【正文】 自然，溫和的聲音讓工作人員避免了嘟嘟嘟的噪音騷擾，心情更放松。對病人及其家屬而言，不必在醫(yī)院大聲喧嘩地呼叫醫(yī)務(wù)人員，也不用親自走到護士房告 3 知護士，更不用在各個病房到處尋找護士。即使 病人在沒有家屬陪伴的情況下，也能及時呼叫得到護理。只需輕輕一按從機的按鈕，無論是在床上還是走廊，還是廁所，都能傳達(dá)呼叫的信號。護士只要在總機旁觀察就能看到呼叫的房間，呼叫的次數(shù)，按鍵回復(fù)便能立刻派 護士去查看和護理。該系統(tǒng)的設(shè)計主要分主機和從機兩部分，集無線 16 路 數(shù)據(jù)收發(fā)，液晶顯示，語音報警于一體，具有 施工快捷、簡單、故障率低、移動方便，使用無線呼叫器的病人 ， 無需四處張望尋找，也無需高聲喊叫，只需輕松地按一下呼叫器的按鈕，所需要的服務(wù)就會得到及時的解決 。 優(yōu)雅、安靜、舒適的環(huán)境無不令人向往；低功耗，微型化，環(huán)保 、美觀，高效的無線通信系統(tǒng)在醫(yī)院等方面的應(yīng)用將越來越備受人們的關(guān)注。 本論文的主要內(nèi)容 本文設(shè)計主要是通過 MAX 公司生產(chǎn)的 MAX7044 和 MAX7033 來實現(xiàn) 發(fā)射和超外差式接收 電路， PT2262 對信號進行編碼，通過無線傳輸，再通過 PT2272對收到的信號進行解碼，單片機對信號進行處理， 相應(yīng) 的信息通過液晶顯示，并啟動音樂報警電路。 本論文的主要內(nèi)容分為五章。第一章介紹了課題的背景和來源以及意義，第二章介紹超外差式收發(fā)的理論設(shè)計方案，第三章介紹了硬件電路的設(shè)計過程，包括發(fā)射電路，接收電路，單片機最小系統(tǒng)， 液晶顯示模塊，溫度采集模塊以及音樂報警模塊，第四章介紹了軟件設(shè)計的思路和流程圖，第五章介紹作品的實現(xiàn)過程，包括實物圖和調(diào)試結(jié)果圖，并對數(shù)據(jù)進行了分析和總結(jié)。 4 第 2 章 系統(tǒng)概述 本章將介紹系統(tǒng)的工作過程，系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，以及各個模塊的設(shè)計原理，包括無線發(fā)射和接收模塊，編碼解碼模塊，溫度采集模塊，液晶顯示模塊和音樂報警模塊，并對主控芯片進行了簡單的介紹。 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 本系統(tǒng)由主機和從機兩部分組成，從機上有編碼模塊，發(fā)射模塊，主機上有接收模塊，解碼模塊，溫度采集模塊， CPU，液晶顯示模塊，音樂 報警模塊， 當(dāng)用戶按下從機上的按鍵后，經(jīng)過編碼后生成脈沖，對高頻載波信號進行調(diào)制，通過天線發(fā)射出去，主機上的接收模塊接收到調(diào)制信號，進行解調(diào)，解調(diào)后的信號交給解碼模塊進行解碼，最終的數(shù)字信號交給 CPU處理，相關(guān)呼叫信息能通過液晶顯示出來，當(dāng)有人呼叫時，可以啟動音樂報警電路，主板上的溫度采集系統(tǒng)還能實時獲得當(dāng)前環(huán)境的溫度信息，和呼叫信息一起在液晶上顯示。 系統(tǒng)的總體框圖如 圖 21 所示 圖 21 病房呼叫 系統(tǒng) 組成 框圖 發(fā)射和接收模塊 的設(shè)計原理 數(shù)字信號有兩種傳輸方式，一種是基帶傳輸， 因為在某些有線信道中，特別是在傳輸距離不太遠(yuǎn)的情況下，數(shù)字信號可以直接傳輸，這種傳輸方式被稱為數(shù)字信號的基帶傳輸 ；另一種是頻帶傳輸或稱為調(diào)制傳輸。 由于大多數(shù)實際信道都是帶通型的，因此必須先用數(shù)字基帶信號對載波進行調(diào)制，形成數(shù)字調(diào)制信號后發(fā)射模塊 編碼模塊 按鍵 CPU 液晶顯 示模塊 音樂報 警模塊 溫度采 集模塊 接收模塊 解碼模塊 從機部分 主機部分 接收天線 發(fā)射天線 5 再進行傳輸，這種傳輸方式被稱為數(shù)字信號的頻帶傳輸或調(diào)制傳輸。 