【正文】 擾能力就越強(qiáng)，通信距離也越遠(yuǎn)，但窄帶通信系統(tǒng)對元器件的制造精度及溫漂系數(shù)要求都很高，還必須有自動頻率跟蹤功能，成本較高。（4）發(fā)射/接收天線的類型及增益：CC1020 可以使用多種型號的天線。天線的基本功能是將發(fā)射機(jī)(或傳輸線)送來的高頻電流(或?qū)Р?能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電波并傳送到空間；在接收端，則將空間傳來的無線電波能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮諜C(jī)傳送的高頻電流( 或?qū)Р?)能量。天線在無線傳輸中起到了紐帶的作用，天線性能的好壞直接影響到無線通信的效果，因此設(shè)計低成本、性能好的天線是無線產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵。對于不同用途的天線有不同的要求，概括起來基本要求如下:30（1）一定的方向性。天線的方向性表現(xiàn)在天線對空間不同方向具有不同的輻射或接收能力。（2）較高的效率。天線是個能量轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換效率必然是個主要指標(biāo)。這一方面要求降低天線上的各種損耗；另一方面要求天線與饋線良好匹配，以降低饋線的損耗，因而對天線輸入端所呈現(xiàn)的阻抗有一定的要求。（3）一定的極化形式。（4）一定的頻帶寬度。在此頻帶中，天線的性能變化不大，能滿足給定的要求。而頻帶寬度的確定與收發(fā)系統(tǒng)的體制和工作方式等有關(guān)。（5）其它，例如要求承受一定的功率。此外還有體積小、重量輕、造價低廉、架設(shè)方便、結(jié)構(gòu)可靠等方面的要求。近程通信中常使用的天線有單極天線、螺旋天線和環(huán)形天線。當(dāng)單極天線是一種諧振天線時，其長度等于電波波長的 1/4，容易設(shè)計，能簡單地設(shè)計成 “一根導(dǎo)線”，甚至可以集成在 PCB 板上實(shí)現(xiàn)，其增益在 左右。非諧振單極天線的長度小于1/4 波長，也可以被利用，但是射程會減小。在尺寸和成本要求很嚴(yán)格的應(yīng)用中，這種天線可以很好地集成到 PCB 板上。環(huán)形天線也很容易集成到 PCB 板上，但是因?yàn)樗妮椛潆娮韬苋?，使阻抗很難匹配，所以效果很差。螺旋天線可以看成是單極天線和環(huán)形天線的組合，在尺寸受限制的場合，它是一種很好的折衷選擇，但比簡單的單極天線更難優(yōu)化，其增益在 13dB 左右。對于低功率收發(fā)模塊的應(yīng)用，1/4 波長的單極天線比較合適，它既簡單，又能提供較大的射程范圍。連接天線應(yīng)該盡可能靠近集成電路。1/4 波長單極天線的長度計算： L=7125/f；（fMHz, Lcm） （23）射頻為 868MHz 的天線長度一般是 ，射頻為 433MHz 的天線長度為。31增益越高的天線其幾何尺寸越大，同時成本也較高，所以選擇天線時也要考慮其使用及安裝是否方便，是否符合成本的要求。而在各種條件相同的前提下，天線距離地平面的高度越高，通信距離越遠(yuǎn)，特別是在城市環(huán)境下，提高天線的高度比增大發(fā)射功率對通信距離的影響要大得多。雙經(jīng)緯儀測風(fēng)經(jīng)常在野外開闊地進(jìn)行，要求兩臺經(jīng)緯儀之間的基線長度在 1Km 左右以保證測量精度。在實(shí)際使用中測風(fēng)系統(tǒng)工作的地理環(huán)境、電磁環(huán)境、氣侯條件對無線通信距離的影響是難以改變的，在確定無線電系統(tǒng)實(shí)際通信距離、覆蓋范圍和無線電干擾影響范圍時，無線電傳播損耗是一個關(guān)鍵參數(shù)。在理想狀況下，自由空間傳播時的無線通信距離和電波傳播的損耗關(guān)系式為： （24）??式中：Los——傳播損耗，單位 dB；d——距離，單位 Km；f——工作頻率，單位MHz。由上式可得，理想狀況下自由空間中電波傳播損耗（亦稱衰減）只與工作頻率 f和傳播距離 d 有關(guān)，當(dāng) f 或 d 增大一倍時，傳播的損耗 Los 將分別增加 20lg2 ≈6dB。也就是同樣的條件下，較高的頻率衰減較快，要達(dá)到相同的傳輸距離會需要較大的功率。所以本課題選擇頻率為 433MHz 的無線數(shù)傳模塊來傳輸經(jīng)緯儀的數(shù)據(jù)。