无线数据传输系统的设计.doc

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摘要 I
Abstract II

第1章 绪论 1
1.1 数据传输概述及分类 1
1.2 无线数据传输系统发展史 1
1.3 无线数据传输系统概述 2
1.4 课题研究目标及意义 2
1.5 本论文工作 3
第2章 系统分析和方案选择 4
2.1 系统方案选择及论证 4
2.2 系统总体组成 5
2.3 系统工作原理及功效 5
2.3.1 系统工作原理及组成 5
2.3.2 系统功效 6
2.4 本章小结 6
第3章 无线数据传输系统硬件电路设计及调试 7
3.1 键盘显示电路设计和调试 7
3.1.1 驱动电路设计和原理 7
3.1.2 外部电路设计和调试 8
3.2 发射接收模块设计和调试 12
3.2.1 芯片原理及电路设计 12
3.2.2 外部电路设计和调试 13
3.2.3 无线收发模块调试 18
3.3 系统应用—温度实时采集系统设计和调试 19
3.3.1 芯片介绍 19
3.3.2 电路设计及调试 20
3.4 本章小结 21
第4章 无线数据传输系统软件设计 22
4.1 系统整体设计 22
4.2 键盘显示驱动程序 23
4.3 nRF401发射接收模块软件设计及应用 24
4.4 系统应用—温度实时采集系统 29
4.5 本章小结 30
结论 31

