【正文】 用。本文采用了NRF2401射頻模塊來完成短距離無線通信系統(tǒng)的電波層連接。4.2.2NRF2401內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理NRF2401內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為發(fā)射電路、接收電路、模式和低功耗控制邏輯電路及串行接口幾部分〔15]。北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)山d山匕工PWRUPCECS崖節(jié)少其〕ADRZDOUTZCLKZDRIDATACLKI模模式控制電路路時(shí)時(shí)鐘電路路地地址解碼碼CCCRC編解碼碼FFFIOF輸入輸出出r...J‘l...L?？厥街票撒赩DDPAIREFANTIANTZ!llL通道2GGGFSK調(diào)制制解解調(diào)器器廠\少)}以了Jeessl、eeee.通道1發(fā)射電路包含有:射頻功率放大器(AP)，鎖相環(huán)(PLL)，壓控振蕩器(VCO)，頻率合成器等電路，要發(fā)射的數(shù)據(jù)通過DAAT端輸入?；鶞?zhǔn)振蕩器采用外接晶體振蕩器產(chǎn)生電路所需的基準(zhǔn)頻率。本機(jī)振蕩用鎖相環(huán)(PLL)方式，由在DDS基礎(chǔ)上的頻率合成器、外接的無源回路濾波器和壓控振蕩器組成。壓控振蕩器由片內(nèi)的振蕩電路和外接的LC諧振回路組成。射頻功率放大器具有高達(dá)+lOdmB輸出功率。接收電路包含:低噪聲放大器(LNA)，混頻器(RFMxier)，中頻放大器，GMSK解調(diào)器，濾波器等電路。接收電路中，低噪聲放大器放大輸入的射頻信號(hào)，接收靈敏度達(dá)一IOOdmB。混頻器采用2級(jí)結(jié)構(gòu)，第二，中頻放大器用來放大從混頻器來的輸出信號(hào)，中頻放大器的輸出信號(hào)經(jīng)中頻濾波器濾波后送入GMSK解調(diào)器接調(diào)，解調(diào)后的數(shù)字信號(hào)在DAAT端輸出。NRF2401使用時(shí)，首先要對(duì)其初始化，通過基帶微控制器對(duì)芯片內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置，設(shè)定工作頻率、發(fā)射功率等參數(shù)。當(dāng)NRF2401進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，通過數(shù)據(jù)傳輸方向，微控制器進(jìn)行收發(fā)轉(zhuǎn)換控制，發(fā)送/接收數(shù)據(jù)或進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。NRF2401各管腳可直接與單片機(jī)或DPS的I/0口相連，其主要功能管腳接。該接口由9個(gè)數(shù)字輸入輸出I/0組成，按照工作分為三組。大學(xué)碩士學(xué)位論文第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)(1)編程配置接口。該接口由CE、CS、PWR組成，控制NRF2401的四種工作模式:配置模式，發(fā)射/接收模式，待機(jī)模式和掉電模式。配置數(shù)據(jù)由DATA、CLKI輸入。待機(jī)模式下功耗為12pA，此時(shí)發(fā)射/接收電路均關(guān)閉，只有時(shí)鐘電路工作，掉電模式CSCE〕〕〕〕〕〕〕〕〕〕〕〕〕〕〕〕〕模式控制制PPP，N6萬萬.〕通道RF24OI.................................〕通一一ppp、。，萬萬萬，尸尸尸PPPINI一‘‘‘PPP俐，:::::PPP、門門門，閱閱閱一一PIN77777，piN?！畗}}}}月月P，Nl，州州州DATACLKIDOUTZCLKZDRZ功耗約為1pA，此時(shí)所有電路關(guān)閉，進(jìn)入最省電狀態(tài)。模模式式PWRRRCEEECSSS工工作模式(發(fā)射/接收)))111111000配配置模式式lll000111待待機(jī)模式式111000000掉掉電模式式000XXXXXX(2)通道1接口。它是指CLKI、DAAT、DRI三線多功能接口，在配置模式下，單片機(jī)通過通道1的CLKI、DAAT線配置NRF2401的工作參數(shù)。在發(fā)射模式下，單片機(jī)通過通道1的CLKI、DAAT線發(fā)送數(shù)據(jù)。在接收模式下，當(dāng)接收到與本機(jī)地址一致時(shí)，通過DRI輸出中斷指示(高有效)，單片機(jī)通過CLKI、DAAT線接收數(shù)據(jù)。(3)通道2接口。