??? 摘? 要: 介紹了一種使用基于“藍牙”技術的無線收發芯片TR3001設計實現的無線教學網絡系統。探討了系統設計中遇到的電源控制、工作狀態轉換、天線匹配等難題,并提出了解決方法。?
??? 關鍵詞: 無線教學網絡? 藍牙技術(Bluetooth)? 電源控制? TR3001芯片?
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??? “藍牙”技術采用短距離無線電技術,在30英尺的范圍內傳輸語音和數據。經由所謂的″個人局域網絡″(personal-area network),藍芽可使設備上互聯網絡以及連接移動電話、PC和其他設備。采用“藍牙”技術設計實現的芯片內置了VCO、功率放大器、信號收發的切換開關、IF濾波器等電路,具有高集成度、低價格、低功耗的特點。本文介紹的無線網絡教學系統采用了“藍牙”技術設計的芯片TR3001,并通過嵌入式控制器對芯片TR3001的工作狀態進行控制,系統采用時分多址工作方式,保證了各學生終端之間互不干擾,模塊化設計使得系統具有很強的靈活性,增加學生終端,對系統不需要作任何改動,本系統可供64個學生終端同時使用。?
??? 隨著計算機技術、多媒體技術以及通訊技術的不斷發展,各種教學網絡系統相繼涌現,但大多為有線組網方式,面向大專院校。小學教學要求教師與學生之間互動性很強,采用情景式、會話式教學。本文介紹的無線網絡教學系統采用了無線組網方式,教師與學生的終端可隨意移動,很適合小學教學的要求。?
1 系統設計?
??? 系統采用模塊化設計方法,由學生終端、教師終端、一臺多媒體PC機、一塊PC機接口板、投影設備等幾個模塊組成,如圖1所示。學生終端和教師終端均配有一塊手寫板,可在上面進行寫字、畫圖等操作。教師終端為無線發射單工方式,工作頻率為433.92MHz,可對PC機實現無線鼠標操作。教師書寫的內容不需要進行存儲處理,實時顯示于PC機屏幕上。學生終端為無線發射/接收雙工方式,工作頻率為315MHz,學生書寫的內容首先要進行存儲處理,再進行調制發射。PC機接口板內有兩塊芯片,一塊為無線接收單工方式,工作頻率為433.92MHz,接收教師終端的數據。另一塊為無線發射/接收雙工方式,工作頻率為315MHz,可與學生終端實現雙向數據傳送。系統無線發射功率小于1mW。?
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??? 為克服單純采用頻分多址技術所帶來的頻點分配、管理困難、交調干擾嚴重的難題,系統結合了時分多址、頻分多址兩種技術。具體工作過程是:通過軟件設計,在PC機上顯示1、2、……63、64個學生的終端號,PC機接口板給每個學生終端分配一個唯一的地址,教師通過手寫板點擊學生終端號, PC機接口板對應地址進行編碼、調制、發射;此時,所有學生終端均處于接收狀態,將接收信號進行解調、解碼處理,得到地址數據,并和終端內置地址進行比較,若相同,則該學生終端的工作狀態轉為發送,將存儲數據發射;若不同,則終端仍保持為接收地址狀態。PC機接口板一次只發一個地址,同一時間只有一個學生終端被選中,學生終端互不干擾。從而解決了單純采用頻分復用技術所帶來的頻點分配困難、交叉干擾嚴重的問題。?
2 學生終端設計?
??? 學生終端采用了模塊化設計,由電源控制電路、地址編碼/解碼電路、無線收發電路等幾大部分組成。學生終端功能模塊劃分如圖2所示。其中,無線收發電路采用了基于“藍牙”技術設計的無線收發一體芯片TR30013。?
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2.1 電源控制電路?
??? 為防止學生課后忘記關電源,減少電源耗費,系統采用了電源控制技術,以實現自動關機功能。方法是:在單片機內部設計監控程序,程序內設定一時間常數,實時監測數據入口,若檢測到在此時間常數內單片機一直沒有有效數據輸入,就認為是學生忘記了關機,此時,啟動內部關機程序,關閉工作指示,切斷電源,下次使用時須重新開關電源;若這段時間內至少接收到了一次對應地址信號,則重新設定此時間常數,實現自動關機保護功能。?
2.2 地址編碼/解碼電路?
