0 引言

　　在當前的無線數(shù)據(jù)通信領域內，系統(tǒng)設計的微型化、低功率是發(fā)展的趨勢與要求。在保證系統(tǒng)設計的有效性、可靠性的前提下如何實現(xiàn)低功率條件下的長距離無線數(shù)據(jù)傳輸是目前系統(tǒng)研究的主要問題。文章在分析了影響無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的相關因素，如頻率選擇、抗多徑干擾、天線選擇、協(xié)議設計等，分析了在低功率、微型化無線數(shù)傳系統(tǒng)設計時對這些影響因素的具體解決思路。以單片機AT89C5l和射頻芯片nRF401為系統(tǒng)設計核心，提出了一種低功率、長距離、系統(tǒng)功耗低的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的軟硬件設計方案，并給出了系統(tǒng)擴展應用的基本方向與思路。

　　1 影響因素分析

　　在無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設計時，頻段選擇、多徑干擾、天線選擇、協(xié)議設計等下列因素對整個系統(tǒng)的功能實現(xiàn)與性能有著至關重要的影響。

　　1．1 頻段選擇

　　對一般的民用無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)而言，確定工作頻率的時應該從兩方面考慮：一是所選擇的頻段應在免申請的自由頻段內頻率的：另一方面，頻率的高低與信號的傳輸損耗有關，結合當前的技術發(fā)展現(xiàn)狀，2．4GHz免申請微波頻段成為首選頻段，nRF401芯片就工作在此頻段。

　　1．2 多徑干擾

　　目前2．4GHz頻段的通信設備越來越多，藍牙、HomeRF、DECT和無線局域網(wǎng)（WLAN）等這類無線通信形式一般都采用2．4～2．5GHz ISM頻段，這些具有相同或相近工作頻段的系統(tǒng)在某一特定的區(qū)域內，就會造成無線數(shù)據(jù)傳輸過程中的多徑干擾，成為影響系統(tǒng)可靠性的主要因素。在系統(tǒng)設計時為了有效的降低多徑干擾對系統(tǒng)性能的影響，可采用數(shù)字調制技術與擴展頻譜通信技術，根據(jù)系統(tǒng)設計的低成本及微型化要求，可選擇FSK+DSSS來避免帶內多徑干擾。FSK調制具有設備簡單、調制和解調方便等優(yōu)點，并且具有較好的抗多徑時延性能；DSSS系統(tǒng)采用偽隨機碼的相關解擴，只要多徑時延大于一個偽隨機碼的碼片，多徑就構不成干擾，反而可以利用這一干擾能量來提高系統(tǒng)性能。

　　1．3 天線選擇

　　目前常用的微波天線有，外置式：1／4波長鞭狀、1／4波長伸縮式天線（振子螺旋天線組合）、螺旋天線：內置式：微帶縫隙、微帶貼片、介質、背腔式、鐵氧體式。其中內置式天線在使用的頻段范圍內，可以使天線的有效增益盡可能增大，進而提高無線傳輸距離；在保持有效增益的前提下，還要允許縮小尺寸和減輕重量。便于實現(xiàn)系統(tǒng)的微型化設計。

　　1．4 協(xié)議設計

　　對于無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)而言，通信協(xié)議設計的是否得當，將會對整個系統(tǒng)性能產生重要的影響。以nRF401為例，其協(xié)議設計時要保證系統(tǒng)在無數(shù)據(jù)傳輸時處于休眠狀態(tài)，降低系統(tǒng)功耗；同時還要考慮無線部分硬件不具備自動喚醒功能的，在有數(shù)據(jù)傳輸時能夠及時喚醒設備確保數(shù)據(jù)不丟失。nRF40l協(xié)議設計的基本內容如下：

　　（1）首先每次發(fā)送應該有一個前置碼，通常可采用101010101010……，持續(xù)一個給定的周期，這個前置碼是實現(xiàn)低功耗的基礎。

　　（2）接端平時可以開啟接收幾個毫秒，如果沒有收到規(guī)定的前置101010101010……，然后關閉約1秒，通過檢測前置碼而獲得同步。開關的時間比也就是工作的占空比，增加前置碼的周期可以減少工作的時間，從而減少平均工作電流。

　　2 系統(tǒng)設計

　　對于本次的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)而，系統(tǒng)設計在保證系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基礎上，還要解決三個問題：低功率、長距離，低功耗。其中的低功率實現(xiàn)比較簡單，因為nRF401芯片本身的最大發(fā)射功率只有+lOdBm，同時在電路設計可通過合理設置R3（見圖1）來調節(jié)發(fā)射功率。對于系統(tǒng)的低功耗要求可通過合理的協(xié)議設計來實現(xiàn)（上述2．4）。下來需要解決的主要問題便是長距離傳輸?shù)南到y(tǒng)軟硬件設計。

　　2．1．長距離傳輸實現(xiàn)

　　實現(xiàn)長距離無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方法有兩個：一是加大功率來提高傳輸距離；二是采用高增益天線提高通信距離。

　　加大功率雖然可以有效提高傳輸距離，但同時會使系統(tǒng)電流消耗增加，并且構成系統(tǒng)的元器件數(shù)量也會增多，造成系統(tǒng)功耗及體積變大，不利于系統(tǒng)微型化和低功耗特性的實現(xiàn)。