由于本設(shè)計要求傳輸?shù)木嚯x盡可能遠(yuǎn)，又是無線傳輸，所以只能選擇調(diào)制傳輸了。 在通信系統(tǒng)中實際使用的信道多 為 帶通型，而數(shù)字基帶信號往往具有豐富的低頻成分，只適合在低通型信道中傳輸。 為了使數(shù)字信號能在帶通信道中傳輸，必須使用數(shù)字調(diào)制方式。 數(shù)字調(diào)制所 用的載波一般是連續(xù)的正弦型信號，但調(diào)制信號為數(shù)字信號。數(shù)字調(diào)制 可分為三種基本方式：幅移鍵控（ ASK）， 頻移鍵控（ FSK）和相移鍵控（ PSK），本設(shè)計采用的是幅移鍵控的方式來傳輸數(shù)字信號的 [1]。 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如 圖 22所示 ： 圖 22 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 發(fā)射 與接收電路方案選擇 發(fā)射電路部分由 振蕩 電路、 ASK 電路、 高頻 功率放大器、 天線構(gòu)成 。 振蕩電路可以看做將直流 電能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔艿膿Q能器，圖中的載波發(fā)生器就具備這一功能。是無線電發(fā)送電路的基本單元。 ASK 就是將要傳送的 數(shù)字基帶 信號加在高頻電流上，是一種調(diào)制過程。高頻功率放大器是為了提高輸出功率，達(dá)到發(fā)射功率要求后，通過天線輻射出去。 信號的發(fā)射過程如圖 23 所示 圖 23 信號發(fā)射過程 接收電路里面主要有：天線、高頻小信號放大器、 ASK 解調(diào)電路等幾部分組成，如圖 24 所示。 在接收處，先用天線將收到的電磁波轉(zhuǎn)變?yōu)橐颜{(diào)波電流，然后從已調(diào)波電流中檢出原始的信號。 由于天線接收到的電磁波很微弱，需要在解調(diào)之前加一級至幾級高頻小信號放大器，然后再解調(diào)。經(jīng)解調(diào)后，再經(jīng)過適當(dāng)?shù)牡皖l放大就可以得到原始信號了 [2]。 要發(fā)送的數(shù)據(jù) 載波發(fā)生器 ASK 調(diào)制 高頻 功率 放大 調(diào)制器 信道 解調(diào)器 數(shù)字基帶 信號輸出 數(shù)字基帶 信號輸入 6 圖 24 信號接收過程 方案選擇 方案一 ：獨立元件搭建 。 如發(fā)射電路用電阻，電感，電容，三極管 S9018及發(fā)射天線等元器件來搭建，接收電路用 電阻，電感，電容，二極管 IN4148，三極管 S9018， LM358及接收天線等元器件來搭建。 方案二 ：專用發(fā)射 和接收 芯片 。用于發(fā)射電路的 MAX7044芯片里集成了 高頻發(fā)射電路必備的 振蕩器，鎖相環(huán)，功率放大器 等功能部件 ；用于接收電路的MAX7033芯片里集成了 高頻接收電路所需的 放大器，混頻器， 鎖相環(huán)，晶體振蕩器， 濾波器 和自動增益控制 等 功能部件 。 經(jīng)過比較，方案一設(shè)計比較麻煩，電路復(fù)雜。方案二設(shè)計簡單， 易于實現(xiàn)。所以 系統(tǒng)中 發(fā)射和接收模塊選擇方案二。 MAX7044 和 MAX7033 簡介 MAX7044內(nèi)部包含功率放大器（ PA），晶體振蕩器，驅(qū)動器，數(shù)據(jù)有效監(jiān)測電路，鎖定監(jiān)測電路，鎖相環(huán)，分頻器等電路。 （ 1） 晶體振蕩器：通過外接晶振，經(jīng)過倍頻后可以 產(chǎn)生高頻載波信號。 （ 2） 鎖相環(huán)（ PLL）：除了晶振 , PLL 不需要其他外部元器件?；鶞?zhǔn)頻率和載波頻率的關(guān)系為 f XTAL = f RF/ 32。 在 PLL 鎖定前 ,鎖定檢測電路防止功率放大器發(fā)射。另外 ,如果失去載波頻率 ,器件將關(guān)閉功率放大器。 （ 3） 功率放大器（ PA）： MAX7044 的功率放大器是一個高效率的、漏極開路、 C 類放大器 ,使用合適的輸出匹配網(wǎng)絡(luò) ,功率放大器能夠驅(qū)動簡單的 PCB 環(huán)行天線和各種形式的 50 Ω天線。 MAX7033 內(nèi)部包含低噪聲放大器，差分鏡像抑制混頻器， PLL， VCO， IF限幅放大器， AGC， RSSI，模擬基帶數(shù)據(jù)信號恢復(fù)等電路。 （ 1） 低噪聲放大器 低噪聲放大器是一個 nMOS 的共基共射放大器 ,需要使用片外的電感 ,具有 3. 0 dB 的噪聲系數(shù)和 12 dBm 的 IIP3 。增益和噪聲系數(shù)與在天線與 LNA輸入端之間的匹配網(wǎng)絡(luò)和在 LNA 輸出與混頻器之間的 LC 諧振網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。需要從 LNASRC 引腳端連接一個電感到地 (AGND) 。這個電感設(shè)置在 LNAIN 引腳端的輸入阻抗的實部 ,可以實現(xiàn)更多靈活的阻抗匹配 ,如使用 PCB 導(dǎo)線得到天線形式。對于 50 Ω的輸入阻 抗 ,這個電感值為 15 nH。注意這個電感值會受 PCB 導(dǎo)線長度的影響。 （ 2） 混頻器 MAX7033 采用獨特的鏡像抑制混頻器 (Mixer) 結(jié)構(gòu)，可以不使用價格高的SAW 濾波器?；祛l器單元是一個雙平衡的混頻器對 ,完成射頻信號到 MHz IF 高頻小信號放大器 ASK 解調(diào) 數(shù)據(jù)輸出 7 的 IQ下變頻 ,本振 (LO) 頻率采用低端注入形式。電路具有 44dB 的鏡像抑制能力。IF 輸出阻抗 330 Ω ,可以采用 330Ω的陶瓷濾波器。 IRSEL 引腳端是一個邏輯電平輸入 ,可用來選擇 3 個鏡像抑制頻率中的一個。當(dāng) VIRSEL = 0 V 時 ,鏡像抑制頻 率調(diào)諧在 315 MHz。 VIRSEL = VDD5/2 ,鏡像抑制頻率調(diào)諧在 375 MHz 。當(dāng) VIRSEL = VDD5 ,鏡像抑制頻率調(diào)諧在 433 MHz 。 當(dāng) IRSEL 引腳端不連接時 ,在內(nèi)部設(shè)置到 VDD5/2 ,不需要外部 VDD5/2 電壓。 （ 3） 鎖相環(huán) 除了晶振 , PLL 不需要其他外部元器件。 VCO 產(chǎn)生低端 LO。基準(zhǔn)頻率、 RF 頻率和 IF 頻率的關(guān)系為： f REF =（ f RF f IF） /32 M 式中 : M = 1 ( VXTALSEL = VDD5 ) , 或者 M = 2(VXTALSEL = 0 V) 。 （ 4） 中頻和 RSSI IF 部分提供差分 330 Ω 輸出阻抗 ,可以與片外的陶瓷濾波器匹配。 6 個內(nèi)部 AC 耦合限幅放大器提供大約 65 dB 增益 ,IF 帶通濾波器的中心頻率 10. 7 MHz ,3 dB 帶寬大約為 10 MHz 。 RSSI 電路解調(diào) IF 信號 ,產(chǎn)生與 IF 信號電平成比例的直流電壓輸出 ,大約為 14. 2 mV/ dB。 （ 5） 晶體振蕩器 在 MAX7033 中的晶體振蕩器 (crystal oscillator) ,在 XTAL1 和 XTAL2 引腳端之間呈現(xiàn) 的電容大約為 3 p F。使用不同的負(fù)載電容 ,將改變晶振的標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)頻率 ,如 4. 7547 MHz 的晶振使用 10 p F 的負(fù)載電容。 MAX7033的振蕩器頻率為 4. 756 3 MHz ,有大約 100 kHz 誤差。 也可以使用外部基準(zhǔn)振蕩器驅(qū)動 VCO , 使用一個 1 000 p F 的電容交流耦合連接到 XTAL2 引腳端。 （ 6） 數(shù)據(jù)濾波器 數(shù)據(jù)濾波器 ( data filter) 是一個二階低通 Sallen2Key濾波器 ,需要 2 個片上的電阻和外部電容組合。