2020年03月06日 | 单工无线呼叫及数据传输系统的设计与实现

简介：本文基于ATMEGA16L单片机实现一个具有单工语音和数据传输功能的无线呼叫系统。通过编码电路、单片调频发射电路和高频功放电路实现主站的语音及数据发送；通过解码电路、调频解调和语音功放电路实现从站的语音及数据接收。编码和解码用MSK调制方式的调制解调芯片MSM6882实现；主从机的显示电路采用LCD液晶显示，输入电路则采用PS2键盘扫描。

一、概述

目前，无线语音和数据通信的应用领域不断扩大，应用形式也趋于多样化。如移动通信系统、智能交通系统、远程控制网络等。本设计完成了一个单工无线呼叫系统，实现主站至多个从站的单工语音及数据传输业务。主站传送一路语音信号或短信，其发射频率为36MHz,发射峰值功率可调，实现小功率远距离发射，可选择对任一从站的呼叫或广播功能。短信发送和接收采用黑白屏LCD显示，支持中文字符显示，支持图形方式显示，支持高速率自动屏幕刷新，带有冷背光功能，可以在黑暗中查看屏幕，界面友好。

能方便的应用于短距离通信，如小区通信或办公通信或广播系统。稍加改进即可完成半双工和双工通信，扩大其应用范围。

二、系统设计

本设计分为数据编码与解码模块、无线发射模块、无线接收模块和控制模块。数据编码与解码模块采用最小频移键控（MSK）调制方式，数据调制解调器芯片MSM6882与控制部分串口通信，实现数据在数字信号与模拟信号之间的相互转换。无线发射模块采用MC2833单片调频电路。无线接收模块由MC3362二次变频解调电路完成。控制部分采用单片机ATMEGA16L完成，进行数据通道的选择控制、呼叫地址和方式的控制、键盘的输入控制和数据的显示和存储功能。系统框图如图1所示：

图1 系统整体框图

三、系统硬件设计

1、无线发射模块的设计

本设计的发射部分以MOTOROLA公司生产的MC2833单片调频发射集成电路为核心，它由话筒放大器、可变电抗器、射频振荡器、输出缓冲器以及两个辅助晶体管构成。具体电路如图2所示：

由于本系统工作在36MHz的频率点， 我们用12MHz晶体作为基波晶体，L1用于补偿调制器的电抗和对输出频率进行微调，取4.7uH.调制信号从3脚加入进行频率调制。振荡器输出频率经缓冲放大和外部选频网络三次倍频后，再经内部Q1、Q2放大器由9脚输出。即输出射频为36MHz.LC选频网络的参数可由计算求得。

如果要加大发射功率，可选用AD公司研制的低噪声，高频带宽度，稳定性好的可变增益运放AD603.

2、无线接收模块的设计

无线接收机的功能是能成功解调出所需的信号。

同时接收机的设计还要考虑把成本降到最低和功耗降到最小。Motorola 公司推出的单片集成调频接收芯片MC3362,具有噪声低、功耗小、镜像选择性好、动态范围宽的特点。MC3362芯片含有二次变频的所有电路，其工作电压可在2.0V-6.0V较宽范围内。工作原理是天线接收到的RF信号经输入匹配回路放大输出后，再和第一本振信号在片内第一混频器中混频，变频到10.7 MHz,并经接于19端的陶瓷滤波器滤波，送至第二混频器的输入端（18端）， 第一混频器输出的10.7MHz和第二本振的10.245 MHz信号，在片内进行第二混频，得到455 kHz的第二中频信号，并经接于5端的455 kHz陶瓷滤波器选频后接到限幅器，经限幅和和移相乘积鉴频后得到的音频信号在13端上输出。14、15端中间接有一个比较器，用以检测FSK调制的过零点。解调以后的数据信号在l5端输出。

第一本振频率为36M-10.7M=25.3M,由LC振荡回路组成，在精度要求高的情况下采用锁相环电路；第二本振频率为10.7M-0.455M=10.245M,由外接晶体和振荡电容构成，通过改变振荡电容可调节第二本振频率。

12脚接的中周进行调谐。具体电路如图3所示。

3、编码与译码模块的设计

调制解调器的调制方式主要有频移键控（ FSK）、相对相移键控（DPSK）等，其中最小频移键控（MSK）调制方式是FSK方式中较好的一种。我们采用了日本OKI公司生产的MSK（最小频移键控）编码调制解调芯MSM6882.该器件内含接收、发送和时钟产生电路，且数据传输波特率可在1200bps和2400bps中选择。芯片集成了调制解调两种功能，且采用模拟串口的数据传送方式，内部自带时钟，单片机资源占用少，接口设计容易，系统稳定性高。

在本次设计中，使用3.6864MHz的晶振，考虑到数据传输量较小，无线信道易受到干扰，为了保证正确传输所以数据传输波特率选用1200bps.在这个模式下MSM6882的ST引脚产生1.2kHz的方波，在上升沿锁存SD引脚的数据，并进行调制。将1调制为1.2kHz的正弦波，将0调制为1.8kHz的正弦波。在接收从站，我们使用与主站相对应的模式以使数据能够正确接收，从Ai引脚输入调制信号，数据从RD输出，引脚RT输出。

1.2kHz的方波作为接收同步时钟，在下降沿输出数据。MSM6882的应用接线图和原理图如图4、5所示。

四、软件设计

本设计采用Atmel公司的mega16L单片微处理器，内部集成了十位的A/D转换器，1KB的片内RAM.流水线工作方式，指令执行速率快。内部资源丰富，方便输入输出数据。算术运算功能强、软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。使用8MHz时钟频率能够满足本次1.2kbs的数据传输和处理的要求。软件开发平台采用CodeVisionAVR ,使用C语言，用AVR Studio 4进行软件调试。程序主要包括键盘和液晶的驱动，EEPROM的存储，发送和接收，校验和防干扰。

程序框图如下所示：

图6 发射机流程图

图7 接收机流程图

发送端启动模拟通道后， 将液晶复位并初始化MSM6882.语音业务则关闭数字调制器，若为数据短信，则启动数字调制和键盘解码，通过液晶可显示编辑的信息和发送模式，既可选择任一从站， 也可进行广播， 确认后经发送键发送。为了方便应用， 短信内容将写入ATMEGA16L的EEPROM中进行保存，每次上电复位后都可以调出EEPROM中的数据。

接收端与发射端以相同模式进行接收， 初始化后， 经地址识别判断业务后， 若为语音则打开扬声器， 若为短信则进入接收中断服务程序： 在接收同步时钟的下降沿接收数据， 从同步码后一位开始接收并保存， 当接受完一帧数据经校验无误后进行显示。若校验有误则跳出该子程序， 继续执行其它程序。

五、结果分析

本设计采用ATMEGA16单片机实现外围电路简单实用，抗干扰性能强，能准确传输语音和数据信号的系统。经测试后语音和数据可在发射功率为3mW时能准确的传输10米以上，可寻呼任意从站或广播，且本设计掉电后仍有记忆存储功能，并可实现功率在20mW范围内可调。本设计的创新点在于用单片数字调制解调芯片完成了数据传输，并实现了语音小功率远距离传输。