該接口包括CLKI、DOUTZ、DRZ三線數(shù)據(jù)接口，與通道l類似，只是DOUTZ只能是輸出，即通道2只能接收數(shù)據(jù)而不能發(fā)射數(shù)據(jù)。此通道在設(shè)計(jì)中未使用。射頻模塊原理圖考慮到射頻電路工作頻率高，干擾相對(duì)低頻的主控電路，因此系統(tǒng)PCB分為射頻電路和控制電路兩部分布置，射頻電路和主控電路分開，高頻部分單獨(dú)做成一塊PCB板。射頻電路原理圖，如附圖2所示。晶體振蕩器需要外接晶振，晶振的特性要求是:并聯(lián)諧振頻率f二16MHz，并聯(lián)等效電容COspF，晶振等效串聯(lián)電阻RESR150。，全部負(fù)載電容，包括印制板電容CL14Pf。AVSS、VS_PA直接接地面，DVDD通過電容C22與模擬地面北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖像進(jìn)行壓縮，送入NRF2401射頻收發(fā)芯片完成信號(hào)的調(diào)制和功率放大，再進(jìn)行無線數(shù)字傳輸。接收端NRF2401將接收的信號(hào)解調(diào)，解調(diào)信號(hào)經(jīng)CY7C68013通過UBS接口將信號(hào)送給主控CP機(jī)處理與顯示。相反，主控CP機(jī)的控制指令通過無線信道發(fā)送給采集端TMS32OC54OZ，該DPS根據(jù)指令字進(jìn)行相應(yīng)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集端的控制。無損傷檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無線通信方案確定后，本文具體設(shè)計(jì)了主機(jī)端藍(lán)牙無線通信及UBS接口系統(tǒng)。單片機(jī)CY7C68013作為系統(tǒng)基帶控制器，完成藍(lán)牙通信的協(xié)議處理和控制射頻模塊正常工作，同時(shí)與主控PC進(jìn)行UBS通信。考慮到系統(tǒng)的軟件量大，因此進(jìn)行了外部ARM擴(kuò)展來存放程序，系統(tǒng)采用USB總線電源，但電壓是+5V，因此本章也進(jìn)行了電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)。甲}電源模塊}NRF2401藍(lán)牙射頻模塊CY7C68013基帶控制器主控PCRAM擴(kuò)展4.2射頻模塊電路設(shè)計(jì)「2401射頻芯片選取與簡(jiǎn)介藍(lán)牙無線通信產(chǎn)品開發(fā)的核心是藍(lán)牙芯片的設(shè)計(jì)與制造，而國內(nèi)在集成電路芯片的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力方面與國外差距甚遠(yuǎn)。藍(lán)牙是一個(gè)非常復(fù)雜的體系，完整實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙技術(shù)協(xié)議體系的芯片接口復(fù)雜，并且昂貴，在射頻收發(fā)電路方面如愛立信公司的PBA3130等。一般的電纜替代應(yīng)用都只實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙核心協(xié)議，而其他協(xié)議根據(jù)應(yīng)用的需要而定。目前藍(lán)牙的市場(chǎng)定位很容易被其他更專業(yè)的產(chǎn)品代替，這方面作的較好的有:挪威NordieVLSI公司的NRF2401系列芯片，Tl公司的TRF6900系列等，它們都是簡(jiǎn)化了藍(lán)牙協(xié)議的無線收發(fā)芯片，在實(shí)現(xiàn)短距離無線通信上成本低廉，開發(fā)周期短，在這類芯片中NRF2401無線速率最高，達(dá)到MIPbS，因此我們選用NRF2401系列。北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分開。AVDD的引入端設(shè)置四個(gè)高性能射頻去禍電容C12一C15對(duì)射頻電源進(jìn)行去禍。接收模式時(shí)，ANTI和ANTZ引腳端提供射頻信號(hào)輸入到低噪聲放大器LNA。發(fā)射模式下，從功率放大器(PA)提供射頻輸出到天線。天線采用單端PCB天線，這種天線設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，天線的長(zhǎng)度與所發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)成比例〔27]，電長(zhǎng)度E為天線的實(shí)際傳輸長(zhǎng)度與工作波長(zhǎng)的比值，本系統(tǒng)天線電長(zhǎng)度選為1/4〔28]，工作介質(zhì)參數(shù)￡。