??? 摘? 要: 介紹了一種使用基于“藍(lán)牙”技術(shù)的無(wú)線收發(fā)芯片TR3001設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的無(wú)線教學(xué)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。探討了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中遇到的電源控制、工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換、天線匹配等難題,并提出了解決方法。?

??? 關(guān)鍵詞: 無(wú)線教學(xué)網(wǎng)絡(luò)? 藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth)? 電源控制? TR3001芯片?

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??? “藍(lán)牙”技術(shù)采用短距離無(wú)線電技術(shù),在30英尺的范圍內(nèi)傳輸語(yǔ)音和數(shù)據(jù)。經(jīng)由所謂的″個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)″(personal-area network),藍(lán)芽可使設(shè)備上互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)以及連接移動(dòng)電話、PC和其他設(shè)備。采用“藍(lán)牙”技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的芯片內(nèi)置了VCO、功率放大器、信號(hào)收發(fā)的切換開(kāi)關(guān)、IF濾波器等電路,具有高集成度、低價(jià)格、低功耗的特點(diǎn)。本文介紹的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)采用了“藍(lán)牙”技術(shù)設(shè)計(jì)的芯片TR3001,并通過(guò)嵌入式控制器對(duì)芯片TR3001的工作狀態(tài)進(jìn)行控制,系統(tǒng)采用時(shí)分多址工作方式,保證了各學(xué)生終端之間互不干擾,模塊化設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的靈活性,增加學(xué)生終端,對(duì)系統(tǒng)不需要作任何改動(dòng),本系統(tǒng)可供64個(gè)學(xué)生終端同時(shí)使用。?

??? 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)以及通訊技術(shù)的不斷發(fā)展,各種教學(xué)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相繼涌現(xiàn),但大多為有線組網(wǎng)方式,面向大專(zhuān)院校。小學(xué)教學(xué)要求教師與學(xué)生之間互動(dòng)性很強(qiáng),采用情景式、會(huì)話式教學(xué)。本文介紹的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)采用了無(wú)線組網(wǎng)方式,教師與學(xué)生的終端可隨意移動(dòng),很適合小學(xué)教學(xué)的要求。?

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

??? 系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法,由學(xué)生終端、教師終端、一臺(tái)多媒體PC機(jī)、一塊PC機(jī)接口板、投影設(shè)備等幾個(gè)模塊組成,如圖1所示。學(xué)生終端和教師終端均配有一塊手寫(xiě)板,可在上面進(jìn)行寫(xiě)字、畫(huà)圖等操作。教師終端為無(wú)線發(fā)射單工方式,工作頻率為433.92MHz,可對(duì)PC機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)線鼠標(biāo)操作。教師書(shū)寫(xiě)的內(nèi)容不需要進(jìn)行存儲(chǔ)處理,實(shí)時(shí)顯示于PC機(jī)屏幕上。學(xué)生終端為無(wú)線發(fā)射/接收雙工方式,工作頻率為315MHz,學(xué)生書(shū)寫(xiě)的內(nèi)容首先要進(jìn)行存儲(chǔ)處理,再進(jìn)行調(diào)制發(fā)射。PC機(jī)接口板內(nèi)有兩塊芯片,一塊為無(wú)線接收單工方式,工作頻率為433.92MHz,接收教師終端的數(shù)據(jù)。另一塊為無(wú)線發(fā)射/接收雙工方式,工作頻率為315MHz,可與學(xué)生終端實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳送。系統(tǒng)無(wú)線發(fā)射功率小于1mW。?

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??? 為克服單純采用頻分多址技術(shù)所帶來(lái)的頻點(diǎn)分配、管理困難、交調(diào)干擾嚴(yán)重的難題,系統(tǒng)結(jié)合了時(shí)分多址、頻分多址兩種技術(shù)。具體工作過(guò)程是:通過(guò)軟件設(shè)計(jì),在PC機(jī)上顯示1、2、……63、64個(gè)學(xué)生的終端號(hào),PC機(jī)接口板給每個(gè)學(xué)生終端分配一個(gè)唯一的地址,教師通過(guò)手寫(xiě)板點(diǎn)擊學(xué)生終端號(hào), PC機(jī)接口板對(duì)應(yīng)地址進(jìn)行編碼、調(diào)制、發(fā)射;此時(shí),所有學(xué)生終端均處于接收狀態(tài),將接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼處理,得到地址數(shù)據(jù),并和終端內(nèi)置地址進(jìn)行比較,若相同,則該學(xué)生終端的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)送,將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)射;若不同,則終端仍保持為接收地址狀態(tài)。PC機(jī)接口板一次只發(fā)一個(gè)地址,同一時(shí)間只有一個(gè)學(xué)生終端被選中,學(xué)生終端互不干擾。從而解決了單純采用頻分復(fù)用技術(shù)所帶來(lái)的頻點(diǎn)分配困難、交叉干擾嚴(yán)重的問(wèn)題。?

