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无线数字语音收发器.doc
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1、 题 目:无线数字语音收发器47无线数字语音收发器摘 要无线语音传输相对于有线传输,可以有效的降低成本、提高效率,并且不受地理环境和地面状况的影响,而且可以方便的把新设备加入系统中。系统无线通路发生故障时可以直接更换无线数传模块,立刻恢复系统的数据传输通路,维修方便。本文着重研究无线数字语音收发板的设计,具体分析设计了无线数据收发模块。本文所设计的无线数据收发模块主要由Silabs公司生产的一种微控制器芯片C8051F330和TI公司生产的一种无线芯片CC1020组成。这部分的设计包括:原理图设计,PCB设计和C8051F330的应用程序设计。本文先从整体上介绍了该课题的设计思想和层次结构,然
2、后详细介绍了无线数据收发模块的设计过程,并给出了程序流程图。本设计实现了通过无线数据收发模块把语音信号的数据传送给主机处的单片机,并且可以通过单片机来控制系统状态的功能。无线语音收发器具有成本低廉,扩展性好,受地理限制少,安装施工简易等特点,在许多领域都有广泛应用。关键词: 无线语音收发器;CC1020;C8051F330Wireless voice transceiverAbstractWireless voice transmission as opposed to cable transmission, it can effectively reduce costs and improv
3、e efficiency, it also doesnt affected by geographical environment and ground conditions, meanwhile it would also facilitate the accession of the new equipment system. Wireless access system failure can be directly replaced wireless module, immediately to resume the data transfer system access to fac
4、ilitate maintenance. This article focuses on wireless digital audio transceiver board design, the design of a concrete analysis of wireless data transceiver modules. This article is designed to send and receive wireless data module produced by Silabs a C8051F330 microcontroller chip manufactured by
5、TI and a CC1020 radio chip components. This part of the design include: schematic design, PCB design and design C8051F330 applications. This article first describes the overall design of the subject and the hierarchical structure, and then details the design process of wireless data transceiver modu
6、les, and gives the program flow chart. The design achieved through the wireless data transceiver modules of the data to voice signals transmitted to the Office of the single-chip host and can be single-chip microcomputer to control the functions of the system state. Wireless voice transceiver has a
7、low-cost, scalable, and less subject to geographical restrictions; it is easy to install features such as construction, so it is widely used in many fields. Key Words: Wireless voice transceiver;CC1020;C8051F330目 录摘 要IAbstractII第一章 绪 论11.1 课题背景知识11.2无线通讯技术的发展与比较21.3 课题研究的实际意义4第二章 系统的硬件设计52.1 系统的整体设计
8、方案52.2系统中无线数据传输部分设计52.2.1 无线传输的选择52.2.2 无线收发芯片的选择82.2.3 单片机的选择122.2.4无线收发芯片与单片机的结构配置142.2.5 无线通信距离分析及天线设计192.2.6系统电源设计222.2.7 系统复位设计232.2.8 系统晶振与时钟配置252.2.9 UART串口通信设计27第三章 PCB板布线28第四章 系统的软件设计314.1 系统软件设计的组成部分314.1.1 UART0串口通信子程序314.1.2 数据收发子程序324.1.3 频率变换子程序374.2 系统软件调试38第五章 结论40参考文献41附录A 无线数传模块原理图
