【文章內容簡介】 備工作性能就會惡化，甚至完全不能工作。 14 桂林電子科技大學信息科技學院畢業(yè)設計（論文）說明書 第 15 頁 共 41 頁 （4）電源部分對射頻電路的抗干擾設計 射頻電路對于電源噪聲相當敏感，尤其是對毛刺電壓和其他高頻諧波。經過升壓芯 片 MAX856 的電壓輸出端存在著噪聲，MCU 和其它耗電量大的芯片會在每個內部時鐘周 期內，短時間突然吸入大部分電流，如果不在 CC1101 的電源供電端采取合適的電源去 耦，必將引起電源線上的電壓毛刺，這些電壓毛刺到達射頻部分的電源引腳后，會對無 線部分造成影響，嚴重時可能導致無線通信工作失效。 圖 電源星形布線 為了解決電源對電路的干擾，本文從兩個方面考慮的：一是采用電源星形布線法， 如圖 所示。讓電路板上各模塊具有各自的來自公共供電電源點的電源線路，在這 種情況下，星形布線意味著電路的數(shù)字部分和射頻部分應有各自的電源線路，以減少各 部分電源之間的干擾。二是在靠近電源輸入端加入去耦和旁路電容，如圖 所示。 在 CC1101 的電源供電端加入了 1 個 47μF 的去耦電容和 3 個旁路電容，去耦電容能夠 有效的去除電路之間的耦合效應，旁路電容能夠去除高頻噪聲。在 MCU 和其它芯片的電 源供電端也分別加入去耦和旁路電容，以減少電源噪聲帶來的影響。 圖 無線通信模塊的電源濾波電路示意圖 矩陣鍵盤的設計 鍵盤是由若干個按鍵組成的開關矩陣，它是一種廉價的輸入設備。一個鍵盤，通常 包括有數(shù)字鍵(0 一 9)，字母鍵(A 一 Z)以及一些功能鍵。操作人員可以通過鍵盤向計算 機輸入數(shù)據(jù)、地址、指令或其它控制命令，實現(xiàn)人機對話。用于計算機系統(tǒng)的鍵盤按其 15 桂林電子科技大學信息科技學院畢業(yè)設計（論文）說明書 第 16 頁 共 41 頁 結構形式可分為兩類:一類是編碼鍵盤，即鍵盤上閉合鍵的識別由專用的硬件來實現(xiàn)。另 一類是非編碼鍵盤，即鍵盤上閉合鍵的識別由軟件來識別。為了節(jié)省 FO 線，單片機系 統(tǒng)中普遍使用非編碼鍵盤，鍵盤接口應具備以下功能:鍵掃描功能即檢測是否有鍵按下。 產生相應的鍵代碼(鍵值)。消除按鍵抖動及多鍵按下。 4x2 的鍵盤結構中的列線通過電阻接十 5v。當鍵盤上沒有鍵閉合時，所有的行線和 列線斷開，列線都呈高電平。當鍵盤上某一個鍵閉合時，則該鍵所對應的列線與行線短 路。此時列線的電平由行線的電位所決定。如果把列線接到微機的輸入口，行線接到微 機的輸出口，在微機的控制下線都為高電平，則這行上沒有鍵閉合，如果讀出的列線狀 態(tài)不全為高電平，則為低電平的列線相交處的鍵處于閉合狀態(tài)。如果這一行上沒有閉合 鍵，就使行線為低電平，檢測該行線上有無閉合鍵，以此類推，直到最后一根列線都檢 測完。這種逐行逐列地檢查鍵盤狀態(tài)的過程就稱為對鍵盤一次掃描。CPU 對鍵盤掃描可 以采取程序控制的隨機方式，CPU 空閑時掃描鍵盤。也可以采取定時控制方式，每隔一 定的時間 CPU 就對鍵盤掃描一次。 也可以采取中斷方式， 每當鍵盤上有鍵閉合時， CPU 向 請求中斷，CPU 響應中斷后，對鍵盤掃描，以識別一個鍵處于閉合狀態(tài)，并對該鍵輸入 信息做出相應處理。CPU 對鍵盤上閉合鍵的鍵號確定，可根據(jù)行線和列線的狀態(tài)計算求 得，也可以根據(jù)行線和列線狀態(tài)查表得。非編碼鍵盤識別按鍵的方法有兩種:一是行掃 描法，二是線反轉法。 