2 學(xué)生終端設(shè)計(jì)?

??? 學(xué)生終端采用了模塊化設(shè)計(jì),由電源控制電路、地址編碼/解碼電路、無(wú)線收發(fā)電路等幾大部分組成。學(xué)生終端功能模塊劃分如圖2所示。其中,無(wú)線收發(fā)電路采用了基于“藍(lán)牙”技術(shù)設(shè)計(jì)的無(wú)線收發(fā)一體芯片TR30013。?

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2.1 電源控制電路?

??? 為防止學(xué)生課后忘記關(guān)電源,減少電源耗費(fèi),系統(tǒng)采用了電源控制技術(shù),以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)機(jī)功能。方法是:在單片機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)監(jiān)控程序,程序內(nèi)設(shè)定一時(shí)間常數(shù),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)入口,若檢測(cè)到在此時(shí)間常數(shù)內(nèi)單片機(jī)一直沒(méi)有有效數(shù)據(jù)輸入,就認(rèn)為是學(xué)生忘記了關(guān)機(jī),此時(shí),啟動(dòng)內(nèi)部關(guān)機(jī)程序,關(guān)閉工作指示,切斷電源,下次使用時(shí)須重新開(kāi)關(guān)電源;若這段時(shí)間內(nèi)至少接收到了一次對(duì)應(yīng)地址信號(hào),則重新設(shè)定此時(shí)間常數(shù),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)機(jī)保護(hù)功能。?

2.2 地址編碼/解碼電路?

??? 地址編碼/解碼電路選用編碼器MC145026和與其對(duì)應(yīng)的解碼器MC145028來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中,地址編碼器MC145026在PC機(jī)接口板電路上,地址解碼器MC145028在學(xué)生終端電路上。工作過(guò)程是:通過(guò)單片機(jī)控制,PC機(jī)接口板從PC機(jī)串口讀取地址信號(hào),經(jīng)MC145026對(duì)地址信號(hào)進(jìn)行編碼,再進(jìn)行調(diào)制發(fā)射。學(xué)生終端將接收的地址編碼信號(hào)解調(diào)后再經(jīng)MC145028解碼,所得地址信號(hào)若與本終端的地址一致,則產(chǎn)生中斷程序響應(yīng),使本終端工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換為發(fā)射狀態(tài),發(fā)射本終端存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。若不一致,則學(xué)生終端仍保持為接收狀態(tài)。?

2.3 無(wú)線收發(fā)電路?

??? 不管是教師終端、學(xué)生終端,還是PC機(jī)接口板,都包括無(wú)線收發(fā)電路部分。如能設(shè)計(jì)一通用模塊,修改少量參數(shù)或更換元器件,各終端都能使用則最為理想,我們采用基于“藍(lán)牙”技術(shù)設(shè)計(jì)的無(wú)線收發(fā)一體芯片TR3001實(shí)現(xiàn)了這種設(shè)計(jì)。?

