【導讀】介紹了一種通過單片機ATmega16L對無線收發(fā)芯片ADF7021進行智能控制的通用無線收發(fā)裝置的設。計方法，包括硬件電路和軟件部分的實現(xiàn)方法。并給出了主要的CVAVR源代碼。發(fā)的無線收發(fā)裝置可以方便地嵌入各種帶有串口的測量和控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

　　

【正文】 在制板時碰到的一些問題 1 )高靈敏 線和高噪聲線之間的隔離不充分 由于數(shù)模電源的不同特性，數(shù)字電路和模擬電路集成在一塊 PCB 板上時，可能系統(tǒng)工作狀態(tài)的不穩(wěn)定。如果不能使數(shù)字信號與模擬信號 (射頻 RF)很好的分離。微弱的射頻信號可能遭到致命的破壞 ,無線設備工作性能也會因此而惡化，甚至完全不能工作。由此可見數(shù)字信號的高頻噪聲很大，如果模擬地和數(shù)字地混合的話，就會把噪聲傳到模擬部分，造成干擾。如果分開接地的話，高頻噪聲可以在電源處通過濾波來隔離掉。 [11] [12] 2 )電源噪聲 因為數(shù)字部分有幾個輸入輸出電壓幅度，所以它能容許較大的電源噪聲。但是 模擬信號對電源噪聲尤其是毛刺信號和高頻分量卻相當敏感。因此數(shù)模混合的板子比起純數(shù)字板，電源部分的布線需格外注意。應避免自動布線。 現(xiàn)代 MCU 大多采用 CMOS 工藝制造，在每個時鐘周期內的短時間突然吸入大部分電流。這樣電源勢必產生毛刺電壓和其他的高頻諧波，而射頻電路對于電源噪聲又相當敏感。假設有一 MCU以 1MHz的內部時鐘頻率運行，那么它將以此頻率從電源提取電流，電源線上也將因此引起電壓毛刺，如果這些電壓毛刺到達電路 RF 部分的電源引腳 ,嚴重時可能導致不能正常工作，因此應當采取相應的電源去耦電路。 3 )射頻部分 隔離 而對于模擬電路的設計，在 RF 頻段一根極短的地線都具有相當于電感一樣的作用。粗略地計算，電感量約為 1nH/mm， 433MHz 時 PCB 線路地感抗約為 27Ω /10toni。如果沒有設置地線層，那么大多數(shù)的地線將會較長，這樣容易引起 PCB 地線的共阻抗干擾，電路也就無法達到設計要求的特性。射頻電路的接地層應該連到負電源上。如果沒有做好，可能會產生旁路效應。雖然對數(shù)字電路而言，不連接地層不影響效果。而在一定的情況下，設計數(shù)字電路時，即使是沒有地線層，大多數(shù)的數(shù)字電路也具有良好的電路功能。 4 )天線輻射對其他模擬 元件的影響 在 PCB 電路設計中，常常是由幾個模擬或是數(shù)字電路模塊組成的。比如，許多電路都有 ADC、 DAC、 18 PA 電路。任何電路線路都可以等效于天線般發(fā)出或接收 RF信號，那么 RF 發(fā)送器的天線發(fā)出高頻信號可能會到達 ADC 的模擬輸入端。當這種情況發(fā)生的時候，如果 ADC 輸入端的處理不合理，接收到的RF 信號可能在 ADC 輸入的 ESD(靜電放電保護 )二極管內自激，從而引起 ADC 偏差。 采取的措施 在查閱了相關資料后，采取了下面的一些方法，獲得了比較滿意的結果。 1 ) 一個可靠的接地層 一個可靠的接地層可以產生一個 0V參照 電壓，給所有的信號提供去耦合。由于接地層的阻抗，兩個接地的接點將不會耦合。這點很重要，因為板上的有些信號幅度相差 120dB。所有的布線和所有的元件應該放在同一面，另一面為接地層。對于 2層以上的板子，接地層應該在靠近上層信號的那一層。在信號層里所有的空余地方，應盡可能的和接地層連接。需要注意的是，靠近接地點的電感的性能會發(fā)生改變，因此必須考慮好接地點的位置。 2 )電源的星型布線法 不同模塊的電源線直接從電源分開得到，每一條電源線分別去耦合。這是一個使數(shù)字模塊的噪聲避免影響模塊的一個非常有效的方法。 如果在 PCB板上存在噪聲極大的模塊，可以用電感或小電阻 (10m?) 和電源線串聯(lián)到這部分模塊上。而這些模塊的電源必須用至少 10uF 的鉭電容器來去耦合。 3 ) 信號地和接地層的連線盡量短 應當盡可能遠地分離高功率電路和低功率電路，輸入遠離輸出，固定位于 RF路徑上的元器件并調整其方向 ,將 RF 路徑的長度減到最小 ,使傳輸過程的功率損耗達到最小。 