SWPB S5 SWPB SWPB S6 SWPB SWPB S7 SWPB SWPB S8 SWPB 圖 4x2 鍵盤 電源電路的設計 電源是各種電子設備不可缺少的組成部分，而便攜式電子產品多采用電池供電，為 了使電路性能穩(wěn)定，往往還需要穩(wěn)定電源，尤其是像本文設計的無線遙控開關包含射頻 電路時，其性能的優(yōu)劣直接關系到無線遙控開關的技術參數(shù)及能否安全可靠地工作。目 前電源的種類繁多，不同的電源都有特定的使用場合。在無線遙控開關的電源設計中， 主要考慮使用線性穩(wěn)壓電源和開關電源，并根據(jù)這兩種電源的特點設計了適合無線遙控 開關的電源。 16 桂林電子科技大學信息科技學院畢業(yè)設計（論文）說明書 第 17 頁 共 41 頁 線性穩(wěn)壓電源因其內部調整管工作在線性范圍而得名。線性穩(wěn)壓電源的優(yōu)點是外圍 元件少、輸出噪聲小、靜態(tài)電流小，價格也便宜。其最主要缺點是由于輸入電壓與輸出 電壓之間的電壓差（一般稱為壓差）大，造成調整管上的損耗大，轉換效率較低。開關 電源是由于器件中有一個工作在開關狀態(tài)的晶體管（一般是 MOSFET） ，開關管工作于飽 和導通及截止兩種狀態(tài)，所以開關管的管耗小并且與輸入電壓大小無關，效率較高（一 般可達 80%～95%） 。開關電源主要指 DCDC 變換器，主要包括升壓式（VoutVin） 、降 壓式（VoutVin）和反轉式（|Vout|Vin）三種類型。 無線遙控開關需要使用電池供電，電源輸出電壓需要 ，輸出電流需要達到 100mA 以上，輸出電壓噪聲要小以保證射頻電路穩(wěn)定工作。根據(jù)無線遙控開關電源的要 求，本文設計了兩種供電方案。 （1） 采用堿性電池串聯(lián)，直接給電路供電。 由于無線遙控開關的工作電壓是 ，所以至少需要 2 節(jié)堿性電池串聯(lián)才能滿足 要求。雖然這種方案成本低，電池電量的轉換效率為 100％，但是缺點卻是致命。標稱 值為 的新電池在剛開始使用時電壓能都達到 ～，這樣 2 節(jié)電池串聯(lián)能 都得到 以上的電壓，通過實驗發(fā)現(xiàn)，此時無線遙控開關能夠正常工作，但隨著工 作時間的增長，電池電壓的下降，無線遙控開關將不能正常工作，而此時每一節(jié)電池的 電量并沒有充分利用。另外，標稱值為 的充電電池就不適合無線遙控開關的使用 了。 （2）采用 電池，通過 LM1117 將其穩(wěn)壓到 。 通過實驗發(fā)現(xiàn)，無線遙控開關在這種情況下能夠正常工作。這種方案的優(yōu)點是線性 穩(wěn)壓芯片的價格便宜，輸出電壓紋波小；缺點是線性穩(wěn)壓芯片的效率很低，其余能量都 轉化為熱能，間接地給無線遙控開關增加熱噪聲，甚至會對射頻部分產生干擾。另外需 要使用 的組合電池，價格相對較高，但可靠性好。 通過對以上兩種方案的比較，雖然方案一能夠使無線遙控開關正常工作，但綜合考 慮其性能都不及方案二， 所以采用方案二來進行無線遙控開關的電源設計， 選用 LM1117 芯片來降壓。 圖 LM1117 實物圖 17 桂林電子科技大學信息科技學院畢業(yè)設計（論文）說明書 第 18 頁 共 41 頁 然后是電容和二極管的選擇，選擇濾波電容的主要依據(jù)是系統(tǒng)對電源紋波的要求， 濾波電容的等效串電阻（ESR）是造成輸出紋波的主要因素，而且也會影響到轉換效率， 應選用低 ESR 的電容。陶瓷電容和鉭電解電容具有較低的 ESR，也可選用低 ESR 的鋁 電解電容，但應盡量避免標準鋁電解電容。容量一般在 10～100μF，對于較重的負載 應選取大一點的電容。