基于C8051F310单片机的多接口数据通讯模块研究与设计
基于[url=http://www.ic37.info/2008-7-2/C8051F310.html][color=#0000ff]C8051F310[/color][/url]单片机的多接口数据通讯模块研究与设计Research and Design of Multi-Interface Data Communication Module
摘要：为了满足不同场合数据传输的需要，本文介绍了一种以[url=http://www.ic37.info/2008-7-2/C8051F310.html][color=#0000ff]C8051F310[/color][/url]单片机为控制核心，可实现RS232/RS485、红外通信、无线射频传输三种常用标准接口的通信模块。分别给出了设计思路和硬件电路。并重点阐述其中两种无线接口的实现方法。本模块集有线通信和无线传输于一体。适用范围广泛，具有很大实用价值。
关键词：通信接口；红外收发；无线射频；单片机
Abstract: In order to meet the demand of data transmission in different situation, this paper introduces a communication module based on MCU [url=http://www.ic37.info/2008-7-2/C8051F310.html][color=#0000ff]C8051F310[/color][/url].This system has achieved the aim of three standard interfaces in RS232/RS485,infrared communication and RF wireless transmission. The device method and hardware electric circuit are respectively given in the article. The implementing method of two wireless interfaces was elaborated. The module which integrates lineate wire communication and wireless transmission has widespreadly applicable scope and very greatly practical value.
Keywords: communication interface; infrared transceiver; RF wireless; mcu
0 引言
随着嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和网络通信技术的迅速发展和广泛应用，各种数据传输接口也在不断的更新和发展。系统设备的多样性和现场环境的复杂性，决定了数据通信方式的多样性和灵活性。针对上述情况和实际问题，研制了一种多接口的通信模块，可实现RS232/485通讯、红外线通讯和无线射频通讯。
1 整体框架
多接口通讯模块主要由单片机[url=http://www.ic37.info/2008-7-2/C8051F310.html][color=#0000ff]C8051F310[/color][/url]、RS232/485串行通讯接口、红外接口、无线射频接口、C2接口、电源及其处理模块组成。如图1所示。
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2 硬件设计
2.1 RS-232/485接口
2.1.1 工作原理及规范简介
目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通信。
典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5～+15V，负电平在-5～-15V电平。当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3～+12V与-3～-12V。
RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通信而设计的，其驱动器负载为3～7kΩ。由于RS-232发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大约为15米，最高速率为20kb/s。所以RS-232适合本地设备之间的通信。
为扩展应用范围，EIA制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，通常在要求通信距离为几十米至上千米时，广泛采用RS-485收发器。
RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，即在发送端，驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出；在接收端，接收器将差分信号变成TTL电平，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，故数据传输可达千米以外。
RS-485需要2个终接电阻，接在传输总线的两端，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不需终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻。
2.1.2 接口电路实现
RS-232接口芯片用于完成RS-232电平到TTL电平的转换。这里选用MAXIM公司的[url=http://www.ic37.info/2007-7-12/MAX3221E.html][color=#0000ff]MAX3221E[/color][/url]，该芯片的工作电压为3～5.5V，静态电流小于1μA，负载电流小于2mA，数据传输率为120kbps，外围元件少，仅需4个0.1μf的外接电容，且该芯片的体积也是同类产品中体积最小的，[url=http://www.ic37.info/2007-7-12/MAX2321E.html][color=#0000ff]MAX2321E[/color][/url]还具有±15KV ESD保护功能。
RS-485接口芯片用于完成将TTL电平转换为RS-485接口电平的任务，这里采用[url=http://www.ic37.info/2007-7-12/MAX3485.html][color=#0000ff]MAX3485[/color][/url]作为RS-485接口芯片，该芯片的主要技术参数为：工作电源为3～3.6V,工作电流1mA，数据传输率为12Mbps。二者接口电路见图2。
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2.2红外接口
2.2.1 工作原理及规范简介
红外线通讯是一种廉价、近距离、无线、低功耗、保密性强的通讯方案，主要应用于无线数据传输，有时也用于无线网络接入和近程遥控。