，波長(zhǎng)為兄=3x1010，、了互麗=所以，天線長(zhǎng)度為____1‘__L二灘X五=，4，天線長(zhǎng)度可在L的基礎(chǔ)上再延長(zhǎng)1一10nnIl。天線與NRF2401間設(shè)置LC選頻濾波網(wǎng)絡(luò)，濾除帶外干擾信號(hào)和高頻噪聲，天線通道推薦的負(fù)載阻抗是400Q。4.3CY7C68013與射頻模塊接口電路設(shè)計(jì)4.3，1CY7C68013微控制器簡(jiǎn)介YCC768013是Cyperss公司推出的EZ~USBFXZ系列芯片微控制器，是一個(gè)帶USB接口的高速單片機(jī)，、串行接口引擎S(IE)、增強(qiáng)型8054KB的FIFO存儲(chǔ)器、I/0口、數(shù)據(jù)總線、地址總線和通用可編程接口(GPIF)。其有許多適合和方便本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn):(1)CY7C68013支持USB的12Mbps全速傳輸和480Mbps高速傳輸，可使用4種USB傳輸方式:控制傳輸、中斷傳輸、快傳輸和同步傳輸。完全適用于。(2)SIE負(fù)責(zé)和USB收發(fā)器、UBS接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以完成串行數(shù)據(jù)的編解碼、差錯(cuò)控制、位填充等與UBS協(xié)議有關(guān)的功能，大大簡(jiǎn)化了固件編程，因此使用CY7C68013在編寫USB數(shù)據(jù)傳輸程序時(shí)就不用過多的考慮UBS協(xié)議，如數(shù)據(jù)的打包、糾檢錯(cuò)等。大學(xué)碩士學(xué)位論文第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)24MHz晶振︵的︶卑截︵9一︶洲司8051內(nèi)核12/24/48MHz1IC總線﹄匕0︸U…，臼/了///了......﹄..﹄...幾........1....，曰百L丫幾O幾全速傳輸時(shí)閉合I/0接口(24)Cvcl八ADDR(9)沁湘騙瞥嘟均鵝象\洲裂收發(fā)器RAMRYD(6)TCL(6)鮮B丫與FIF01\尸(3)CY7C68013固件程序代碼可放于主機(jī)內(nèi)，上電后再自動(dòng)下載，因而便于固件開發(fā)、調(diào)試和容易升級(jí)，同時(shí)避免了需要購買昂貴的編程器，節(jié)約了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本。(4)TQFP128封裝CY7C68013芯片提供40個(gè)I/0口，8位數(shù)據(jù)總線和16位地址總線，方便與其它集成芯片的接口和存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。(5)CY7C68013采用增強(qiáng)型8051內(nèi)核。該內(nèi)核負(fù)責(zé)控制芯片的外圍連接，以使它們和USB核完成UBS數(shù)據(jù)交換。因此68013也是一個(gè)具有USB功能的增強(qiáng)型8051單片機(jī)，應(yīng)用時(shí)必須編寫8051固件程序?qū)λM(jìn)行控制。(6)內(nèi)置的增強(qiáng)型8051比標(biāo)準(zhǔn)8051速度更快、功能更強(qiáng):默認(rèn)工作時(shí)鐘是48MHz，用戶也可根據(jù)需要將其設(shè)定為24MHz或12MHz，機(jī)器周期為4個(gè)時(shí)鐘周期，比標(biāo)準(zhǔn)8051快三倍。帶有256B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，2個(gè)串行口，3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，且指令集和標(biāo)準(zhǔn)8051完全兼容，并可使用Csl編譯器，開發(fā)方便。(7)YCC768013內(nèi)部包含SKB的ARM，可兼作程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，有利于系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)片內(nèi)緩沖與處理。(8)CY7C68013新增8個(gè)中斷，包括:INTZ~INTResume、Txlamp。Rxl和TimeZr。其中Resume中斷在CY7C68013由掛起狀態(tài)中恢復(fù)時(shí)使用，其中斷源為芯片的WAKEUP/WUZ管腳或UBS的復(fù)位信號(hào)。