較大容量的濾波電容有利于改善輸出紋波和瞬態(tài)響應。 二極管的作用是當功率開關管關閉時，為電感電流提供一條直流通路，故該二極管 有時稱續(xù)流二極管。續(xù)流二極管要求具有快的反應恢復時間和低的正向壓降，因為反應 恢復時間的存在會引起噪聲，增加二極管本身和功率開關的功耗。二極管正向壓降的大 小直接影響二極管上的損耗的大小， 這里使用了反響恢復時間短、 正向壓降低的 IN4007。 經過以上對電源輸出電壓的濾波處理后，電源輸出端的尖脈沖得到了很好的處理， 將電源輸出端連接到芯片引腳供電端時再加上去耦和旁路電容，會得到更加平穩(wěn)的電 源。 2 1 DIANYUAN 3 G N D /A d j J1 +5V Vin VCC Vout 2 C11 22u 圖 電源電路原理圖 硬件電路的焊接 對于整個無線遙控開關系統(tǒng)的設計開發(fā)來說，系統(tǒng)的調試和性能測試是非常關鍵 的，它關系著整個系統(tǒng)能否正常工作。系統(tǒng)調試包括硬件和軟件兩個方面，調試過程是 反復進行的，在調試過程中會遇到各種問題，根據(jù)這些問題需要對系統(tǒng)硬件和軟件設計 進行修改，這樣邊調試邊修改最終達到預期的效果。 無線遙控開關的硬件調試過程總體可以分為 3 個步驟： （1）在焊接器件之前，先用萬用表等工具，根據(jù)硬件設計圖仔細檢查線路的正確 性， 元件安裝是否符合要求。 特別注意電源系統(tǒng)的檢查， 以防止電源的短路和極性錯誤。 （2）器件焊接之后，重新檢查硬件連接情況，檢查是否存在錯焊、虛焊等情況， 否則上電后出現(xiàn)短路情況將芯片燒壞。 （3）在硬件沒有問題的前提下就可以進行程序的調試了，調試時先部分調試再整 體調試，直到程序正常運行。 18 1 桂林電子科技大學信息科技學院畢業(yè)設計（論文）說明書 第 19 頁 共 41 頁 在焊接時特別要注意 C8051F310 芯片的焊接，用烙鐵焊接時要注意對烙鐵的溫度和 焊接時間的控制，否則會出現(xiàn) C8051F310 芯片損毀的情況。C8051F310 芯片的引腳間距 非常小， 這給焊接時帶來極大困難， 極易造成虛焊現(xiàn)象， 焊接后要對每個引腳仔細檢查。 4 電路模塊的對接 通信距離和功耗是無線通信模塊兩個重要的性能參數(shù)，根據(jù)本文的設計，制作了基 通信距離的測試 于 CC1101 的無線通信模塊，并對這兩個重要性能參數(shù)進行實際測試，測試結果表明， 本文制作的無線通信模塊能夠滿足畢業(yè)設計的使用。 （1）通信距離測試 首先在理論上計算一下自由空間傳播時的無線通信距離，所謂自由空間傳播是指天 線周圍為無限大真空時的電波傳播，它是理想傳播條件。電波在自由空間傳播時，其能 量既不會被障礙物所吸收，也不會產生反射或散射。通信距離與發(fā)射功率、接收靈敏度 和工作頻率有關。 在自由空間下電波傳播的損耗為 [ L fs ](dB) = + 20 lg d (km) + 20 lg f (MHZ ) 　?。?.1 4 ） 式中，[Lfs]是傳輸損耗，d 是傳輸距離，f 是工作頻率。當無線通信模塊的工作頻 率為 433MHz，發(fā)射功率為 0dBm（1mW） ，接收靈敏度為93dBm（數(shù)據(jù)傳輸率為 250kbps） 時，計算在自由空間的傳播距離。 由發(fā)射功率 0dBm，接收靈敏度為93dBm，則傳輸損耗為 [L fs ] = 0 dBm ? ( ? 93 dBm ) = 93 dB 將 Lfs=93dB， f =433MHz 代入（）式中，得到 93 dB） + 20 lg d (km) + 20 lg ( MH Z ) （ = 計算得出傳輸距離 d =。 