聲表面波諧振器穩(wěn)頻的無線數(shù)字通信模塊設(shè)計＊

鄭忠楷，羅志灶，蔣學(xué)程

（閩江學(xué)院 物理學(xué)與電子信息工程系，福州 350108）

引 言

在許多現(xiàn)代的電子設(shè)計制作中單片機(jī)已經(jīng)普遍應(yīng)用，然而單片機(jī)之間的通信依然存在著許多不便。常見的有串口通信、SPI總線、I2C總線、單總線等等，雖然所需線數(shù)越來越少，但這些連接畢竟都是建立在有線連接的基礎(chǔ)上，基本上都需要共地連接，而在很多場合不允許共地（如電力系統(tǒng)檢測）［1］，有的場合不允許布線（如車輛的剎車和碰撞加速度實驗、數(shù)字遙控）。這時就需要一種能夠進(jìn)行無線數(shù)字信號傳輸?shù)碾娐贰?/p>

1 設(shè)計目的與要求

采用無線數(shù)字傳輸模塊如（nRF905、nRF401）固然能夠滿足高速率、大數(shù)據(jù)量的數(shù)字信號無線傳輸，但是其固有地址編碼和通信模式控制，多數(shù)采用SPI總線完成。對于有內(nèi)部集成SPI接口的單片機(jī)而言，至少占用3個引腳來完成SCK、MOSI、MISO［2］的功能；對于沒有內(nèi)部集成SPI接口的單片機(jī)，還需要通過軟件模擬SPI接口［3－4］。這樣造成了單片機(jī)的引腳和內(nèi)部程序空間的浪費(fèi)。同時數(shù)字傳輸模塊的價格在低成本模塊設(shè)計時也是一個要考慮的問題。因此有必要自行設(shè)計一個簡單的無線數(shù)字通信模塊，并且該模塊應(yīng)該可以使用單片機(jī)都具有的通用串口（UART）完成模塊與單片機(jī)的通信。

2 電路設(shè)計

2.1 載波的選取與產(chǎn)生

根據(jù)我國《微功率（短距離）無線電設(shè)備管理暫行規(guī)定》中關(guān)于民用設(shè)備的無線控制裝置的頻率要求，同時綜合建筑物穿透能力、傳輸距離與器件是否方便獲取等因素，選取了315MHz作為本設(shè)計的載波頻點。315MHz可選的穩(wěn)頻網(wǎng)絡(luò)有LC振蕩器、晶體振蕩器、聲表面波諧振器（SAWF）等。其中LC振蕩器Q值最小可用帶寬相對較大，但是其頻率穩(wěn)定度受到元器件參數(shù)的影響較大，這給調(diào)試與使用帶來很大的不便。晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度高，但是高頻的晶體振蕩器加工存在著一定的困難。

聲表面波諧振器是用石英晶體或壓電陶瓷作為基底，在其上鍍有叉指換能器（IDT）和反射柵，產(chǎn)生聲信號的時間延遲或振蕩，構(gòu)成聲表面波延遲線或諧振器。其通過壓電材料選取和叉指換能器等參數(shù)設(shè)計，可產(chǎn)生不同的聲表面波頻率特性，是一種濾波器件［5］，其振蕩特性正好滿足設(shè)計要求。

2.2 調(diào)制與發(fā)射電路的設(shè)計與調(diào)試

由于使用的是聲表諧振器（Q值較高）的振蕩電路輸出作為載波，同時為了在使用串口直接輸出時調(diào)制方便，兼顧接收解調(diào)電路在這里采用的是OOK調(diào)制方式。設(shè)計的要求就是：當(dāng)單片機(jī)串口TXD輸出高電平的時候電路振蕩；當(dāng)其輸出低電平的時候電路停振。

可以采用如圖1所示的發(fā)射電路。電路中L1為高頻扼流圈，R1、R2為偏置電阻，C1為交流旁路電容，天線在諧振狀態(tài)下可以等效為一個純阻負(fù)載。

發(fā)射電路的交流等效電路如圖2所示。其中R1是天線等效負(fù)載。L1、C1、C2與Q1當(dāng)SAWF交流短路時組成電容三點式振蕩回路，回路振蕩頻率在其特征頻率附近，通過改變L1的匝徑與匝間距可以使LC振蕩回路落在315MHz頻率附近。這樣就滿足了起振的相位條件，振蕩的幅度條件由晶體管的非線性特性保證。這時，選頻網(wǎng)絡(luò)包括了SAWF，因為只有頻率在315MHz時SAWF才表現(xiàn)為高頻短路，即把電容C1的反饋電壓送入晶體管Q1的基極。只有在TXD端高電平的時候以上條件才完全滿足；當(dāng)TXD為低電平時，晶體管Q1截至，電路停振，而這正是我們需要的OOK調(diào)制形式。

