??? 摘? 要: 介紹了一種使用基于“藍(lán)牙”技術(shù)的無線收發(fā)芯片TR3001設(shè)計實(shí)現(xiàn)的無線教學(xué)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),。探討了系統(tǒng)設(shè)計中遇到的電源控制,、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)采用短距離無線電技術(shù),在30英尺的范圍內(nèi)傳輸語音和數(shù)據(jù),。經(jīng)由所謂的″個人局域網(wǎng)絡(luò)″(personal-area network),藍(lán)芽可使設(shè)備上互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)以及連接移動電話,、PC和其他設(shè)備,。采用“藍(lán)牙”技術(shù)設(shè)計實(shí)現(xiàn)的芯片內(nèi)置了VCO,、功率放大器、信號收發(fā)的切換開關(guān),、IF濾波器等電路,具有高集成度,、低價格、低功耗的特點(diǎn),。本文介紹的無線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)采用了“藍(lán)牙”技術(shù)設(shè)計的芯片TR3001,并通過嵌入式控制器對芯片TR3001的工作狀態(tài)進(jìn)行控制,系統(tǒng)采用時分多址工作方式,保證了各學(xué)生終端之間互不干擾,模塊化設(shè)計使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的靈活性,增加學(xué)生終端,對系統(tǒng)不需要作任何改動,本系統(tǒng)可供64個學(xué)生終端同時使用,。?

??? 隨著計算機(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,面向大專院校,。小學(xué)教學(xué)要求教師與學(xué)生之間互動性很強(qiáng),采用情景式,、會話式教學(xué)。本文介紹的無線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)采用了無線組網(wǎng)方式,教師與學(xué)生的終端可隨意移動,很適合小學(xué)教學(xué)的要求,。?

1 系統(tǒng)設(shè)計?

??? 系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方法,由學(xué)生終端,、教師終端、一臺多媒體PC機(jī),、一塊PC機(jī)接口板,、投影設(shè)備等幾個模塊組成,如圖1所示。學(xué)生終端和教師終端均配有一塊手寫板,可在上面進(jìn)行寫字,、畫圖等操作,。教師終端為無線發(fā)射單工方式,工作頻率為433.92MHz,可對PC機(jī)實(shí)現(xiàn)無線鼠標(biāo)操作。教師書寫的內(nèi)容不需要進(jìn)行存儲處理,實(shí)時顯示于PC機(jī)屏幕上,。學(xué)生終端為無線發(fā)射/接收雙工方式,工作頻率為315MHz,學(xué)生書寫的內(nèi)容首先要進(jìn)行存儲處理,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)合了時分多址,、頻分多址兩種技術(shù),。具體工作過程是:通過軟件設(shè)計,在PC機(jī)上顯示1、2,、……63,、64個學(xué)生的終端號,PC機(jī)接口板給每個學(xué)生終端分配一個唯一的地址,教師通過手寫板點(diǎn)擊學(xué)生終端號, PC機(jī)接口板對應(yīng)地址進(jìn)行編碼、調(diào)制,、發(fā)射;此時,所有學(xué)生終端均處于接收狀態(tài),將接收信號進(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)一個地址,同一時間只有一個學(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)所帶來的頻點(diǎn)分配困難,、交叉干擾嚴(yán)重的問題。?

2 學(xué)生終端設(shè)計?

??? 學(xué)生終端采用了模塊化設(shè)計,由電源控制電路,、地址編碼/解碼電路,、無線收發(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,無線收發(fā)電路采用了基于“藍(lán)牙”技術(shù)設(shè)計的無線收發(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)自動關(guān)機(jī)功能。方法是:在單片機(jī)內(nèi)部設(shè)計監(jiān)控程序,程序內(nèi)設(shè)定一時間常數(shù),實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)入口,若檢測到在此時間常數(shù)內(nèi)單片機(jī)一直沒有有效數(shù)據(jù)輸入,就認(rèn)為是學(xué)生忘記了關(guān)機(jī),此時,啟動內(nèi)部關(guān)機(jī)程序,關(guān)閉工作指示,切斷電源,下次使用時須重新開關(guān)電源;若這段時間內(nèi)至少接收到了一次對應(yīng)地址信號,則重新設(shè)定此時間常數(shù),實(shí)現(xiàn)自動關(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和與其對應(yīng)的解碼器MC145028來實(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。工作過程是:通過單片機(jī)控制,PC機(jī)接口板從PC機(jī)串口讀取地址信號,經(jīng)MC145026對地址信號進(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解調(diào)后再經(jīng)MC145028解碼,所得地址信號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,都包括無線收發(fā)電路部分,。如能設(shè)計一通用模塊,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)計的無線收發(fā)一體芯片TR3001實(shí)現(xiàn)了這種設(shè)計。?

??? TR3001是RFM公司最新推出的基于“藍(lán)牙”技術(shù)設(shè)計的單片無線收發(fā)一體芯片,在一個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),。無線收發(fā)電路設(shè)計原理圖如圖3所示,從圖中可以看出,整個電路設(shè)計簡單,外圍元器件少,無調(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,為數(shù)據(jù)輸入腳,工作狀態(tài)為接收時,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)部比較器比較門限,典型設(shè)定值R_TH1=27kΩ,R_TH2=100kΩ;14,、15腳電阻R_PR,R_PW對數(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),具體見表1,。其余各外圍參數(shù)的設(shè)定方法見參考文獻(xiàn)3,。?

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3 系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵問題及其解決方法?

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)程序啟動時,TPS7350(2)2腳EN為高電平,5和6腳無電壓輸出,從而實(shí)現(xiàn)自動關(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,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)換芯片為美國美信公司的Mas9124,它同時具有電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓的功能,電壓輸入為5V時,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。選擇好天線的類型很重要,這決定了天線在這個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,可利用高頻毫伏表等儀器進(jìn)行測量,。實(shí)踐表明,在使用此款芯片時,使用一種形狀類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)計的單片無線收發(fā)一體芯片,將時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。整個系統(tǒng)采用4節(jié)2號電池單電源供電,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,可同時供64個學(xué)生使用,。系統(tǒng)測試達(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·實(shí)驗(yàn)·測試(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.1999