4 )射頻的去耦合設計 去耦合電容應該盡量靠近需要去耦合的管腳。一個電容配一個管腳，使用高質量的陶瓷電容。一般使用 “NPO”的電介質型，但在比較低的頻率情況下， “X7R”也同樣有 效。必須選擇電容值， 使它們的串聯(lián)諧振頻率和所要去耦合的信號頻率相等。 5 )PCB 板的底板設計 為了減少高噪聲模塊對模擬部分的影響，必須考慮各模塊的位置。通常的做法是避免將靈敏的模塊 (比如射頻 RF 和天線模塊 )和高噪聲模塊 (比如高速、高電壓數(shù)字電路， RS232 驅動電路 )放在一起。請記住，不在同一層的高噪聲模塊和線路會像在同一層一樣，造成同樣的影響，除非在兩層之間有接地層隔離。必須要立體考慮。 6 )將射頻信號和其他模擬信號分離開 正如前面所說，射頻信號在發(fā)射時，可能影響其他靈敏的模擬模塊，比如說 ADC 尤 其是窄帶大功率射頻信號造成的影響更是一個問題。一個有效的措施是將靈敏模塊接到接地層上去耦合，而射頻模塊，用去耦合電容 (比如 220pF 的 NPO 433MHz 電容 )。 7 )特別注意板上天線 由于采用的是集成到 PCB 板上的倒 F 型天線，雖然比較可靠穩(wěn)定，但也會從周圍的高噪聲模塊耦合到噪聲。這些可能影響接收，并可能無意的調制發(fā)射信號，因此不能將數(shù)字信號線布在天線的附近。并且要保證天線周圍有足夠的空余板面，因為在天線附近的任何元件都可能形成部分回路，造成天線的頻率偏移，因而減少了傳輸距離。而且 PCB 板的外殼也可能對天 線造成影響，因此應在整個 PCB 固定在外殼內之后，再來調試天線。 調試 通過對系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸能力的測試，該系統(tǒng)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)正確、可靠，各元件工作正常。并且在此硬件連接的基礎上，利用 ADF7021 進行串行數(shù)據(jù)接收及發(fā)送，收到了較好效果。在本設計中，最后主要碰到了一些關于 ADF7021 的一些問題。因此這里主要講 ADF7021 的一些調試方法。 1 ) ADF7021 的整體測試 系統(tǒng)測試連接如圖 51 所示： 19 無 線 數(shù) 傳 模 塊 無 線 數(shù) 傳 模 塊信 號 源P C 主 機方 波示 波 器頻 譜 儀 圖 51 系統(tǒng)測試連接圖 系統(tǒng)的測試過程如 下：在無線數(shù)傳模塊的發(fā)射端由信號源發(fā)送一組方波脈沖信號，用頻譜分析儀監(jiān)測其中心頻率（如是否中心頻率 f=），在用示波器觀察無線模塊接收端接收到的波形（觀察ADF7021 是否處于正常的工作狀態(tài)），最后即可利用 PC 主機通過串口將數(shù)據(jù)存儲起來。 在測試的過程中，外界環(huán)境的變化可能造成傳輸效果不盡相同。這是由于無線通訊的環(huán)境不確定性（如障礙物影響、人體靜電影響、外界無線干擾、多徑現(xiàn)象和環(huán)境吸收等）所引發(fā)的，因此需要給定一定的條件進行測試與評估。本設計采用不同的試驗場所對模塊進行檢測實驗，當障礙物（如 建筑物）多的時候，該無線數(shù)傳模塊均離地面 （ ）高時，能夠達到最佳通訊距離 30m50m(40m60m)；而在空曠的場所，該模塊兩端均離地面 ， 最遠的傳輸距離可達 400m700m。至此，發(fā)現(xiàn)實際通訊距離與 ADF7021 的 Datasheet的理論傳輸距離相差較大，可能調諧天線引起的。另外，人員的走動或是其他信號的干擾，通訊距離變得不是非常穩(wěn)定。在實際應用中，最好采用高增益天線來提高通信距離。分析其原因，天線是一個輻射的器件，如果旁邊的物質與長度變化都會影響天線的性能，包括輻天線阻抗、 射增益與調諧等。 2 )亂碼的解決方法 解決這類問題時一般需要注意以下 3 點： ? 檢測測試的環(huán)境、 方法是否合理，包括傳輸速度、傳輸條件 ； ? 系統(tǒng)的電源 采用穩(wěn)壓電源而 不要 使用 開關電源 ； ? 