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第1章 绪论
1.1 数据传输概述及分类
数据传输通常由五部份组成：控制器、I/O板、操作站、通讯网络、编程软件。
数据传输依据数据信号传输模式和工作方法不一样能够分为下面多个方法。
1．基带传输和频带传输：基带传输特点是不需要调整解调处理，也即传输过程中信号频谱没有发生变换。频带传输是在传输之前首先经过调制器，将基带信号变换成频带信号，然后在信道中传输，信号频谱发生了搬移。无线数据传输就是频带传输一个经典实例，将基带信号调制到一个高频载波上传输。无线传输是不需要经过实体物质介质，它是经过空气、光束、电磁波、无直接接触物质传输传输方法。
2．并行传输和串行传输：并行传输是指将数据符号编码后，在两条以上并行通道上同时传输，而串行传输是指将数据编码按位或按码元依次在一条信道上传输。依据串行数据实现方法不一样，能够分为异步传输和同时传输。
3．单工、半双工和全双工：单工通信只许可数据按指定一个方向传输。半双工通信许可数据能够双向传输，但不能同时进行。全双工通信许可在两个方向上同时传输数据[1]。
1.2 无线数据传输系统发展史
伴随内容、接入技术、软件应用发展，和应用设备性能不停提升、高数据速率低成本访问实现，对运行商和消费者来说，无线数据传输新产品、新技术将会更具吸引力。据专业人士分析，在近五年内，无线数据将展现连续增加态势，为那些有能力回应市场需求，和有实力把新服务、新产品以光速推向市场运行商们提供了企业创收和占领市场契机。
到现在为止无线数据传输已经广泛地利用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频及数字图像传输等领域中[2]。
1.3 无线数据传输系统概述
无线数据传输系统含有通信范围广，传输稳定可靠等特点。
这类系统采取了大规模集成电路技术、单片机技术、网络数据传输技术、抗干扰技术和RS485、RS232通信技术。在线路设计和元器件选择上以较大环境适应性为依据，确保了设备运行可靠性。其含有体积小、重量轻、稳定性高、费用低廉、安装简单、抗干扰能力强等特点。
无线终端适适用于多种工业现场需要实现无线遥控、遥测及无线数据传输多种场所。
无线数据传输是指经过GSM和GPRS网络为企业用户提供无线传输通道，处理有线网络难以建设地域或地点数据传输问题，含有费用低廉和移动灵活特点。
无线数据传输尤其适适用于机器到机器应用，如在遥感遥测等含有数据读取功效终端上集成无线通信功效。这类终端可在定时或在被激活情况下经过无线传输通道和企业用户中心数据库进行数据交互[3]。
1.4 课题研究目标及意义
无线数据传输系统是硬件和软件有机结合，利用快速发展网络技术，无线通信通信技术得到近距离音频、视频信息。现在，无线数据传输系统在很多领域有着关键作用，广泛应用于对分散场所实施远程监控及报警领域中，同时还可用于可视化办公及现代企事业管理。
无线数据传输制系统有着广泛现实意义，以下就是实际生活中以无线数据传输技术为平台而设计控制系统，具体有以下几大方面：
1．无线远程抄表系统：用于将水、电、气三表数据上传，下端接数据终端即水、电、气三表，方法如RS485、脉冲等。采取上位机主叫方法，模块CPU接到指令后，将各端口数据采取短信方法或数传方法回传；能够抄读多功效表有功、无功、需量、功率、电压、电流等数据。
2．数据采集和实时传输系统：对各个领域或部分行业系统进行实时监控，采集其相关数据并进行无线数据传输，正广泛应用于：电压监测仪、配变负荷监测仪、水电厂运行设备智能巡检、电力城网自动化系统、移动通信基站监控、GPS定位、物流管理、银行POS机联网、城市供热等。
3．水文、气象、环境监测系统：伴随社会发展，和人类关系亲密水文、气象、环境也得到了重视，然而要有利于防范就须加于监测，城市照明监控系统[4]。
1.5 本论文工作
1．设计一个基于89C52单片机和nRF401芯片无线数据传输系统。设计硬件电路及PCB板。
2．硬件电路关键完成智能控制、无线传输、数据采集、键盘显示，和通讯功效。
3．硬件电路仿真和调试。用自制开发板进行硬件和软件仿真，进行调试。使系统能够正确、稳定完成数据传输采集、显示、通信，和智能控制功效。
4．连机调试、运行，确保系统能够稳定、正确运行，实现相关功效。
第2章 系统分析和方案选择
2.1 系统方案选择及论证
方案一：行思科技提供无线数据采集传输系统方案，充足利用了公
网资源——中国联通移动通讯网为数据通道，并结合本身在数据传输技术，提供一个切实可行、低运行成本处理方案。此系统方案将数据采集前端智能终端、传输网络及系统后台对数据收管理、分析处理充足整合，功效强大，应用性强。可广泛用于电力、水利、公安、交通、安防等领域，极大提升提升生产、经营和管理自动化水平及经济效益。
方案二：蓝牙数据传输处理方案，Thinx擅长为用户提供利用蓝牙技
术进行智能认证和识别处理方案，包含：智能化运输/物流系统中海关、码头蓝牙处理方案；蓝牙智能交通处理方案；为具体用户量身定做蓝牙门禁系统，可广泛应用于高速公路收费处，企业、商业、居民区出入口，停车场，高级酒店，港口和机场出入口，货车场和货物仓库，大型企业装配生产线等场所。
方案三：超声波无线传输方案， 因为超声波含有指向性强，能量消
耗缓慢，在介质中传输距离远特点，所以利用超声波检测往往比较快速、方便、计算简单、易于做到实时控制，便于和单片机连用。
方案四：使用红外线无线数据传输方案, 就像用电视遥控器发送信号
那样，利用红外线传输数据也能够将计算机以无线方法连接到其它临近计算机或设备上。能很正确地测出小车和障碍物距离，但价格高，处理复杂，不符合我们要求。
方案五：低功耗长距离无线传输方案，Thinx无线数据传输广
泛地利用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等领域中。类似蓝牙处理方案，相较蓝牙技术，经我们实际测试，优势在于低功耗，能够使用电池供电，且建连速度要快很多，很多情况下亦可轻松建立连接传送数据。
从各个方面来考虑，最终决定采取第五个方案。集成度比较高，实际问题上研究起来省去了很多无须要麻烦，芯片内部集成高频发射、高频接收、PLL合成、FSK 调制、FSK解调、多频道切换等功效，我们能够经过软件将其实现愈加好[5]。
2.2 系统总体组成
整个无线传输系统由发射、接收两大模块组成，其中以单片机最小控制系统为关键、以芯片组成发射、接收模块为无线数据传输通道，附加键盘、显示模块，后续扩展口开发电路（无线数据采集系统），组成无线数据传输监测系统。系统组成示意图以下图2-1、2-2所表示：

