基于低功率无线数据传输系统的研究与设计
0 引言
在当前的无线数据通信领域内，系统设计的微型化、低功率是发展的趋势与要求。在保证系统设计的有效性、可靠性的前提下如何实现低功率条件下的长距离无线数据传输是目前系统研究的主要问题。文章在分析了影响无线数据传输系统的相关因素，如频率选择、抗多径干扰、天线选择、协议设计等，分析了在低功率、微型化无线数传系统设计时对这些影响因素的具体解决思路。以单片机at89c5l和射频芯片nrf401为系统设计核心，提出了一种低功率、长距离、系统功耗低的无线数据传输系统的软硬件设计方案，并给出了系统扩展应用的基本方向与思路。
1 影响因素分析
在无线数据通信系统设计时，频段选择、多径干扰、天线选择、协议设计等下列因素对整个系统的功能实现与性能有着至关重要的影响。
1．1 频段选择
对一般的民用无线数据传输系统而言，确定工作频率的时应该从两方面考虑：一是所选择的频段应在免申请的自由频段内频率的：另一方面，频率的高低与信号的传输损耗有关，结合当前的技术发展现状，2．4ghz免申请微波频段成为首选频段，nrf401芯片就工作在此频段。
1．2 多径干扰
目前2．4ghz频段的通信设备越来越多，蓝牙、homerf、dect和无线局域网（wlan）等这类无线通信形式一般都采用2．4～2．5ghz ism频段，这些具有相同或相近工作频段的系统在某一特定的区域内，就会造成无线数据传输过程中的多径干扰，成为影响系统可靠性的主要因素。在系统设计时为了有效的降低多径干扰对系统性能的影响，可采用数字调制技术与扩展频谱通信技术，根据系统设计的低成本及微型化要求，可选择fsk+dsss来避免带内多径干扰。fsk调制具有设备简单、调制和解调方便等优点，并且具有较好的抗多径时延性能；dsss系统采用伪随机码的相关解扩，只要多径时延大于一个伪随机码的码片，多径就构不成干扰，反而可以利用这一干扰能量来提高系统性能。
1．3 天线选择
目前常用的微波天线有，外置式：1／4波长鞭状、1／4波长伸缩式天线（振子螺旋天线组合）、螺旋天线：内置式：微带缝隙、微带贴片、介质、背腔式、铁氧体式。其中内置式天线在使用的频段范围内，可以使天线的有效增益尽可能增大，进而提高无线传输距离；在保持有效增益的前提下，还要允许缩小尺寸和减轻重量。便于实现系统的微型化设计。
1．4 协议设计
对于无线数据传输系统而言，通信协议设计的是否得当，将会对整个系统性能产生重要的影响。以nrf401为例，其协议设计时要保证系统在无数据传输时处于休眠状态，降低系统功耗；同时还要考虑无线部分硬件不具备自动唤醒功能的，在有数据传输时能够及时唤醒设备确保数据不丢失。nrf40l协议设计的基本内容如下：
（1）首先每次发送应该有一个前置码，通常可采用101010101010……，持续一个给定的周期，这个前置码是实现低功耗的基础。
（2）接端平时可以开启接收几个毫秒，如果没有收到规定的前置101010101010……，然后关闭约1秒，通过检测前置码而获得同步。开关的时间比也就是工作的占空比，增加前置码的周期可以减少工作的时间，从而减少平均工作电流。
2 系统设计
对于本次的无线数据传输系统而，系统设计在保证系统功能实现的基础上，还要解决三个问题：低功率、长距离，低功耗。其中的低功率实现比较简单，因为nrf401芯片本身的最大发射功率只有+lodbm，同时在电路设计可通过合理设置r3（见图1）来调节发射功率。对于系统的低功耗要求可通过合理的协议设计来实现（上述2．4）。下来需要解决的主要问题便是长距离传输的系统软硬件设计。
2．1．长距离传输实现
实现长距离无线数据传输的解决方法有两个：一是加大功率来提高传输距离；二是采用高增益天线提高通信距离。
加大功率虽然可以有效提高传输距离，但同时会使系统电流消耗增加，并且构成系统的元器件数量也会增多，造成系统功耗及体积变大，不利于系统微型化和低功耗特性的实现。
而采用高增益天线来恰好可以避免上述缺点，在这种方式中采集成天线，无需增加额外的功耗和增加外围元件即可实现长距离的无线数据传输，其基本的理论依据如下：
采用odb增益天线，理论上的数据传输距离为：
●f0：434 mhz（λ=0．69 m）
●pt：10 dbm
●gtx ant：0db天线
●grx ant：0db天线
●s：-105 dbm
传输足巨离：r=λ／（4*π*10m）=30877m
其中：m=lp／20
lp=s—pt—gtx_ant—grx_ant=-115dbm