對于本課題采用的 f =433MHz，假設(shè)需要的接收范圍為 1Km，理論上由公式可得： （25）dBLos ???但是上式所得到的結(jié)果僅僅是在理想狀態(tài)下得到的，在實(shí)際測量中，傳播損耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比這理論值大得多。所以，要達(dá)到預(yù)定的性能要求，增加有效收發(fā)距離，需要選擇有較高靈敏度和足夠發(fā)射機(jī)功率的無線收發(fā)芯片并提高接收天線的增益。對于本課題來說要求有較遠(yuǎn)的發(fā)射接收距離。因此，大的發(fā)射功率和高的接收天線增益是一個基本的要求。調(diào)試中可以在有關(guān)法規(guī)和條件的允許下加大發(fā)射功率，提高發(fā)射機(jī)的效32率。系統(tǒng)中實(shí)際選用的天線是 1/4 波長的單極天線，增益為 左右。在無線射頻模塊中，為了提高接收端的靈敏度，采用插入損耗小的天線開關(guān) SW456 在發(fā)射支路與接收支路之間切換。正電壓控制的天線開關(guān)的原理圖見圖 。RF1和 RF2 引腳上的去耦電容值可以根據(jù)設(shè)計要求改變。SW456 天線開關(guān)的控制原理見表 所示。圖 天線開關(guān)原理框圖表 天線開關(guān)的控制原理表Mode(Control)V1 V2 RFC_RF1 RFC_RF2Positive0 177。 V+ V to +8 V+ V to +8 V0 177。 VOffOnOnOffNegative0 177。 V V to 8 V V to 8 V0 177。 VOnOffOnOff 系統(tǒng)電源設(shè)計工作電壓對系統(tǒng)的總功耗起著舉足輕重的作用。對于節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)該盡量在保證系統(tǒng)安全可靠的前提下采用最低的工作電壓。一般的電壓調(diào)整器最多會有177。10％的誤差率，33因此在設(shè)計工作電壓時，最低的工作電壓應(yīng)該為 3V，此時電壓調(diào)整器的輸出電壓在2．7V 與 3．3V 之間?？梢赃x擇用電池給系統(tǒng)初始供電，并且無須擔(dān)心電池耗盡時會對系統(tǒng)工作有不良的影響，因?yàn)樵?C8051F 系列單片機(jī)中，片上電源監(jiān)視器能夠確保在電池耗盡時讓系統(tǒng)自動復(fù)位。本課題的電源部分設(shè)計如圖 所示。圖 電源部分設(shè)計原理圖由于本課題所設(shè)計的無線傳輸經(jīng)緯儀測風(fēng)系統(tǒng)一般適用于進(jìn)行野外測量工作，所以出于攜帶方便一般都用干電池或充電電池給系統(tǒng)供電，然后通過電壓調(diào)整器 把 6V 或 的電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的 電壓供給整個系統(tǒng)正常運(yùn)行。其中圖上 J1 為外接電源，一般由 4 節(jié) 干電池或 4 節(jié) 充電電池供電均可。U2 為 電壓調(diào)整器， 是一種正電壓調(diào)整器，能提供 500mA 負(fù)載電流，并且能理想地把 5V 或 5V 以上的輸入電壓降低為 電壓來作為特定用途集成電路的電源。當(dāng)輸入電壓超過 5V 時，其內(nèi)部組成特殊的電路使 LM2937 500mA滿負(fù)載時，靜電流減小到 10mA 以內(nèi)。以下簡單介紹此電壓調(diào)整器的幾個主要特點(diǎn)：（1）工作溫度在40℃到+125℃之間；（2）輸出電流一般為 500mA；（3）在所有工作條件下，輸出誤差在 5%以內(nèi)；（4）有較寬的輸出電容 ESR 范圍（） ；34（5）內(nèi)部有瞬間短路保護(hù)、超負(fù)荷熱量保護(hù)、短暫 60V 高電壓輸入保護(hù)和鏡像插口保護(hù)；（6）輸入電壓為 ，輸出電壓為 ；輸出滿負(fù)載電流 500mA 時，靜電流為 2mA。D1 是經(jīng)過調(diào)整、穩(wěn)壓后的輸出電壓 VDD 的電源指示燈，用來檢查整個系統(tǒng)的上電情況。從抗干擾角度考慮，無線射頻收發(fā)系統(tǒng)對電源噪聲很敏感，因此設(shè)計中用 把電源穩(wěn)壓濾波成+ 穩(wěn)定電壓后才對芯片供電。高頻器件對于噪聲很敏感，因此給各部分電源輸入端加裝了濾波器或穩(wěn)壓器，以減少電源噪聲對芯片的干擾。