??? TR3001是RFM公司最新推出的基于“藍(lán)牙”技術(shù)設(shè)計(jì)的單片無(wú)線收發(fā)一體芯片,在一個(gè)20腳的芯片中包括了高頻發(fā)射、高頻接收、ASK/OOK調(diào)制、ASK/OOK解調(diào)等電路,是目前集成度很高的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)品。芯片工作頻率為315MHz,工作電壓范圍為2.7V～3.5V,電壓漂移要求小于10mV,芯片發(fā)射功率典型值為1mW,數(shù)據(jù)調(diào)制方式有OOK和ASK兩種,芯片提供了與控制器的接口,用以控制芯片的工作狀態(tài)。無(wú)線收發(fā)電路設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示,從圖中可以看出,整個(gè)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,外圍元器件少,無(wú)調(diào)試元器件,電路參數(shù)設(shè)定如下:引腳5和6腳電容C_BBO為基帶耦合電容,以設(shè)置接收機(jī)基帶帶寬,設(shè)計(jì)公式為C_BBO=70×SP_MAX,SP_MAX為數(shù)據(jù)流的最大脈沖寬度,此電容值可適當(dāng)調(diào)節(jié),以便獲得最佳性能;引腳7為調(diào)制數(shù)據(jù)輸入腳或解調(diào)數(shù)據(jù)輸出腳,工作狀態(tài)為發(fā)射時(shí),為數(shù)據(jù)輸入腳,工作狀態(tài)為接收時(shí),為數(shù)據(jù)輸出腳;三極管N1和電阻SR1用于實(shí)現(xiàn)電平匹配;8腳為調(diào)制數(shù)據(jù)輸入引腳,芯片發(fā)射功率與8腳輸入電流成正比,一般R_TXM可取值8.2kΩ;9腳電阻R_LPF為3dB帶寬調(diào)整電阻,單位為kΩ;電阻R_TH1、R_TH2設(shè)定芯片內(nèi)部比較器比較門(mén)限,典型設(shè)定值R_TH1=27kΩ,R_TH2=100kΩ;14、15腳電阻R_PR,R_PW對(duì)數(shù)據(jù)率進(jìn)行設(shè)定,電阻R_PR、R_PW單位均為kΩ;根據(jù)教學(xué)要求,數(shù)據(jù)調(diào)制率設(shè)為19.2kbps,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)定電阻值R_PR=330kΩ,R_PW=270kΩ;引腳20為射頻輸入/輸出引腳,接ESD保護(hù)線圈和匹配電感,以實(shí)現(xiàn)與天線阻抗的匹配;TR3001芯片有ASK和OOK兩種調(diào)制方式,17、18腳組合控制芯片的工作狀態(tài),具體見(jiàn)表1。其余各外圍參數(shù)的設(shè)定方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)3。?

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3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題及其解決方法?

3.1學(xué)生終端電源的控制?

??? 為使終端具有自動(dòng)關(guān)機(jī)功能,采用了雙電源供電方案。由兩塊TPS7350組成,控制電路如圖4所示。當(dāng)單片機(jī)內(nèi)關(guān)機(jī)程序啟動(dòng)時(shí),TPS7350(2)2腳EN為高電平,5和6腳無(wú)電壓輸出,從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)機(jī)的功能。?

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3.2 TR3001芯片工作方式的切換?

??? TR3001芯片的工作電壓為2.7V～3.5V,工作方式為半雙工,17、18引腳組合控制芯片的工作狀態(tài)?？刂齐娖綉?yīng)滿足芯片電平要求,而單片機(jī)工作電壓為5V,可見(jiàn),應(yīng)有電壓轉(zhuǎn)換電路。由于TR3001芯片電壓漂移要求小于10mV,故應(yīng)采用高性能電壓轉(zhuǎn)換芯片,以滿足電平要求。選用的電壓轉(zhuǎn)換芯片為美國(guó)美信公司的Mas9124,它同時(shí)具有電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓的功能,電壓輸入為5V時(shí),電壓輸出為3V,輸出電壓漂移小于10mV。?

3.3 天線和TR3001芯片之間的匹配?

??? TR3001芯片工作頻率高達(dá)315MHz,發(fā)射功率小,典型值只有1mW,功率的有效輻射非常重要。天線是功率能否有效輻射的關(guān)鍵。選擇好天線的類(lèi)型很重要,這決定了天線在這個(gè)頻段是否能有效輻射;其次是天線的具體尺寸,應(yīng)反復(fù)調(diào)節(jié),不要拘泥于理論;調(diào)試時(shí),可利用高頻毫伏表等儀器進(jìn)行測(cè)量。實(shí)踐表明,在使用此款芯片時(shí),使用一種形狀類(lèi)似電視外用接收天線的小天線,效果很好。?

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果?

??? 本文介紹的無(wú)線教學(xué)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由于采用了基于藍(lán)牙技術(shù)設(shè)計(jì)的單片無(wú)線收發(fā)一體芯片,將時(shí)分多址與頻分多址技術(shù)進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合,系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性和可伸縮性。整個(gè)系統(tǒng)采用4節(jié)2號(hào)電池單電源供電,工作電流小于45mA,發(fā)射功率為0.8mW,教室內(nèi)距離可達(dá)到10m以上,可同時(shí)供64個(gè)學(xué)生使用。系統(tǒng)測(cè)試達(dá)到性能指標(biāo)要求,使用效果良好。?

參考文獻(xiàn)?

1 謝自美.電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試(第二版).武漢:華中理工大學(xué)出版社,2000?

2 何立民.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1994?

3? RFM 公司.芯片數(shù)據(jù)手冊(cè).1999