• 无线投票表决器设计 篇章一

    无线投票表决器设计

     

     

      

     

    绪论1

    系统构成与特点.1

    2.1 无线表决系统构成

    1 2.2 无线收发模块

    3 3 芯片介绍 4

    3.1 芯片构成与特点

    4 3.2 芯片功能

    7 4 硬件设计

    94.1 主控模块设计

    94.1.1串口传输

    9 4.1.2 主机与控制器通信

    9 4.1.3 串行接口芯片

    10 4.1.4 串口与PC机连接

    11 4.1.5单片机的选择

    13 4.1.6 射频芯片

    13 4.2 表决器设计14

     

    4.2.1面板设计

    14 4.2.2硬件设计

    14

    软件设计

    15 6主机和表决器收发的通讯过程

    17 7结束语

    17 致谢

    18 参考文

    19 附录

    20 附录二1

     

     

     

    绪论

     

    随着电子技术的发展,人们对通信的依赖程度越来越高。目前国内微机网络多为有线通信方式,而无线通信以其独特的优点,在现代通信领域逐渐占据重要地位。无线通信技术,具有以下三个显著的特点:

     

    1)传输介质采用的是电磁波,而不是串行总线物理接口标准的电缆线,所以特别适用于那些不适合或不方便架设电缆线的地方或场所。

     

    2)由串行总线物理接口标准(RS-422RS-485)构成的单片机多机通信系统,连接主控器上的收发器的数量受接口的限制,而应用单片机编解码接PS口技术的通信系统中采用多字节地址编码,收发器的数量不受限制,这是任何接口标准无法比拟的。

     

    3)无线技术通信系统具有电路简单、功耗小、体积小、成本低、运行可靠和调试方便等优点。比有线系统的稳定性、可靠性高。

     

    无线表决系统是专为会议设计开发的表决系统,与有线系统相比无需繁琐的布线工作,只需与会代表每人拿一部无线表决器即可实现会议的表决工作。由于会议系统稳定性、可靠性的要求较高,所以系统的稳定可靠性、抗干扰能力和保密性能方面是设备最重要的关键指标。而这些指标主要体现在无线数据传输和通讯技术的应用上,因此系统的核心技术就是无线数据传输和通讯。本系统的无线数据传输技术利用先进的数字无线电设计思想,在选用大规模、低功耗专用集成电路的基础上设计制造。在电源设计、降低功耗、提高抗干扰能力等方面都进行了优化设计。对于便携式设备,系统电源设计是一个非常重要的环节,无线表决器采用超低功耗CPU芯片,采用低功耗系统设计思想,从而最大限度地提高了可靠稳定性与适用性。

     

    系统构成与特点

     

    2.1 无线表决系统构成

     

    无线电子表决系统是针对人大、政协、政府、企事业单位各类议案表决、民主评议、人事选举、测评打分、现场互动等需求而研制开发,系统采用无线通信技术,功能齐全,安全可靠,保密性强,操作简单,具有硬件设计高度可靠、按键投票保密性强、用户操作直观明了、产品功能多种多样等优点。电子表决方式解决了以往举手表决所带来的弊端,使参会人员的意愿更加真实独立,即是对参会人员职权的尊重,又是对民主和法制的尊重。同时,电子表决结果自动生成,节省了会议时间和人力,提高了会议效率。与有线表决相比,无线电子表决系统在可靠性、安全性、以及易用性上更有优势,而且大幅度降低了会议成本,适合普及推广,表决系统的功能设计与实现是以实用、高效、可靠、友好为目标,

     

    足政府部门与各种商业化投票选择问题所用,无线投票表决系统包括主机、大屏幕显示器、数据收发控制器(主控装臵和无线收发装臵)、无线表决器。其中核心的组成部分是无线收发装臵,无线表决系统用于完成表决信息的采集处理和显示它主要由主控器表决器和pc机部分组成,其中pc机通过接口和主控器相连,主要完成向主控器发出各种指令以及收集由主控器上传的有关表决器状态和最终表决结果的信息,并显示表决结果。

     

    主控器主要完成接收从发出的指令,再根据各指令通过无线数据传输电路向表决器发出相应的命令,当表决器执行相应的指令之后,主控器再负责将收集到命令当表决器执行相应的指令之后,主控器再负责将收集到的表决器状态或表决结果上传给,至此完成整个表决过程表决器则通过无线数据传输电路接收来自主控器的指令,并通过无线数据传输电路向主控器上传表决器状态和表决结果等,系统模型图如图1所示。

    表决器单元是与会代表进行表决时直接操作的选项控制设备,面板设有同意、反对、弃权三个控制键和相应的三组指示信号灯,在有效投票表决时间(时间可设定,一般表决时间20)内可以任意修改表决意见,以最后一次按下的表决键为投票结果,表决结束时,表决结果就被系统锁定,再按动其他表决键无效。持第一次按键有效和最后一次按键有效两种表决方式。表决结果数据自动保存,表决结果不可修改,可以重新执行。系统采用先进的无线数字通讯方式,组建无线网络,无需布线,管理方便;无线数字通讯方式,使系统抗干扰能力强,保证了系统的稳定性和可靠性。能绕过人体等障碍物,对手机等常见电子设备无干扰,可切换多种信道。效率高、表决结果统计非常快速。