工NTZ負(fù)責(zé)處理32種USB中斷，它使用“自動(dòng)向量跳轉(zhuǎn)”，程序員需在地址Ox43處插入一條跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)中斷服務(wù)子程序的跳轉(zhuǎn)指令(第五章將做詳細(xì)說明)。西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.CY7C68013提供了兩種類型的1/0系統(tǒng):可編程1/0口和ICZ控制器。工/0口由PA、PB、PC、PD和PE組成，共40個(gè)管腳。IZC總線控制器使用SCL和SDA兩個(gè)管腳。CY7C68013有2種接口模式:從屬FIFO和GPIF，其由寄存器IFCFG控制。當(dāng)68013工作于從屬FFIO模式時(shí)，外圍電路可像普通F工F0一樣對(duì)68013中的端點(diǎn)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫。在GPIF模式下，68013可由軟件來編程輸出讀寫控制波形，因此，它可方便地對(duì)NRF2401進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)交換。本系統(tǒng)CY7C68013工作在GPIF模式下。增強(qiáng)型8051使用特殊功能寄存器OEx(OEA、OEB、OEC、OED、OEE)和Iox(IOA、IOB、IOC、IOD、IOE)來控制其1/0管腳，其中，OEx用于控制管腳的輸入輸出功能(0表示輸入，1表示輸出)，工Ox用于讀取或?qū)懭隝/O管腳的數(shù)據(jù)。所有的I/0口都具有第二功能，即與其它功能復(fù)用，增強(qiáng)型8051可通過一系列控制寄存器設(shè)置I/0口實(shí)現(xiàn)其復(fù)用功能，這時(shí)寄存器OEx無效，但oIx始終映射出管腳的當(dāng)前狀態(tài)。由于68013異步串行通信的波特率不高，加之NRF2401的DAAT又是單一的雙向同步串行數(shù)據(jù)線，本文使用68013的CPCP3腳來模擬同步串口和同步時(shí)鐘，68013與NRF2401間通過DATA線和CLKI線以同步串行通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。CY7C68013與射頻芯片具體接口電路。I目翻5I4馬二.，二IO甲.，目與月J1已勺4OIPW反j刁麗亡硬一，月010吸，‘r演t恤月010口口I，t4OIC‘14自10峨吐1月01‘嘆』l勺4自l仁從丫內(nèi)l‘‘~~ttt，KKK.....III目目目目目目翻翻555李~~~~III444叻叻馬馬二二二二二二...，叮二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二IIIOOO巴甲甲甲以二】】甲甲甲甲甲甲甲甲曲.........口..翻.........鉀鉀鉀，佗，恤電ttt，，，，呢，一麗產(chǎn)產(chǎn)目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目目與與與與與與與月月月巴吧]]]JJJJJJJJJJJJJ11111r二二已已已已已已已弘弘弘弘)))))~~~~巴巴巴}。，以、一—一一一一飾云一介寫寫寫寫寫寫寫寫寫。卜卜卜卜卜啟啟三三護(hù)護(hù)門戶月月月月月月月月月月月月月月月大學(xué)碩士學(xué)位論文第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.3.3接口時(shí)序分析CY7C68013由軟件控制來輸出接口時(shí)鐘，并把數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)按時(shí)取走，對(duì)于CY7C68013方面，其接口時(shí)序取決于軟件的控制，因此只有充分掌握了NRF2401的接口時(shí)序，才能保證CY7C68013與NRF2401之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。晶振為16MHzNRF2401的典型時(shí)序信息。符符號(hào)號(hào)參數(shù)數(shù)MAX...MIN...TTTPdZsbyyy掉電轉(zhuǎn)到待機(jī)模式所需時(shí)間間3msssssTTTPdZaaa掉電轉(zhuǎn)到工作模式(RX/Tx)所需時(shí)間間3msssssTTTsbyZtxSBBB待機(jī)轉(zhuǎn)到ShoekBurst發(fā)射所需時(shí)間間195psssssTTTsbyZrxxx待機(jī)轉(zhuǎn)到接收狀態(tài)所需時(shí)間間202林sssssTTTesZdataaaCS