聲表面波諧振器穩(wěn)頻的無(wú)線數(shù)字通信模塊設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種利用聲表面波諧振器穩(wěn)頻發(fā)射，晶振穩(wěn)頻接收的無(wú)線數(shù)字通信模塊的設(shè)計(jì)、制作及調(diào)試。該模塊可以使用單片機(jī)串口完成多機(jī)無(wú)線通信，具有占用單片機(jī)接口線少、節(jié)約程序空間的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：聲表面波諧振器；穩(wěn)頻；無(wú)線數(shù)字通信

引言
在許多現(xiàn)代的電子設(shè)計(jì)制作中單片機(jī)已經(jīng)普遍應(yīng)用，然而單片機(jī)之間的通信依然存在著許多不便。常見(jiàn)的有串口通信、SPI總線、I2C總線、單總線等等，雖然所需線數(shù)越來(lái)越少，但這些連接畢竟都是建立在有線連接的基礎(chǔ)上，基本上都需要共地連接，而在很多場(chǎng)合不允許共地(如電力系統(tǒng)檢測(cè))，有的場(chǎng)合不允許布線(如車輛的剎車和碰撞加速度實(shí)驗(yàn)、數(shù)字遙控)。這時(shí)就需要一種能夠進(jìn)行無(wú)線數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)碾娐贰?br />
1 設(shè)計(jì)目的與要求
采用無(wú)線數(shù)字傳輸模塊如(nRF905、nRF401)固然能夠滿足高速率、大數(shù)據(jù)量的數(shù)字信號(hào)無(wú)線傳輸，但是其固有地址編碼和通信模式控制，多數(shù)采用SPI總線完成。對(duì)于有內(nèi)部集成SPI接口的單片機(jī)而言，至少占用3個(gè)引腳來(lái)完成SCK、MOSI、MISO的功能；對(duì)于沒(méi)有內(nèi)部集成SPI接口的單片機(jī)，還需要通過(guò)軟件模擬SPI接口。
這樣造成了單片機(jī)的引腳和內(nèi)部程序空間的浪費(fèi)。同時(shí)數(shù)字傳輸模塊的價(jià)格在低成本模塊設(shè)計(jì)時(shí)也是一個(gè)要考慮的問(wèn)題。因此有必要自行設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)線數(shù)字通信模塊，并且該模塊應(yīng)該可以使用單片機(jī)都具有的通用串口(UART)完成模塊與單片機(jī)的通信。

2 電路設(shè)計(jì)
2．1 載波的選取與產(chǎn)生
根據(jù)我國(guó)《微功率(短距離)無(wú)線電設(shè)備管理暫行規(guī)定》中關(guān)于民用設(shè)備的無(wú)線控制裝置的頻率要求，同時(shí)綜合建筑物穿透能力、傳輸距離與器件是否方便獲取等因素，選取了315 MHz作為本設(shè)計(jì)的載波頻點(diǎn)。315 MHz可選的穩(wěn)頻網(wǎng)絡(luò)有LC振蕩器、晶體振蕩器、聲表面波諧振器(SAWF)等。其中LC振蕩器Q值最小可用帶寬相對(duì)較大，但是其頻率穩(wěn)定度受到元器件參數(shù)的影響較大，這給調(diào)試與使用帶來(lái)很大的不便。晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度高，但是高頻的晶體振蕩器加工存在著一定的困難。
聲表面波諧振器是用石英晶體或壓電陶瓷作為基底，在其上鍍有又指換能器(IDT)和反射柵，產(chǎn)生聲信號(hào)的時(shí)間延遲或振蕩，構(gòu)成聲表面波延遲線或諧振器。其通過(guò)壓電材料選取和又指換能器等參數(shù)設(shè)計(jì)，可產(chǎn)生不同的聲表面波頻率特性，是一種濾波器件，其振蕩特性正好滿足設(shè)計(jì)要求。
2．2 調(diào)制與發(fā)射電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試
由于使用的是聲表諧振器(Q值較高)的振蕩電路輸出作為載波，同時(shí)為了在使用串口直接輸出時(shí)調(diào)制方便，兼顧接收解調(diào)電路在這里采用的是OOK調(diào)制方式。沒(méi)計(jì)的要求就是：當(dāng)單片機(jī)串口TXD輸出高電平的時(shí)候電路振蕩；當(dāng)其輸出低電平的時(shí)候電路停振。
可以采用如圖1所示的發(fā)射電路。電路中L1為高頻扼流圈，R1、R2為偏置電阻，C1為交流旁路電容，天線在諧振狀態(tài)下可以等效為一個(gè)純阻負(fù)載。

發(fā)射電路的交流等效電路如圖2所示。其中R1是天線等效負(fù)載。L1、C1、C2與Q1當(dāng)SAWF交流短路時(shí)組成電容三點(diǎn)式振蕩同路，回路振蕩頻率在其特征頻率附近，通過(guò)改變L1的匝徑與匝間距可以使LC振蕩回路落在315 MHz頻率附近。這樣就滿足了起振的相位條件，振蕩的幅度條件由晶體管的非線性特性保證。這時(shí)，選頻網(wǎng)絡(luò)包括了SAWF，因?yàn)橹挥蓄l率在315 MHz時(shí)SAWF才表現(xiàn)為高頻短路，即把電容C1的反饋電壓送入晶體管Q1的基極。只有在TXD端高電平的時(shí)候以上條件才完全滿足；當(dāng)TXD為低電平時(shí)，晶體管Q1截至，電路停振，而這正是我們需要的OOK調(diào)制形式。
調(diào)試電路時(shí)，由于儀器限制，很多時(shí)候很難調(diào)整L1的匝徑與匝間距等參數(shù)。這時(shí)可以接TXD為高電平，通過(guò)短接SAWF，暫時(shí)略去其選頻功能，直接調(diào)整L1參數(shù)與后面即將提到的接收機(jī)這樣只有L1、C1、C2振蕩在315MHz時(shí)接收電路才會(huì)有輸出，達(dá)到了調(diào)整L1參數(shù)的目的。