【正文】 空間下電波傳播的損耗 Los = + 20lg d(Km) + 20lg f(MHz) Los 是傳播損耗，單位為dB d是距離，單位是Km f是工作頻率，單位是MHz ，發(fā)射功率為＋10dBm(10mW)，接收靈敏度為105dBm的系統(tǒng)在自由空間的傳播距離： 由Los、f 計(jì)算得出d =31公里 這是理想狀況下的傳輸距離，實(shí)際的應(yīng)用中是會(huì)低于該值，這是因?yàn)闊o(wú)線通信要受到各種外界因素的影響，如大氣、阻擋物、多徑等造成的損耗，將上述損耗的參考值計(jì)入上式中，即可計(jì)算出近似通信距離。 d = 無(wú)線通訊長(zhǎng)距離設(shè)計(jì) 在工作頻率固定的前提下，影響工作距離的主要因素包括發(fā)射功率、發(fā)射天線增益、傳播損耗、接收天線增益、接收機(jī)靈敏度等，通過(guò)加大發(fā)射功率，提高天線增益，提高接收機(jī)靈敏度均起到提高通信距離的作用， 在影響無(wú)線通信距離的以上幾個(gè)因素中，作為設(shè)計(jì)者可以控制的因素有：　　● 接收靈敏度　　● RX — 天線增益(loss)　　● TX — 天線增益(loss)　　● 發(fā)射輸出功率　　作為設(shè)計(jì)者不能控制的因素，以下這些因素是由無(wú)線電波的特點(diǎn)所決定的，無(wú)法由設(shè)計(jì)者改變及選擇：　　● 傳輸損耗　　● 路徑損耗　　● 多徑損耗　　● 周圍環(huán)境的吸收　　傳輸損耗包括自由空間損耗和其他傳輸損耗，所謂自由空間傳播系指天線周圍為無(wú)限大真空時(shí)的電波傳播，它是理想傳播條件，自由空間傳播損耗與距離和工作頻率有關(guān)?！　∮缮鲜娇梢姡杂煽臻g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(shí)，［Los］將分別增加6dB。有的設(shè)計(jì)者考慮到加大發(fā)射功率可以提高通信距離，但是沒(méi)有考慮到其他不理想的因素： 　?。?）加大功率后，帶來(lái)高電流消耗。　?。?）增加系統(tǒng)的成本。 B. 采用高增益天線提高通信距離　　用高增益天線來(lái)提高距離具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）集成天線，體積較小；（2）成本低于采用增加功放的方式；（3）與其他方案相比非常簡(jiǎn)單；（4）無(wú)需增加額外的功耗和增加外圍元件。 假定大氣、遮擋等造成的損耗為25dB，可以計(jì)算得出通信距離為：d =。采用高增益天線來(lái)提高通信距離是低功率無(wú)線應(yīng)用擴(kuò)展通信的較好辦法。由于nRF401外圍元件少，是目前集成度最高的RF 收發(fā)芯片并集成了基帶處理，設(shè)計(jì)比較方便，但是實(shí)際由于高頻電路的特性，工作頻率較高(UHF)，且nRF401 PCB 設(shè)計(jì)是混合信號(hào)電路設(shè)計(jì),盡管nRF401 已經(jīng)大大簡(jiǎn)化了射頻電路設(shè)計(jì)及要求，設(shè)計(jì)時(shí)仍然需要十分的注意。因此將PCB 分為射頻電路和控制電路兩部分布置。底面有一個(gè)連續(xù)的接地面，元件面的接地面保證元件充分接地，大量的通孔鏈接元件面的接地面和底面的接地面。射頻電路的元件面以nRF401 為中心，各元件緊靠其周圍，盡可能減少分布參數(shù)的影響。匹配網(wǎng)絡(luò)的元器件最好靠近nRF401 的ANT1 和ANT2，以減小雜散電感和雜散電容。在電路板的所有層中,數(shù)字信號(hào)只能在電路板的數(shù)字部分布線,模擬信號(hào)只能在電路板的模擬部分布線，并且模擬電源和數(shù)字電源要分割。如果一個(gè)小電容再并上一個(gè)較大的電容效果會(huì)更好()。(4)射頻電路的電源使用高性能的射頻電容去耦，去耦電容盡可能靠近nRF401 的VDD 端，一般還在較大容量的表面貼裝電容旁并聯(lián)一個(gè)小數(shù)值的電容。(5)布線時(shí)，電源線和地線要盡量粗。從單片機(jī)引入的晶體走線不能離數(shù)據(jù)線或者控制線太近。不能將數(shù)字信號(hào)或控制信號(hào)引入到PLL回路濾波器元件上。 (6)采用正確的布線規(guī)則。所有開關(guān)數(shù)字信號(hào)和控制信號(hào)都不能經(jīng)過(guò)PLL 環(huán)路濾波器元件和VCO 電感附近。電源做得好，整個(gè)電路的抗干擾就解決了一大半。比如，可以利用磁珠和電容組成П型濾波電路，當(dāng)然條件要求不高時(shí)也可用電感代替磁珠 部分PCB 圖5 軟件設(shè)計(jì) 無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集端軟件流程如下： 接收終端程序流程： 無(wú)線通訊協(xié)議本系統(tǒng)是一個(gè)簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊, 所以通訊協(xié)議分為三層即可。數(shù)據(jù)鏈路層的功能是提供可靠的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將應(yīng)用層發(fā)來(lái)的比較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)幀拆分為短的數(shù)據(jù)幀，并加上包頭和校驗(yàn)和，重新打包后發(fā)送出去；接收數(shù)據(jù)時(shí)，將接收到的數(shù)據(jù)解包并重新組合成完整的長(zhǎng)數(shù)據(jù)，移交給應(yīng)用層。無(wú)線通訊容易受到干擾，一次發(fā)送的數(shù)據(jù)越長(zhǎng)，受干擾的可能性越大。因?yàn)閚RF401是高靈敏度的，在沒(méi)有進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，它的數(shù)據(jù)輸出腳會(huì)有雜波輸出。