在檢查時，手不要接觸 RF 芯片和外圍元件等 高頻部分。 3 )控制無信號發(fā)送時的噪聲 測試中還發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)場即使沒有任何發(fā)送器，在 ADF7021 的 DOUT 引腳上也會觀察到連續(xù)的數(shù)字“噪聲”。后來通過研究發(fā)現(xiàn)，當接收器打開時，空氣中的任何信號 (數(shù)據(jù)或噪聲 ) 都會被天線捕捉到并被解調。這就是所看到的系統(tǒng)中沒有工作的發(fā)送器卻存在“噪聲”的原因。 本章小結 本章主要對制數(shù)字電路和模擬電路集成在一塊 PCB 板上時，容易出現(xiàn)的問題進行了分析和討論。參照有關資料，結合自己在制板過程中的體會，提出了一些解決方法。并對調試時遇到的一些問題進行了簡單描述。 6. 結束語 本文采用了美國 ANALOG DEVICES公司最新推出的單片無線收發(fā)一體芯片 ADF7021，并在此基礎上設計出多功能無線數(shù)傳模塊經(jīng)過實際檢驗，此模塊運行穩(wěn)定，通信可靠，能夠實現(xiàn) 較 遠距離無線通信， PC機與 MCU 之間、 MCU 與 MCU 之間的遠距離點對點和點對多點的異步串行通信。 在通訊技術和計算機科學的不斷 發(fā)展和變革的過程中，無線傳輸通訊變得越來越重要。其中無線產品的應用對于成本的降低、傳輸途徑的無線化、不受環(huán)境因素限制、靈活組裝、增強系統(tǒng)的重構性有很大的提升，為未來的控制技術帶來很大的發(fā)展空間?？梢员粡V泛的應用到電力、自動識別、遙控、工控 20 數(shù)據(jù)采集、智能家居、安防、無線通訊??等各種的實際工作領域。 無線輸傳模塊的研發(fā)歷時近四個月，在研發(fā)期間，從方案的論證到有關功能的仿真，從建立模型到程序代碼的編寫，調試系統(tǒng)成功，我翻閱了許多有關書籍，并且受到相關老師的親身指導，將理論研究和實驗手段相結合，在經(jīng)歷失敗挫折的過 程中，也體味到了成功的喜悅，可以說這段經(jīng)歷是作者在科研道路上的起步，是一個充滿艱辛和快樂的過程。在這段過程中，作者更深深體會到了團隊力量的重要性，而且也領悟到作為一名硬件研發(fā)工程師也不是想象中那么簡單，不僅需要信心，虛心，更需要細心、耐心。 致謝 本次畢業(yè)設計和畢業(yè)論文是在王新明、趙星俤老師的悉心指導下完成的。導師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、淵博的專業(yè)知識、勤奮務實的工作作風令我敬佩至深，受益匪淺。值此論文完成之際，謹表衷心的感謝 !同時也感謝曹禮玉工程師對我的悉心指導和真誠幫助，感謝在這一段期間其他同學對我的幫助！ 參考文獻 [1] 鮑金寶，袁冰冰，郭黎利 ． 基于 89C52 和射頻芯片 NRF401 無線數(shù)傳模塊的設計 [J]． 應用科技， 32（ 12）： 1315． [2] 黃智偉 ． 無線數(shù)字收發(fā)電路設計 [M]． 北京：電子工業(yè)出版社 ,2020． [3] 卞德森 ， 鄭國燦 ， 張毅 ． RS23 RS422 與 RS485 接口標準及應用技術 [J]． 電視技術論談， ，第 3 期： 23． [4] 李朝青． PC機及單片機數(shù)據(jù)通信技術 [M]．北京：北京航空航天大學出版社， 2020． [5] 吳功宜，吳英 ． 計算機網(wǎng)絡教程（第三版 ） [M]． 北京： 電子工業(yè)出版社， ， 7274. 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Hereby , duplex munication of data can be realized by inserting the wireless transceiver developed here into all kinds of measurement and control system. Keywords : ADF7021。 single chip puter 。wireless digital transmission