红外通信是利用红外线作为传递信息的媒体，即通信信道。红外线是波长在750nm～1mm之间的电磁波，是人眼看不到的光线。红外数据传输一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.75μm～25μm之间。发送端将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序列，并驱动红外发射管以光脉冲的形式发送出去。接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。简言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输；红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。红外数据协会成立后，为保证不同厂商的红外产品能获得最佳的通信效果，限定所用红外波长在850nm～900nm。
IrDA（Infared Data Association）是国际红外数据协会的英文缩写，IrDA相继制定了很多红外通信协议，有侧重于传输速率方面的，有侧重于低功耗方面的，也有二者兼顾的。IrDA1.0协议基于异步收发器UART，最高通信速率在115.2kbps，简称SIR(Serial Infrared，串行红外协议)，采用3/16 ENDEC编/解码机制。 IrDA1.1协议提高通信速率到4Mbps，简称FIR(Fast Infrared，快速红外协议)，采用4PPM (Pulse Position Modulation，脉冲相位调制)编译码机制，同时在低速时保留1.0协议规定。规范1.2定义了最高速度为115.2kbps下的低功耗选择。规范1.3将这种低功耗选择功能推广到1.152Mbps和4Mbps。之后，IrDA又推出了最高通信速率在16Mbps的协议，简称VFIR(Very Fast Infrared，特速红外协议)。
2.2.2 接口电路实现
本设计模块采用Vishay公司的串行红外收发芯片[url=http://www.ic37.info/2006-10-7/TFDS4500.html][color=#0000ff]TFDS4500[/color][/url]和[url=http://www.ic37.info/2006-9-28/TOIM3232.html][color=#0000ff]TOIM3232[/color][/url]传输控制器。红外输出由[url=http://www.ic37.info/2006-10-7/TFDS4500.html][color=#0000ff]TFDS4500[/color][/url]完成。此模块为低功耗、侧式封装，符合IrDA1.2串行红外传输标准，其最高的红外传输速度为115.2Kbit/s。引脚SC控制收发模块的灵敏度。SC为高电平时，模块的灵敏度提高，可以感测到非常微弱的红外信号，这样可以扩大传输距离，但其抗干扰能力被降低；当SC为低电平时，模块的灵敏度降低，但其抗干扰能力有所提高。在本设计中，传输距离不太远，故将SC接地。引脚VCC-SD为电源/关闭引脚。当该引脚为低电平时，红外传输模块关闭，达到低功耗目的。
根据IrDA红外传输标准，串行红外传输采用特定的脉冲编码标准，该标准与RS232串行传输标准不同。这里采用[url=http://www.ic37.info/2006-9-28/TOIM3232.html][color=#0000ff]TOIM3232[/color][/url]传输控制器，以进行RS232编码和IrDA编码之间的转换。在输出模式下，[url=http://www.ic37.info/2006-9-28/TOIM3232.html][color=#0000ff]TOIM3232[/color][/url]可把RS232信号转换成符合IrDA标准的信号以驱动红外发射器；在接收模式下，它可将IrDA输入信号转换成符合RS232标准的信号。该控制器可通过RS232口进行编程，以控制输出脉冲宽度和波特率，其输出脉冲宽度可程控为1.627μs或3/16位长。因3/16位长功耗大，在本设计中使用前者。图3为红外通信主要信号接线图。
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2.3 无线射频接口
随着网络及通信技术的飞速发展，无线通信以其成本低廉、扩展性好、受地理条件限制较少、安装施工简便灵活等特点，在许多领域都有着广阔的应用前景。
[url=http://www.ic37.info/2008-8-3/CC1020.html][color=#0000ff]CC1020[/color][/url]是一种理想的超高频单片收发器芯片。它专用于低功率和低电压类无线电产品。主要用于ISM(工业、科研及医疗)频带和在426/429/433/868/915MHz频带的SRD（Short Range Device－近距离设备）中，也可经编程后用于频率为402－470 MHz 和 804－940 MHz的多信道设备。[url=http://www.ic37.info/2008-8-3/CC1020.html][color=#0000ff]CC1020[/color][/url]主要的工作参数可通过串行总线接口编程，例如输出功率、频率及AFC均可编程。
2.3.1 [url=http://www.ic37.info/2008-8-3/CC1020.html][color=#0000ff]CC1020[/color][/url]的内部结构与工作原理
射频芯片内部简化模型如图4。
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在接收模式下，[url=http://www.ic37.info/2008-8-3/CC1020.html][color=#0000ff]CC1020[/color][/url]可看成是一个传统的超外差接收器。射频RF输入信号经低噪声放大器（LNA和LNA2）放大后，翻转经过积分器（I和Q）产生中频IF信号。在中频处理阶段I/Q信号经混合滤波、放到后被模数转换器（ADCs）转化成数字信号。然后完成自动获取控制，信道滤波，解调，二进制同步化，在DIO脚输出数字解调数据，DCLK脚获取同步数字时钟数据。RSSI为数字形式，并可通过窜行接口读出。RSSI还可作为可编程的载波检测指示器。
在发送模式下，合成的RF频率的直接馈送到功率放大器PA。射频输出是FSK信号，此信号是由馈送到DIO脚的数字比特流通过FSK调制产生的。可使用一个高频滤波器来得到高斯频移键控GFSK。芯片内部的收/发开关电路使天线容易接入和匹配。
频率合成器包括一个完整的片上LC VCO 和一个90度相位分离器，在接收模式中产生用于下变频混频器的LO-I和LQ－Q信号。VCO工作的频率为1.696～1.88GHz。CHP_OUT引脚端是充电泵输出，VC引脚端是片上VCO的控制点。环路滤波器在外部，连接在CHP_OUT和VC两个引脚端之间。XOSC_Q1和XOSC_Q2引脚端可接一个晶振。PLL提供相位锁定信号。四线SPI窜行接口用于结构配置。
2.3.2 接口电路实现(如图5)
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3 软件设计
软件使用C语言编制。RS-232/485接口和红外传输接口的编程均符合串行通讯编程标准。射频芯片[url=http://www.ic37.info/2008-8-3/CC1020.html][color=#0000ff]CC1020[/color][/url]与单片机的编程接口采用SPI总线。相关手册上已有较为详细说明。
4 结束语
本设计模块集成RS232/RS485、红外通信、无线射频传输三种常用标准接口。可单独使用，也可作为系统拓展模块集成于现有系统中。既降低了生产成本，又提高了通用性和灵活性。而且适用范围广泛。具有很大实用价值。
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