图2-1 发射模块示意图

图2-2 接收模块示意图
2.3 系统工作原理及功效
2.3.1 系统工作原理及组成
无线数据传输系统智能无线测控终端为双向无线信号传输，用于实现远距离无线遥控和遥测及数据传输，一个终端将输入信号发送到远方另一个终端上。同时远方终端返回一个是否正确接收握手信号，假如对方接收正确则此次停止发送，假如对方接收不正确，则发送方继续发送，直至对方接收正确为止，以确保无线传输可靠性。
无线数据传输系统组成：
1．电源部分：提供系统工作电源。
2．主控CPU部分（C51最小系统控制模块）：实时读写管理模块数据。
3．数据发送部分：依据实际要求经过键盘或设置要发送数据，显示在显示板上，然后把数据发送给接收部分。
4．数据接收部分：依据主控命令抄读终端数据并转发给主控CPU，数据显示在显示板上。
5．DS1820温度测量模块：将采集到温度值显示在显示板上，再由无线收发模块发送，另一无线收发模块接收显示。
2.3.2 系统功效
无线数据传输系统是一个全集成、结构完整、功效完善；结合优异计算机软、硬件技术，面向整个生产过程过程控制系统。
本系统功效以下：
1．无线传输距离1m到1000m。
2．系统性能指标好，自动化程度高。
3．利用奇偶校验法判定误码，自动消除传输误码。
4．实现了发送机和接收机之间数据传输切换，而且误码率为零。
5．同一模块既能够做发射机，又能够做接收机，可实现数据半双工无线传送。
6．发送数据能够手动设置，也能够是系统采集数据。能够方便实现单片机和单片机之间点对点无线通信。
7．利用自制接口程序进行数据收发。将文件打包成可识别二进制码，可实现大批量其它类型文件无线传输。
8．系统模块还备有数据采集系统，在无线数据传输基础上实现了无线数据采集；经过滤波处理得到比较正确数据，即显示于显示器上。
9．外接指示灯，显示数据传输状态。
2.4 本章小结
本章关键介绍无线数据传输系统系统组成原理，整个无线传输系统由发射、接收两大模块组成，每一个模块全部能够作为接收或是发射模块。其中以单片机最小控制系统为关键、以芯片组成发射、接收模块为无线数据传输通道，附加键盘、显示模块和温度采集模块，进行了具体方案论证和比选，为系统软、硬件设计提供了有力理论依据。
第3章 无线数据传输系统硬件电路设计及调试
3.1 键盘显示电路设计和调试
3.1.1 驱动电路设计和原理
键盘、显示模块采取BC7281A芯片。
1．芯片介绍：BC7281A芯片是128段LED显示及64键键盘控制芯片，BC7281A各位可独立按不一样译码方法译码或不译码显示，译码方法显示时小数点不受译码影响，使用更方便；较之BC7281， BC7281A对16个显示位均能够独立地控制闪烁属性；BC7281A内部还含有一闪烁速度控制寄存器，使用者可随时改变闪烁频率；译码方法除了常见BCD译码等2种方法外，还有专用于光柱(Bar)显示光柱译码方法，只要送一个字节，就能够完成光柱显示控制。128段被分成2个各自独立64段光柱，能够分别控制。另外，128个显示段同时被分配了128个地址，利用段寻址功效能够独立地控制每一个段，便于使用独立LED[6]。
BC7281A含有以下特点：可驱动8位或16位数码管显示或64/128只独立LED；含有64键键盘接口内含去抖功效；含有2种键盘工作模式适应不一样应用需求；独具光柱译码方法可独立控制两条64段光柱显示；段寻址功效便于控制独立 LED；16位均可独立控制闪烁属性闪烁速度软件可调；段驱动极性及移位脉冲时序均可控可配合多种形式驱动电路；键盘部分含有键值锁存功效；内部显示寄存器和控制寄存器内容均可读出；2线高速串行接口。
2．工作原理：整体示意图图3-1所表示。
1）键盘矩阵：BC7281A最多能够连接个64按键，按8*8矩阵排列，矩阵‘行’连接到BC7281A位驱动DIG0-DIG7，矩阵‘列’连接到第0-7位显示段驱动移位寄存器输出，为了预防对显示部分影响，键盘矩阵和显示电路之间必需加入二极管和4.7K隔离电阻。当使用BC7281A键盘功效时，DIG0-DIG7上应加以100K下拉电阻，且8根引脚必需全部接入下拉电阻，即使所用到键比较少时，也不能将其中未连接键盘引脚上下拉电阻省略。
2）和MCU接口：BC7281A和MCU之间通讯采取2线高速串行接口，二根连线分别是数据线DAT和同时时钟线CLK，其中DAT为双向数据传输线，BC7281A既用该线从MCU接收数据，也用该线向MCU发送数据。BC7281ADAT引脚为漏极开路输出（OPEN DRAIN）结构，使用时需要在该线上加一20K 左右上拉电阻。CLK引脚为串行接口同时时钟，由MCU控制，下降沿有效。