圖1 發(fā)射電路

圖2 發(fā)射電路的交流等效電路

圖3 MICRF002內(nèi)部電路

調(diào)試電路時，由于儀器限制，很多時候很難調(diào)整L1的匝徑與匝間距等參數(shù)。這時可以接TXD為高電平，通過短接SAWF，暫時略去其選頻功能，直接調(diào)整L1參數(shù)與后面即將提到的接收機(jī)這樣只有L1、C1、C2振蕩在315 MHz時接收電路才會有輸出，達(dá)到了調(diào)整L1參數(shù)的目的。

2.3 接收與解調(diào)電路的設(shè)計與制作

因為遙控與無線數(shù)據(jù)通信不同，遙控信號中信息量少并且可以使用脈寬編碼調(diào)制等方式使用超再生接收電路，目前實際使用的很多遙控器電路都是使用超再生接收機(jī)的。

但是，超再生電路由于其靈敏度和間歇振蕩頻率的關(guān)系決定了間歇頻率在幾十到幾百kHz左右，可用數(shù)字帶寬極小，這樣就造成了數(shù)據(jù)傳輸率的低下。所以，在本設(shè)計中采用超外差電路的方法。超外差電路需要本振、混頻、低通、低放、檢波、整形等環(huán)節(jié)，如果采用分立元件搭接，電路復(fù)雜調(diào)試不便，在此采用 Micrel公司的 MICRF002集成芯片完成一體化的超外差接收，直接完成接收、OOK解調(diào)的功能。MICRF002內(nèi)部電路如圖3所示［6］。

圖3內(nèi)部集成有射頻放大模塊，天線接收信號后與外接晶振倍頻后的本地振蕩混頻，經(jīng)一級中頻放大后經(jīng)過五階帶通濾波，再由第二級中頻放大、峰值檢波、低通濾波、比較整形一系列操作得到所需數(shù)字信號。所有這些電路均集成為一塊芯片，外部僅需3個分立元件：AGC匹配電容、低通濾波電容、晶振。當(dāng)使用6MHz晶振的時候RC低通濾波的內(nèi)部等效電阻約為118kΩ［6］，取低通濾波的頻率上限為9.6kbps的10倍，即96kHz，得到τ＝1／96 kHz＝RC，可知C取100pF。接收電路如圖4所示。

因為接收電路極其簡單，基本無需調(diào)試。所以，在接收電路制作完成后，前面提到的發(fā)射電路可用它來調(diào)試L、C參數(shù)。

圖4 接收電路

3 實驗結(jié)果與分析

該系統(tǒng)可直接利用單片機(jī)片上UART完成通信，具有元器件簡單、調(diào)試方便、占用單片機(jī)接口線少、節(jié)約程序空間等優(yōu)點。在資助課題“基于電流刺激模型的新型電刺激儀”中電針遙控的實際應(yīng)用場合測試，該系統(tǒng)在80m左右能很好地使用4.8kbps完成無線數(shù)字通信，在9.6kbps下接收存在著較低的誤碼率。其原因是接收端低通濾波參數(shù)仍不夠9.6kHz的信號帶寬使用造成的，但可使用奇偶校驗、CRC校驗等方式予以克服。經(jīng)多個應(yīng)用實例檢驗，本電路均能很好地完成單片機(jī)無線數(shù)字通信的任務(wù)，同時具有軟硬件資源占用少、調(diào)試基本無須高頻設(shè)備的優(yōu)點。

［1］趙文濤，王志霞，李曉磊.射頻芯片nRF401在變電站無線通信中的應(yīng)用［J］.自動化儀表，2005，26（7）：27－29.

［2］高章飛，朱善安.基于單片機(jī) MSP430和nRF905的無線通信模塊［J］.機(jī)電工程，2006，23（2）：39－43.

［3］蔣博.nRF905的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置，2006（3）：59－60.

［4］肖志勇，楊小玲，李光泉.基于nRF905芯片的無線傳輸設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機(jī)與現(xiàn)代化，2005（9）：121－126.

［5］趙路明，趙啟大，廖繼平，等.聲表面波諧振型氣體傳感器的研究［J］.南開大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，43（1）：66－70.

［6］Micrel Inc.ICRF002＿datasheet.［EB／OL］.［2011－10］.http：／／www.micrel.com／＿PDF／micrf002－022.pdf＃page＝1.