另外，對芯片使用電源監(jiān)控及看門狗電路，以便大幅度提高整個電路的抗干擾性能。 系統(tǒng)復(fù)位設(shè)計系統(tǒng)中采用的外部復(fù)位按鍵電路如圖 所示，外部/RST 引腳提供了使用外部電路強(qiáng)制 MCU 進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)的手段。在/RST 引腳上加一個低電平有效信號將導(dǎo)致 MCU進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。盡管在內(nèi)部有弱上拉，但提供一個外部上拉和對/RST 引腳去耦可以防止強(qiáng)噪聲引起復(fù)位，提高了抗干擾能力。從外部復(fù)位狀態(tài)退出后，PINRSF 標(biāo)志（ ）被置‘1’ 。圖 外部復(fù)位按鍵設(shè)計原理圖35C8051F310 提供了上電復(fù)位、掉點(diǎn)復(fù)位、 VDD 監(jiān)視器復(fù)位、外部復(fù)位、時鐘丟失檢測器復(fù)位、比較器 0 復(fù)位、PCA 看門狗定時器復(fù)位、FLASH 錯誤復(fù)位、軟件復(fù)位 9種復(fù)位源。復(fù)位電路允許很容易地將控制器置于一個預(yù)定的缺省狀態(tài)。在進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)時，將發(fā)生以下過程： ? CIP51 停止程序執(zhí)行 ? 特殊功能寄存器（SFR）被初始化為所定義的復(fù)位值 ? 外部端口引腳被置于一個已知狀態(tài) ? 中斷和定時器被禁止 在復(fù)位期間內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的內(nèi)容不發(fā)生改變，與復(fù)位前存儲的數(shù)據(jù)保持一致。但由于堆棧指針 SFR 被復(fù)位，堆棧實(shí)際上已丟失，盡管堆棧中的數(shù)據(jù)未發(fā)生變化。端口 I/O 鎖存器的復(fù)位值為 0xFF（全部為邏輯‘1’ ） ，處于漏極開路方式。在復(fù)位期間和復(fù)位之后，弱上拉被使能。對于 VDD 監(jiān)視器和上電復(fù)位，/RST 引腳被驅(qū)動為低電平，直到器件退出復(fù)位狀態(tài)。在退出復(fù)位狀態(tài)時，程序計數(shù)器（PC）被復(fù)位，MCU 使用內(nèi)部振蕩器作為默認(rèn)的系統(tǒng)時鐘?？撮T狗定時器被使能，使用系統(tǒng)時鐘的 12分頻作為其時鐘源。程序從地址 0x0000 開始執(zhí)行。36圖 復(fù)位源框圖 系統(tǒng)晶振與時鐘配置在本系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)收發(fā)板上，C8051F310 選擇的外部晶體振蕩器的諧振頻率為。系統(tǒng)在正常運(yùn)行期間可以使用外部高精確度的時鐘，在系統(tǒng)休眠或者特殊功能場合時，將時鐘切換到內(nèi)部低頻率時鐘，以便降低功耗。同時當(dāng)使用外部晶振的時候需要將 P0SKIP 寄存器設(shè)為 0x0C，使 （XTAL1）和 （XTAL2 ）引腳跳過交叉開關(guān)。C8051F310 MCU 有一個可編程內(nèi)部振蕩器和一個外部振蕩器驅(qū)動電路。內(nèi)部振蕩器可以被使能/禁止，其輸出頻率可以通過 OSCICN 和 OSCICL 寄存器編程（如圖 所示） 。外部振蕩器電路可以驅(qū)動外部晶體/陶瓷諧振器、電容或 RC 網(wǎng)絡(luò)，也可以使用一個外部 CMOS 時鐘提供系統(tǒng)時鐘。對于晶體/陶瓷諧振器配置，其必須并接到XTAL1 和 XTAL2 引腳。外部振蕩器由外部振蕩器控制寄存器 OSCXCN 來進(jìn)行配置。37圖 振蕩器框圖系統(tǒng)時鐘可以由外部振蕩器電路、內(nèi)部振蕩器或內(nèi)部振蕩器分頻后提供。時鐘選擇寄存器 CLKSEL 中的 CLKSL0 位是選擇用作系統(tǒng)時鐘的振蕩源。當(dāng)選擇外部振蕩器作為系統(tǒng)時鐘時，CLKSL0 必須被設(shè)置為‘1’ 。當(dāng)選擇內(nèi)部振蕩器作為系統(tǒng)時鐘時CLKSL0 被設(shè)置為‘0’ ，并且外部振蕩器仍然可以給外設(shè)（定時器、PCA）提供時鐘。