这是理想状况下的传输距离，实际的应用中是会低于该值，这是因为无线通信要受到各种外界因素的影响，如大气、阻挡物、多径等造成的损耗，将上述损耗的参考值计入上式中，即可计算出近似通信距离。
2．2 系统硬件设计
图1为nrf401在采用高增益天线时的典型应用电路
在系统设计中，以atmel 公司的at89c51 单片机作为系统控制器与该电路连接。由控制器发出控制信号改变txen端口的值，以改变nrf401 的收、发工作状态，nrf40l与at89c51连接方式如下图2示。
本系统处于半双工的工作状态。单片机的串口p3．0、p3．1分别和nrf4．01的dout、din相连接。txen、freq、pwr up可以分别由单片机的pl口的引脚进行控制。即发送的数据经由单片机的串口p3．1到达nrf401的din引脚，然后天线端口发送出去。接收数据的过程正好相反，数据经由天线，经过解调，到达dout端口，再由p3．0接收，经由sbuf转存到存储器中。单片机和nrf401 的连接如图2所示。芯片引脚din与单片机p3．1相连，需要发射的数字信号通过din输入。dout与单片机p3．0相连，解调出来的信号经过dout输出进入单片机。pwr up（节电控制）与单片机p1．2相连：pwr up=“1”为工作模式：pwr up=“0”为待机模式。电路进入待机状态，工作电流为8μa，电路不接收和发射数据。txen为发射允许控制，与单片机p1．0相连：txen=“1”为发射模式：txen=“0”为接收模式。为了设计上的方便，nrf401可以与单片机共用一个晶振，具体连接方法如图3所示：
2．3 系统软件设计
数据的收、发由at89c51控制。首先，对系统要进行初始化，让nrf401进入待机状态：使单片机工作在串口通信方式，利用单片机的中断响应，对。nrf40l芯片的相应引脚进行控制，实现数据的接收或发射。整个软件设计流程如图4所示。在程序设计的时候，要注意一个关键问题：即nrf401有多种不同的工作模式，当不同的模式进行转换时，系统存在相应的延迟，程序设计时必须考虑这一因素。nrf401不同工作模式下的时序如表1所示。
其中tx：发射模式；rx：接受模式；std_by：待机模式；vdd=0-tx：加电到发射模式；
vdd=0-rx：加电到接收模式。
当从接收转为发射模式时，数据输入引脚din必须保持为高至少1ms才能发送数据。当由发送模式转为接收模式时，数据输出引脚0ut要至少3ms以后才有数据输出（其他的状态，读者可以根据表1 自行分析） 。在编程实现的时候要把延迟考虑进去，才能达到准确无误接收。根据系统的功能要求，软件设计流程如下图4所示：
3 应用分析
本设计以nrf401和单片机at89c51为基础设计出了一款具有微型化、低功率、可长距离传输等特点的无线数据传输系统，在某环境监测与报警系统中进行了系统功能测试，测试结果表明，该系统在室外无障碍环境下的有效传输距离约为1300m，数据传输准确率较高，达到了预期的设计目标。
同时该系统可以作为一个开放式的无线数据传输模块，将该系统和数据采集设备有效结合，可以实现工业环境下的数据监测与监控需求。同时该系统也可实现无线语音传输，将话音信息经音频接口芯片（如ti公司的tlv320aicl0）进行a／d转换、采样、编码后送入系统，实现语音信息的无线传输。
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1 影响因素分析
在无线数据通信系统设计时，频段选择、多径干扰、天线选择、协议设计等下列因素对整个系统的功能实现与性能有着至关重要的影响。
1．1 频段选择
对一般的民用无线数据传输系统而言，确定工作频率的时应该从两方面考虑：一是所选择的频段应在免申请的自由频段内频率的：另一方面，频率的高低与信号的传输损耗有关，结合当前的技术发展现状，2．4ghz免申请微波频段成为首选频段，nrf401芯片就工作在此频段。
1．2 多径干扰
目前2．4ghz频段的通信设备越来越多，蓝牙、homerf、dect和无线局域网（wlan）等这类无线通信形式一般都采用2．4～2．5ghz ism频段，这些具有相同或相近工作频段的系统在某一特定的区域内，就会造成无线数据传输过程中的多径干扰，成为影响系统可靠性的主要因素。在系统设计时为了有效的降低多径干扰对系统性能的影响，可采用数字调制技术与扩展频谱通信技术，根据系统设计的低成本及微型化要求，可选择fsk+dsss来避免带内多径干扰。fsk调制具有设备简单、调制和解调方便等优点，并且具有较好的抗多径时延性能；dsss系统采用伪随机码的相关解扩，只要多径时延大于一个伪随机码的码片，多径就构不成干扰，反而可以利用这一干扰能量来提高系统性能。
