基于STC12C5A60S2多功能通信開發(fā)板設(shè)計(jì) - 全文

　　引言

　　隨著通信技術(shù)日新月異，無線通信應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，如無線遠(yuǎn)程家庭防盜系統(tǒng)、無線車載終端智能防盜系統(tǒng)、無線溫度采集系統(tǒng)、短距離無線藍(lán)牙系統(tǒng)、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)等應(yīng)用。然而，一直以來，高校在教學(xué)中講解現(xiàn)代無線通信的多種應(yīng)用時(shí)，基本上都是停留在書本上的原理、理論，學(xué)生也只能很抽象地了解這些應(yīng)用案例；即使有機(jī)會(huì)接觸實(shí)際硬件時(shí)，但由于硬件平臺(tái)要求學(xué)生的知識(shí)起點(diǎn)很高，大部分學(xué)生也只能是看看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，不能很好地掌握它。出現(xiàn)這種情況有以下原因：通信技術(shù)變化太快，新的技術(shù)不斷涌現(xiàn)，而學(xué)校的很多硬件設(shè)備都是停留于5年前甚至10年前，更新太慢；可能有部分學(xué)校購置了最新的無線通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，但是由于沒有考慮這些新的設(shè)備是否適合相關(guān)專業(yè)學(xué)生的接受能力，所以教學(xué)效果不好，學(xué)生對(duì)知識(shí)的應(yīng)用僅僅停留在感性的認(rèn)識(shí)上。鑒于此，結(jié)合多年的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)歷，根據(jù)通信專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，自行設(shè)計(jì)了一套多

　　功能通信開發(fā)板（可以擴(kuò)展），用于專業(yè)綜合實(shí)踐、畢業(yè)實(shí)踐、創(chuàng)新實(shí)踐等課程；考慮到本專業(yè)學(xué)生先前學(xué)過51系列單片機(jī)，開發(fā)板CPU芯片選用STC12C5A60S2；利用開發(fā)板可直接完成以下綜合項(xiàng)目：基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的手機(jī)短信遠(yuǎn)程控制小燈；基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的溫濕度數(shù)據(jù)采集；基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的家庭防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)；基于nRF905的無線溫度數(shù)傳；多功能萬年歷設(shè)計(jì)（可以用無線按鍵控制實(shí)現(xiàn)）。另外，本多功能開發(fā)板有擴(kuò)展引腳，方便學(xué)生用于創(chuàng)新項(xiàng)目的開發(fā)。

　　1.STC12C5A60S2多功能開發(fā)板硬件設(shè)計(jì)

　　1.1多功能開發(fā)板硬件設(shè)計(jì)思路

　　隨著專業(yè)課的深入學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)新的通信技術(shù)應(yīng)用案例的要求，已經(jīng)從概念轉(zhuǎn)向?qū)嶋H項(xiàng)目的操作。設(shè)計(jì)開發(fā)板的目的是為了提高學(xué)生的動(dòng)手能力及編程、調(diào)試能力；通過設(shè)計(jì)完整的無線通信系統(tǒng)項(xiàng)目，讓學(xué)生更好地理解課堂中的理論與實(shí)際工程應(yīng)用的關(guān)系。設(shè)計(jì)的多功能開發(fā)板功能框圖如圖1所示。

　　1.2多功能開發(fā)板

　　設(shè)計(jì)的開發(fā)板硬件實(shí)物圖如圖2所示，具有以下功能：

　　（1）手機(jī)短信遠(yuǎn)程控制開發(fā)板LED燈亮滅；

　?。?）開發(fā)板可以接聽電話；

　?。?）開發(fā)板將采集數(shù)據(jù)（如溫濕度）發(fā)送至服務(wù)器、手機(jī)；

　　（4）基于nRF905的無線溫度數(shù)據(jù)采集（任意兩個(gè)開發(fā)板，其中一個(gè)開發(fā)板（受控）進(jìn)行溫度采集，并將數(shù)據(jù)通過nRF905傳給另一個(gè)開發(fā)板（主控），溫度數(shù)據(jù)在（主控）開發(fā)板上顯示）；

　?。?）DS1302時(shí)鐘數(shù)據(jù)的讀取及其在LCD上顯示（可通過無線進(jìn)行控制）。

　　主要包括微控制器STC12C5A60S2芯片連接電路、SIM900A連接電路、nRF905連接電路、DS1302時(shí)鐘芯片連接電路、矩陣按鍵連接電路、M74HC595B1R芯片連接電路、MAX232連接電路、LCD12864顯示連接電路、電源電路等。下面選取其中的主要3種功能模塊進(jìn)行介紹。

　　1.2.1系統(tǒng)微控制器STC12C5A60S2

　　由于學(xué)生之前學(xué)過單片機(jī)相關(guān)理論及實(shí)驗(yàn)課，所以選取STC12C5A60S2芯片。它是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8~12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，這些特點(diǎn)保證了開發(fā)板可編制出高效率的程序。STC12C5A60S2硬件連接圖如圖3所示。