图3-1 键盘显示电路
3.1.2 外部电路设计和调试
该电路关键是实现键盘和显示两部分功效，利用BC7281A驱动芯片驱动16位数码管（在此系统里只用了8位数码管）显示该系统所需要数据及符号，再驱动键盘，把各个键全部给她附上对应操作，这么就完成了对整个键盘显示驱动。
1．振荡电路：BC7281A采取外接RC振荡电路为显示和键盘扫描提供时钟驱动，外接元件经典参数为R=3.3K, C=20pF，见图3-2所表示。在VCC=5V情况下，振荡电路经典振荡频率约为4.5MHz。BC7281ACLK端为内部振荡电路输出端，通常此脚悬空即可。在电路板布线时，振荡电路元件应尽可能地靠近BC7281A芯片，并尽可能使连线最短。
2．复位电路：芯片RST引脚为复位端。因为BC7281A内部有上电复位电路，所以在通常情况下不需要特殊复位电路，只需将RST引脚直接连接到VCC端就能够了。假如需要外部复位电路，能够根据以下接法。RST上复位脉冲最小宽度为20ms，复位电路中电阻R阻值通常不要超出40K。另外一个方法是直接由MCU控制BC7281A复位。

图3-2 振荡电路
BC7281A复位过程大约需要25ms时间，也即RST为高电平约25ms后，BC7281A才开始工作。见图3-3所表示。

图3-3 复位电路
3．和MCU接口电路：BC7281A和MCU接口共需要三根线，数据线DAT，时钟线CLK和按键指示，其中CLK和引脚，分别为输入和输出引脚而DAT脚则为双向口，其内部为OPEN DRAIN结构，需要外接一20K 左右上拉电阻，以使其能可靠地输出高电平。
其接口电路见图3-4所表示。

图3-4 和MCU接口电路
4．位驱动电路：DIG0-DIG7为位驱动输出，BC7281A适合连接共阳式数码管，虽DIG0-DIG7本身含有一定驱动能力，但为了确保足够显示亮度，且不影响键盘部分操作，应该另加以外部驱动电路。外部驱动电路比较简单，只需要8只NPN型三极管即可，三极管接成射极跟随器形式，所以基极无需限流电阻。图3-5所表示。

图3-5 位驱动电路
5．段驱动电路：串入SRCLK端电阻作用在于和芯片输入电容及电路分布电容组成一个积分电路，从而对输入SRCLK时钟产生一个微小延时，这么能够确保移位脉冲SRCLK迟于二级锁存脉冲RCLK抵达，从而确保移位寄存器内容在改变之前可靠地进入二级锁存器。电阻阻值没有严格要求，而且不一样厂家及不一样型号芯片对应阻值范围也会有所不一样，通常而言，这个范围是比较宽，从几K到几十K全部能够，20K阻值能够适适用于绝大多数芯片。图3-6所表示。
6．按键电路：当按键少于8个时，能够将二极管省略。在键盘显示显示电路中所加4.7K电阻和二极管全部是为了预防由键盘引发短路。假如没有电阻和二极管保护，当同一行或同一列里面有两个按键同时按下时，会造成对应行或是对应列短路，影响显示。而当按键数少于8个时，能够将全部按键集中到一行或是一列中，这么也就避免了想要列之间或是行之间短路，从热能够将保护电阻或是二极管省略。将按键集中到一列，图3-7所表示。