9、43附录B 无线数传模块的PCB板44致 谢45第一章 绪 论1.1 课题背景知识随着网络及通讯技术的飞速发展,无线通讯产品以其成本低廉,扩展性好,受地理限制少,安装施工简易等特点,在许多领域都有着广阔的应用场景。无线语音通讯收发器更以其方便,价格低廉等特点占据了无线通讯的重要舞台。为了对所学知识,单片机技术有更深的认识,本次设计所选题目为无线数字语音收发器。这就要求首先要对语音的特点,无线,信道,无线与有线优缺点等概念进行认识和了解。语音信号是人体声带震动经媒介传播所产生的,语音信号的幅度动态范围一般最大为40分贝,实际由于说话人的不同可以达到60-70分贝。语音信号的带宽,国际通讯标准制定
10、为300HZ-3400HZ,人的听觉范围为20HZ-20000HZ。也就是说通讯频率需要达到人的听觉频率才能被人耳识别。信道是信息传递的通道,信道是连接发送端和接收端的通讯设备。其功能是将信号从发送端送到接收端,按照传输媒介的不同可以分为两大类:无线信道与有线信道。无线信道利用电磁波在空间中的传播来传输信号,而有线信道则是利用人造的传导电或光信号的媒体来传播信号。有线信道的优点是:保密性好,不易受干扰,缺点是:易受硬件(线路)影响传输,线路的品质受气候,温度的影响较大。无线信道的优点是:在有限的范围内可移动,缺点是易受干扰。可见无线通讯与有线通讯各有所长,互有所补,在距离较远的情况,应该选择有
11、线通讯,在距离较近,布线困难的情况,应该选择无线通讯,具体情况可能两种方案都要用到。考虑到本设计通讯为近距离通讯,所以本设计选用无线通讯。全双工通讯是发送和接收可同时进行,就如平日我们所用电话机,半双工通讯是在同一时间只能进行数据发送,或者数据接收,就如对讲机的通讯方式。对以上概念有了基本认识,才能初步了解什么是无线数字语音收发器,所谓的无数数字语音收发器,就是用无线的通讯方式,通过单片机的控制,完成语音信号的传输。1.2 无线通讯技术的发展与比较1897年,马可尼使用800KHZ中波信号进行了从英国至北美纽芬兰的,世界上第一次横跨大西洋上的无线电报通信试验。开创了人类无线通信的新纪元。在无线
12、通信初期,受技术条件的限制,人们大量使用长波及中波进行通信。20世纪20年代初人们发现的短波通信,20世纪60年代卫星通信兴起前,它一直是远程国际通信的重要手段并且目前对应急通信和军用通信依然有一定实用价值。无线通信也从固定方式发展为移动方式移动通信发展至今大约经历了五个阶段:第一阶段为上世纪20年代初至50年代初,主要用于舰船及军有,采用短波频及电子管技术,至该阶段末期才出现150MHZVHF单工汽车公用移动电话系统MTs。第二阶段为上世纪50年代到60年代,此时频段扩展至UHF450MHZ,器件技术已向半导体过渡,大都为移动环境中的专用系统并解决了移动电话与公用电话网的接续问题。第三阶段为
13、上世纪70年代初至80年代初频段扩展至800MHZ。美国Bell研究所提出了蜂窝系统概念并于70年代末进行了AMpS试验。第四阶段为上世纪80年代初至90年代中,为第二代数字移动通信兴起与大发展阶段,并逐步向个人通信业务方向迈进。通信频段扩展至900MHZ1.9GHZ,而且除公众蜂窝电话通信系统外,无线寻呼系统、无绳电话系统、集群系统、无中心多信道选址移动通信系统等各类移动通信手段,适应用户市场需求同时兴起并各显神通。第五阶段为上世纪90年代中至今,随着数据通信与多媒体业务需求的发展,适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的第三代移动通信开始兴起。 就当前的无线技术类型来看,主流的无线技术
14、不外乎FM、红外、蓝牙和2.4G,面对着如此繁杂的无线传输技术,我在这里做出简易的比较。 FM无线技术,这可能是目前发展最为成熟、应用范围最广、成本最低的无线技术之一了,我们手边的收音机就是最简单的FM无线接收设备;一些老式的模拟字母电话机也采用了FM无线技术。技术应用上,目前市售大部分的无线耳机、一部分无线音箱、无线话筒都采用的是FM技术;而从无线电频谱的划分上来看,其中又以76MHz-108MHz的最为常见,而U高段的800MHz则比较少见。之所以普及范围广,是因为FM技术存在着很多优点:首先,它的传输距离较远,普通产品可以达到二三十米的距离,在改变发射功率和接收天线灵敏度后还可以增加距离
15、;其次,FM可以实现“广播式”连接,即只要调至相同频率后一个发射机可以匹配多个接收机,比较适合同声翻译设备的应用;最后,FM技术穿透能力强,普通家庭用户使用起来绰绰有余,即便是有墙壁的阻挡也不成问题。缺点方面,FM最致命的缺陷就是保密性不强,低段76MHz-108MHz频率的FM信号用收音机就可以捕获,而高段800MHz的话筒信号也容易产生谐波干扰,另外,受到传输带宽的限制,FM无线技术普遍音质不佳,最高22KHz的采样率被称之为“收音机音质” ;最后,FM无线技术极易受到干扰、出现串频等现象,稳定性欠佳。红外无线技术:红外无线技术的应用场合之广不亚于FM无线技术,家庭中常见的电视遥控器就是个
16、典型的例子。无线红外技术最大的优点就是带宽大,甚至要超过其它三种主流无线技术,这就意味着采用红外无线技术的音频产品可以不用压缩来传输大容量的音频信号,音质效果更好;其次,红外属于光波,除强光外很少有能影响到红外无线传输工作的干扰,稳定性更加。但红外无线传输技术这有着一些缺点,比如它对指向性要求很高,大家很容易体验到红外遥控器稍微偏离角度就不能进行操作。其次,红外无线传输对于发射功率要求较高,最后,无线传输距离较短,一般都在10米左右的极限距离。 蓝牙技术:这是一种基于2.4G技术的无线传输协议,由于采用的协议不同,所以有区别于其它2.4G技术而被称之为蓝牙技术。蓝牙技术是一种新兴的技术,尚未投