1．3 天线选择
目前常用的微波天线有，外置式：1／4波长鞭状、1／4波长伸缩式天线（振子螺旋天线组合）、螺旋天线：内置式：微带缝隙、微带贴片、介质、背腔式、铁氧体式。其中内置式天线在使用的频段范围内，可以使天线的有效增益尽可能增大，进而提高无线传输距离；在保持有效增益的前提下，还要允许缩小尺寸和减轻重量。便于实现系统的微型化设计。
1．4 协议设计
对于无线数据传输系统而言，通信协议设计的是否得当，将会对整个系统性能产生重要的影响。以nrf401为例，其协议设计时要保证系统在无数据传输时处于休眠状态，降低系统功耗；同时还要考虑无线部分硬件不具备自动唤醒功能的，在有数据传输时能够及时唤醒设备确保数据不丢失。nrf40l协议设计的基本内容如下：
（1）首先每次发送应该有一个前置码，通常可采用101010101010……，持续一个给定的周期，这个前置码是实现低功耗的基础。
（2）接端平时可以开启接收几个毫秒，如果没有收到规定的前置101010101010……，然后关闭约1秒，通过检测前置码而获得同步。开关的时间比也就是工作的占空比，增加前置码的周期可以减少工作的时间，从而减少平均工作电流。
2 系统设计
对于本次的无线数据传输系统而，系统设计在保证系统功能实现的基础上，还要解决三个问题：低功率、长距离，低功耗。其中的低功率实现比较简单，因为nrf401芯片本身的最大发射功率只有+lodbm，同时在电路设计可通过合理设置r3（见图1）来调节发射功率。对于系统的低功耗要求可通过合理的协议设计来实现（上述2．4）。下来需要解决的主要问题便是长距离传输的系统软硬件设计。
2．1．长距离传输实现
实现长距离无线数据传输的解决方法有两个：一是加大功率来提高传输距离；二是采用高增益天线提高通信距离。
加大功率虽然可以有效提高传输距离，但同时会使系统电流消耗增加，并且构成系统的元器件数量也会增多，造成系统功耗及体积变大，不利于系统微型化和低功耗特性的实现。
而采用高增益天线来恰好可以避免上述缺点，在这种方式中采集成天线，无需增加额外的功耗和增加外围元件即可实现长距离的无线数据传输，其基本的理论依据如下：
采用odb增益天线，理论上的数据传输距离为：
●f0：434 mhz（λ=0．69 m）
●pt：10 dbm
●gtx ant：0db天线
●grx ant：0db天线
●s：-105 dbm
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其中：m=lp／20
lp=s—pt—gtx_ant—grx_ant=-115dbm
这是理想状况下的传输距离，实际的应用中是会低于该值，这是因为无线通信要受到各种外界因素的影响，如大气、阻挡物、多径等造成的损耗，将上述损耗的参考值计入上式中，即可计算出近似通信距离。
2．2 系统硬件设计
图1为nrf401在采用高增益天线时的典型应用电路
在系统设计中，以atmel 公司的at89c51 单片机作为系统控制器与该电路连接。由控制器发出控制信号改变txen端口的值，以改变nrf401 的收、发工作状态，nrf40l与at89c51连接方式如下图2示。
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其中tx：发射模式；rx：接受模式；std_by：待机模式；vdd=0-tx：加电到发射模式；
vdd=0-rx：加电到接收模式。
当从接收转为发射模式时，数据输入引脚din必须保持为高至少1ms才能发送数据。当由发送模式转为接收模式时，数据输出引脚0ut要至少3ms以后才有数据输出（其他的状态，读者可以根据表1 自行分析） 。在编程实现的时候要把延迟考虑进去，才能达到准确无误接收。根据系统的功能要求，软件设计流程如下图4所示：
3 应用分析
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同时该系统可以作为一个开放式的无线数据传输模块，将该系统和数据采集设备有效结合，可以实现工业环境下的数据监测与监控需求。同时该系统也可实现无线语音传输，将话音信息经音频接口芯片（如ti公司的tlv320aicl0）进行a／d转换、采样、编码后送入系统，实现语音信息的无线传输。
凌力尔特在慕尼黑上海电子展上于 BMW i3 车型中演示了突破性的无线电池管理系统
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