    表决器单元通过无线收发装臵在单片机的芯片控制下,由参会代表执行他们的表决权,表决结果确定后再由主控制器通过串行接口与PC电脑连接实现表决

     

    系统网络与PC计算机之间通讯,将表决器检测、代表注册统计、表决结果等数据传输给PC电脑,由表决统计处理软件进行实时统计、显示、打印,同时由分配器将PC电脑连接到信息发布系统,同步显示表决结果信息。表决系统总体结构示意图如图2所示。

     

    系统总体结构示意图

     

    主控制器部分,主控制器是整个电子表决网络系统的控制部分。其核心部件是W77E516微处理器,具有检测分支控制器与表决器在线功能、执行表决器状态检测、代表注册统计、表决开始、停止等命令,并统计查询表决结果、传输表决结果数据。还可以通过接驳PC主控制计算机,实现表决结果信息显示、统计打印等功能。 2.2 无线收发模块

     

    无线收发模块主要完成射频信号的处理功能,包括产生射频能量,将读写器欲发往射频的命令调制到读写器发射的载频信号上,形成已调制的发射信号,经读写器的天线发送出去。发送出去的已调信号经过空间信道传送到射频卡上,射频对接收到的射频信号做出响应,形成返回读写器天线的发射回波信号;将射频返回到读写器的回波信号进行必要的加工处理并从中解调,提取出射频回送的编码数据。无线收发一体模块nRF401芯片性能优异,在电子领域居领先水平,因而是目前集成度较高的无线数据传输产品,以往设计无线数据传输产品常常需要相当的无线电专业知识和昂贵的专业设备,而且传统的电路方案不是电路太复杂就是调试困难而令人望而却步,以致影响了用户的使用和新产品的开发研制工作,nRF401的出现使人们摆脱了传统无线产品设计的困扰,另外,由于它采用了低发射功率,高灵敏度设计,因而可满足无线管制的要求且无需使用许可证,是目前低功率无线数据传输的理想选择。

     

    本系统的核心部分就在于无线收发控制模块以及射频模块,主机与无线收发控制模块、主控收发模块构成了无线表决系统的收发部分,无线收发模块是本系统的核心部分,通过无线收发一体芯片NRF401实现系统数据的接收与发射,NRF401是目前集成度最高的无线数据传输产品,20

     

    脚双列直插封装。其中包含高频接收、发射、合成、调制解调和双频切换等单元。系统收发模块构成如图3所示。

     

    芯片介绍

     

    3.1 芯片构成与特点

     

    NRF401是由挪威Nordic VLSI ASA公司推出的集收、收发于一体的无线通信芯片,在一个20管脚芯片内集成了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制/解调、参量放大、功率放大、频道切换等单元电路。NRF401使用具有较强抗干扰能力的FSK频率(Frequency Shift Keying)调制方式,改善了噪声环境下的系统性能,采用DSS PLL频率合成技术,工作频率稳定可靠。与ASK幅移键控(Amplitude Shift Keying)OOK开关键(On Off Keying)方式相比,这种方式的通信范围更广,特别是在附近有类似设备工作的场合,工作于433MHzISM频段,采用FSK调制与解调技术,数据通信速率高达20kb/s,最大传输功率为 10dBm,并可以调整传输功率,差分式天线接口,nRF401芯片的外围元件很少,只有一个基准晶振和几个无源器件,没有调试部件,这使其功耗极低,并给应用带来便利。

     

    NRF401是目前集成度最高的无线数据传输产品。以往设计无线数据传输产品往往需要相当的无线电专业知识和价格高昂的专业设备,传统的电路方案不是电路繁琐就是调试困难,因而影响了用户的使用和新产品的开发,NRF401的出现使人们摆脱了无线产品设计的困难。

     

    NRF401是国内应用最早的无线收发一体芯片,在接收模式中,nRF401被配臵成传统的外差式接收机,所接收的射频调制的数字信号被低噪声较大器放大,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。由于采用了晶体振荡和PLL合成技木,频率稳定性极好;采用FSK调制和解调,工作频率为国际通用的数据传输频段,抗干扰能力强。特别适合工业控制场合;灵敏度高,达到-105dBmnRF401);功耗小,接收状态250A,待机状态仅为8ANRF401最大发射功率达 10dBm;低工作电压2.7V,可满足低功耗设备的要求;具有多个频道,可方便地切换工作频率。NRF401的内部结构管脚图如图4所示。

     

    微功率无线射频通信模块特点:

     

    1)微功率发射,最大发射功率10mW

     

    2ISM频段,无需申请频点。载频频率433MHz,也可提供868/915MHz载频。(3)高抗干扰能力和低误码率。基于FSK的调制方式,采用高效前向纠错信道编码技术,提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力,在信道误码率为10-2时,可得到实际误码率10-5—10-6