图3-6 段驱动电路

图3-7按键电路
3.2 发射接收模块设计和调试
3.2.1 芯片原理及电路设计
发射接收芯片采取nRF401：
1．芯片介绍：其关键特征工作频率为国际通用数据传输频段；FSK调制，抗干扰能力强，尤其适合工业控制场所；在芯片内同时集成了高频发送、接收电路和FSK调制和FSK解调功效，使用一块芯片就能够完成全部数据发送和接收工作；采取PLL频率合成技术，频率稳定性极好；灵敏度高，达成-105dBm；功耗小，接收状态250A，待机状态仅为8A；最大发射功率达+10dBm； 低工作电压（2.7V），可满足低功耗设备要求； 含有多个频道，可方便地切换工作频率； 工作速率最高可达20Kbit/s；仅外接一个晶体和多个阻容、电感元件，基础无需调试；因采取了低发射功率、高接收灵敏度设计，使用无需申请许可证，开阔地使用距离最远可达1000米 (和具体使用环境及元件参数相关)。
nRF401是北欧集成电路企业（NORDIC）产品，是一个为433MHz 频段设计真正单片无线收发芯片，满足欧洲电信工业标准。它采取FSK调制解调技术，最高工作速率能够达成20Kbit/s，发射功率能够调整，最大发射功率是+10dBm。nRF401芯片集成了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK 调制、FSK解调、多频道切换等功效，含有性能优异、外围元件少、功耗低、无需进行初始化和配置、使用方便等特点，广泛应用于无线数据传输系统产品设计中[7]。
nRF401无线收发芯片内部结构：内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和低功耗控制逻辑电路及串行接口几部分。发射电路包含有：发射功率放大器（PA）、晶体振荡器（OSC）、锁相环（PLL）、压控振荡器（VCO）、混频器（MIXFR）等。接收电路包含有：低噪声接收放大器（LNA）、解调器（DEM）等电路。基准振荡器采取外接晶体振荡器，产生电路所需基准频率。图3-8所表示。
nRF401无线收发芯片含有20个引脚，图3-9所表示是其引脚排列。
2．工作原理：nRF401和MCS接口电路比较简单，外围元件极少，包含一个基准晶体及多个无源器件。图3-9中L1电感需要用高Q高精度贴片绕线高频电感（Q>45），在设计时我们充足考虑了这一点，而且经过反复试验，我们确定了其距离nRF401最好位置。另外为了确保性能，晶体X1我们采取高稳定晶体，电容元件选择高稳定贴片元件NPO高稳定电容。
在接收模式中，nRF401被配置成传统外差式接收机，所接收射频调制数字信号被低噪声效大器放大，经混频器变换成中频，放大、滤波后进入解调器，解调后变换成数字信号输出（DOUT端）。
在发射模式中，数字信号经DIN端输入，经锁相环和压控振荡器处理后进入到发射功率放大器射频输出。因为采取了晶体振荡和PLL合成技木，频率稳定性极好；采取FSK调制和解调，抗干扰能力强。
　　nRF401ANT1和ANT2引脚是接收时低噪声接收放大器LNA输入，和发送时发射功率放大器PA输出。连接nRF401天线能够以差分方法连接到nRF401，一个50Ω单端天线也能够经过一个差分转换匹配网络连接到nRF401。

图3-8 nRF401内部结构图
nRF401PWR，TXE，CS，DOUT，DIN分别接单片机P1.2，P1.3，P1.4，RXD，TXD。在设计时充足考虑到51机最小系统对nRF401电路干扰，两部分相互独立。另外，在确保功效完善前提下，使其工作于最小工作模式，并配以手动复位电路，以确保程序正确运行。
从加电到发射模式过程中，为了避免开机时产生干扰和辐射，在上电过程中TXEN输入脚必需保持为低，方便于频率合成器进入稳定工作状态。当由上电进入发射模式时，TXEN必需保持1ms以后才能够往DIN发送数据。
3.2.2 外部电路设计和调试
在nRF401芯片使用时，设定好工作频率，进入正常工作状态后，经过单片机依据需要进行收发转换控制，发送／接收数据或进行状态转换。
在实际设计应用中，影响传输距离关键原因[8]：
在工作频率固定前提下，影响工作距离关键原因包含发射功率、发射天线增益、传输损耗、接收天线增益、接收灵巧敏度等，经过加大发射功率，提升天线增益，提升接收灵巧敏度均起到提升通信距离作用。　　在影响无线通信距离以上多个原因中，作为设计者能够控制原因有：接收灵敏度；发射输出功率。

图3-9 nRF401引脚排列图
作为设计者不能控制原因，以下这些原因是由无线电波特点所决定，无法由设计者改变及选择：传输损耗；路径损耗；多径损耗；周围环境吸收。
　　传输损耗包含自由空间损耗和其它传输损耗，所谓自由空间传输系指天线周围为无限大真空时电波传输，它是理想传输条件，自由空间传输损耗和距离和工作频率相关。下面公式说明在自由空间下电波传输损耗：

Los 是传输损耗，单位为dB；d是距离，单位是km；f是工作频率，单位是MHz。
由上式可见，自由空间中电波传输损耗（亦称衰减）只和工作频率f和传输距离d相关，当f或d增大一倍时，［Los］将分别增加6dB。
1．加大功率提升通信距离。在设计者能够控制原因中，接收灵敏度、天线增益、发射功率全部是能够作为提升通信距离手段，通常设计者会考虑采取加大发射功率方法来提升通信距离，但这不是一个好措施。有设计者考虑到加大发射功率能够提升通信距离，不过没有考虑到其它不理想原因：加大功率后，带来高电流消耗因为功率放大器转换效率较低，这对于便携设备是很不利；无线电噪声，因为加大功率会产生较大谐波干扰和噪声，并会对通信造成其它影响，反而会影响通信距离。
2．采取高增益天线提升通信距离。用高增益天线来提升距离含有以下优点：集整天线，体积较小；成本低于采取增加功放方法；和其它方案相比很简单；无需增加额外功耗和增加外围元件。
以下举例采取高增益天线和采取Loop低增益天线通信距离对比：
1）采取环形天线