系統(tǒng)時鐘可以在內(nèi)部振蕩器、外部振蕩器之間自由切換，只要所選擇的振蕩器被使能并穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)然，考慮到降低系統(tǒng)功耗問題時，一般只開啟一個振蕩器。然而，C8051F310 內(nèi)部可編程振蕩器有足夠高的精度（ 177。2%） ，并且從系統(tǒng)功耗考慮，外部晶振的功耗要比內(nèi)部振蕩器的功耗高，所以本設(shè)計采用內(nèi)部振蕩器已足夠滿足設(shè)計要求了。C8051F310 可編程內(nèi)部振蕩器在系統(tǒng)復(fù)位后被默認(rèn)為系統(tǒng)時鐘。內(nèi)部振蕩器的周38期可以通過 OSCICL 寄存器編程。 OSCICL 已經(jīng)過工廠校準(zhǔn)，對應(yīng)頻率為 ?？删幊虄?nèi)部振蕩器的頻率不能超過 25MHz。系統(tǒng)時鐘可以從內(nèi)部振蕩器分頻得到，分頻數(shù)由寄存器 OSCICN 中的 IFCN 位設(shè)定，可為 4 或 8。復(fù)位后的缺省分頻數(shù)為 8。表 給出了精密內(nèi)部振蕩器的電氣特性。表 內(nèi)部振蕩器電氣特性VDD=；40℃到+85℃（除非特別說明） 。參數(shù) 條件 最小值 典型值 最大值 單位內(nèi)部振蕩器頻率 24 25 MHz內(nèi)部振蕩器電源電流（由 VDD 供電） =1 450 1000 μA UART0 串口通信設(shè)計無線數(shù)傳模塊通過 UART0 串口 RS232 與經(jīng)緯儀或 C8051F320 數(shù)據(jù)采集板進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。UART0 串口通信設(shè)計原理圖如圖 所示。圖 UART0 串行通信原理圖C8051F310 提供的 UART0 是一個異步、全雙工串口，它提供標(biāo)準(zhǔn) 8051 串行口的方式 1 和方式 3。使用 UART0 口的時候需要將端口 I/O 交叉開關(guān)寄存器 0（XBR0）的39位 0 置‘1’ ，從而將 UART0 配置到 和 引腳上。UART0 具有增強(qiáng)的波特率發(fā)生器電路，有多個時鐘源可用于產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)波特率。接收數(shù)據(jù)緩沖機(jī)制允許 UART0 在軟件尚未讀取前一個數(shù)據(jù)字節(jié)的情況下開始接收第二個輸入數(shù)據(jù)字節(jié)。UART0 有兩個相關(guān)的特殊功能寄存器：串行控制寄存器（SCON0）和串行數(shù)據(jù)緩沖器（SBUF0） 。用同一個 SBUF0 地址可以訪問發(fā)送寄存器和接收寄存器。寫 SBUF0 時自動訪問發(fā)送寄存器；讀 SBUF0 時自動訪問接收寄存器。如果 UART0 中斷被允許，則每次發(fā)送完一個數(shù)據(jù)字節(jié)時（SCON0 中的 TI0 位被置‘1’ ）或接收到一個數(shù)據(jù)字節(jié)時（SCON0中的 RI0 位被置‘1’ ）將產(chǎn)生一個中斷。當(dāng) CPU 轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序時硬件不會自動清除 UART0 的中斷標(biāo)志。中斷標(biāo)志必須用軟件清除（在發(fā)送完成或接收完成后） 。圖 UART0 原理框圖40 系統(tǒng)固件調(diào)試電路設(shè)計 如圖 所示為系統(tǒng) JTAG 口與單片機(jī)連接原理圖，J2 為 JTAG 口。C8051F310 器件具有片內(nèi) Silicon Labs 2 線（C2）接口調(diào)試電路，支持使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)中的產(chǎn)品器件進(jìn)行非侵入式、全速在系統(tǒng)調(diào)試。Silicon Labs 的調(diào)試系統(tǒng)支持觀察、修改存儲器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)和單步執(zhí)行。不需要額外的目標(biāo) RAM、程序存儲器、定時器或通信通道。在調(diào)試時所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都正常工作。當(dāng) MCU單步執(zhí)行或遇到斷點(diǎn)而停止