當(dāng)一個(gè)有效數(shù)據(jù)幀頭到達(dá)時(shí)，串口可能正采樣到一個(gè)字節(jié)的中部， 因?yàn)闄z測(cè)到起始位對(duì)于正確讀取其后的數(shù)據(jù)是相當(dāng)重要的，在每個(gè)數(shù)據(jù)幀之前要先發(fā)幾個(gè)字節(jié)的同步碼以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，四個(gè)字節(jié)的0xcc加一個(gè)字節(jié)的0xf0就可以確保在有效數(shù)據(jù)幀到達(dá)前雙方通訊實(shí)現(xiàn)同步, 為了區(qū)分干擾雜波與有效數(shù)據(jù)，需要數(shù)據(jù)幀加上幀頭， 因?yàn)楦蓴_雜波基本是隨機(jī)的，如果使用一個(gè)字節(jié)的幀頭，則可能無(wú)法區(qū)分干擾和有效數(shù)據(jù)， 因此本系統(tǒng)協(xié)議使用兩個(gè)字節(jié)的幀頭， 為兩個(gè)0x55 加上起始位和停止位, ，可以確保有效數(shù)據(jù)的確認(rèn)。如果全部數(shù)據(jù)正常接收，則發(fā)回正確接收確認(rèn)。本節(jié)說(shuō)明如何通過(guò)硬件和軟件設(shè)計(jì)配合來(lái)完成低功耗設(shè)計(jì)。在滿足距離要求的前提下，通過(guò)設(shè)定R3選擇合適的發(fā)射功率。3．硬件的設(shè)計(jì) 由于NRF401具有節(jié)能控制腳，這樣就更方便設(shè)計(jì)，直接用單片機(jī)的I/O來(lái)控制工作狀態(tài)即可。 A．首先每次發(fā)送應(yīng)該有一個(gè)前置碼 通常采用10101010101010。 B．接受端平時(shí)可以開啟接收幾個(gè)毫秒，如果沒(méi)有收到規(guī)定的前置碼10101011010，然后關(guān)閉約1S，通過(guò)監(jiān)測(cè)前置碼而獲得同步。 系統(tǒng)抗串干擾軟件設(shè)計(jì)由于nRF401利用的是ISM433 MHZ頻段，且發(fā)射范圍最大可達(dá)到1000M，而其他的家用設(shè)備也可能用想近的頻率來(lái)進(jìn)行無(wú)線通信，這樣就會(huì)不可避免的產(chǎn)生干擾。所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要認(rèn)識(shí)到這些問(wèn)題，進(jìn)行抗干擾的設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō)32位的ID設(shè)計(jì)就可以滿足實(shí)際數(shù)量上的任何要求了。如果發(fā)現(xiàn)某部分出現(xiàn)問(wèn)題，可以測(cè)量相應(yīng)電路節(jié)點(diǎn)的電壓大小，看其是否正常，再判斷涉及到的元件是否工作正常。 解決辦法：重新加工制作精密電路板，通過(guò)郵購(gòu)選擇與其數(shù)據(jù)手冊(cè)一致的電感、電容、電阻等分立元件。 系統(tǒng)軟件調(diào)試 主要是編寫數(shù)據(jù)采集端和接收端的軟件，各個(gè)部分分別調(diào)試。如軟件運(yùn)行與預(yù)期結(jié)果不符等，通過(guò)軟件的仔細(xì)調(diào)試（單步、觀察變量等）已基本上解決問(wèn)題。 系統(tǒng)的改進(jìn)方向 1)、本次設(shè)計(jì)的無(wú)線部分采用的是PCB環(huán)形天線，這種天線的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，占用很小的空間，但是在著明顯的不足：信號(hào)接收靈敏度差，通訊距離不夠遠(yuǎn)，對(duì)通信能力產(chǎn)生了很大的影響。 2)、數(shù)據(jù)采集端與接收終端之間加CRC校驗(yàn)來(lái)降低誤碼率。回看整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，雖然在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到過(guò)許多困難，但通過(guò)自己的不懈努力和指導(dǎo)老師的悉心指點(diǎn)，解決了大部分設(shè)計(jì)過(guò)程中碰到的各種困難，現(xiàn)已基本完成課題中的軟件設(shè)計(jì)、硬件規(guī)劃，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我對(duì)開發(fā)系統(tǒng)有了全面的了解，也學(xué)到了課堂上無(wú)法學(xué)到的東西。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、編碼以及測(cè)試等各種環(huán)節(jié)使我提高了發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，并且對(duì)問(wèn)題的觀察比以前更加敏銳了，考慮問(wèn)題也更加全面了。因此，我覺得這次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)我來(lái)說(shuō)是具有十分重要的意義，將是我走上社會(huì)崗位前的一次大鍛煉。本課題設(shè)計(jì)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸采集系統(tǒng)從系統(tǒng)的理論分析到硬件規(guī)劃及軟件的編寫設(shè)計(jì)都證明了基于無(wú)線射頻芯片nRF401的無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可行性與科學(xué)性。本課題研究的項(xiàng)目也是極具發(fā)展前途的，未來(lái)將會(huì)有更多的社會(huì)人士投入到這個(gè)技術(shù)項(xiàng)目的開發(fā)研究上來(lái)。致謝本課題從選題到設(shè)計(jì)完成整個(gè)過(guò)程，至始至終都是在何致遠(yuǎn)副教授悉心指導(dǎo)下完成的，在查閱文獻(xiàn)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試以及論文撰寫和修改定稿都中給予了建設(shè)性意見和指導(dǎo)，為我順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)付出了極大的心血，在此謹(jǐn)向他們致以最誠(chéng)摯的謝意。