2）采取0dB增益天线

这是理想情况下传输距离，实际应用中是会低于该值，这是因为无线通信要受到多种外界原因影响，如大气、阻挡物、多径等造成损耗，将上述损耗参考值计入上式中，即可计算出近似通信距离。 假定大气、遮挡等造成损耗为25dB，能够计算得出通信距离为：d =1.7km。由此也可看出传输损耗对数据传输可靠性影响是很大。
ANT1和ANT2是接收时LNA输入，和发送时功率放大器输出。连接nRF401天线是以差分方法连接到nRF401。在天线端推荐负载阻抗是400欧姆。
图3-10就是一个经典采取差分方法原理图。射频功率放大器输出是两个开路输出三极管，配制成差分配对方法，功率放大器VDD必需经过集电极负载，当采取差分环形天线时，VDD必需经过环形天线中心输入[9]。
一个单端天线或测试仪器也能够经过一个差分转换匹配网络连接到nRF401，图3-11所表示。
nRF401天线接口设计为差分天线，方便于使用低成本PCB天线。它要求很少外围元件（约10个），无需声表滤波器、变容管等昂贵元件，只需要廉价且易于取得4MHz晶体，收发天线合一。无需进行初始化和配置，不需要对数据进行曼彻斯特编码，有两个工作频宽,工作电压范围能够从，还含有待机模式，能够更省电和高效。
图3-10 发射接收接口电路原理图

图3-11 单端天线原理图
环形天线：能够直接制作在印刷电路板上，占用体积小，制作简单，方便实现，在短距离传输中可靠好。
3．和单片机共用一个晶振：nRF401能够和单片机共用一个晶振，图3-12表示了这种应用连接方法。需要注意从单片机引入晶体走线不能离数据线或控制线太近。

图3-12 和单片机共用一个晶振
4．发射和接收频率问题：为了取得最好RF性能，发射和接收频率误差不能超出（30KHz）。这就是要求晶体稳定度不能低于，频率差异会造成接收灵巧敏度产生倍程损失。
5．PCB布局和去耦设计[9]：印刷电路板（PCB）设计直接关系到射频性能，为了取得很好RF性能，PCB设计最少需要两层板来实现，PCB分成射频电路和控制电路两部分部署。nRF401采取PCB天线，在天线下面没有接地面。射频部分电源和数字电路部分电源分离。
为了降低分布参数影响，在PCB应该避免长电源走线，全部元件地线，VDD连接线，VDD去耦电容必需离nRF401尽可能近。nRF401应尽可能使用单独直流电源供电，也其它数字电路电源分开。nRF401电源必需经过很好滤波,而且和数字电路供电分离，在离电源脚VDD尽可能近地方用高性能电容去耦，最好是一个小电容和一个大电容相并联。PCB板顶层和底层最好敷铜接地，把这两层敷铜用较多过孔紧密相连,再将VSS脚连接到敷铜面。全部开关信号和控制信号全部不能经过PLL环路滤波器元件和VCO电感周围[10]。
对nRF401PCB布局来说，VCO电感位置是很关键。VCO电感连线应和其它控制线保持一定距离，应避免数字控制线从电感引脚之间经过。nRF401 VCO电感位置最好设计是确保产生1.1V左右PLL环路滤波器电压[11]。
3.2.3 无线收发模块调试
硬件测试无线收发模块：将工作模式切换引脚TXEN设置为高电平，芯片处于发送状态。频段选择端CS=1，经过频谱分析仪能够观察到中心频率为434.3MHz频谱，说明无线收发模块在频段434.3MHz正常工作。频段选择端CS=0，经过频谱分析仪能够观察到中心频率为433.9MHz频谱，说明无线收发模块在频段433.9MHz正常工作。这么就测试了两个无线收发模块正常工作也发送状态。
两个无线收发模块频段选择端CS=0，模块一数据接收状态TXEN=1,模块二置为数据接收状态TXEN=0,在模块一DIN引脚分别加发波和正弦波，用数字示波器观察模块二DOUT引脚输出波形，分别图3-13、图3-14。
经过图3-13、图3-14可知，发送不一样波形经过 FSK调制解调得到是不一样占空比方波，由此来检测无线收发模块是否能够正常通信。