調(diào)節(jié)外部電容的數(shù)值 ,可以改變?yōu)V波器的截止頻率 ,以 適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)速率。 （ 7）自動增益控制 當(dāng) AC 引腳端是低電平時 , AGC ( Automatic GainCont rol) 電路監(jiān)控 RSSI 輸出。 RSSI 的輸出達(dá)到 1. 98 V時 ,對應(yīng)的射頻輸入電平為 62 dBm ,AGC 開關(guān)通過減少電阻控制 LNA 增益 。當(dāng) RSDSI 電平下降到低于 1. 39 V時 ,對應(yīng)的射頻輸入電平為 70 dBm ,LNA 恢復(fù)高增益模式。當(dāng) AC 引腳端是高電平時和 SHDN轉(zhuǎn)向高電平時 ,AGC 電路不使能 ,LNA 總是在高增益模式 。當(dāng) AC 引腳端是低電平時和SHDN是高電平時 ,AGC 功能恢復(fù)。 編碼 和 解碼 模塊的設(shè)計 原理 在通常使用中，我們一般采用 8 位地址碼和 4 位數(shù)據(jù)碼，這時編碼電路 PT2262 和解碼 PT2272 的第 1～ 8 腳為地址設(shè)定腳，有三種狀態(tài)可供選擇：懸空、接正電源、接地三種狀態(tài)，只有發(fā)射端 PT2262 和接收端 PT2272的地址編碼完全相同，才能配對使用，用戶如果想改變地址編碼，只要將 PT2262 和 PT2272 的 1～ 8 腳設(shè)置相同即可，當(dāng)兩者地址編碼完全一致時，接收機對應(yīng)的 D1～ D4 端輸出約 4V 互鎖高電平控制信號，同時 VT 端也輸出解 碼有效高電平信號。用戶可將這些信號加一級放大，便可驅(qū)動繼電器、功率三極管等進行負(fù)載遙控開關(guān)操縱。 設(shè)置地址碼的原則是：同一個系統(tǒng)地址碼必須一致；不同的系統(tǒng)可以依靠不 8 同的地址碼加以區(qū)分。至于設(shè)置什么樣的地址碼完全隨客戶喜歡。 地址碼和數(shù)據(jù)碼都用寬度不同的脈沖來表示 ， 兩個窄脈沖表示“ 0” 。兩個寬脈沖表示“ 1” 。一個窄脈沖和一個寬脈沖表示“ f”也就是地址碼的“懸空”。 表示方法如 圖 25所示： 圖 25 PT2262/2272地址碼和數(shù)據(jù)碼 這里 ,a = 2*時鐘振蕩周期 ,位“ f”僅對地址碼有效。 同步位的長度是 4 個 AD 位的長度 ,含一個 1/ 8AD 位寬度的脈沖 。 2262 每次發(fā)射時至少發(fā)射 4 組字碼 ,2272 只有在連續(xù)兩次檢測到相同的地址碼加數(shù)據(jù)碼才會把數(shù)據(jù)碼中的“ 1”驅(qū)動相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出端為高電平和驅(qū)動 VT 端同步為高電平。因為無線發(fā)射的特點 ,第一組字碼非常容易受零電平干擾 ,往往會產(chǎn)生誤碼 ,所以程序可以丟棄處理。 編碼模塊 編碼芯片 PT2262發(fā)出的編碼信號由 :地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個完整的碼字 ,解碼芯片 PT2272接收到信號后 ,其地址碼經(jīng)過兩次比較核對后 ,VT腳才輸出高電平 ,與此同時相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平 ,如果發(fā)送端一直按住按鍵 ,編碼芯片也會連續(xù)發(fā)射。當(dāng)發(fā)射機沒有按鍵按下時 , PT2262不接通電源 ,其 17腳為低電平 ,所以 315MHz的高頻發(fā)射電路不工作 ,當(dāng)有按鍵按下時 , PT2262得電工作 ,其第 17腳輸出經(jīng)調(diào)制的串行數(shù)據(jù)信號 ,當(dāng) 17腳為高電平期間 315MHz的高頻發(fā)射電路起振并發(fā)射等幅高頻信號 ,當(dāng) 17腳為低平期間 315MHz的高頻發(fā)射電路停止