声表面波谐振器稳频的无线数字通信模块设计

摘要：介绍了一种利用声表面波谐振器稳频发射，晶振稳频接收的无线数字通信模块的设计、制作及调试。该模块可以使用单片机串口完成多机无线通信，具有占用单片机接口线少、节约程序空间的优点。
关键词：声表面波谐振器；稳频；无线数字通信

引言
    在许多现代的电子设计制作中单片机已经普遍应用，然而单片机之间的通信依然存在着许多不便。常见的有串口通信、SPI总线、I2C总线、单总线等等，虽然所需线数越来越少，但这些连接毕竟都是建立在有线连接的基础上，基本上都需要共地连接，而在很多场合不允许共地(如电力系统检测)，有的场合不允许布线(如车辆的刹车和碰撞加速度实验、数字遥控)。这时就需要一种能够进行无线数字信号传输的电路。

1 设计目的与要求
    采用无线数字传输模块如(nRF905、nRF401)固然能够满足高速率、大数据量的数字信号无线传输，但是其固有地址编码和通信模式控制，多数采用SPI总线完成。对于有内部集成SPI接口的单片机而言，至少占用3个引脚来完成SCK、MOSI、MISO的功能；对于没有内部集成SPI接口的单片机，还需要通过软件模拟SPI接口。
    这样造成了单片机的引脚和内部程序空间的浪费。同时数字传输模块的价格在低成本模块设计时也是一个要考虑的问题。因此有必要自行设计一个简单的无线数字通信模块，并且该模块应该可以使用单片机都具有的通用串口(UART)完成模块与单片机的通信。

2 电路设计
2．1 载波的选取与产生
    根据我国《微功率(短距离)无线电设备管理暂行规定》中关于民用设备的无线控制装置的频率要求，同时综合建筑物穿透能力、传输距离与器件是否方便获取等因素，选取了315 MHz作为本设计的载波频点。315 MHz可选的稳频网络有LC振荡器、晶体振荡器、声表面波谐振器(SAWF)等。其中LC振荡器Q值最小可用带宽相对较大，但是其频率稳定度受到元器件参数的影响较大，这给调试与使用带来很大的不便。晶体振荡器的频率稳定度高，但是高频的晶体振荡器加工存在着一定的困难。
    声表面波谐振器是用石英晶体或压电陶瓷作为基底，在其上镀有又指换能器(IDT)和反射栅，产生声信号的时间延迟或振荡，构成声表面波延迟线或谐振器。其通过压电材料选取和又指换能器等参数设计，可产生不同的声表面波频率特性，是一种滤波器件，其振荡特性正好满足设计要求。
2．2 调制与发射电路的设计与调试
    由于使用的是声表谐振器(Q值较高)的振荡电路输出作为载波，同时为了在使用串口直接输出时调制方便，兼顾接收解调电路在这里采用的是OOK调制方式。没计的要求就是：当单片机串口TXD输出高电平的时候电路振荡；当其输出低电平的时候电路停振。
    可以采用如图1所示的发射电路。电路中L1为高频扼流圈，R1、R2为偏置电阻，C1为交流旁路电容，天线在谐振状态下可以等效为一个纯阻负载。

    发射电路的交流等效电路如图2所示。其中R1是天线等效负载。L1、C1、C2与Q1当SAWF交流短路时组成电容三点式振荡同路，回路振荡频率在其特征频率附近，通过改变L1的匝径与匝间距可以使LC振荡回路落在315 MHz频率附近。这样就满足了起振的相位条件，振荡的幅度条件由晶体管的非线性特性保证。这时，选频网络包括了SAWF，因为只有频率在315 MHz时SAWF才表现为高频短路，即把电容C1的反馈电压送入晶体管Q1的基极。只有在TXD端高电平的时候以上条件才完全满足；当TXD为低电平时，晶体管Q1截至，电路停振，而这正是我们需要的OOK调制形式。
    调试电路时，由于仪器限制，很多时候很难调整L1的匝径与匝间距等参数。这时可以接TXD为高电平，通过短接SAWF，暂时略去其选频功能，直接调整L1参数与后面即将提到的接收机这样只有L1、C1、C2振荡在315MHz时接收电路才会有输出，达到了调整L1参数的目的。
2．3 接收与解调电路的设计与制作
    因为遥控与无线数据通信不同，遥控信号中信息量少并且可以使用脉宽编码调制等方式使用超再生接收电路，目前实际使用的很多遥控器电路都是使用超再生接收机的。
    但是，超再生电路由于其灵敏度和间歇振荡频率的关系决定了间歇频率在几十到几百kHz左有，可用数字带宽极小，这样就造成了数据传输率的低下。所以，在本设计中采用超外差电路的方法。超外差电路需要本振、混频、低通、低放、检波、整形等环节，如果采用分立元件搭接，电路复杂调试不便，在此采用Micrel公司的MICRF002集成芯片完成一体化的超外差接收，直接完成接收、OOK解调的功能。MICRF002内部电路如图3所示。

    图3内部集成有射频放大模块，天线接收信号后与外接品振倍频后的本地振荡混频，经一级中频放大后经过五阶带通滤波，再由第二级中频放大、峰值检波、低通滤波、比较整形一系列操作得到所需数字信号。所有这些电路均集成为一块芯片，外部仅需3个分立元件：AGC匹配电容、低通滤波电容、晶振。当使用6 MHz晶振的时候RC低通滤波的内部等效电阻约为118 kΩ，取低通滤波的频率上限为9．6 kbps的10倍，即96 kHz，得到τ=1／96kHz=RC，可知C取100 pF。接收电路如图4所示。

    因为接收电路极其简单，基本无需调试。所以，在接收电路制作完成后，前面提到的发射电路可用它来调试L、C参数。

3 实验结果与分析
    该系统可直接利用单片机片上UART完成通信，具有元器件简单、调试方便、占用单片机接口线少、节约程序空问等优点。在资助课题“基于电流刺激模型的新型电刺激仪”中电针遥控的实际应用场合测试，该系统在80 m左右能很好地使用4．8 kbps完成无线数字通信，在9．6 kbps下接收存在着较低的误码率。其原冈是接收端低通滤波参数仍不够9．6 kHz的信号带宽使用造成的，但可使用奇偶校验、CRC校验等方式予以克服。经多个应用实例检验，本电路均能很好地完成单片机无线数字通信的任务，同时具有软硬件资源占用少、调试基本无须高频设备的优点。