　　而采用高增益天線來恰好可以避免上述缺點，在這種方式中采集成天線，無需增加額外的功耗和增加外圍元件即可實現(xiàn)長距離的無線數(shù)據(jù)傳輸，其基本的理論依據(jù)如下：

　　采用OdB增益天線，理論上的數(shù)據(jù)傳輸距離為：

　　●f0：434 MHz（λ=0．69 m）

　　●Pt：10 dBm

　　●Gtx ant：0dB天線

　　●Grx ant：0dB天線

　　●S：-105 dBm

　　傳輸足巨離：R=λ／（4*π*10M）=30877m

　　其中：M=LP／20

　　LP=S—Pt—Gtx_ant—Grx_ant=-115dBm

　　這是理想狀況下的傳輸距離，實際的應用中是會低于該值，這是因為無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入上式中，即可計算出近似通信距離。

　　2．2 系統(tǒng)硬件設計

　　圖1為nRF401在采用高增益天線時的典型應用電路

　　在系統(tǒng)設計中，以Atmel 公司的AT89C51 單片機作為系統(tǒng)控制器與該電路連接。由控制器發(fā)出控制信號改變TXEN端口的值，以改變nRF401 的收、發(fā)工作狀態(tài)，nRF40l與AT89C51連接方式如下圖2示。

　　本系統(tǒng)處于半雙工的工作狀態(tài)。單片機的串口P3．0、P3．1分別和nRF4．01的DOUT、DIN相連接。TXEN、FREQ、PWR UP可以分別由單片機的Pl口的引腳進行控制。即發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)由單片機的串口P3．1到達nRF401的DIN引腳，然后天線端口發(fā)送出去。接收數(shù)據(jù)的過程正好相反，數(shù)據(jù)經(jīng)由天線，經(jīng)過解調，到達DOUT端口，再由P3．0接收，經(jīng)由SBUF轉存到存儲器中。單片機和nRF401 的連接如圖2所示。芯片引腳DIN與單片機P3．1相連，需要發(fā)射的數(shù)字信號通過DIN輸入。DOUT與單片機P3．0相連，解調出來的信號經(jīng)過DOUT輸出進入單片機。PWR UP（節(jié)電控制）與單片機P1．2相連：PWR UP=“1”為工作模式：PWR UP=“0”為待機模式。電路進入待機狀態(tài)，工作電流為8μA，電路不接收和發(fā)射數(shù)據(jù)。TXEN為發(fā)射允許控制，與單片機P1．0相連：TXEN=“1”為發(fā)射模式：TXEN=“0”為接收模式。為了設計上的方便，nRF401可以與單片機共用一個晶振，具體連接方法如圖3所示：

　　2．3 系統(tǒng)軟件設計

　　數(shù)據(jù)的收、發(fā)由AT89C51控制。首先，對系統(tǒng)要進行初始化，讓nRF401進入待機狀態(tài)：使單片機工作在串口通信方式，利用單片機的中斷響應，對。nRF40l芯片的相應引腳進行控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收或發(fā)射。整個軟件設計流程如圖4所示。在程序設計的時候，要注意一個關鍵問題：即nRF401有多種不同的工作模式，當不同的模式進行轉換時，系統(tǒng)存在相應的延遲，程序設計時必須考慮這一因素。nRF401不同工作模式下的時序如表1所示。

　　其中TX：發(fā)射模式；Rx：接受模式；std_by：待機模式；VDD=0-Tx：加電到發(fā)射模式；

　　VDD=0-RX：加電到接收模式。

　　當從接收轉為發(fā)射模式時，數(shù)據(jù)輸入引腳DIN必須保持為高至少1ms才能發(fā)送數(shù)據(jù)。當由發(fā)送模式轉為接收模式時，數(shù)據(jù)輸出引腳0UT要至少3ms以后才有數(shù)據(jù)輸出（其他的狀態(tài)，讀者可以根據(jù)表1 自行分析） 。在編程實現(xiàn)的時候要把延遲考慮進去，才能達到準確無誤接收。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，軟件設計流程如下圖4所示：

　　3 應用分析

　　本設計以nRF401和單片機AT89C51為基礎設計出了一款具有微型化、低功率、可長距離傳輸?shù)忍攸c的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，在某環(huán)境監(jiān)測與報警系統(tǒng)中進行了系統(tǒng)功能測試，測試結果表明，該系統(tǒng)在室外無障礙環(huán)境下的有效傳輸距離約為1300m，數(shù)據(jù)傳輸準確率較高，達到了預期的設計目標。

　　同時該系統(tǒng)可以作為一個開放式的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，將該系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集設備有效結合，可以實現(xiàn)工業(yè)環(huán)境下的數(shù)據(jù)監(jiān)測與監(jiān)控需求。同時該系統(tǒng)也可實現(xiàn)無線語音傳輸，將話音信息經(jīng)音頻接口芯片（如TI公司的TLV320AICl0）進行A／D轉換、采樣、編碼后送入系統(tǒng)，實現(xiàn)語音信息的無線傳輸。