　　1.2.2SIM900A模塊

　　SIM900A是SIMCom推出的新款緊湊型產(chǎn)品，它屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式；SIM900A僅適用于中國市場(chǎng)，其性能穩(wěn)定，外觀精巧，性價(jià)比高；工作頻率為GSM/GPRS850MHz/900MHz/1800MHz/1900MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。利用SIM900A模塊，本開發(fā)板可實(shí)現(xiàn)GPRS遠(yuǎn)程控制功能；同時(shí)，利用STC12C5A60S2雙串口功能與電腦相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程服務(wù)器控制功能，如利用手機(jī)GPRS網(wǎng)絡(luò)，將遠(yuǎn)程端的采集數(shù)據(jù)發(fā)到指定的服務(wù)器上。SIM900A硬件連接如圖4所示。

　　1.2.3nRF905模塊

　　nRF905是挪威NordicVLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓為1.9~3.6V，32引腳QFN封裝（5×5mm），工作于433MHz/868MHz/915MHz三個(gè)ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于650μs。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，不需外加聲表濾波器，Shock?BurstTM工作模式，自動(dòng)處理字頭和CRC（循環(huán)冗余碼校驗(yàn)），使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11mA，工作于接收模式時(shí)的電流為12.5mA，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。nRF905適用于無線數(shù)據(jù)通信、無線報(bào)警及安全系統(tǒng)、無線開鎖、無線監(jiān)測(cè)、家庭自動(dòng)化和玩具等諸多領(lǐng)域。nRF905硬件連接如圖5所示。

　　1.2.4LCD12864模塊

　　1.2.5矩陣按鍵模塊

　　開發(fā)板矩陣按鍵電路如圖7所示。

　　1.2.6LED燈接口電路

　　為了節(jié)約硬件資源，LED燈通過M74HC595芯片與微控制器相連，LED燈接口電路如圖8所示。

　　2.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面主要包括SIM900模塊利用AT指令進(jìn)行短信收發(fā)和解析；nRF905無線模塊收、發(fā)設(shè)計(jì)；LCD12864時(shí)鐘顯示等，下面結(jié)合兩個(gè)通信模塊的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行講解。2.1SIM900軟件模塊及調(diào)試SIM900調(diào)試界面如圖9所示，下面介紹SIM900利用AT指令進(jìn)行短信收發(fā)和解析的主要模塊定義及注釋：

　　2.2nRF905軟件收發(fā)設(shè)計(jì)

　　nRF905發(fā)送流程分以下幾步：

　　（1）當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，通過SPI接口，按時(shí)序把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)送傳給nRF905，SPI接口的速率在通信協(xié)議和器件配置時(shí)確定；

　?。?）微控制器置高TRX_CE和TX_EN，激發(fā)nRF905的ShockBurstTM發(fā)送模式；

　　（3）nRF905的ShockBurstTM發(fā)送；

　?。?）AUTO_RETRAN被置高，nRF905不斷重發(fā)，直到TRX_CE被置低；

　?。?）當(dāng)TRX_CE被置低，nRF905發(fā)送過程完成，自動(dòng)進(jìn)入空閑模式。

　　nRF905的接收流程分為以下幾步：

　?。?）當(dāng)TRX_CE為高、TX_EN為低時(shí)，nRF905進(jìn)入ShockBurstTM接收模式；

　　（2）650μs后，nRF905不斷監(jiān)測(cè)，等待接收數(shù)據(jù)；

　?。?）當(dāng)nRF905檢測(cè)到同一頻段的載波時(shí)，載波檢測(cè)引腳被置高；

　?。?）當(dāng)接收到一個(gè)相匹配的地址，地址匹配引腳被置高；

　　（5）當(dāng)一個(gè)正確的數(shù)據(jù)包接收完畢，nRF905自動(dòng)移去字頭、地址和CRC校驗(yàn)位，然后把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳置高；

　?。?）微控制器把TRX_CE置低，nRF905進(jìn)入空閑模式；

　　（7）微控制器通過SPI口，以一定的速率把數(shù)據(jù)移到微控制器內(nèi)；

　?。?）當(dāng)所有的數(shù)據(jù)接收完畢，nRF905把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳和地址匹配引腳置低；

　　（9）nRF905此時(shí)可以進(jìn)入ShockBurstTM接收模式、ShockBurstTM發(fā)送模式或關(guān)機(jī)模式。

　　3.結(jié)語

　　為了讓通信專業(yè)的學(xué)生更好地掌握無線通信技術(shù)的應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)的多功能開發(fā)板具有實(shí)際工程應(yīng)用的價(jià)值，通過結(jié)合具體的項(xiàng)目開發(fā)流程，既提高了學(xué)生的C語言編程能力，又鍛煉了他們的工程項(xiàng)目素養(yǎng)，為畢業(yè)后從事相關(guān)技術(shù)研發(fā)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。