通信的沖突現(xiàn)象， 而且協(xié)議簡(jiǎn)單， 易于實(shí)現(xiàn)。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用， 查詢方式足以滿足要求。系統(tǒng)軟件流程如圖6、圖7 所示。

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圖6 主節(jié)點(diǎn)查詢接收流程圖

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圖7 從節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

　　本文提出的CXA1019 與數(shù)字技術(shù)相結(jié)合的無(wú)線傳輸方案具有較高的性價(jià)比和一定的實(shí)用價(jià)值， 特別適于節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、成本要求低、數(shù)據(jù)傳輸量不大的應(yīng)用場(chǎng)合。

　　經(jīng)實(shí)測(cè)， 制作的實(shí)驗(yàn)電路在80 m 內(nèi)無(wú)障礙物的條件下數(shù)據(jù)正確率為100%。如果對(duì)電路進(jìn)一步優(yōu)化， 可以擴(kuò)展通信距離， 優(yōu)化措施主要有： （1） 加大發(fā)射功率； （2） 調(diào)整發(fā)射與接收端的天線匹配電路至最佳狀態(tài)；（3） 采用FSK等抗干擾能力更強(qiáng)的調(diào)制方式。另外， 改進(jìn)制作工藝， 合理化布局布線， 也是提高性能的重要手段。

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