??? 地址編碼/解碼電路選用編碼器MC145026和與其對應的解碼器MC145028來實現。其中,地址編碼器MC145026在PC機接口板電路上,地址解碼器MC145028在學生終端電路上。工作過程是:通過單片機控制,PC機接口板從PC機串口讀取地址信號,經MC145026對地址信號進行編碼,再進行調制發射。學生終端將接收的地址編碼信號解調后再經MC145028解碼,所得地址信號若與本終端的地址一致,則產生中斷程序響應,使本終端工作狀態轉換為發射狀態,發射本終端存儲的數據。若不一致,則學生終端仍保持為接收狀態。?
2.3 無線收發電路?
??? 不管是教師終端、學生終端,還是PC機接口板,都包括無線收發電路部分。如能設計一通用模塊,修改少量參數或更換元器件,各終端都能使用則最為理想,我們采用基于“藍牙”技術設計的無線收發一體芯片TR3001實現了這種設計。?
??? TR3001是RFM公司最新推出的基于“藍牙”技術設計的單片無線收發一體芯片,在一個20腳的芯片中包括了高頻發射、高頻接收、ASK/OOK調制、ASK/OOK解調等電路,是目前集成度很高的無線數據傳輸產品。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,芯片發射功率典型值為1mW,數據調制方式有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。無線收發電路設計原理圖如圖3所示,從圖中可以看出,整個電路設計簡單,外圍元器件少,無調試元器件,電路參數設定如下:引腳5和6腳電容CBBO為基帶耦合電容,以設置接收機基帶帶寬,設計公式為CBBO=70×SPMAX,SPMAX為數據流的最大脈沖寬度,此電容值可適當調節,以便獲得最佳性能;引腳7為調制數據輸入腳或解調數據輸出腳,工作狀態為發射時,為數據輸入腳,工作狀態為接收時,為數據輸出腳;三極管N1和電阻SR1用于實現電平匹配;8腳為調制數據輸入引腳,芯片發射功率與8腳輸入電流成正比,一般RTXM可取值8.2kΩ;9腳電阻RLPF為3dB帶寬調整電阻,單位為kΩ;電阻RTH1、RTH2設定芯片內部比較器比較門限,典型設定值RTH1=27kΩ,RTH2=100kΩ;14、15腳電阻RPR,RPW對數據率進行設定,電阻RPR、RPW單位均為kΩ;根據教學要求,數據調制率設為19.2kbps,根據經驗公式設定電阻值RPR=330kΩ,RPW=270kΩ;引腳20為射頻輸入/輸出引腳,接ESD保護線圈和匹配電感,以實現與天線阻抗的匹配;TR3001芯片有ASK和OOK兩種調制方式,17、18腳組合控制芯片的工作狀態,具體見表1。其余各外圍參數的設定方法見參考文獻3。?
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3 系統設計關鍵問題及其解決方法?
3.1學生終端電源的控制?
??? 為使終端具有自動關機功能,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。當單片機內關機程序啟動時,TPS7350(2)2腳EN為高電平,5和6腳無電壓輸出,從而實現自動關機的功能。?
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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。控制電平應滿足芯片電平要求,而單片機工作電壓為5V,可見,應有電壓轉換電路。由于TR3001芯片電壓漂移要求小于10mV,故應采用高性能電壓轉換芯片,以滿足電平要求。選用的電壓轉換芯片為美國美信公司的Mas9124,它同時具有電壓轉換和穩壓的功能,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315MHz,發射功率小,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,應反復調節,不要拘泥于理論;調試時,可利用高頻毫伏表等儀器進行測量。實踐表明,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 實驗結果?
??? 本文介紹的無線教學網絡系統由于采用了基于藍牙技術設計的單片無線收發一體芯片,將時分多址與頻分多址技術進行了有機結合,系統具有很強的魯棒性和可伸縮性。整個系統采用4節2號電池單電源供電,工作電流小于45mA,發射功率為0.8mW,教室內距離可達到10m以上,可同時供64個學生使用。系統測試達到性能指標要求,使用效果良好。?
參考文獻?
1 謝自美.電子線路設計·實驗·測試(第二版).武漢:華中理工大學出版社,2000?
2 何立民.單片機應用技術選編.北京:北京航空航天大學出版社,1994?
3? RFM 公司.芯片數據手冊.1999