這是理想狀況下的傳輸距離，在實際應用中，由于無線通信要受到各種外界因素的 影響，如大氣、阻擋物、多徑效應等，這些不確定因素造成的損耗會使得通信距離與理 論計算的傳輸距離相差很大。另外，在實際應用中，一個無線設備能達到的通信距離， 很大程度上和天線的選取有關。天線的種類比較多，設計起來也比較復雜。目前市面上 常見的天線有四分之一波長天線、PCB 環(huán)形天線和彈簧螺旋型天線。四分之一波長天線 是最簡單的天線，如果無線通信模塊的工作頻率為 433MHz，通過計算可以得出無線通 信模塊四分之一波長天線的長度大約為 17 厘米左右，這樣的長度很明顯不適合無線遙 控開關的使用。PCB 環(huán)形天線的成本較低，但方向性和有效性都不及彈簧螺旋型天線， 如果無線遙控開關工作的空間很大，則無線模塊將不能穩(wěn)定可靠的工作。彈簧螺旋型天 19 桂林電子科技大學信息科技學院畢業(yè)設計（論文）說明書 第 20 頁 共 41 頁 線在方向性和有效性上能夠很好的滿足無線遙控開關的要求，不足之處在于彈簧螺旋型 天線的體積較大，需要占用更大的空間，為了減小彈簧螺旋型天線的占用空間，本文選 用不帶有塑膠保護的彈簧螺旋型天線。對于無線遙控開關產品來說，天線并不會裸露在 外面，外面會有外殼的保護，這樣在保證通信效果的前提下，節(jié)約了很多空間 。 通過無線遙控開關控制器和無線遙控開關接收器來測試無線通信模塊的通信距離。 通過編寫程序使無線遙控開關控制器按鍵發(fā)射數(shù)據(jù)，無線遙控開關接收器接收到數(shù)據(jù)并 通過串口調試助手軟件進行顯示，逐步加大發(fā)射距離，直到接收不到數(shù)據(jù)為止。在無線 通信模塊工作頻率為 433MHz，發(fā)射功率為 0dBm（1mW） ，無線數(shù)據(jù)傳輸速率為 250kbps 的條件下，經過多次測試，在室外空曠地帶，本文制作的無線模塊通信距離在 30 米左 右；在室內實驗室，本文制作的無線模塊通信距離在 20 米左右。通過測試發(fā)現(xiàn)無線通 信模塊的通信距離并沒有到達理論的傳輸距離，但這樣的效果能基本滿足畢業(yè)設計的使 用。在軟件上對 CC1101 進行重新配置，增加發(fā)射功率和降低無線數(shù)據(jù)傳輸速率可以得 到更遠的通信距離。 （2）無線通信模塊的功耗 對本文設計的基于 CC1101 的無線通信模塊進行了耗電量測試，理論耗電量如表 41 所示。從表中可以看出，理想狀態(tài)下工作頻率對接收模式影響不大，對發(fā)送模式影 響較大，工作頻率越低功耗越低，所以選擇較低的工作頻率能夠降低無線遙控開關的功 耗。另外，由（）式可知，在發(fā)射功率和接收靈敏度確定時，傳播距離也和工作頻 率有關， 工作頻率越低傳播距離越遠， 所以也應該選擇較低的工作頻率。 CC1101 支持 4 種工作頻率，即 3143868 和 915MHz，它們都屬于 ISM 頻段，不需要申請。從 功耗和傳輸距離考慮，應該選擇 315MHz 或者 433MHz 的工作頻率，但是考慮到工作頻 率對天線的影響， 工作頻率越低天線越長， 綜合考慮這三方面的因素， 最后選擇 433MHz 這一工作頻率。 表 41 無線通信模塊理論耗電量 工作頻率（MHz） 發(fā)射功率 （dBm） Tx 理論值（mA） 315 +10 0 433 +10 0 868 +10 0 915 +10 0 Rx 理論值（mA） 20 桂林電子科技大學信息科技學院畢業(yè)