图3-13 CH1输入方波波形，CH2接收到波形

图3-14 CH1输入正弦波波形，CH2接收到波形
3.3 系统应用—温度实时采集系统设计和调试
在无线数据传输系统基础之上进行了简单应用，此为温度实时采集系统简单介绍。
3.3.1 芯片介绍
温度是很关键物理参数，热电偶和热敏电阻适合大多数高温测量，但设计人员必需为特定应用选择合适传感器，热电偶温度响应特征很好、成本较低、可测量较高温度；热敏电阻含有较高精度、很好长久稳定性，工作温度范围：-200℃至850℃，经过合适数据处理就能够传输、显示并统计其温度输出。因为热敏电阻阻值和温度呈正比关系，设计人员只需将已知电流流过该电阻就能够得到和温度成正比输出电压。依据已知电阻-温度关系，就能够计算出被测温度值。而DS1820数字式温度传感器，和传统热敏电阻有所不一样是它能够直接将被测温度转化成串行数字信号供微机处理，而且依据具体要求，经过简单编程实现9位温度读数[12]。DS1820管脚图3-15所表示。

图3-15 DS1820管脚图
DS1820外围电路很简单，图3-16所表示。

图3-16 DS1820外围电路图
3.3.2 电路设计及调试
DS1820关键包含寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据高数暂存器、用于存放用户设定温度上下限值、触发器存放和控制逻辑、8位循环冗余校验码发生器等7部分。它内部框图图3-17所表示。

图3-17 DS1820内部框图
3.4 本章小结
本章介绍了无线数据传输系统硬件设计，其中关键叙述了键盘显示电路工作原理，外围电路设计和调试；nRF401发射接收模块工作原理，外围电路设计和调试和系统简单应用—温度采集系统。温度采集系统采取芯片DS1820，一个数字温度传感器，实现温度采集和显示。
第4章 无线数据传输系统软件设计
4.1 系统整体设计
整个系统步骤以键盘显示控制为程序关键，在键盘显示驱动程序基础上进行分支处理，设置工作模式，再进行对应模式数据处理，在实现无线数据传输基础功效基础上逐步扩展其它功效，系统整体步骤图见图4-1所表示[13]。

图4-1 系统整体步骤图
多个工作模式选择：既能够用键盘显示模块手动发送数据，在另一端键盘显示模块接收并显示数据，还可在PC机窗口中显示数据；又能够经过PC机键盘输入，传输数据到单片机，并显示在键盘显示模块上；同时在PC机发送模式下能够连续发送一个数据块，既实现了PC机之间文件传输。
4.2 键盘显示驱动程序
严格根据BC7281A工作时序进行程序编写，见图4-2所表示，键盘编程方法是键查询方法，对键盘进行初始化后，键盘就进入等候模式，处于键扫描状态，等候键按下，一直等到有键按下，键扫描才结束，并读键值，以后进行该键对应数据处理，处理完后又回到键盘扫描状态，等候下一次键按下。

图4-2 BC7281A时序图
键盘显示驱动程序步骤图见图4-3所表示：

图4-3 键盘显示驱动程序步骤图
4.3 nRF401发射接收模块软件设计及应用
1．发射接收模式选择：TXEN选择发射或接收工作模式。TXEN=1时选择发射模式；TXEN=0时选择接收模式。
2．频道选择：CS选择工作频道。CS=0时选择1频道（）；CS=1时选择2频道 （）。
3．节能控制：PWR UP选择工作模式和待机模式。PWR UP=1 选择正常工作模式；PWR UP=0 选择待机模式。
4．状态切换：nRF401共有3种工作状态，分别为待机状态、发送状态(TX)和接收状态(RX)。经过对外部引脚设置，nRF401能够灵活地在多个模式之间转换。
TX和RX切换时序：当芯片由RX状态切换到TX状态时，需要工作模式切换引脚(TXEN)最少保持1ms高电平，芯片能完成RX到TX切换动作，由芯片DIN引脚接收要发送数据[14]。
当芯片由TX状态切换到RX状态时，需要工作模式切换引脚(TXEN)最少保持3ms高电平，芯片能完成TX到RX切换动作，由芯片DOUT引脚输出接收到数据。
TX和RX之间状态切换时序图4-4，图4-5。

图4-4 接收状态转换到发射状态时序图
待机状态到TX或RX状态时序：从待机状态至TX或RX状态切换是由PWR_UP引脚控制。待机状态下，若TXEN引脚保持低电平，则将PWR_UP设为高电平2ms，后，DOUT引脚输出数据才有效，芯片进入RX状态。