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了如何面對(duì)一個(gè)問(wèn)題，解決問(wèn)題。但因?yàn)闀r(shí)間比較短，個(gè)人精力有限，在設(shè)計(jì)中還有很多的不足之處，衷心的希望各位老師能提出批評(píng)、建議。 羅斌參考文獻(xiàn)[1 ] 張俊謀．單片機(jī)中級(jí)教程原理與應(yīng)用[M]，北京航空航天大學(xué)出版社，2000年3月.[2] 高傳善，錢松榮，毛迪林，數(shù)據(jù)通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M]，高等教育出版社，2001年4月.[3] 康華光．電子技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分) [M]，高等教育出版社，1999年3月.[4] 張玉興．射頻模擬電路[M]，電子工業(yè)出版社，2002年8月.[5] 何立民．單片機(jī)中級(jí)教程[M]，北京航天航空大學(xué)出版社，1990年7月.[6] 何立民．單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]，北京航天航空大學(xué)出版社，1990年7月.[7] 王新賢．通用集成電路速查手冊(cè)[M]，山東科學(xué)技術(shù)出版社，2002年7月.[8] 江思敏、姚鵬翼、胡榮, Protel電路設(shè)計(jì)教程[M], 清華大學(xué)出版社，2002年5月. [9] 印制電路板的可靠性設(shè)計(jì)．中國(guó)電子技術(shù)信息網(wǎng)，url:[10] 柯兆盛．基于nRF401芯片的無(wú)線傳輸遠(yuǎn)程測(cè)溫系統(tǒng)[C] ，吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院.[11] 宋培義．單片機(jī)原理、接口技術(shù)及應(yīng)用[M]， 中國(guó)廣播電視出版社 ，1999年5月. [12] 趙晶．電路設(shè)計(jì)與制板Protel99高級(jí)應(yīng)用[M]，人民郵電出版社，2000年6月.[13] 籍順心. 單片機(jī)的 C 語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M]，北京航空航天大學(xué)出版社, 1999年4月.[14] 挪威 Nordic VLSI 公司. nRF401芯片 datasheet ，2002年5月.附錄1 英文資料Introduce to nRF401GENERAL DESCRIPTIONnRF401 is a true single chip UHF transceiver designed to operate in the 433MHz ISM(Industrial, Scientific and Medical) frequency band. It features Frequency ShiftKeying (FSK) modulation and demodulation capability. nRF401 operates at bit ratesup to 20kbit/s. Transmit power can be adjusted to a maximum of 10dBm. Antennainterface is differential and suited for low cost PCB antennas. nRF401 features a standby mode which makes power saving easy and efficient. nRF401 operates from asingle +35V DC a primary application, nRF401 is intended for UHF radio equipment in pliance with the European Telemunication Standard Institute (ETSI) specification EN 300 2201 .APPLICATION INFORMATIONAntenna Input/OutputThe ANT1 and ANT2 pins provide RF input to the LNA (Low Noise Amplifier) when nRF401 is in receive mode, and RF output from the PA (Power Amplifier) when nRF401 is in transmit mode. The antenna connection to nRF401 is differential and the remended load impedance at the antenna port is 400.The output stage (PA) consists of two open collector transistors in a differential pair configuration. VDD to the PA must be supplied through the collector load. When connecting a differential loop antenna to the ANT1/ANT2 pins, VDD should be supplied through the centre of the loop antenna.The value of the capacitor connected between ANT1 and ANT2 is dependent on parasitics in the layout. pF is the optimal value when using Nordic VLSI layout and mm, 2 layer, FR4 printed circuit board, see application note AN40005.The value of the capacitor connected between ANT1 and ANT2 is depende