17、入广泛应用,目前许多蓝牙设备还处于实验室试验阶段。但可以肯定的是现在多数具有红外无线数据通讯功能的设备,在将来一样可以使用蓝牙技术来实现无线连接。同时蓝牙技术的网络特点和语音传输技术使它还可以实现红外技术无法实现的某些特定功能,如无线电话、多台设备组网等等。无线射频技术:无线射频译自英文Radio Frequency Identification,简称为RFID,是20实际90年代兴起的一种非接触式的自动识别技术。射频技术(RFID) 相对于传统的磁卡及IC卡技术具有非接触、阅读速度快、无磨损等特点。无线射频技术在阅读器和射频卡之间进行非接触双向数据传输,以达到目标识别和数据交换的目的。与传统
18、的条型码、磁卡及IC卡相比,射频卡具有非接触、阅读速度快、无磨损、不受环境影响、寿命长、便于使用的特点和具有防冲突功能,能同时处理多张卡片。在国外,射频识别技术已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。无线射频技术按载波频率分为低频射频卡、中频射频卡和高频射频卡。低频射频卡主要有125kHz和134.2kHz两种,中频射频卡频率主要为13.56MHz,高频射频卡主要为433MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz等。低频系统主要用于短距离、低成本的应用中,如多数的门禁控制、校园卡、动物监管、货物跟踪等。中频系统用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统;高频系统应
19、用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合,其天线波束方向较窄且价格较高,在火车监控、高速公路收费等系统中应用。根据以上无线技术的优缺点,权衡利弊,又由于本次设计选择频带工作在ISM频段(即工业,科学,农业免费频段),所以本次设计无线通讯技术选择无线射频技术。1.3 课题研究的实际意义有线传输虽然具有干扰小,信号好等特点,但是对于一些地形复杂,气候恶劣的环境,暴露出自身的很多缺点,无线语音传输克服了这些缺点,而且检修维护更方便,不需要依赖固体传输介质。本设计的意图是进行无线数字语音信号的传输,传输范围可达50200米。应用范围较广泛。第二章 系统的硬件设计2.1 系统的整体设计方案系统的总体设计
20、包括天线选型,无线芯片与单片机的连接。总体框图如图2.1所示,天线选型为使用范围最佳且方便的1/4波长单级天线,无线芯片为CC1020,单片机为C8051F330。图2.1系统整体设计框图2.2 系统中无线数据传输部分设计本课题主要是做基于无线传输语音收发器开发板的设计。在该数据开发板的设计中,无线收发芯片用的是Chipcon公司(现被TI公司收购)生产的CC1020,微控制器用的是Cygnal公司(现已被Silicon Laboratories公司收购)的完全集成的混合信号片上系统型(System On Chip,SOC)MCU芯片C8051F330,天线用简单的1/4波长单极天线就可以符合
21、本设计的要求了。无线数传模块与外界设备的通信方式用的是UART串行通讯。无线数传模块内部C8051F330与CC1020之间的通信用的是SPI(增强型串行外设接口)方式。无线数传模块硬件结构框图如图2.2所示。图2.2 无线数传模块硬件结构2.2.1 无线传输的选择语音信号传输的数据传输到上位机的方式可以采用有线和无线方式。有线传输有其自身的缺点,野外架设有线数据传输线路会增加人力和时间的花费,而且当遇到一些特殊的应用环境,比如山地、湖泊、林区等特殊的地理环境时,布线比较困难,将会对有线传输带来很大的制约,适应性差。另外当希望给系统中添加新设备的时候也会比较麻烦,当系统出现故障的时候也很难确定
22、出现问题的位置,维修时耗力多。而采用无线数据传输的方法可以有效的降低成本、提高效率,并且不受地理环境和地面状况的影响,当系统中添加新设备时只要采取时分复用、频分复用或者址分复用就可以方便的把新设备加入系统中。系统无线通路发生故障时可以直接更换无线数传模块,立刻恢复系统的数据传输通路,维修方便。目前,无线数据通信技术可分为两大类:一是基于蜂窝的接入技术,如蜂窝数字分组数据(CDPD),通用分组无线传输技术(CPRS)、EDGE等。二是基于局域网的技术,如IEEE802.11 WLAN、Bluetooth、IrDA、Home-RF、短距离无线通信技术等。本设计采用短距离无线射频通信技术(RF技术)
23、来进行无线数据传输。随着大规模集成电路技术的发展,短距离无线通信系统的大部分功能都可以集成到一块芯片内部。一般使用单片数字射频收发芯片,加上微控制器和少量外围器件即可构成专用或通用的无线通信模块,有的射频收发芯片甚至集成了微控制器。由于所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在射频芯片内部,由其构成的无线模块一致性良好,性能稳定且不易受外界影响。射频芯片一般采用ASK,FSK,OOK,GFSK等调制方式。通信模块一般包含简单透明的数据传输协议和使用简单的加密协议,其发射功率、工作频率、工作状态等可以通过软件配置完成。用户无需对无线通信原理和工作机制有较深的了解,只要依据命令字进行操作即可实现
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