图4-5 发送状态转换接收状态时序图
若待机状态下TXEN一直保持高电平，则PWR_UP保持为高电平3ms后，DIN引脚输入有效，芯片进入TX状态。
由待机状态切换至RX和TX状态时序图4-6，图4-7。

图4-6 待机状态到接收状态时序图
图4-7 待机状态到发送状态时序图
芯片上电后切换至RX或TX状态时序：芯片上电后，若TXEN一直保持低电平，则4ms后nRF401稳定处于数据接收状态，DIN引脚有效。若TXEN一直保持高电平状态，则5ms后，nRF401稳定处于数据发送状态，DOUT引脚输出数据有效。
芯片上电后切换至两种状态时序图4-8，图4-9。
图4-8上电后切换至发送状态时序图
图4-9上电后切换至接收状态时序图
在设计程序时，要注意各状态转换时延。nRF401通讯速率最高为20kbit/s，发送数据之前需将电路置于发射模式；接收模式转换为发射模式转换时间最少为1ms；能够发送任意长度数据；发射模式转换为接收模式转换时间最少为3ms。在待机模式时，电路进入待机状态，电路不接收和发射数据。待机模式转换为发射模式转换时间最少为4ms；待机模式转换为接收模式转换时间最少为5.0ms。
为了接发机之间达成同时设置了握手信号，确保握手信号正确，系统才开始接收有效数据包，而且包头数据在传输过程中轻易丢失，所以在有效数据包之前发送任意字节，以预防丢失有效数据。
误码判定，接收端使用字节奇偶校验法，即把要校验内容每个字节按位节异或到一起，这么最终就能够得到一个校验字节，这其实相当于对待校验字节中对应位声称奇偶校验位（如校验字节第0位实际就是校验内容第一个字节第0位、第二个字节第0位、……一直到最终一个字节第0位组成字串偶校验位，校验字节其它位也是一样）。发送数据进行字节奇偶校验并发送，检验接收到数据，也进行字节奇偶校验，再把校验位进行比较，判定并返回发射端值，有误码则不显示接收数据，而且发射端自动重发，一直到校验正确，这么大大降低了误码传输，实现传输自动化，而且从外部硬件电路指示灯上能够看出数据是否传输正确[15]。
程序步骤图[15]见图4-10、4-11所表示。

图4-10 发射程序步骤图 图4-11 接收程序步骤图
4.4 系统应用—温度实时采集系统
DS1820采取是1-wire技术，即单总线技术。单总线只采取一根数据线，系统中数据交换、控制全部由这根线完成。单总线通常要求外借外接一个约为4.7K上拉电阻，这么，当总线闲置时，其状态为高电平。主机和从机之间通信可经过三个步骤完成，分别为初始化1-wire器件、识别1-wire器件和交换数据[16]。基础通信过程以下：
1．主机经过拉低单总线最少480us产生Tx复位脉冲。
2．由主机释放总线，并计入Rx接收模式。主机释放总线时，会产生一由低电平跳变为高电平上升沿。
3．单总线器件检测到上升沿后，延时15～60us。
4．单总线器件经过拉低总线60～240us来产生应答脉冲。
5．主机接收到从机应答脉冲后，说明有单总线器件在线，然后主机就能够开始对从机进行ROM命令和功效命令操作。
在编写程序时要注意，全部读、写时序最少需要60us，且每两个独立时序之间最少需要1us恢复时间。在写时序时，主机将在拉低总线15us之内释放总线，并向单总线器件写1；若主机拉低总线后能保持最少60us低电平，则向单总线器件写0。单总线器件仅在主机发出度时序时才向主机传输数据，所以，当主机向单总线器件发出度数据命令后，必需立即产生读时序，方便单总线器件能传输数据。DS1820操作总体步骤图4-12所表示[17]。

图4-12 DS1820操作总体步骤图
4.5 本章小结
本章介绍了无线数据传输系统软件设计，本章关键介绍了系统单片机软件设计思想和方法和在软件设计中采取软件算法。单片机软件实现了多种数据采集、处理、显示、传输、控制等功效，友好人机界面，使得数据采集、数据传输及控制更直观、方便。
结论
本系统整体实现功效指标：
1．交换性及实用性：本设计最大优点之一是它交换性强，即可利用键盘设置工作模式，使某模块处于某种工作模式，另一模块处于和其相对应工作模式下，进行数据传输；也能够经过设置工作模式，使这两模块工作模式进行调换，同一模块在不一样数据传输中能够饰演不一样角色，既能够作发射模块亦能够作接收模块，实现半双工数据传输；该设计硬件电路结构简单，