     

    4)传输距离远。在视距情况下,天线高度>2,可靠的传输距离一般可达300-4000m(BER=1200bps)

     

    5)透明的数据传输。提供透明的数据接口,能适应任何标准或非标准的用户协议。自动过滤掉空中产生的假数据(所收即所发)

     

    6)多信道。STR系列标准配臵提供8个信道,如果用户需要的话,可扩展到16/32/64信道。满足用户多种通信组合方式。

     

    7)双串口3种接口方式。STR系列提供2个串口3种接口方式,COM1TTL电平UART接口。COM2由用户自定义为标准有RS-232/RS-485(用户只需要拔插1位短路器再上电即可定义)

     

    8)大的数据缓冲区。接口波特率1200/2400/4800/9600/19200/38400bps,格式为8N1/8E1用户自定义,可传输无限长的数据帧,用户编程更灵活。

     

    9)智能数据控制,用户无需编制多余的程序。即使是半双工通信,用户也无

     

    需编制多余的程序,只要从接口收发数据即可,其它如空中收/发转换,控制等操作,STR自动完成。 10)低功耗及休眠功能。

     

    NRF401无线收发芯片的收发模块电路图如图6所示,NRF401必须加简单的外围原件构成收发模块方可工作。图中天线口ANT1ANT2输出至600Ω的印制天线,C9C10为天线回路的谐振电容,R4用于适当降低天线回路的Q值。该电路的最大发射功率为10dBm,接收灵敏度高达-105dBm,开阔地的使用距离最远可达1000米。如要加大使用距离可在ANT1ANT2输出口加600Ω50Ω平衡非平衡变换电路,并接入输入输出放大和转换电路。于采用了低发射功率和高接收灵敏度的设计,因而可满足无线管制要求,无需使用许可证,是目前低功率无线数据传输的理想选择,可广泛用于遥控、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、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、无线遥控、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制等系统

     

    NRF401是一个为433MHz ISM频段设计的真正单片UHF无线收发芯片,满足欧洲电信工业标(ETSIEN300 200-1 V1.2.1nRF401的天线接口设计为差分天线,以便于使用低成本的PCB天线。无需进行初始化和配臵,工作电压范围可以从2.7-5V,还具有待机模式,可以更省电和高效。 3.2 芯片功能

     

    nRF401无线收发芯片具有20个引脚。重要时序参数:TXRX之间的切换,当从RX切换到TX模式时,数据输入脚(DIN)必须保持为高至少1ms才能收发数据。当从TX切换到RX时,数据输出脚(DOUT)要至少3ms以后有数据输出,StandbyRX之间的切换,从待机模式到接收模式,当PWR_UP输入设成1时,经过TSR时后,DOUT脚输出数据才有效,对nRF401来说,TST最长的时间是3ms,从待机模式到发射模式,所需稳定的最大时间是TSTPower UpTX间的切换,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的输入脚必须保持为低,以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必须保持1ms以后才可以往DIN发送数据,从上电到接收模式过程中,芯片将不会接收数据,DOUT也不会有数据输出,直到电压稳定达到2.7V以上,并且至少保持5ms。如果采用外部振荡器,这个时间可以缩短到3ms

     

    工作频率为国际通用的数据传输频段433MHzFSK调制,直接数据输入输出,抗干扰能力强,特别适合工业控制场合采用DSS PLL频率合成技术,频率稳定性极好。灵敏度高,达到-105dBmRF401)功耗小,接收待机状态仅为8uANRF401最大发射功率达 10dBm,低工作电压2.7V,可满足低功耗设备的要求具

     

    有多个频道,可方便地切换工作频率,特别满足需要多信道工作的特殊场合,可直接接单片机串口,仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件,基本无需调试,由于采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计,其芯片特性如图7所示。

     

    NRF401有三种工作模式:接收模式、发送模式和等待模式。在等待模式下,系统的功耗可以达到很小的值,nRF4016种工作模式的不同切换,如图8所示。其中TX为发送模式,RX为接收模式,Standby为待机模式,在等待模式下,系统的功耗可以达到很小的值。nRF401的工作模式可由3个引脚设定,分别是TXENCS  PWR_UP。因此,可通过单片机控制 nRF401的工作模式,使它处于接收、发射或等待状态,实现双工通信。

     

    在应用nRF401设计无线接口时,除要合理选用外部元件参数外,还要注意芯片的转换时间。NRF401接收机使用频移键控(FSK)调制方式,改善了噪声环境下的系统性能。NRF401另一个非常重要的特性是接收机的频带外阻抗很高,这意味着它不需要外部声表面波(SAW)滤波器。此外NRF401的解调器是DC平衡的,因此可以使用任何一种协议,也可以使用各种“0”“1”序列,因而无需浪费单片机宝贵的处理资源来进行曼彻斯特编码,本系统的无线通信模块发送部分是通过单片机串行口送到模块由模块发送,而接收部分是由模块接收到数据以后,由单片机控制相应部件工作。